（物理电子学专业论文）模糊变频恒压控制系统的研究.pdf

摘要 模糊恒压控制系统是应用单片机实时控制，采用模糊控制技术，实 现小区供水快速的、可靠的、自动的恒压控制系统该系统集计算机、 电子技术于一体，不但解决了目前城市供水系统和小区高楼供水中，水 泵一直高速转动所带来的电能浪费的问题，而且也克服了传统的供水系 统响应时间长，变频速度慢，占地面积大，投资大等缺点，为实时恒压 供水提供了一种实用的方法 本文介绍了模糊恒压控制系统的结构、工作原理及其软件的设计思 想，并详细阐述了有关的模糊控制原理和串口控件v b 以及变频调速技 术。 关键词：模糊控制单片机串行通信变频调速 _ _ _ - _ 。一一一 a b s t r a c t t h e f u z z y c o n t r o l s y s t e m f o rc o n s t a n t p r e s s u r e l sak i n d0 t a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l s y s t e m w h i c h a p p l i e ds i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r r e a l t i m ec o n t r o la n df u z z yc o n t r o lt e c n o l o g yt or e a l i z eh i g hs p e e d ，h i g h r e l i a b i l i t y a n d a u t o m a t i c a l l y c o n s t a n t p r e s s u r e c o n t r 0 1 t h e s y s t e m s i m u l t a n e o u s l y u s e dt h e t e c h n i q u e o f c o m p u t e g e l e c t r o na sw e l la s s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , a n ds o l v e dt h ek e yp r o b l e mb r o u g h ta b o u tb y t h ep u m p sh i 曲s p e e dr e v o l v i n ga l lt h et i m e t h a ti s ，t h ee l e c t r i c a le n e r g y s w a s t e ，w h i c he x i s t e di n t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mo ft h ec i t ya n dt h eh i g h b u i l d i n g a tt h es a m et i m eo v e r c o m et h es h o r t c o m i m go fl o n gr e a c t i o nt i m e o ft h et r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ，v a r i e df r e q u e n c ya tl o w s p e e d ，m a d e u s eo fl a r g ea r e a a n dc o n s u m eal o t t h es t u d yp r o v i d e da p r a c t i c a l m e t h o df o rc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y t h e p a p e rh a si n t r o d u c e dt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m ss t r u c t u r e w o r k i n g p r i n c i p l ea n dd e s i g ni d e af o rs o f t w a r e ，a tt h es a m et i m e ，t h et e c h n i q u eo f f u z z yc o n t r o lp r i n c i p l e a s s o c i a t e da n ds e r i a l p o r ta c t i v ev ba s w e l la s v a i l a b l ev e l o c i t yv a r i a b l ef r e q u e n c yi se x p o u n d e d k e y w o r d s ：f u z z y c o n t r o l ，s i n g l e - - - c h i pm i c r o c o m p u t e r , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，v a r i a b l ev e l o e i t yv a r i a b l ef r e q u e n c y 第一章绪论 1 1 引言 在目前的城市供水系统和小区高楼供水中，还有很多采用恒速泵供 水系统，水塔高位水箱供水和气压罐供水系统等供水方式。在这些供水 方式中，由于扬水较高且电机一直高速运行，造成较大的电能消耗，目 前的水费成本中，电费的比例达5 0 v x 上。 