毕业设计（论文）-基于单片机的高楼恒压供水系统设计.docx

长春工业大学本科毕业设计（论文）摘 要随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。提出利用压力反馈，pid控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中的压力始终保持在合适的范围。本系统从变频调速恒压供水的特点及常用的控制策略、单片机及变频控制技术、单片机控制系统的组成、系统硬件的选型和连接、系统程序设计、pid控制等方面，做了细致的论述。变频调速恒压供水系统是采用交流变频调速技术和单片机技术实现自动给水的机电一体化供水系统。应用单片机技术，变频技术与机电泵组相结合，根据供水管网用水情况，调整水泵转速，实现全自动恒压供水，既高效又节能。解决了因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。关键词：恒压供水;51单片机；压力传感器；pidthe design of the constant pressure water supply system based on 51 scmabstractthe variable frequency constant pressure automation water supply system is the mechanical and electronic integration system that adopts the ac variable frequency speed governing and scm technology to achieve automatic water supply.with the scm technology, variable frequency technology and pump groups, the system adjust the speed of the pump and achieve the constant pressure water supply with high efficiency and energy saving according to the water consuming condition in the water flow pipe.this paper proposes a frequency control system solutions which is a closed loop pid system controlling the water supply pressure. this system realizes the switch between variable frequency and power frequency that makes the pump motor achieve soft start. this system has the characteristics of energy saving, good adjustment, high operation reliability and good control flexibility. this system adjusts the speed of the pump motor automatically according to the change of the water consuming condition of the flow pipe to keep the preset constant water pressure and required water flux. and send out a signal when the fire happens that makes pump motors to provide required water pressure. this system can be used in the residence community. it not only saves energy, but also has high security. the system has discussed in details the aspect about characteristics of variable-frequency constant-pressure water supply, common used control strategy, technical flow of water supply, scm and variable frequency technology, the makeup of scm control system, the selection and connection of system hardware, the design of system programs, the pid control arithmetic and so on.key words: constant pressure water supply；51scm；pressure transducer；pid;目 录第一章 绪论11.1 论文选题背景及研究意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义11.2 国内外研究现状21.3 论文研究的主要内容3第二章 系统总体方案设计52.1 系统控制系统方案设计52.1.1 开环控制系统52.1.2 闭环控制系统52.1.3 控制方案选定62.2 系统总体方案设计62.2.1 系统控制器的选择62.2.2 检测元件的选择82.2.3 输入通道方案选择102.2.4 输出通道方案选择102.2.5 变频器控制方式选择122.3 外围接口设备的选择132.3.1 显示器的选择132.3.2 键盘的选择142.4 系统总体方案设计14第三章 系统硬件设计163.1 控制系统单元电路设计163.1.1 引脚特性163.1.2 时钟电路的设计183.1.3 复位电路的设计183.2 信号检测电路设计193.3 前向通道电路设计203.4 外围设备接口电路设计223.4.1 键盘电路接口电路设计223.4.2 显示接口电路设计223.4.3 报警电路243.5 d/a转换电路243.6 接触器控制电路263.7电源电路设计27第四章 系统软件设计284.1 总体设计思想284.1.1 系统工作过程284.1.2 程序设计方法选择284.1.3 程序设计语言选择294.2 主程序设计304.3 数据采集及处理子程序设计304.3.1 数据采集子程序设计314.3.2 数字滤波子程序314.3.3 a/d转换模块子程序324.4 系统控制算法子程序设计33总 结36致 谢37参 考 文 献38附录一 程序清单40附录二 硬件电路原理图45iv第一章 绪论1.1 论文选题背景及研究意义1.1.1 选题背景我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的一个重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策1。