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1控制系統的部分硬件設計

智能控制系統是基于PIC16F1946單片機研制而成的。該單片機是一款Microchip公司研制的64引腳、高性能增強型8位微型處理器，其內置16K＊14字的Flash程序存儲器，1024字節的數據存儲器，256字節的數字EEPROM，Flash讀寫次數可達十萬次，EEPROM讀寫次數可達一百萬次；具有強大的DSP高速運算能力，可以滿足智能控制裝置各模塊的數據處理要求；內部振蕩器選擇頻率范圍為31～32MHz，內含4倍頻鎖相環、故障保護時鐘監視器、上電延時定時器、振蕩器起振定時器和擴展型看門狗定時器，低功耗休眠功能，供電電壓范圍為1．8～5．5V。54個I／O引腳，引腳RA0－RA7、RB0－RB7、RC0－RC7、RD0－RD7、RE0－RE7、RF0－RF7均可作為通用I／O和LCD模擬輸出；5個可編程預分頻器和后分頻器的定時計數器；3個增強型捕捉／比較PWM模塊；2個帶SPI和I2C的主同步串行端口；2個增強型通用異步收發器；14路10位模數AD轉換器。是一個比較適合于以開關量信號輸入檢測的性價比較高的八位單片機。智能控制系統主要包括三相電能計量電路ATT7022B，低壓無功補償控制電路，IC卡讀寫控制電路，HS12864－15B液晶顯示電路，磁保持繼電器控制和缺相檢測等模塊電路。

1.1三相電能計量模塊

三相電能計量采用深圳炬力集成電路設計有限公司的ATT7022B低功耗芯片實現。該計量芯片ATT7022B具有精度高，輸入動態工作范圍為1000∶1，非線性測量誤差小于0．1％；有功功率測量滿足0．2s；無功功率測量滿足2級；可測量各相電壓有效值、電流有效值、功率因數、頻率等參數；可測量各相的和三相的有功功率、無功功率、視在功率；支持全數字域的增益、相位校正；提供一個SPI接口，與外部MCU傳遞信息。電表常數可調，＋5V供電。芯片內部集成了七路二階高速ADC，前三路用于三相電壓采樣，另外三路用于三相電流采樣，最后一路用于零線電流或其他防竊電參數的采樣。內部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數字電路，有效地消除了尖脈沖等干擾信號。該模塊利用SPI接口與單片機PIC16F1946的信息傳遞。計量芯片CS、SCLK、DIN、DOUT分別與單片機SPI接口的片選信號、串行時鐘輸入、串行數據輸入、串行數據輸出相連接，另外，在連接線上串接一個10Ω的電阻和對地接上一個10pF的去耦小電容，實現低通濾波器，用于消除SPI接口信號上的振蕩。

1.2軟啟動模塊

異步電機軟啟動是利用串接于電源與異步電機之間的三相反并聯晶閘管MJSY－QKJL模塊作為調壓模塊實現的，虛線框內為MJSY－QKJL控制模塊。在電機啟動過程中，根據設置啟動時間Ts，當t＜Ts時，實時讀取ATT7022B芯片三相電壓有效值和電流有效值，對閉環控制采用增量式數字PID運算及時計算出控制量，經12位的串行模擬轉換器MAX538輸出，控制三相反并聯晶閘管MJSY－QKJL模塊，從而實現控制晶閘管的導通角α實現交流輸出電壓的調節，控制啟動電流和啟動轉矩的目的。隨著繞組電壓逐漸增大直到額定電壓時，控制接通旁路繼電器供電，0．2s后，三相反并聯晶閘管MJSY－QKJL模塊退出，軟啟動過程完成。軟停止運行在電機負載要求平穩緩慢停車情況下，首先接通晶閘管MJSY－QKJL模塊，全導通0．2s后，斷開旁路繼電器，然后晶閘管MJSY－QKJL模塊的導通角逐漸減小，電樞運行電壓逐漸降低，直到電樞電壓降到0為止，實現零電壓斷開繼電器，避免繼電器斷開瞬間出現“火花”燒壞觸點的情況，完成電機平穩停車，消除了水錘現象。

1.3無功補償控制電路等

在電機完成啟動過程后，根據設置啟動時間Ts，當t＞Ts時，電動機進入額定運行狀態，實時讀取ATT7022B芯片三相電動機的有功功率、有功電能、無功功率、無功電能、功率因數的測量值。自動進入功率因數測量與補償子程序模塊，實時監測用戶末端的視在功率、功率因數的大小，根據視在功率和功率因數的大小，控制三相電力電容器組的接入和切除，實現末端低壓電能無功補償節能控制。無功補償回路是利用PIC16F1946的RD、RE端口實現四路磁保持繼電器控制，經過PC817光電隔離器后，控制功率COMS管IRL1530，驅動三相磁保持繼電器，實現低壓電能無功補償節能控制。軟啟動和軟停止旁路繼電器控制利用PIC16F1946的RF6和RF7引腳來實現控制，完成供電與斷電控制。在系統中繼電器控制端，檢測缺相信號輸入端都使用了PC817光電隔離器。通過光的耦合作用傳遞電信號，提高系統抗干擾的能力。IC卡采用SIEMENS公司的SLE4442加密卡；液晶顯示電路采用HOLTEK公司HS12864－15B的LCD顯示驅動芯片；IC卡讀寫控制電路和LCD顯示電路見參考文獻［1］。