本文针对小区供水系统的实际情况，选用单片机模糊控制器和变频 器组成模糊恒压供水系统，充分利用单片机技术，模糊控制技术和交流 变频技术等高新技术，不但使水压保持恒定，节电节水，而且灵活性高， 占地面积小，投资省，操作方便，运行可靠，具有良好的经济和社会效 益。 1 2 相关技术发展现状 1 2 1 变频调速技术现状 2 0 世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代，特别是2 0 世纪9 0 年代以后，i g b t , i g c t ( 集成门极换向性晶闸管) 等新型电力电子器 件的发展，d s p ( 数字信号处理器) 和a s i c ( 专用集成电路技术) 的 快速发展以及新颖控制理论和技术( 如磁场定向矢量控制，直接转矩控 制等) 的完善，使变频调速系统在调速范围，调速精度，动态响应，功 率因数，运行效率和使用方便等性能指标超过了支流调速系统，达到了 取代直流调速的地步，受到各行业的欢迎，并取得显著的经济效益。目 前，变频调速技术以显著的节电效果，优良的调速性能以及广泛的实用 性，而成为电器传动的发展主流方向，变频调速技术涉及到电机，电力 电子技术，微电子技术，信息技术与控制技术等多个领域 变频调速系统中p w m 技术的发展：p w m 控制是变频调速系统的 核心，任何控制算法几乎都是以各种p w m 控制方式实现。九十年代以 来的产品，正弦形p w m ( s p w m ) 调制方法已逐步为以下方式取代： 快速电流跟踪p w m 技术：快速电流跟踪型p w m 逆变器为电流控制型 的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电 流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变 器的优点，普遍用于p m s m 伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。 磁链跟踪控制p w m 技术：这种方法把逆变器和电动机视为一体， 以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆 变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，由跟踪结 果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波由于磁链的轨迹是靠空间矢 量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。 直接转矩的智能控制p w m 技术：常规的直接转矩p w m 技术无 法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动 期间系统的停滞而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的 空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出 逆变器的开关模式，使系统性能改善 双p w m 控制技术：交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用 的型式，但常对电网构成谐波污染目前双p w m 控制技术的研究非常 活跃，即由p w m 整流器和p w m 逆变器组成的双p w m 变频器无须任 何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约 为1 ，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行 矢量变换控制技术：自1 9 7 1 年矢量变换技术控制理论建立以来， 以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现异步电动机转速和磁链控 制的完全介耦从而使异步电动机具有和直流电动机一样优良的控制性 能该技术得到了广泛地应用 1 2 2 模糊控制技术现状 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模 糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物将模糊集合理论 运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展， 其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模 型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制例如，在炼 钢，4 e _ , x - ，人丈系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且 精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形 式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时， 要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精 确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来 控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观 的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控 制任务。