另外，随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定性等皆提出了越来越高的要求2。供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和企业的生产效率3。要安全、稳定、经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、先进的自动化供水控制系统4。但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面的技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。探究其原因，主要是由于受到了供水设备和供水方式的限制。传统供水方式有恒速泵直接供水方式、水塔/水箱的供水方式、气压供水方式等几种，这些供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下，并且可靠性低，严重地影响了居民的用水和工业系统中的用水。它们还有一个共同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。为此，本文提出恒压调速供水系统。与传统供水方式相比，恒压调速供水系统的自动化程度可以明显地看出来要优于传统的供水方式，该系统主要具有以下特点：（1）节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色省电。（2）占地面积小，投资少，效率高。（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。（5）直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。（6）利用通信技术进行控制，减少了人力物力过度投入。1.1.2 研究意义变频调速技术的应用和推广，在工农业生产中无非是解决两大问题一是节能，二是改善生产过程。我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，目前我国电机的总装机容量己达到4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低20%，70%的电机只相当于国际20世纪50年代的技术水平，电机驱动系统能效比国外低20%左右，电能的浪费十分严重。众所周知，水是生产、生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源不足和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，可靠性低。饮水工程对于每个人来说都是至关重要的，供水系统也在现代工业中无处不在。然而，作为饮水工程中最重要的供水这一环目前却存在着很多问题和弊端，传统的供水方式能耗高，自动化程度低，己经不能满足当前社会的发展和需求。要解决生产过程中的能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性日益得到了国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。变频调速式的供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.2 国内外研究现状变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看看交流变频调速技术的发展。交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子器件最初是普通晶闸管，它主要是电流控制型开关器件。以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能自关断。20世纪70年代电力电子器件开发的电力晶体管(gtr)和门极关断(gto)晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础。 20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管(igbt)，它是一种电压(场控)型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极(栅极、门极)信号控制导通或关断的功能从而使变频调速技术又向前迈进了一步。电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来，出现了智能化功率集成电路(igbt)。模块和智能功率模块(ipm)，它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能以及功率集成电路的大规模化，其中包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能，为交流变频调速技术开辟了新的天地。电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（spwm）的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中。我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展，变频技术逐步应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们还要大力发展自己的电力电子技术。国外交流变频调速技术高速发展，随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高电压大电流的scr、gto、igbt等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。1.3 论文研究的主要内容本次设计就单片机通过控制变频器调节交流电机转速来实现水箱恒压进行概述，并且探讨单片机控制电机的原理及实现方法，进而分析单片机的环境应用及要求和它的发展方向，这些研究对于提高单片机的功能扩展都有利好作用。 