2軟件程序設計

控制系統軟的件程序共包括初始化及主程序，軟啟動程序，電壓、電流、功率、功率因數檢測子程序，無功補償控制程序，IC卡讀寫處理程序，中斷處理程序，定時器處理程序，液晶顯示控制程序，電能計量與掉電處理程序，系統自檢與軟件抗干擾處理等程序模塊。系統每次上電時都要進行初始化，初始化程序包括對PIC16F1946單片機定時器、中斷等工作方式的設定，串行液晶驅動芯片HS12864－15B控制字，ATT7022B計量芯片控制字。按下啟動按鈕，電動機進入軟啟動工作狀態，啟動結束后電動機進入額定運行狀態，自動進入功率因數檢測與補償控制程序，完成功率因數檢測和電容器的接入控制。串行讀取ATT7022B計量芯片，測量各相電壓有效值、電流有效值、功率因數、頻率等參數和三相的有功功率、無功功率、視在功率、三相電能；電量暫存儲于PIC16F1946的RAM存儲器中，然后累計電量每滿一度便寫入到片內EEPROM相應的地址中，電能計量中電量分為用戶剩余電量和多用戶累計用電量，PIC16F1946根據用戶剩余電量余額大小，余額不足時電能計量LED指示燈閃爍，提醒用戶需要購電。HS12864－15B顯示控制程序實現漢字提示，液晶顯示器顯示用戶編碼和村碼、剩余電量、累計用電量信息。

IC卡處理程序完成IC卡的密碼校驗、讀寫和IC卡的類型處理操作。IC卡共分5種類型，清零卡用于電能計量的出廠初始設置；設置卡用來設置單位的村莊編碼和負荷門限和階梯水價；換表卡用來換出表內全部信息再送入新更換的電能計量中；抄表卡用來抄回表內用戶信息和累計用電量，然后利用讀卡器傳送給上位計算機售電管理系統；用戶卡用戶首先通過計算機售電管理系統進行開戶交費充值，然后用來向電能表送電與取電。前四種卡是用電管理部門使用，用戶僅持有用戶卡。當插入用戶卡送電時，按下啟動按鈕，電動機進入軟啟動工作，啟動完成10s后，自動進入功率因數補償和運行監控，開始灌溉。按下停止按鈕時，電動機進入軟停止，停止灌溉，再次插入用戶卡時取電。實現誰插卡誰用電，灌溉結束后插卡取電，自動補償和運行監控。控制系統的工作過程主程序流程圖如圖3所示，其他子程序模塊流程圖略。

3測試結果

該智能控制系統在淄博貝林電子有限公司進行了誤差測試和運行試驗，功率因數補償效率達到98％。電能計量用0．1級標準電子式電能計量校驗臺作為標準表，該IC卡電能計量為被測表，電能計量額定負荷為40kW。貝林電子有限公司針對10、40kW2臺井水水泵進行實驗測試，。測試結果表明該IC卡電能計量誤差小于1％，屬于1．0級標準。經實驗得知減小電能計量誤差方法，一是通過調節ATT7022B的取樣匹配電阻調整到精確值；二是該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較小；三是在電能計量過程中，當送電和取電時，計量電能的尾數部分不足0．01kWh的電能，余下的脈沖數值一塊存取，避免了不足0．01kWh的電能丟失而造成累計電量有誤差。

4結語

該智能控制系統實現了電動機帶負載軟啟動和軟停止控制、末端無功補償控制、IC卡預付費多用戶三相電能計量管理；設計出了集控制、補償、管理于一體的新型灌溉控制系統；該系統通過電動機的平滑軟啟動解決水錘問題，利用低壓電能無功補償實現節能控制，利用預付費多用戶三相電能計量實現誰插卡誰灌溉的節水管理。具有平滑起停、節能節水和低成本的特點，特別適合于農田灌溉控制和管理。該控制系統經淄博貝林電子有限公司生產表明，設計技術新穎，計量準確，IC卡控制靈活，液晶顯示直觀，功耗低的特點。對于農田機井灌溉節能節水效果顯著，具有廣闊的應用前景。

作者：姜吉順，張亮，趙艷雷   單位：山東理工大學電氣與電子工程學院