于是，人4 1 i 把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件 语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验， 模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制 器模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工 智能发展到了一个新的阶段 目前，国内外科技界，企业界和政府部门都特别关注“模糊”领域， 模糊技术既是一个学术热点又是一个开发热点，模糊技术成果和产品也 逐渐由实验室走向社会，取得了明显的社会效益和经济效益。而模糊控 制技术，这门由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学 科领域相互渗透而形成的理论性很强的科学技术，正以前所未有的步伐 涉入到相当关泛的领域之中，其中包含交流伺服系统，液位系统，工业 机器人，可编程控制器，天气预报，图象识别，医疗诊断，家用电器等 领域归纳起来，模糊控制技术现状如下： ( 1 ) 模糊控制器的构造 l ，采用传统的单片机或微型机作为物理基础，编制相应软件来实 现模糊推理和机制 2 用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器，利用配置数据 来确定模糊控制器的结构形式 3 采用可编程门阵列构造模糊控制器 ( 2 ) 辛莫糊信息与精确信息转换的物理结构和方法 模糊信息与精确信息转换问题，目前基本上采用d 驯a 转换技术 ( 3 ) 模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术 对外界环境的适应性问题，目前还没有一种专门的良好技术，大 多还是采用传统的技术或依赖传统的工艺水平 ( 4 ) 实现模糊控制系统的软技术 软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前，世界上已有 多种仿真软件出现，如n e u r a l o g i x 公司的产品。 ( 5 ) 模糊控制器和被控对象的匹配技术 模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验。 1 2 3 单片机技术现状 单片微型计算机简称为单片机，是在一块芯片上集成了一台微型计 算机所需的c p u 、存储器、输入输出部件和时钟电路等自问世以来， 性能不断提高和完善，加之具有集程度高，功能强，体积小，供耗低， 性能可靠，价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据 采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛， 并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统，数字单片机的位数越来越 多，精度也越来越高另外，在需要极高响应速度的控制场合，还出现 了模糊单片机，它是专门执行模糊逻辑信号的器件，具有极高的模糊推 理速度。 今天，还出现了不少高级语言的开发工具，这些系统经过仿真可 在更高的开发平台上进行快速的开发，为单片机的广泛应用铺平了道 路。所以，在未来的社会主义工业化建设中，单片机无疑会发挥更大的 作用 1 3 项目来源，研究内容及研究结果 ( 1 ) 项目来源：本项目来源于小区供水的实际应用 ( 2 ) 研究内容：本设计研究了在主芯片为单片机的模糊变频自动控 制恒压供水系统中，如何用模糊算法实现水压的自动控制，达到设定值 要求；以及如何用可视化语言v b 实现恒压控制系统与系统机之间的通 信；除此之外，在硬件电路设计上考虑如何采用各种措施减小系统干扰， 提高系统的稳定性，可靠性 ( 3 ) 研究结果 经过研究设计，实际运行，该系统具有以下基本功能： 1 用户可自行设定水压2 恒压供水 3 具有故障检测功能，当水泵出现故障或无水时，可自动报警。 4 可显示当前水压5 系统死机时，可自动复位恢复工作。 6 使用模糊算法，系统响应时间可达到预期效果。 第二章硬件电路设计 2 1 硬件电路原理简介 1 模糊恒压变频自动控制供水的原理 该设备应用远传式传感器完成对水压的数据采集，传感器置于水体 内，利用水压的变化产生的力的变化将水压量转换成电压值，经前置放 大，a d 转换为一组数字量进入单片机，经微处理器与相应预置参量进 行比较后，得到一误差量a ，该误差量与前一误差量又可得到一误差的 变化量b ，a 和b 作为模糊控制器的输入，由软件进行处理，模糊控 制器的输出则作为一调节参量即控制量，经d a 转换控制变频器，产 生一系列的变化的电流：电流大，水泵转速加快，水压升高，反之水压 降低，近似达到恒压节能的目的 2 系统框图 3 电机控制部分 电机控制部分主要对系统的三个水泵进行控制，而每个水泵状态与 可变供电网络有关可变供电网络由工频电网和变频器提供的变频电网 6 组成，通过控制器将各水泵按一定规律投入( 或切出) 工频电网或变频 电网，以达到最佳配置状态每个水泵都有两种状态：( 1 ) 变频( 2 ) 市电。当加市电时，水泵为最大输出功率。根据用户的实际用水量投入 适当的水泵台数，自动调节水泵转速以达到保证供水管网压力维持恒定 的目的。