随着单片机所应用的领域越来越广泛，它对电机控制越来越引起人们的广泛关注，因此，本研究主要探讨单片机控制交流电机的实现方法。与此同时高楼恒压供水控制系统设计的方法。其中，主要探讨单片机与压力传感器结合的方式的合理性与有效性。本设计的具体任务是设计一个恒压无塔供水系统。系统应该满足如下功能要求：（1）供水压力正常设定值为0.5mpa，最大供水压力为0.6mpa，最小供水压力为0.1mpa，压力允许波动范围为 1%；（2）水泵流量、扬程和功率分别为6.3m3/h、8m和1.5kw；（3）电机可以工作在两种工作状态即变频和工频；（4）变频器控制电机的转速，且电机能够实现软启动；（5）能够实时显示水管的压力值，保证水管压力稳定在设定值范围；（6）系统具有较强的抗干扰能力。本文各个章节安排如下：（1）第一章主要就本课题的研究意义与研究目的以及结合国内外对恒压调速供水系统的研究现状与发展概况阐述本课题主要内容（2）第二章对恒压调速供水系统的总体方案设计进行论证，并对各个模块分析选择 （3）第三章结合要求并在第二章方案确定的基础上，做具体电路的设计与说明。（4）第四章对该系统的软件进行分析与设计（5）主要对论文的完成作总结，并感谢在完成论文的过程中帮助自己的老师与同学第二章 系统总体方案设计2.1 系统控制系统方案设计本设计需要设计一个可以恒压供水的自动控制系统，根据该系统的设计要求，可以采用以下两种控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。2.1.1 开环控制系统如果系统的输出端与输入端之间不存在将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，即反馈过程，也就是说控制系统的输出量不会对系统的控制产生任何影响，这样的系统称其为开环系统。与闭环控制系统相对。系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。 但是无法克服扰动。开环控制系统框图如图2-1所示。图2-1 开环控制系统框图2.1.2 闭环控制系统闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。当受控客体受干扰的影响，其实现状态与期望状态出现偏差时，控制主体将根据这种偏差发出新的指令，以纠正偏差，抵消干扰的作用。在闭环控制中，由于控制主体能根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差，所以有较强的抗干扰能力，能进行有效的控制，从而保证预定目标的实现。管理中所实行的控制大多是闭环控制，所用的控制原理主要是反馈原理。闭环控制系统框图如图2-2所示。图2-2 闭环控制系统框图2.1.3 控制方案选定在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成，控制器通常具有功率放大的功能。而闭环系统可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的设计。 该恒压供水系统以51单片机控制器为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力改成4-20ma的模拟信号，送到上位机系统的a/d转换输入端，再经过a/d转换变成相应的数字信号，送入单片机机进行数据处理。上位机经过运算过后，与设定的压力进行比较，进而得出偏差值，再经过pid调节得出控制参数，经d/a转换变成模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此来改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际的管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。恒压调速供水系统闭环控制系统框图如图2-3所示。图2-3 恒压调速供水系统闭环控制系统框图2.2 系统总体方案设计2.2.1 系统控制器的选择根据控制系统结构图可知，控制器在测控系统中起到至关重要的作用，因此，必须合理选择系统的控制器。目前，用作测控系统控制器的有：单片机、嵌入式控制器等。方案一：采用单片机组成测控系统单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。根据其基本操作可处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机。其中，8位单片机具有品种全、兼容性强、性价比高、软硬件设计资料齐全等特点，其功能也在不断完善的过程中。16位单片机集成度高，寻址空间大，片内具有多通道的a/d转换器和输入输出部件，实时处理能力很强，32位单片机功能较16位更为强大，性能更优越，价格也水涨船高。单片机具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、价格低廉、灵活性好、开发容易的优点，在工业控制领域、智能仪器仪表、消费类电子产品、通行方面等广泛应用。方案二：工控机（industrial personal computer，ipc）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机cpu、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。工控机的主要类别有：ipc（pc总线工业电脑）、plc（可编程控制系统）、dcs（分散型控制系统）、fcs（现场总线系统）及cnc（数控系统）五种。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。（2）机箱内有专用底板，底板上有pci和isa插槽。（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。（4）要求具有连续长时间工作能力。（5）一般采用便于安装的标准机箱（4u标准机箱较为常见)。工控机的日常使用维护，在很多场合使用工控机，但真正能把工控机转得很好的也不是很多。经常看到有些人忙活了半天，还是不能把机器故障排除，而有些人用起来则得心应手。这区别即源自用户对工控机的正确管理和维护。工控机是为了适应特殊、恶劣环境下工作的一种工业计算机，它的电源、机箱、主板都是为了能适应长时间不间断运行而设计的。为了更好地使用它，让它始终保持良好的工作性能，在日常使用中必须对它进行必要、合理的维护。其特点：（1）配置硬盘容量小；（2）数据安全性低；（3）存储选择性小；（4）价格较高。方案三：采用arm处理器组成测控系统arm处理器是一个32位元的精简指令集(risc)处理器架构,理解方法很多，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。