目录1.研究背景 (2)2.国内外研究现状 (3)3.供水泵运行基本原理 (4)3.1泵站供水系统的组成 (4)3.2供水泵自动化运行的实现方法 (4)4.供水泵智能控制器总体设计方案 (5)4.1供水泵控制器设计应遵循的原则 (5)4.2供水泵控制器的功能需求 (5)4.2.1参数显示功能 (5)4.2.2智能控制功能 (6)4.2.3电机保护功能 (6)4.3系统的基本结构设计 (6)4.4 STM32系列芯片优势 (6)5.供水泵智能控制器硬件电路设计 (9)5.1微处理器的选型 (9)5.2系统方案设计 (9)5.3核心处理单元电路 (10)5.4电源模块电路 (11)5.5电量采集电路 (12)5.6时钟芯片电路 (13)5.7 LCD接口电路 (14)5.8键盘管理电路 (15)5.9 RS485通信单元电路 (16)5.10数据存储单元电路 (17)5.11数字量采集和继电器控制电路 (18)5.12系统可靠性设计 (18)5.13 本章小结 (20)附录 (21)1.研究背景我国是农业大国，也是水利大国，水利在国民经济发展中占有举足轻重的地位。

然而，目前我国农村供水设施普遍简陋、规模较小，以传统、落后的分散式供水为主，自来水普及率低，管理落后。

为了彻底解决广大人民群众的用水难题，国家在“十二五”规划中提出要建设新农村，加强农村饮水安全工程建设，大力推进农村集中式供水。

集中式供水工程具有水源可靠、管理方便等方面的优势，有利于改善农村的生活条件，促进农村工农业生产发展，促进农村产业结构调整，保持农村社会稳定，保护农业生态环境。

在我国广大地区，特别是西部山区，由于受地理位置限制，泵房与水池相隔较远，经常出现停水现象，使山区人民群众无法达到城镇化供水标准。

众多的集中式供水泵房运行效率低，仍处于较落后的管理状态，主要依赖于人工操作和已有的操作规程。

特别是对于以离心式水泵工作特性为基础的泵站，广泛存在着以下的问题：对人的依赖性太大，不适应泵站现代化的要求；操作流程较为繁琐，工人的劳动强度过高；实时性差，不能及时对水泵进行启停操作；某些部件容易被损坏，存在安全隐患；检修、调试维护设备麻烦，工人要逐个检查每个设备的运行工状；资源浪费严重，不利于降低泵站的运行成本。

随着自动控制技术与通信技术的不断发展，各种水泵控制器孕育而生，将会对泵站的自动化运行与节能生产产生积极的推动作用。

嵌入式系统（Embedded Systems）是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、功耗、成本、体积等严格综合性要求的专用计算机系统；它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的基于硅片的知识集成系统。

随着嵌入式的飞跃发展，已广泛应用于国防电子、汽车电子、工业控制、智能家居、医学科技、数字消费、网络通信、电力系统等国民经济的主要行业。

在不久的将来，嵌入式将更为广泛地服务于人类生活的方方面面。

目前常用的数据远程传输方式有：数据专线、有线拨号、光缆传输和无线数传电台，但这些方式普遍存在着建设费用大、建设周期长、受环境因素影响大、运行费用高及数据传输质量不稳定的缺点，难以为中小型集中式供水泵站的数据远程传输系统所采用。

然而基于GSM/GPRS 的无线数据传输却具有接入范围广，传输速率高，接入时间短，提供实时在线，按流量计费等优势。

2.国内外研究现状随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的新型水泵控制器承担起水泵监控、自动调节、实现最大能源利用、提高安全性与可靠性等重要任务，单纯的依靠人工手动操作已经远远无法满足现代化的监控要求。

自从上个世纪70年代以来，国外便率先开展了供水系统自动监控的研究与应用工作。

80年代以后，随着电子与计算机技术等科技的迅猛发展，供水系统的自动监控技术产生质的飞跃。

同时，由于国外发达国家拥有雄厚的经济与技术实力，使其供水系统的自动监控技术被广泛应用，泵站运行与管理方面的自动化程度不断提高、监控系统得到不断完善。

不但提高了泵站运行的安全性、可靠性与经济性，而且节约了人力资源，为工程的后期维护打下良好的基础。

特别是在欧美、日本等发达国家，基本上实现了泵站的全自动监控。

其中荷兰泵站采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等能长期进行自动记录。

能够对泵站运行的各种指标进行长期跟踪、监测、记录与报警，随时解决发现的问题。

同时，记录下来的数据也为水泵和水泵控制器的开发与性能完善提供了良好的数据支撑。

由于自动化程度的提高，极大的减少了事故的发生，也减少了泵站的管理工作人员，泵站一般雇用懂专业、有经验的管理人员。

运行、管理人员普遍具有较高的专业技能，在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事件。

这种高度的自动化运行取得了良好的经济效益。

目前，我国已建成各类型固定泵站50多万座，并且进一步加大集中式供水泵站的建设力度，具有数量大、范围广、类型多、发展速度快的特点。

但大多数泵站建于上个世纪，它们虽然发挥了巨大的社会经济效益，但在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。

大多数泵站仍采用现场手动操作、人工抄表、电话报数等方式运行，采集信息数量少、处理速度慢、劳动强度大、效率低，这类监控方式比较落后，很难适应现代化的要求。

随着经济的发展与政策的落实，我国集中式供水泵站的数量在未来几年将会越来越庞大，资源消耗比越来越重，急需一种立足于国情、综合自动化程度高、具有极高性价比的水泵控制器，以改变目前仍大量依靠人工监控水泵的现状，并且这一需求将在未来几年内不断攀升。