在正常运行时，总有一台工作泵且只有一台工作泵工作于变频 状态，其余工作泵或者停机，或者工作于市电状态。若用水量大，则管 网压力达不到设定值，经一定延时后，令二泵投入变频电网，进行软启 动，其速度由零逐渐增加，水压随之逐渐增大，当二泵开置额定转速且 压力仍达不到设定值时，则令二泵投入工频电网，并停止变频器工作， 经一定延时后，将三泵投入变频电网进行软启动。若此时用水量减少， 则水压升高，当高于设定值时，控制器发出信号，将一泵由工频电网切 除，只有二泵调速运行，然后一直保持该状态，使水压缓慢增加，最终 保持水压恒定，直到供水结束，余者类推这样在变频方式与市电方式 间切换，循环调频，能够合理利用资源。三台泵全速工作时达到的水压 值可满足绝大多数用户的需要。 由于该系统工作时可能会无人监控，所以该系统具备报警和自起功 能。当微处理器执行程序时检查到有水泵损坏、水流太小或水压为。时， 就会启动报警程序，打开警示灯，以便工作人员及时发现并处理故障。 - 3 系统电源电压过低，或一些不知明原因导致系统死机时，安插在系统 内的x 2 4 0 4 5 4 3 器件会自动产生一个复位脉冲，使系统上电复位，系统 将重新启动工作，保证系统的安全运行 由于微处理器部分工作在弱电状态下，而水泵工作时需要较大的电 流或电压，所以为了保证微处理器的控制电路的安全工作和不给微处理 器的控制电路带来干扰，我们用固态继电器来隔离强电和弱电部分这 样既能保护系统免受高电压的损害又能保证操作人员的安全 2 2 变频器原理简介 所谓变频器就是将电网供电的工频的交流电源变换成适用于交流 电机变频调速用的电压可变，频率可变的交流电的变流慕置。由脉宽调 治型( p w m ) 控制方式对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出 7 端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲。用这些脉冲来代替正弦波 或所需要的波形。按一定的规律对各脉冲的宽度进行调制。即可改变 逆变电路输出电压的大小，也可改变输出的频率。 本设计中采用交一直一交变频器，根据给定压力信号和反馈压力信 号，调节水泵转速，从而达到控制管网申水压恒定的目的，其结构组成 及工作原理如下： 1 变频器基本构成如图2 2 中间负载侧 图2 2 变频器结构框图 如图2 2 所示，变频器的基本构成：主电路( 包括整流器，中间 直流环节，逆变器) 和控制电路分述如下： 1 整流器电网侧的变流器，作用是把三相( 也可以是单相) 交流 电整流成直流电 2 逆变器负载侧的变流器，最常见的结构形式是利用六个半导体 主开关器件组成的三相桥式逆变电路有规律地控制逆变器中主开关器 件的通与断，可以得到任意频率的交流电输出 3 中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负 载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1 ，因 此，在中间直流环节与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能 量要靠中间直流环节的储能元件( 电容器或电抗器) 来缓冲 4 控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入，输出电 路和驱动电路等组成。其主要任务是完成对逆变电路的开关控制，对整 流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制 或数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。 由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的 功能。变频器具体的工作原理如下：为了方便理解，采用对单相负载供 电的交一直一交变频器来说明 图2 3 可控整流装置 2 4 通 图2 4 可控整流装置输出 如图2 3 、2 4 ，可控整流装置把交流电变为幅值可变的直流电， 开关元件1 ，3 和2 ，4 交替导通对负载电阻供电，那麽就在负载上得到 交流输出电压u 0 ，u 0 幅值由可控整流装置的控制角决定，u 0 频率由 开关元件切换频率来确定而不受电源频率的限制若要三相交流输出， 则只需增加两个开关元件即可 2 3 水泵调速运行的节能原理 图25 为水泵调速时的全扬程特性( h q ) 曲线。用阀门控制时， 当流量要求从q 1 减小到q2 ，必须关小阀门这时阀门的磨擦阻力变大， 阻力曲线从r 移到r7 ，扬程则从h 。上升到h ，运行工况点从a 点移 到b 点用调速控制时，当流量要求从q 减小到q1 ，由于阻力曲线r 不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从n1 00 降到n80 ，运行 5 - 况点则从a 点移到c 点，扬程从h 。下降到h ：根据离心泵的特性曲 线公式： p = 0hr l02n ( 2 1 ) 式中： p一水泵使用工况轴功率( k w ) ；扬程h ； 0 一一使用工况点的水压或流量( i t i3 s ) ； 节能部分h 一- - 4 吏用工况点的扬程( r f l ) ： h l h 。 