具有以下典型特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持thumb（16位）/arm（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。其广泛地使用在许多嵌入式系统设计，包括工业控制领域、无线通信领、网络应用、消费电子类产品及成像和安全产品。对于以上各种处理器，都可以做到对室内空气品质进行实时监测的处理功能。考虑到处理器片内资源，软硬件电路的复杂程度与产品的性价比，单片机完全可以实现处理功能，不会造成资源浪费，还具有设计简单，编程容易的优点。其中，8位单片机完全就足以实现本课题的设计要求，因此选择方案一中的8位单片机。2.2.2 检测元件的选择根据系统的设计要求及控制结构图，需要检测水箱压力。所以需要压力传感器来测量。压力检测原件有：电阻应变片压力传感器、蓝宝石压力传感器、hm20通用型压力变送器等。对以上类型的压力传感器进行方案论证如下：方案一：电阻应变片压力传感器电阻应变片压力传感器内部是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是a/d转换和cpu）显示或执行机构。电阻应变片压力传感器的价格便宜，原理简单，但由于其过于易受外部干扰，同时这种传感器发生滞后是常态，使用这种传感器必然需要较复杂的滤波算法和预估计补偿算法的支持，耽误系统处理速度。电阻片压力传感器应对于精度不高的压力测量，适用于小型工业过程控制领域。方案二：蓝宝石压力传感器蓝宝石压力传感器核心的蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000c以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。蓝宝石压力传感器可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小，但是其成本过高，同时远远超过了本系统对压力测量的精度要求和工作温度要求。蓝宝石压力传感器适用于工业现场过程控制压力的测量，工业现场压力控制等。方案三：hm20通用型压力变送器通用压力变送器为模拟型压力变送器，敏感元件部分采用进口压阻式扩散硅制作而成。具有反向极性和限流保护；激光调阻温度补偿；过载及抗干扰能力强，灵敏度高，温漂小长期稳定性好。为保证此系列压力变送器能适应各种恶劣的环境，除注重对传感器的选择外，部分有源器件均为军品级。适用于工业现场过程控制压力的测量，工业现场压力控制，航空航天领域，石油化工行业以及城市供水、水利、电力、化工、气泵、实验室、液压等需要压力测量和控制的领域。本文的设计要求是通过变频方式调节电机的转速，进而对水压进行控制，压力的允许波动范围为1%，即本设计对压力的要求精度略高，结合以上论述，故选用hm20通用型压力变送器。该传感器实物图如图2-4所示。图2-4 hm20通用型压力变送器图2.2.3 输入通道方案选择1.a/d转换器简介根据本系统的设计要求利用hm20通用型压力变送器检测水箱受到的压力，得到的是模拟信号而单片机只能接受数字信号所以需要设立a/d转换器。所谓a/d转换器是把经过与标准量（或参考量）比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器，随着超大规模集成电路技术的飞速发展，a/d转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。a/d转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。 2.a/d转换器位数的确定确定a/d转换器的位数（字长），利用输入信号的动态范围确定字长。（2-1）设输入信号的最大值和最小值之差为 式中 为a/d转换器的字长，为转换当量，则动态范围为 （2-2） 因此，a/d转换器字长应为 （2-3）根据本系统的设计参数要求本系统采用8位a/d转换器。 2.2.4 输出通道方案选择1.主电路本系统由于需要控制3台1.5kw的三相异步电机，故选择cdi-em60r5s2变频器。该变频器具有优化的开环矢量控制、v/f控制、性能稳定，功能优化，标配用户常用配置，还可扩展多路i/o接口及通讯功能，是一款玲珑型的单相小功率型号。该变频器主要有以下几个特点：（1）体积小型化，易操作，内含直流制动及选配内置制动单元，停机位置精度高。（2）独立键盘、键盘可外引并支持热拔插，外引最大距离可达50米，可选配带参数拷贝功能键盘。（3）可扩展rs485通讯接口，实现标准modbus - rtu通讯协议，与各类上位机可完美连接。（4）长寿命设计，风扇可按。avr功能（自动电压调整）确保低输入电压条件下高输出转矩。（5）多种保护功能，保证了电机安全可靠的工作。（6）标准产品全部采用三防漆处理。（7）独立的风道设计、风板隔离技术、保证变频器良好散热，极大的提高了产品环境适应力。同时，由于需要控制电机的切换和启停，同时需要可变换控制模式，故需要6个交流接触器。主电路线路图如下：2.控制电路（1）交流接触器驱动本系统需要控制交流接触器的通断，而单片机无法提供可以满足接触器线圈吸合的电流，同时为了保护控制器不被大电流所影响，故需要使用光耦隔离和三极管驱动。（2）系统d/a转换器的选择根据本系统的设计要求，在输出通道中单片机输出的是数字信号而电动调节阀作为执行机构接受的是模拟信号，所以在输出通道中需要加入d/a转换器。所谓d/a转换是一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，又称d/a转换器，简称dac。 d/a转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输入值为，最小输入值为 ，灵敏度为，可得d/a转换器的字长 （2.5） 即d/a转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。8位d/a转换器可以满足一般工程要求精度，因而用的最多。2.2.5 变频器控制方式选择变频调速作为交流电机调速的主要手段已经在工业领域中应用的十分广泛，其具有的调速范围宽、稳速精度高、动态响应快、适用范围广、运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电机调速系统。变频器的控制方式主要有三种： （1）通过变频器面板操作，即通过操作面板改变频率的输出和其他运行参数；（2）在变频器模拟量输入端输入010v或420ma信号,通过改变输入模拟量的大小控制变频器的输出频率； （3）通过变频器的通讯口(多为rs485)进行控制。 第一种方式一般用于现场手动调节和参数设定，后二种方式多用于自动调节和远程控制。