在供水系统中，水泵的耗电量占总耗电量的21%以上，采用变频调速技术对水泵运行进行技术改造，可节电20%～50%，既节约了资源，又提高了系统的响应速度和调节精度。智能模糊给水控制器就是应用变频技术和模糊控制方法，根据检测到的信号的状态，按照系统的控制流程通过变频器和执行元件对水泵组进行控制，从而实现恒压供水的目的。并且采用无线数据传输技术实现了与上位机的通信，可用于现有给水控制器的升级改造。
给水控制器的硬件设计
智能模糊给水控制器的硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为核心，与I2C总线的I/O通道接口电路以及E2PROM存储器相结合组成的最小化控制系统。包括信号采集、参数设定、数据显示、键盘中断、电机控制等模块。各模块的整体结构设计如图1所示。
图1 供水控制器的结构框图
图2 模糊给水控制器的硬件设计电路图
用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，首先要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、设定压力、工作方式等。位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为
8位数字量送入CPU。运算结果再串行输出给74HC164，进而在LED显示。系统的设定数据和其他一些掉电时需要保护的数据都存储在串行E2PROM X5045P中，它是可电擦写的非易失性存储器，CPU通过I2C串行总线对其进行访问，实施读写操作。
信号采集：位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为8位数字量送入CPU。ADC0831是8位逐次比较式单极性A/D转换器，自带时钟发生器，具有单通道输入方式，它的串行输出接口容易与微处理器相连。为了实现按比例转换，达到最高的分辨率，将REF引脚的输入电压设置成模拟输入电压的最大值，通常将VREF设置成VCC。片选信号置零才能启动转换，使所有逻辑电路使能，因此，片选信号必须保持低电平。由于采样间隔比较长，并从成本上考虑，在这里没有安装采样保持器，而是选用了瓷片电容，同样起到了滤波和采样保持的作用。
图3 信号采集模块设计原理图
参数设定：用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，首先要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、压力、工作方式等。控制面板上有SET、UP、DOWN、PROG四个按键。使用时分别点击按键，开关与地短接，产生一个低电平给单片机的P0.0～P0.3口，在输入数据以后，执行一条取指操作，使引脚上的数据经缓冲器送至内部总线，数据读入CPU,运算结果串行输出给74HC164，送LED显示。
图4 参数设定模块设计原理图
数据显示：采用4片8位的串入/并出移位寄存器74HC164作为8位LED显示器的静态控制端口。每一个时钟信号到来时，全部芯片内的数据将同时右移一位，前一片最高的码送到下一片的串行数据输入端和输出口的最低位。单片机I/O口输出的串行数据在移位脉冲的同步作用下，可以渐移到各芯片的并行输出端。这样主程序可以不扫描显示器，从而使之有更多的时间处理其他的事务。优点是编程容易，管理简单。
电机控制：设计了由AT89C52的I/O口驱动6个灵敏电继电器，通过控制接触器的通断，实现每台电动机在变频器与电网之间的切换。采用脉冲宽度调制，通过改变电机驱动电压接通时间与通电周期的比值来控制电机的速度。在脉冲的作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。变频调速是通过供水系统管网上的压力传感器对管网的水压进行采样，将压力信号转换成电信号，并将其送至PI调解器与用户设备的压力值进行比较和运算，将结果转换为频率调节信号送至变频器。变频器根据传送过来的频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现调整水泵的转速，达到水压恒定的目的。
图5 电机控制模块设计原理图
nRF401芯片的应用
● 芯片简介
为了实现对给水控制器的监测，将控制器的信息传给上位机，以便进行数据分析，采用了挪威Nordic公司推出的nRF401单芯片RF收发机。该芯片的最大传输速率为20kb/s，仅外接一个晶体和几个电阻、电容、电感元件，可直接与单片机串口相连，用于发送接收数据，由于无需对数据进行曼彻斯特编码。硬件设计的电路图如图6所示。
● 通信协议的制定
无线收发的工作过程如下：首先，由上位机(主机)向给水控制器(从机)发出请求数据或从机状态数据包。然后，当从机收到主机发来的数据包时从机作出相应的回答，如果从机有数据则发送数据包，如果没有数据则发送状态数据包。当主机收到从机的应答数据并校验之后，主机将发送一个确认数据包给从机，以确认从机数据包的正确性。如果数据在传输的过程中有数据丢失，主机将要求从机重新发送数据，直到数据全部正确为止。