h ， r 一输出介质单位体积重量( kg m3 ) ； n 一一使用工况点的泵效率( ) 可求出运行在b 点泵的轴功率和c 点泵的 轴功率分别为： pb = q1h ar 102n( 2 2 ) 0 q 2q 1流量q pc = q1h r 102n ( 2 3 ) 图2 5 全扬程曲线 两者之差为： ap = pb pc = q1 ( h o h 1 ) r l0 2r t ( 2 4 ) 也就是说，用阀门控制流量时，有ap 功率被损耗浪费掉了，且随着阀 门不断关小，这个损耗还要增加而用转速控制时，根据流量q 、扬程 h 、功率p 和转速n 之间的关系，有： q 2 q l = n 2 n i h 2 h l = ( n 2 n 1 ) 2( 2 5 ) p 2 p i = ( n 2 n 1 ) 3 由( 2 5 ) 式可知，流量q 与转速n 的一次方成正比；扬程h 与转 速n 的平方成正比；轴功率p 与转速n 的立方成正比，即功率与转速成 3 次方的关系下降如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下 来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避 免，从而获得图25 中bc 区域大小的节能效果，这就是水泵调速节能 原理 变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系： n = 60f( 1 一s ) p ( 2 6 ) 0 式中：f 一一水泵电机的电源频率( hz ) ； p 一一电机的极对数： s 一一转差率。 由2 6 式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f ，就可以平 滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电 动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。 水泵变频调速控制系统的设计 变频调速器的控制可以是自动的，也可以是手动的。目前，国内在 水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地 根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的 本水泵变频调速控制系统设计，根据小区供水要求，考虑若干方面的因 素，采用闭环调速控制 2 4 压力检测电路设计 压力检测部分电路主要由传感器和信 号调节转换电路组成( 见图2 6 ) 传感器 是能够规定被测量并按着一定的规律将其 转换成可用输出信号的器件或装置通常由 敏感组件和转换组件组成 传感器的输出信号有很多形式：电压、电 图2 6 压力检测电路图流、频率、脉冲等输出信号的形式由传感 器的原理确定常见的信号调节与转换电路：放大器、电桥、震荡器、 电荷放大器等该设计采用电阻式远传压力表作为传感器，直流电桥、 差分放大器作为信号调节和转换电路图中s r 为传感器，滑动变阻器 为调零电阻当水压为0 时电桥输出应为0 v ，但有时因为其它原因电 桥输出不为0 ，这时就要适当调节滑动电阻器r h 使电桥输出为0 v 。设 滑动变阻器为r h 电源电压为u ，输出电压为u o ，输出端两端电压分别 为u 1 、1 3 2 ，则电桥输出电压和电源电压的关系为： u o = u 1 - u 2( 2 7 ) = ( s r + a s r ) u ( s r + a s r + r 4 7 ) 一r h u ( r h + r 4 s ) ( 2 8 ) = a s r + r 4 8 f ( s r + s r + r 4 7 ) + ( r h + r 4 8 ) 】 ( 2 9 ) 2 5 信号放大电路设计 1 一级放大电路 信号的放大电路采用差分放大电路。( 见图2 7 ) 榆出电压u o 中含 有较大的共模电压，这是我们所不希望的，所以我们利用差分放大电 路对共模电压具有较好的抑制作用这一特性来消除共模电压对电压放 大时产生的影响图中w 2 为滑动变阻器，调节w 2 的大小可以改变 此差分放大器的电压放大倍数根据集成放大器虚短虚断特性，3 端和 2 端等电位且无电流通过，5 端和6 端同理所以易得w 2 两端电压为 u 2 - u 6 或u 3 - u 5 ，不难得出等式： ( u 1 u 7 ) ( r 4 + w 2 + r 3 ) = ( u 2 一u 6 ) ，w 2( 2 10 ) u 0 - 【1 + ( r 4 + r 3 ) w 2 u i ( 2 1 1 ) 设式( 2 1 1 ) 中【1 + ( r 4 + r 3 ) ，w 2 】= k 则k 即为放大系数由式【l + ( r 4 + r 3 ) w 2 ) 可以看出1 端到7 端流过的电流会很大，这就要适当 调节w 2 使k 不会太大，也不会太小 图2 7 一级放大电路图2 8 二级放大电路 2 二级放大电路 有时信号经过一次放大后信号强度仍不能满足要求，还需要二级、 三级甚至四级放大，所以放大电路一般采用多级放大形式。为使压力信 号经放大达到0 5v 左右的标准，本设计在差分放大器的输出端又加 上了一级放大电路( 见图2 8 ) 信号中除了携带有用的信号量外，还 夹杂着各种干扰和各级高次谐波分量。从频率上讲，基波分量( 有用信 息量) 为低频信号，干扰、各级高次谐波分量为高频信号( 无用量) ， 如不进行滤除，它们将和信号中的有用量一起被放大，输出的信号将十 分混杂，这就要求我们让有用的信号通过，滤除无用量。