工控领域中常用的plc、dcs等控制系统都具有适用于变频器接口条件的控制模块，可以方便的实现变频器的闭环自动控制，在大中型的控制系统中使用较为普遍。而对于一些小型实验装置和嵌入式控制装置，处理器在控制变频器之外，一般还需要处理键盘输入、显示屏、数据采集和其它过程控制等工作，这种控制要求更适合采用单片机系统作为控制核心，而以plc加操作面板的形式，虽能实现功能但成本过高，不宜采用。 综上所述，本文决定采用第(2)种方式，实现单片机对变频器调速系统的控制。2.3 外围接口设备的选择2.3.1 显示器的选择由于本系统需要对管道压力进行数值设定，同时也需要实时显示管道中的压力，故需要使用显示器。可以做系统显示器的有：led、lcd、crt等，就以上显示器进行方案论证：方案一：led数码管显示器led数码管显示器是由发光二极管组成的，并在单片机系统中应用的非常广泛。常用的led显示器为8段，每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阴极和共阳极2种。对于共阴极数码管，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。同理，共阳极led显示器的发光二极管阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段显示。led数码管显示器具有发光效率高、使用寿命较长、组态灵活、工作性能稳定等优点，广泛地应用于电子钟的显示，广告的宣传及各大媒体的信息传播等领域。方案二：lcd液晶显示器lcd即液晶显示器，是一种被动式的显示器，即液晶本身不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有功耗低，抗干扰能力强等优点。根据市场上的液晶显示器种类，分为字段型点阵字符型点阵图形型。字段型：是以长条状组成的字符显示。该类显示器主要用于数字显示、西文字母或某些字符，已广泛用于电子表数字仪表计算器中。点阵字符型：专门用来显示字母数字符号等点阵型液晶显示模块。它是由若干个5*7或5*10点阵组成，每一个点阵显示一个字符。此类显示模块广泛应用在各类单片机应用系统中。点阵图形型：在平板上排列多行或多列，形成矩阵式的晶格点，点的大小可根据显示的清晰度来设计。这类液晶显示器可广泛应用于图形显示如游戏机笔记本电脑和彩色电视等设备中。方案三：crt显示器crt显示器学名为阴极射线显像管，是一种使用阴极射线管的显示器。主要有五部分组成:电子枪，偏转线圈，荫罩，高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳。它是应用最广泛的显示器之一，crt纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等lcd显示器难以超过的优点，而且价格更便宜。crt显示器屏幕的场频要达到75hz以上人眼才不易出现闪烁感，但长时间注视必然会让眼睛感到很累。方案选择：根据本课题设计要求，所要显示的数据是压力值并且显示出一些简单的图形作为开始画面，权衡利弊，故而选择方案二。2.3.2 键盘的选择本系统需要进行压力设定，所以需要使用键盘作为输入。可以做系统键盘方案有：独立式键盘和矩阵式键盘，就以上键盘方案进行方案论证：方案一：独立式键盘接口独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容的判断哪个按键被按下。在按键数目较多时，独立式键盘需要较多的输入口线且电路结构复杂，故适用于按键较少或操作速度较高的场合。方案二：行列式键盘接口行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成按键位于行列的交叉点上。一个3*3的行列结构可以构成一个具有9个按键的键盘。同理1个4*4的行列结构可以构成一个16个按键的键盘。行列式键盘与独立式按键相比，会节省很多的i/o口线，但它适用于在案件数目较多的场合。根据题目设置要求，我们需要对压力进行设定，需要较少的输入，故采用方案一独立式键盘。2.4 系统总体方案设计系统初始化，首先设定需要恒定的压力，单片机中程序首先接通km6，并起动变频器。系统通过压力传感器检测压力得到模拟电流，经由iv变换电路变为模拟电压，ad采集模拟电压转换为数字量，单片机根据压力设定值与压力实际值的偏差进行pid调节，并输出相应的数字信号给d/a转换为模拟电压信号给变频器的v/f接口。变频器给定信号控制电压频率以控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则单片机会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时pid会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。最后将实时压力通过lcd显示。增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在单片机控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在plc的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接， 控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。控制系统的总体结构图如图2-5所示。图2-5 控制系统总体结构图第三章 系统硬件设计3.1 控制系统单元电路设计根据系统总体方案设计，本系统采用单片机作为控制器。根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。二是要有较高的性价比。综合考虑，本系统采用at89c51单片机。at89c51是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k 在系统可编程存储器。at89c51具有以下标准功能:8k字节flash，256字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。at89c51单片机比标准51单片机多128b ram、一个定时器、512b eeprom，内置8k rom，资料众多，使用很方便，可靠性强。3.1.1 引脚特性at89c51单片机引脚按其功能来分，可大致分为三类：电源及时种类引脚,控制引脚，i/o口引脚。at89c51单片机引脚图如图3-1所示。图3-1 at89c51引脚图1.电源及时钟引脚:vcc(40引脚)：接+5v电源，vss（20引脚）：接地。