同时，随着计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、检测传感技术的不断发展和应用，水泵控制器也朝着分布化、智能化、自动化、集成化、可视化、扩展性高的方向发展。

3.供水泵运行基本原理3.1泵站供水系统的组成供水系统分为机械和电气两个部分。

机械部分主要包括离心泵、闸阀、手动阀门、逆止阀、底阀、压力表、管路及管路附件等，电气部分主要包括电动机、高低压开关柜、磁力启动器、电抗器等。

3.2供水泵自动化运行的实现方法泵站自动运行是在人工操作基础上的改进，基本上可以摆脱人工的干预，其运行原理上与人工操作流程类似。

本文以控制理论为依托，结合各种仪器和设备，全面分析了泵站运行中需要实现自动检测和自动控制的环节。

通过软硬件功能的结合取代传统的人工判断和操作。

通过分析，为了实现泵站自动运行，需要实现以下五个自动控制环节：①水池水位的自动监测：水位监测环节的任务是，根据水池水位的变化自动准确地向控制系统反馈当前水位，特别是高低报警限位。

水位监测环节的可靠性和准确性将直接影响到整个控制系统的可靠性。

②自动灌水与排气：离心泵只有在泵体内充满水的情况下，依靠叶轮的旋转带动水的旋转，从而形成正常供水所必须的真空度。

若真空度不够，泵内存在的空气会造成上水不成功，此时的“干烧”与气蚀作用将严重损害水泵。

因此，此环节是供水成功与否的关键。

③出水闸阀自动控制：为减小启动功率和提供足够的扬程，水泵操作规程规定离心式水泵一定要在出水闸阀完全关闭的情况下启动，当压力足够后再缓慢打开出水闸阀。

而当停止水泵时，为避免“水锤”对水泵的伤害，也必须先关闭出水闸阀，缓慢减小流速，最后断电停车。

④水泵电机的自动启停：同时不能影响紧急状态下的手动干预性控制。

⑤故障自动保护：如果检测到异常状况，需要立即停止水泵的运行，并及通知泵站维护管理人员到现场排除故障。

4.供水泵智能控制器总体设计方案4.1供水泵控制器设计应遵循的原则虽然目前还没有一个统一的泵站自动化控制的设计与技术规范，但根据已有的工程经验和设计经验，一般需要遵守以下几项设计原则：①开放性：设计应采用开放的技术、结构、组件及接口，有利于维护、扩展、升级，降低二次投资。

②灵活性：采用模块化结构设计，实现灵活配置，具有可增长性和强壮性。

③安全可靠性：所选取的每个元件和设备的MTBF必须满足工业级运行要求；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁；设备应具有自检、自诊断、报警功能。

④实时性：各个功能模块必须在允许的单位时间内完成数据采集、计算与处理，控制器需要在单位时间内对数据进行判断后作出相应动作。

⑤经济性：合理设计控制方案，最大程度的保持原有设备与功能，并尽量减少泵房改造与额外设备的购买，提高性价比。

4.2供水泵控制器的功能需求4.2.1参数显示功能该水泵控制系统能够根据水泵的电参数测量结果和用户设置参数，自动控制水泵的启动/停止，主要功能可分为如下几部分。

在水泵控制器上能够显示如下参数：1、三相电压：UA、UB、UC(V)2、三相电流：IA、IB、IC(A)3、供水量的瞬时流量：Flow(m3/min)4、水压：Water Pressure(MPa)；5、三相电的有功功率：PA、PB、PC、PT(KW)；6、三相电的无功功率：QA、QB、QC、QT(KW)；7、三相电的功率因数：PFA、PFB、PFC、PFD；4.2.2智能控制功能在HMI中可以本地手动控制水泵的启动和停止，当工作方式为本地时，在操作菜单中按键则可手动控制水泵的通断，如果工作方式为远程，则本地不可控制水泵。

通过RS-485 总线及上位机在遵守通信协议的情况下可以进行远程控制，使水泵启泵或停泵。

4.2.3电机保护功能应具有如下电机保护功能：启动电流门限；卡泵电流门限；短路电流门限；流量下限门限；电压告警门限(电压上限和电压下限)；4.3系统的基本结构设计为了实现以上功能，方案设计的分系统包括：核心处理单元、键盘、UART 通信电路、LCD 液晶显示、数据参数存储电路、数字量输入、继电器控制电路、电量监测、电源电路。

其实现及连接关系如图 4.1 所示。

图4.1 系统的总体实现框图4.4 STM32系列芯片优势STM32F103x 增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32 位的RISC 内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K 字节的FLASH 和20K 字节的SRAM)，丰富的增强I/O 端口和连接到两条APB 总线的外设。

所有型号的器件都包含 2 个12 位的ADC、3 个通用16 位定时器和一个PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个I2C 和SPI、3 个USART、一个USB 和一个CAN。

工作电压为 3.3V。

STM32F103x 的模块框图如图4.2所示。

图4.2 STM32F103x 模块系统框图STM32 微控制器有如下优点：(1) 高达128K 字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。

多达20K 字节的内置SRAM，CPU 能以0 等待周期访问(读/写)。

这样在我们所设计的系统中就去掉了以往很多嵌入式项目设计中所需要的用于外部程序存储器的Flash 芯片和用于外部数据存储器的SRAM芯片，大大节约了系统成本，提高了系统可靠性及稳定性。