图中电容和电 阻r 6 组成了无源低通滤波器，专门用来滤除输入信号中的频率较高的 无用量，保证有用量的放大从测量电路输入进来的压力值经过两次放 大以电压的形式输出 2 6 比较器电路设计 图2 9 比较器电路 为了节约成本和缩小 体积，不直接采用较昂贵、 体积较大的并行a d 转换 器件，而是采用体积小价格 低的串行d i a 转换器通过 一系列的数值比较，逐次逼 近信号电压，在一定的误 差允许范围内将近似值看 作真实值，来完成压力值的 a d 转换功能图2 9 为比 较电路，中心器件为比较 器，外围电路由旁路电容、 负载电阻、低通滤波电 路组成电容c 5 为旁路电 容对交流信号呈通路，它可以将交流量导八地端电容c 2 和电阻r 1 l 组成低通滤波网络，专门滤除信号中夹杂的高频干扰2 端为被二级放 大的压力信号输入端，3 端为比较电压输入端a 端为比较结果输出端， a 端只为0 或1 电压比较器可以看作是模拟信号和数字信号的转换器。 电路的工作原理是当压力值到达2 端时，8 9 c 5 2 发送一组数字信号给串 行d a 转换器，由d a 转换器产生一相应的电压模拟量，送入b 端。 因为2 端、3 端流过的电流很小可看作无电流通过，而电阻r 4 0 、r 3 9 和滑动变阻器p 1 4 阻值都比较大，所以r a 0 对b 电压的分压较小，可 近似的看成b 端的电压全部加在3 端。2 端和3 端的电压比较实际上为 压力电压与d a 转换器的输出电压的比较由比较器的工作原理可以 知道：当电压u 2 u 3 时，输出a 为低电平0 ，反之a 为高电平( 见图 2 1 0 ) 当比较结束时，程序会自动将a 端的电压送入8 9 c 5 2 ，8 9 c 5 2 会根据a 端的电平判断比较前送入串行d a 转换器的二进制编码是大 还是小，然后下达相应的加或减原数值一半的命令，再将经过加减调整 后的二进制数再次送入串行d a 转换器，重新产生一个模拟电压量送 入比较器进行新一轮的比较，比较结束后，a 端的电平又会被送入 8 9 c 5 2 ，重复上一次的工作过程，如此反复，经过多次比较，2 端和3 端的电压值会越来越接近，直到达到误差允许的范围内，8 9 c 5 2 会自动 记录本次比较前送入串行d a 转换器的二进制编码并认为此组编码即 图2 1 0v o 为压力值经过a d 转换后的最终结果进行一次压力 值的a d 转换大约需要5 套以上的的比较，最大精度 可以达到0 0 3 9 伏8 9 c 5 2 能把a d 转换得来二进制 数与预置电压( 也以二进制数的形式存入8 9 c 5 2 ) 进 行比较判断实际压力是否到达预定值 1 4 2 7 故障检测电路设计 ( 1 ) 故障检测电路 本系统的故障检测功 能并不是对系统本身( 数字 部分、模拟部分) 而设立的， 它的主要目的是监视和控制 工作中的电机和工作的环境 是否达到要求( 是否有水) 。 在系统上电工作时，主程序 开始启动，它除了控制电机， 图21 1 故障检测电路图给电机加速、减速以使实际水 压达到用户设置的预定值外，它还要处理来自故障检测电路发 出的中断信号图21 1 即为故障检测电路的一部分，当水泵无故障时 热继电器a 1 、a 2 、a 3 不会吸和，a 、b 、c 端与地端断开，输出为高电 平；当水泵非正常工作时，图中的热继电器就会吸和，则a 、b 、c 三 端至少有一端会与地端导通，输出低电平a 、b 、c 分别代表了水泵1 、 水泵2 和水泵3 a 、b 、c 哪一端输出电平为低就说明哪一个水泵发生 了故障a 、b 、c 端分别和单片机8 9 c 5 2 相连，输入的信号经过8 9 c 5 2 判断、输出如果认为哪一个水泵放生了故障，就点亮相应的警示灯或发 光二极管、蜂鸣器，提示工作人员排除故障 ( 2 ) 热继电器 热继电器的作用是对电机进行过流保护电机正常工作时，互感 器的电压输出较小，绕阻温度低于限值；当电机过载运行一段时间后， 绕阻升温达到限值，此时热继电器运作使电动机短电，从而保护电动机。 2 8 电机控制电路设计 电机控 i ；6 部分分为强电部分和弱电部分因为强电部分工作在大 电流、大电压状态下，而且主要与所提供的水泵、气泵等外围设备有关， 不属于本设计范畴之内所以将不对其进行详细的介绍下面重点说明弱 电部分，也就是和8 9 c 5 2 相关联的一部分电路，主要有电压、电流转换 电路和变频器8 9 c 5 2 对电机的控制是通过对d a 系统和变频器的控制 实现的控制信息由d a 装置转换为电压量，但变频器对电机的控制 是通过调节电流实现的，这就需要一种电路，使输入的电压量适当地转 变成为电流量，其功能实质就是一个压控电流源( 见图21 2 ) 。图中包 含两个集成运算放大器和一个使用在共集极状态下的三极管( 射极跟随 器) ，a 为电压输入端，p 6 为电流输出端。电容c 4 和电阻组成低通滤 波网络根据放大器虚短、虚断原理，有( 1 ) 式成立：流过发射极的 电流由电阻r l 的上端电压u t 和电压u 1 0 共同决定，由欧姆定理得( 2 ) 式 图2 1 2 电压电流变换电路 u 1 2 = u 1 3， u g = u 1 0r 2 1 2 、 i p 6 = ( u 1 2 一u 1 0 ) ， ( r 1 + w )r 2 1 3 1 u 1 2 = u a f 2 1 4 ) 通过上式，可 以看出当r a 、r e 电阻值非常大时 ( 几十千q ) a 、c 通路中电流近似 为0 不难推出 u 1 2 = u 1 0 ；调节电阻r a 、r b 、r d ，根据放大倍数有u t = 2 u 1 0 根据( 2 13 ) 式，电压量有效的转换成为电流量，输出的电流量将交给变频器管理 2 9d 电路设计 1 d a 做a d 在第二章第六节已经对如何用8 位串行d a 转换器来完成a d 转 换功能进行了介绍，现在对其如何完成a d 功能进行一下补充在执 行a d 转换功能的程序时，8 9 c 5 2 在时钟周期的推动下由图21 3 中第7 脚( p 1 6 ) 向d a 转换器的第6 脚串行送入二进制数，二进制数转换成的 电压值由d a 转换器的第1 1 脚输出至比较器，进行比较后，比较结果 送入8 9 c 5 2 的第3 5 脚。