农田灌溉节水控制系统管理探讨范文

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1控制系统的部分硬件设计

智能控制系统是基于PIC16F1946单片机研制而成的。该单片机是一款Microchip公司研制的64引脚、高性能增强型8位微型处理器，其内置16K＊14字的Flash程序存储器，1024字节的数据存储器，256字节的数字EEPROM，Flash读写次数可达十万次，EEPROM读写次数可达一百万次；具有强大的DSP高速运算能力，可以满足智能控制装置各模块的数据处理要求；内部振荡器选择频率范围为31～32MHz，内含4倍频锁相环、故障保护时钟监视器、上电延时定时器、振荡器起振定时器和扩展型看门狗定时器，低功耗休眠功能，供电电压范围为1．8～5．5V。54个I／O引脚，引脚RA0－RA7、RB0－RB7、RC0－RC7、RD0－RD7、RE0－RE7、RF0－RF7均可作为通用I／O和LCD模拟输出；5个可编程预分频器和后分频器的定时计数器；3个增强型捕捉／比较PWM模块；2个带SPI和I2C的主同步串行端口；2个增强型通用异步收发器；14路10位模数AD转换器。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的八位单片机。智能控制系统主要包括三相电能计量电路ATT7022B，低压无功补偿控制电路，IC卡读写控制电路，HS12864－15B液晶显示电路，磁保持继电器控制和缺相检测等模块电路。

1.1三相电能计量模块

三相电能计量采用深圳炬力集成电路设计有限公司的ATT7022B低功耗芯片实现。该计量芯片ATT7022B具有精度高，输入动态工作范围为1000∶1，非线性测量误差小于0．1％；有功功率测量满足0．2s；无功功率测量满足2级；可测量各相电压有效值、电流有效值、功率因数、频率等参数；可测量各相的和三相的有功功率、无功功率、视在功率；支持全数字域的增益、相位校正；提供一个SPI接口，与外部MCU传递信息。电表常数可调，＋5V供电。芯片内部集成了七路二阶高速ADC，前三路用于三相电压采样，另外三路用于三相电流采样，最后一路用于零线电流或其他防窃电参数的采样。内部除了ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路，有效地消除了尖脉冲等干扰信号。该模块利用SPI接口与单片机PIC16F1946的信息传递。计量芯片CS、SCLK、DIN、DOUT分别与单片机SPI接口的片选信号、串行时钟输入、串行数据输入、串行数据输出相连接，另外，在连接线上串接一个10Ω的电阻和对地接上一个10pF的去耦小电容，实现低通滤波器，用于消除SPI接口信号上的振荡。

1.2软启动模块

异步电机软启动是利用串接于电源与异步电机之间的三相反并联晶闸管MJSY－QKJL模块作为调压模块实现的，虚线框内为MJSY－QKJL控制模块。在电机启动过程中，根据设置启动时间Ts，当t＜Ts时，实时读取ATT7022B芯片三相电压有效值和电流有效值，对闭环控制采用增量式数字PID运算及时计算出控制量，经12位的串行模拟转换器MAX538输出，控制三相反并联晶闸管MJSY－QKJL模块，从而实现控制晶闸管的导通角α实现交流输出电压的调节，控制启动电流和启动转矩的目的。随着绕组电压逐渐增大直到额定电压时，控制接通旁路继电器供电，0．2s后，三相反并联晶闸管MJSY－QKJL模块退出，软启动过程完成。软停止运行在电机负载要求平稳缓慢停车情况下，首先接通晶闸管MJSY－QKJL模块，全导通0．2s后，断开旁路继电器，然后晶闸管MJSY－QKJL模块的导通角逐渐减小，电枢运行电压逐渐降低，直到电枢电压降到0为止，实现零电压断开继电器，避免继电器断开瞬间出现“火花”烧坏触点的情况，完成电机平稳停车，消除了水锤现象。

1.3无功补偿控制电路等

在电机完成启动过程后，根据设置启动时间Ts，当t＞Ts时，电动机进入额定运行状态，实时读取ATT7022B芯片三相电动机的有功功率、有功电能、无功功率、无功电能、功率因数的测量值。自动进入功率因数测量与补偿子程序模块，实时监测用户末端的视在功率、功率因数的大小，根据视在功率和功率因数的大小，控制三相电力电容器组的接入和切除，实现末端低压电能无功补偿节能控制。无功补偿回路是利用PIC16F1946的RD、RE端口实现四路磁保持继电器控制，经过PC817光电隔离器后，控制功率COMS管IRL1530，驱动三相磁保持继电器，实现低压电能无功补偿节能控制。软启动和软停止旁路继电器控制利用PIC16F1946的RF6和RF7引脚来实现控制，完成供电与断电控制。在系统中继电器控制端，检测缺相信号输入端都使用了PC817光电隔离器。通过光的耦合作用传递电信号，提高系统抗干扰的能力。IC卡采用SIEMENS公司的SLE4442加密卡；液晶显示电路采用HOLTEK公司HS12864－15B的LCD显示驱动芯片；IC卡读写控制电路和LCD显示电路见参考文献［1］。

