智能给水控制器设计
该设计采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02，其体积小，性能优，使用灵活方便，能够在系统掉电之后存储一些用户设定和运行的状态参数，以便重新启动机器之后读取。处理器自身集成的SMBus兼容I2C接口，可以直接与AT24C02通信，此方案不仅设计单，工作可靠，而且成本低廉。电路原理如图5所示。
3．6 继电器控制输出电路
主控制器驱动5个灵敏继电器K1～K5，分别控制1个泄流阀和2个泵电机，实现对泄流阀的打开与关断控制和泵的变频或工频状态切换。单片机通过信号线RX与TX将继电器状态控制信号串行输出给串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D将输出状态的硬件锁存，以防止输出状态被干扰，最后通过达林顿管ULN2003提高驱动能力，以控制水泵电机的工作状态和泄流阀的动作。
4 控制器的软件设计
该设计中对变频器输出频率的调节采用PID控制算法，其控制算法就是对偏差的比例、积分和微分。它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种算法，特别是在工业控制中，因为控制对象的精确数学模型很难建立，系统参数又经常发生变化，因此常采用PID控制算法，其控制示意图如图6所示。
它的数学表达式为：
式中：KP，KI和KD分别为比例系数、积分系数和微分系数；e(t)为误差。
式(1)离散化后可以用计算机很方便地实现，其位置式PID控制规律的数学表达式为：
式中：e(j)为第j次采样的误差值；T为采样周期。
在实际应用中，一般选择增量式PID控制规律。因为增量型算法与位置型算法相比，前者不需要做累加，不易产生大的累加误差，而且得出的是控制量的增量，误动作的影响比较小，更易于实现手动到自动的无冲击切换。增量式数字PID控制算式为：
在该设计中，执行机构采用变频器，由于采用增量式数字PID控制算法，所以对于每个采样周期，控制器输出的控制量都相对于上次的增加量，其系统控制算法流程如图7所示。
图7为增量式数字PID算法在整个系统中的控制流程，每次进入A／D定时采集中断，压力信号便会被转化为数字量，PID控制模块便将压力信号的数字量通过算法处理得出相应的控制输出数字量，接着启动D／A将数字输出转换为模拟电压输出，其模拟电压输出用以控制变频器。此模块配合继电器开关输出模块和压力采集模块，通过相应的控制策略实现实时测量和控制，保持供水管网压力的动态平衡。为了方便现场调试，在设计中使PID调整的上升、下降和跟踪采样周期的设定值可变，可以在开机时通过键盘改变其值，从而改变PID参数，以适应不同场合的控制需要。如图8所示，曲线1是参数调整前电机模块控制电压随时间变化的响应曲线；曲线2为参数经过多次调整之后的响应曲线。可以看出，经过参数调整，系统的响应性能有了较大的提高，所以在实际应用环境中需要经过多次调整设定值，以保证达到最佳的控制性能。
5 结语
分析了智能给水控制器的软件和硬件设计。该控制器以SoC单片机C8051F410为核心，实现了对管网压力的采集，对变频器输出的控制，而且拥有独特灵活的用户界面。控制器不但采样和控制精度高，而且有多种保护和抗干扰功能，保证了控制器的稳定性和安全性。采用控制器和变频器构成的恒压供水系统，不仅大大提高了供水质量，而且节能降耗效果也较为显著，在当今国家能源紧张的情况下，具有重要的现实意义。
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