8 9 c 5 2 的第3 、6 、5 脚分别管理d a 转换器的 c l k 、l d a c 、l o a d 信号d a 转换器的其它管脚有的接电源、地， 有的接参考电压、变频器，这里不再一一列举。图2 13 中滑动变阻器、 电阻、三极管组成稳压电路，帮助d a 转换器确定输出电压值。( 祥见 器件简介) 2 d a 电路 图2 13 的 电路不仅能完 成a d 转换的 功能，还能完 成d a 转换的 功能d a 转 换器一共有4 个信道，除进 行a d 转换占 用一个外，d a 转换可以任用 其它的三个， 只是在程序上 稍有分别每 图2 1 38 9 c 5 2 圊双8 位串行d a 连接固个信道的输出端 可接电压电流变换装置来控制变频器，进一步控制三个泵的电机的转速 和变频电网对d a 转换器的操作指令为1 l 位二进制数，头三位代表 输出信道，后8 位为要转换输出的数据对程序的操作可以满足任意选 择信道进行电压输出当电压输出变大时，后接的变频器电流相应变大， 使泵加速，从而所控制的水压增大；反之减速，水压减小由此8 9 c 5 2 可以通过d a 转换器、电压电流雯换器、变频器实现对水泵的控制， 使水压保持在压力设定值，达到恒压供水的目的 2 1 0 串行通信电路设计 单片机和系统机之间要实现数据传输，还必须进行串行通信电路的 设计。8 9 c 5 2 内部有一个全双工的串行口，它和其它的标准串行接口电 路一样，输入输出为t t l 电平( 高电平为38 左右，低电平为o3 左右) 。 这种以t t l 电平传送数据的方式抗干扰性较差，只能在几米的范围之 内传送数据，为了提高 f 行通信的可靠性，系统采用r s 一2 3 2 一c 接口 标准进行数据通信由于采用负逻辑，即逻辑1 为一1 2 v ，逻辑0 为+ 1 2 v ，因而它与串行1 ：2 的两个引脚p 30 和p 3 1 连接时，需外接电 路实现电平转换，方可构成串行通信系统电平转换常用的方法有两种： 1 采用集成的r s 一2 3 2 一c 发送器1 4 8 8 和接收器1 4 8 9 组合实现串行 通信接口电路二者内部均有反相器，从而完成正负逻辑电平的转换。 这种集成式收发器应用较多，但由于电平转换需要正负1 2 v 供电，在 许多应用系统中只有+ 5 v ，若专配正负1 2 v 会使结构复杂，造价提高。 2 晶体管分立元件构成的电路，可实现单一+ 5 v 供电的标准r s - - 2 3 2 c 串行接口电路，这种标准r s 一2 3 2 一c 电平转挟器可直接连接有 r s 一2 3 2 一c 接口的设备但分立元件组成的电路在设计、使用时有很 多不便。 本系统采用i c l 2 3 2 c 作为接口芯片，它为单片集成双r s - - 2 3 2 发 送接收器，单一+ 5 v 供电，符合技术规范芯片的最大特点是直接实 现电平转换，只需外接几个电容即可串行通讯接口电路如图2 ，1 4 图2 1 4 串行通信接口电路图 1 9 第三章典型芯片介绍 3 1x 2 5 0 4 5 芯片介绍 x 2 5 0 4 5 4 3 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监视器和 e 2 p r o m 组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了时电 路板空间的要求 看门狗定时器为微控制器提供了独立的保护系统当系统出现故障 时可在选定的超时周期之后，x 2 5 0 4 5 看门狗将以r c s e t 信号做出响应。 用户可从三个预置的值中选择此周期 利用x 2 5 0 4 5 低v c c 捡测电路，可以保护系统使之免受低电压状况 的影响。当v c c 降低到转换点以下时，系统复住复位一直确保到v c c 返回且稳定为止 管脚说明： 串行输出口( s o ) s o 是个推拉串行数据输 出口在读周期内，当时 钟是下降沿时数据在此 口上转换输出 串行输入口( s i ) s i 是串行数据输入口。 所有的操作码，字节地 址，和数据是从此脚写入 存储器的，数据在一系列 时钟周期的上升沿被锁 存 图3 1 管脚说明图 连续的时钟信号( s c k ) 连续的时钟信号控制着数据输入输出的时序。输入s i 引脚的操作码、数 据、地址在电平上升沿被锁存，而从s o 引脚输出的数据在时钟信号下 降沿电平输入后才发生变化。 片选端( c s ) 当c s 脚是高电平时，x 2 5 0 4 3 4 5 不被选中，s o 脚保持高阻态，直 到内部输入写命令，x 25 0 4 3 45 进入待命状态。c s 为低电平使x 2 5 0 4 3 4 5 进入工作态须指出的是，c s 脚上的高低电平转换应该在所有的操作执 行前进行完毕 写保护端( w p ) 当写保护是低电平时，除了不允许x 2 5 0 4 3 4 5 进行写操作外，其它 方式正常工作当写保护在保持电平时，一切方式正常w p 为高电平， c s 为低电平将中断x 2 5 0 43 4 5 的写操作。如果内部写循环早已开始， w p 变为低电平时不会对写操作有影响 复位端( r e s e t ) x 2 5 0 4 3 4 5 的复位信号是低高电平时有效。一个c s 端的下降沿将 使电子狗功能复位。 