2软件程序设计

控制系统软的件程序共包括初始化及主程序，软启动程序，电压、电流、功率、功率因数检测子程序，无功补偿控制程序，IC卡读写处理程序，中断处理程序，定时器处理程序，液晶显示控制程序，电能计量与掉电处理程序，系统自检与软件抗干扰处理等程序模块。系统每次上电时都要进行初始化，初始化程序包括对PIC16F1946单片机定时器、中断等工作方式的设定，串行液晶驱动芯片HS12864－15B控制字，ATT7022B计量芯片控制字。按下启动按钮，电动机进入软启动工作状态，启动结束后电动机进入额定运行状态，自动进入功率因数检测与补偿控制程序，完成功率因数检测和电容器的接入控制。串行读取ATT7022B计量芯片，测量各相电压有效值、电流有效值、功率因数、频率等参数和三相的有功功率、无功功率、视在功率、三相电能；电量暂存储于PIC16F1946的RAM存储器中，然后累计电量每满一度便写入到片内EEPROM相应的地址中，电能计量中电量分为用户剩余电量和多用户累计用电量，PIC16F1946根据用户剩余电量余额大小，余额不足时电能计量LED指示灯闪烁，提醒用户需要购电。HS12864－15B显示控制程序实现汉字提示，液晶显示器显示用户编码和村码、剩余电量、累计用电量信息。

IC卡处理程序完成IC卡的密码校验、读写和IC卡的类型处理操作。IC卡共分5种类型，清零卡用于电能计量的出厂初始设置；设置卡用来设置单位的村庄编码和负荷门限和阶梯水价；换表卡用来换出表内全部信息再送入新更换的电能计量中；抄表卡用来抄回表内用户信息和累计用电量，然后利用读卡器传送给上位计算机售电管理系统；用户卡用户首先通过计算机售电管理系统进行开户交费充值，然后用来向电能表送电与取电。前四种卡是用电管理部门使用，用户仅持有用户卡。当插入用户卡送电时，按下启动按钮，电动机进入软启动工作，启动完成10s后，自动进入功率因数补偿和运行监控，开始灌溉。按下停止按钮时，电动机进入软停止，停止灌溉，再次插入用户卡时取电。实现谁插卡谁用电，灌溉结束后插卡取电，自动补偿和运行监控。控制系统的工作过程主程序流程图如图3所示，其他子程序模块流程图略。

3测试结果

该智能控制系统在淄博贝林电子有限公司进行了误差测试和运行试验，功率因数补偿效率达到98％。电能计量用0．1级标准电子式电能计量校验台作为标准表，该IC卡电能计量为被测表，电能计量额定负荷为40kW。贝林电子有限公司针对10、40kW2台井水水泵进行实验测试，。测试结果表明该IC卡电能计量误差小于1％，属于1．0级标准。经实验得知减小电能计量误差方法，一是通过调节ATT7022B的取样匹配电阻调整到精确值；二是该匹配电阻阻值要求随温度变化阻值变化较小；三是在电能计量过程中，当送电和取电时，计量电能的尾数部分不足0．01kWh的电能，余下的脉冲数值一块存取，避免了不足0．01kWh的电能丢失而造成累计电量有误差。

4结语

该智能控制系统实现了电动机带负载软启动和软停止控制、末端无功补偿控制、IC卡预付费多用户三相电能计量管理；设计出了集控制、补偿、管理于一体的新型灌溉控制系统；该系统通过电动机的平滑软启动解决水锤问题，利用低压电能无功补偿实现节能控制，利用预付费多用户三相电能计量实现谁插卡谁灌溉的节水管理。具有平滑起停、节能节水和低成本的特点，特别适合于农田灌溉控制和管理。该控制系统经淄博贝林电子有限公司生产表明，设计技术新颖，计量准确，IC卡控制灵活，液晶显示直观，功耗低的特点。对于农田机井灌溉节能节水效果显著，具有广阔的应用前景。

作者：姜吉顺，张亮，赵艳雷   单位：山东理工大学电气与电子工程学院