xtal1(19引脚)：外接晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端，此反响放大器构成了片内振荡器，若采用外接晶体振荡器，次引脚应该接地。 xtal2（18引脚）：外界晶体的另一端，在该引脚的内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。2.控制引脚:rst/vpd（9引脚）：rst是复位信号输入端，高电平有效。单片机正常工作时，加在此引脚上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，即可完成复位操作。vpd作为次引脚的第二功能，即备用电源的输入端。即当主电源vcc发生故障，低于某一规定值以下时，将+5v电源自动接入rst端，为内部ram提供备用电源，保证片内ram信息保留并正常工作。ale/prog(30引脚)：ale引脚输出地址允许锁存信号，当单片机正常工作后，此引脚不断输出正脉冲信号。当但单片机访问外部存储器时，ale输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。prog作为本引脚的第二功能，对片内地eprom单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。psen（29引脚）：程序存储器允许输出控制端。当单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的oe（输出允许）端，psen可以驱动8个ls型ttl负载。ea/vpp（31引脚）：ea功能为内外程序存储器选择控制端。当ea引脚接高电平时，单片机访问片内程序存储器，当pc（程序计数器）的值超过0fffh时，即超出片内程序存储器4kb地址范围时，自动转向执行外部程序存储器的程序。当ea接高电平时，单片机只访问外部程序存储器，无论是否有内部程序存储器。vpp作为引脚的第二功能在对eprom型单片机片内eprom固化编程时，用于施加较高的编程电压。3.i/o口引脚:p0口：双向8位三态i/o口，此口为地址总线（低8位）及数据分时复用口，可驱动8个ls型ttl负载。p2口：8位准双向i/o口，与地址总线(高8位)复用，可驱动4个ls型ttl负载。p3口：8位准双向i/o口，双功能复用口，可驱动4个ls型ttl负载。rxd串行输入口，txd串行输出口，int0外中断0，int1外中断1，t0定时/计数器0，t1定时/计数器1，wr外部数据存储器写选通，rd外部数据存储器读选通。3.1.2 时钟电路的设计时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟控制信号。单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式：内部时钟方式，外部时钟方式。其中，外部时钟方式的是使用外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片单片机同时同步工作的场合。图 3-2 at89c51时钟电路电路中的电容c1，c2典型值通常选择30pf左右。本设计中c1、c2的取值选择30pf。晶振的振荡频率范围在1.2mhz12mhz之间。cpu完成一个基本操作所需要的时间成为机器周期，单片机通常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。机器周期=12振荡周期，当晶振选择12mhz时，机器周期为1us，可以满足本课题的设计要求。因此，晶振选择12mhz。3.1.3 复位电路的设计单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据。因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。除了进入系统正常的初始化之外，在由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时也需要复位键rst引脚摆脱死锁状态。at89c51的复位功能是由外部的复位电路来实现的。其中，复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路和电容充电来实现的。当电源接通时只要vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位之外，有时还需要按键手动复位。手动复位中包括电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是通过rst端经电阻与电源vcc接通而实现的。如图3-3所示。当时钟频率选用12mhz时，c取22uf，r1取1k,r2取10k。图 3-3 按键电平复位电路由时钟电路和复位电路组成了单片机最小系统，如图3-4所示。图 3-4 单片机最小系统3.2 信号检测电路设计根据系统总体方案选择，本系统采用hm20压力变送器，实物图如图3-5所示。图3-5 压力传感器图图3-6 信号检测电路图根据传感器的输出参数（电流信号），而ad转换器一般接收的是电压信号，所以还需要进行iv变换，如图3-7所示。 图3-7 iv变换电路图3.3 前向通道电路设计压力传感器出来的信号是电流模拟信号，经过流压转换电路后变为模拟电压信号，由于经过放大电路输出的模拟电压变化范围在05v，因此选择性价比比较合适的adc0809芯片。adc0809是一种带有8通道多路开关的8位逐次逼近式a/d转换器。主要性能为：分辨率为8位；线性误差（1/2）lsb;单次转换时间为100us左右，对于温湿度等缓慢变化的信号也可以使用；模拟量电压输入范围为05v，对应a/d转换值为00hffh，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转化过程中应该保持不变，如果变化太快，则需在输入端增加采样保持电路；内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号；有输出锁存功能；工作频率为500khz；逻辑电平与ttl电平兼容。图3-8为adc0809管脚示意图，表3-2为adc0809各脚功能说明表。图3-8 adc0809管脚示意图表3-2 adc0809各脚功能引脚功能介绍d7d0in0in78位数字量输出引脚8为模拟量输入引脚vcc+5v工作电压ref(+)参考电压正端ref(-)参考电压负端starta/d转换启动信号输入端ale地址锁存允许信号输入端eoc转化结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平oe输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器