操作原则 x 2 5 0 4 3 4 5 包舍一个8 字节命令寄存器信息由s i 脚输入，同时数 据在时钟的上升沿被锁存在输入数据时，c s 脚必须是低电平，w 口必 须是高电平如果预先设定的时间得不到总线信息，x 2 50 4 3 45 将在监 视模式下输出复位信号表1 包含了操作码的用法名称所有的命令、 地址、数据都要首先被转换成最高有效位读写命令的头三个字节顺次 包含了高地址的三个字节，a 8 代表数糖，c s 是低电平，s c k 到达第一个 上升沿时开始进行输入数据的采集s c k 信号是静态的，允许用户停止 时钟和重新开始操作 写使能锁 x 2 5 0 4 3 4 5 包舍了一个写使能锁在写命令完成初始化前，设置写 使能锁w r e r l 命令为设置命令，w r d i 命令为重置命令。写使能锁将在上 表1 状态字寄存器 电过程中和字节、页、或状态寄存器写周期完成后自动重置w p 为高 电平时，也会重置写使能锁。 状态寄存器的形式如下： r d s r 命令对状态字进行操作用户可以在任何时候甚至是写周期正 在进行时访问状态寄存器。当进行w r e n ，w r d i 和r d s r 命令操作时，不 需要输入地址或数据。( w 口) 位表明x 2 5 0 43 45 是否忙于写操作。w i p 位为1 时，表明正在进行写操作，如果为0 ，说明没有写操作进 行。写操作期问，所有的位均为1 ，对w l p 位只能进行读操作写 使能锁( w e l ) 位表明写使能锁的状态：当为1 时锁被打开，为0 时锁被重置w e l 位，只能进行读操作、w r e n 或一个写周期后和 w r d i 命令对此位分别进行设置扣重置操作块保护( b l 0 和b l l ) 位 表明保护的程度w r s r 命令完成对此位的设置功能，而且允许用户 在电子狗程序中选择4 种不同程度的保护x 2 5 0 43 4 5 被分为4 个1 0 2 4 位的段，可以锁其中的任意一段所以用户只能对选择的段进行读而 不是能改变数据的写操作程度w r s r 命令完成对此位的设置功能， 而且允许用户在电子狗程序中选择4 中不同程度的保护x 2 5 0 4 3 4 5 被 分为4 个10 2 4 位的段可以锁其中的任意一段。所以用户只能对选择 的段进行读而不是能改变数据的写操作电子狗时间设置位( w d 0 和 表2b l 0 和b l l 的赋值代表的地址 s t a t u sr e 一5 t e r 脚t b a r r a ya d d r e s s e s b l lb l op r o t e c t e d oon o n e o1 $ 1 8 0 一$ 1 f f 10 $ 1 0 c l $ 1 f f 11$ 0 0 0 - - $ 1 f f 表3w d 0 和w d l 位的编码代表的时间段 w d i ) 位w r s r 命 令完成对这些非易失 位的操作( w d 0 和 w d l ) 位的编码代表的 时间段见表3 ： s t a t u sr e o i s t e rb i t sw a t c h d o q r i m e - o u t w d lw d 0 ( t y p i c a l ) oo14 s e c o l l d $ 016 0 0m i l i s e c o r l d $ 1o2 0 0 i l i 铺：c o l y j s 11d i s a b l e d 时钟和数据时序 由s i 引脚输入的数据在s c k 信号上升沿被锁存，由s o 引脚输出的 数据在s c k 信号下降沿被锁存 读时序 当读e 2 p r o m 内的连续内存片选端置0 ，8 个字节的地址乖8 个字 节的读命令分别一次性输入x 2 5 0 4 3 4 5 读命令的第三字节包含地址的 a 8 位，这一位用来逸择高字节地址或低字节地址当读命令和地址输入 完毕后，被选择地址的数据由s o 口输出下一字节地址内的数据，相 应的在下一个时钟脉冲信号到来时输出数据完全输出后，地址字节自 动加1 段地址到达$ 1 f f 时地址重新返回$ 0 0 0 ，允许读周期连续操作 读命令操作在c s 端置l 时终止读状态字存储器时，c s 端首先置o ，然 后进行命令为8 个字节的r d s r 命令操作操作完成后状态字寄存器内容 由s o 口输出 写时序 要想把数据写入x 2 5 0 4 3 4 5 ，必须用w r e n 命令设置写使能锁( 见 表3 ) c s 置0 ，输入w r e n 命令当8 位w r e n 命令输入完毕后，c s 必 须置1 如果c 3 仍为o ，系统将忽略用户执行w r e n 后的所有操作数 据写入e 2 p r o m 时，用户在输入8 位地址后，紧跟w r i t e 命令写命令 的第三个字节包含地址的a l 位，此位将用来选择高字节或低字节地址， 这至少是一个2 4 时钟周期的命令在操作期间，c s 始终保持0 主机 可能将4 个字节的数据继续写入x 2 5 0 4 3 4 5 ，但这4 个字节必须在同 一页。页地址由x x x x x ) o ( o o 开始，由x ) 。( ) 。( x x l l 结束如果页 地址已到达x ) ( ) o ( ) ( x x l l 并且时钟周期脉冲不停止，页地址将返回 首地址，可能会覆盖掉一部分已存在的数据为了完成字节或页的写 操作，c s 将保持2 4 ，3 2 ，4 0 ，或4 8 个时钟周期如果c s 没有保持相 应时钟周期的时间，将不能完成写操作正在写时，在写状态字寄存器 和e 2 p r o m 的操作完成后，应该检查一下状态字的w i p 位此时w i p 位应为1 ，其它位不确定 复位操作