基于ARM的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　目前的小區(qū)和樓宇供水系統(tǒng)普遍采用基于變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的恒速供水系統(tǒng)相比取得了可觀的節(jié)能效果。但由于供水系統(tǒng)的泵出口壓力恒定，不能依據(jù)用戶需求做相應(yīng)調(diào)節(jié)，因此從泵理論和水動(dòng)力學(xué)來(lái)分析它并沒(méi)有把變頻調(diào)速的節(jié)能潛力充分發(fā)揮出來(lái)。

　　本文針對(duì)小區(qū)供水系統(tǒng)節(jié)能這一課題，提出了一種基于ARM的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)，它能實(shí)時(shí)跟蹤用戶需求，因而能較充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力，與常規(guī)恒壓供水系統(tǒng)相比能更大限度的節(jié)能。

　　1 ARM處理器的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)介

　　LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU，對(duì)于代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用場(chǎng)合可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。LPC2129具有以下特點(diǎn)：① 16KB片內(nèi)SRAM，256KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器；② 片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），F(xiàn)lash編程1ms可編程256字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦處只需400ms；③ 多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)UART，一個(gè)I2C和兩個(gè)SPI接口，一個(gè)PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗定時(shí)器，多達(dá)47個(gè)可承受5V電壓的通用I/O口；④ 通過(guò)可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU工作頻率范圍，片內(nèi)晶振的操作頻率范圍1-30MHz；⑤ 空閑和掉電兩種低功耗模式，通過(guò)外部中斷處理器從掉電模式中喚醒，外設(shè)功能可單獨(dú)使能/禁止，實(shí)現(xiàn)功耗最小化。

　　2 系統(tǒng)工作原理與軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)將泵理論和水動(dòng)力學(xué)做成專家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)泵出口的壓力和流量的采集，由專家系統(tǒng)運(yùn)算后實(shí)時(shí)給出系統(tǒng)的工作點(diǎn)，再通過(guò)模糊PID控制迅速的把系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處。同時(shí)該系統(tǒng)還具有故障報(bào)警，常規(guī)PLC啟停邏輯控制，CAN通信，與上位機(jī)通信等功能，其中上位機(jī)采用VB編寫應(yīng)用程序完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

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　　2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　本系統(tǒng)直接采用ARM7-LPC2129的片內(nèi)兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊接收泵出口的壓力和流量采集信號(hào)，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入專家系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　2.2.2 ARM7控制器

　　ARM7控制器嵌入了專家系統(tǒng)和模糊PID控制功能，其中專家系統(tǒng)部分把經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的流量和壓力信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出用戶在該時(shí)刻的壓力需求并給出系統(tǒng)的工作點(diǎn)，然后經(jīng)模糊PID控制把系統(tǒng)迅速穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處，系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

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　　模糊控制具有對(duì)被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型依賴性弱、不需要建立精確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，而PID控制算法具有簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，把模糊控制與PID控制在不同的區(qū)域?qū)嵭蟹旨?jí)控制，就能發(fā)揮模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)。在誤差較大時(shí)，采用模糊控制使系統(tǒng)快速趨向設(shè)定值，并且能實(shí)現(xiàn)超調(diào)較小的良好動(dòng)態(tài)特性；誤差較小時(shí)即趨于穩(wěn)定時(shí)，采用PID控制算法發(fā)揮PID控制精確、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步改善靜態(tài)特性。由于供水系統(tǒng)具有時(shí)滯性和非線性，同時(shí)建立它的精確數(shù)學(xué)模型在目前來(lái)看還是不可能的，因此本系統(tǒng)采用了模糊PID對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制。