毕业设计（论文）-供水系统TMS320LF2407.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要供水系统的研究是随着人们居住环境的集中以及生活个性化的发展而产生的。恒压供水水系统的研究是其中一个重要的研究课题。采用变频调速技术的变频恒压供水系统克服了传统供水方式的缺点，节能效果显著，已逐渐成为我国建筑供水系统的规范之一。本恒压供水系统由两部分构成，分别是数据采集及处理部分和DSP对电机的控制部分。该系统将自动控制的有关理论转变为实时应用算法移入DSP，并与前向通道和后向通道共同构成一个稳定、可靠的负反馈系统，控制电动机的状态转换和速度调整，在需水量不断变化的情况下，使送水管道保持相对稳定的水压，以满足恒压供水的需要。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法，近年来，变频调速用于恒压供水己形成典型的供水模式。本系统不仅能达到节能的效果，而且能有效保证用户用水的稳定性,同时还能延长设备的使用寿命。关键词：TMS320LF2407；电机；A/D；恒压供水 Abstract Research of water supply appears after centralization of our living environment and development of our living individuationThe research of constant pressure water supply is an important taskThe use of technology Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System to overcome the shortcomings of traditional methods of water supply, energy-saving results are obvious, China has gradually become the norms of the construction of water supply systems.The entire water supply includes two parts，which are signal collecting and disposal part and controlling part of DSP towards motor respectivelyThis system translates related autocontrol theory to realtime application arithmetic，to from a stable and teliable minus feedback system with pre-channel and post-channel，in order to control the state conversion and speed adjusting of the motorWhile the need of water is changing，the water piping can keep stable hydraulic pressure to meet the needs of constant water pressure.Frequency is considered an ideal method of communication speed, in recent years, Frequency Control Constant Pressure Water Supply for the water supply has been the formation of a typical model. The system can not only achieve the effect of energy-saving, and can effectively guarantee the stability of water users, while extending the useful life of equipment.Key words：TMS320LF2407；Motor；A/D；Constant-pressure water supplying system目 录第1章 绪 论11.1 恒压供水系统11.2 恒压供水系统的国内外现状11.3 系统要实现的功能11.4 系统的特点2第2章 恒压供水系统总体设计42.1 系统整体方案的论证42.2 系统结构及控制原理52.3 数据采集及处理部分的设计要求6第3章 系统的硬件电路设计83.1 控制芯片的选择83.2系统电路总体结构设计93.3电源电路113.4时钟及复位电路的设计123.4.1时钟电路123.4.2复位电路133.5 信号采集电路设计143.5.1 设计思路与框图143.5.2 具体硬件电路设计153.6 A/D转换器183.7 TMS320LF2407的数据存储器、输入模拟信号的采样及转换193.8 电机驱动控制电路的设计203.9 人机接口电路设计213.9.1 人机接口电路芯片选择213.9.2 电路设计223.10 RS232串口电路的设计233.11 JATG接口电路设计243.12 蓄水池水位控制电路及电源指示电路设计24第4章 系统的软件设计264.1 软件设计思路264.1.1 系统整体的软件设计思路、流程图264.1.2 数据采集及处理部分程序设计思路、流程图264.2 DSP的定点运算314.2.1 定点DSP中数的表示、定标324.2.2 DSP定点算术运算344.3 DSP的定点运算354.4 数字滤波与尺度变换35第5章 总结38参考文献39致谢41附录42附录58附录60附录71IV第1章 绪 论1.1 恒压供水系统随着人们的居住环境的集中以及生活个性化的发展，城市供水系统的负荷变化很大。在我国，长期以来城市供水、高层建筑供水采用的是传统的利用高位水箱、水塔和各种气压罐进行加压蓄水，依赖挡板和阀门的阻力来调节水流量的方法。该方法供水压力稳定，但存在许多弊端，如设备使用寿命不长、需要派专人管理、浪费电能等等。随着科学技术的不断进步，恒压供水系统被引入到城市供水系统当中，克服了传统供水方式的许多缺点。当今是计算机技术和数字信息处理技术高速发展的时代，数字信号处理器DSP自诞生以来，在短短的几十年内得以飞速发展。由于它既具有独特的高速数字信号处理功能，有具有实时性强、低功耗、高集成度等嵌入式微处理器的特点，因而其应用已经深入到通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域，成为最有发展潜力的技术、产业和市场之一。1.2 恒压供水系统的国内外现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。随着变频技术的发展，变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，例如日本Samco公司，就推出了恒压供水基板。这类设备虽然功能上会受到一些限制，但极大的微化了电路结构，降低了设备成本。目前国内也有不少公司在做变频恒压供水的工程，但总的来说系统还不能达到所有用户的要求。目前国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得还不够，因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活与生产实践。1.3 系统要实现的功能恒压供水控制系统的基本策略是采用电动机调速装置与微机控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，自动调电机的转速，完成供水压力的闭环控制，从而达到恒定水压和节约电能的目的。应用DSP控制技术，变频技术与电机泵组相结合，根据供水管网的用水情况，调整水泵投入台数及其转速，实行全自动恒压（变压）变量供水，达到高效节能的目的。1.4 系统的特点高效节能。变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在1%40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。恒压供水。变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期用户的热水器不能正常使用的情况。安全卫生。系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染“，取消了水池定期清理的工作。自动运行、管理简便。新型的变频恒压供水系统具各了过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护，低液位保护，主泵定时轮换控制和密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。延长设备寿命、保护电网稳定。使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。占地少、投资回收期短 新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地非常小，可以节省投资，降低运行管理费，再加上变频供水的节能优点，都决定了变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。变频调速恒压供水设备主要应用的场合很多，例如，高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水；各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水；农田灌溉，污水处理，人造喷泉；各种流体恒压控制系统。而且我国目前有很多地区的用水效率不高，随着科学技术的不断发展，恒压供水技术还会不断的得到推广。因此，基于恒压供水控制系统的各种优点，可以说该课题的发展前景是反常广阔的。通过本系统的设计，可灵活方便地选择投入使用的水泵的套数，并可使一套水泵在程序的控制下，都能工作在全速或调速状态。同时利用水泵的运行曲线和工作效率的关系，可使得每台水泵轮流处于节能高效运行状态，既节约能源又延长水泵寿命。进一步通过控制算法设计可以保证多套水泵的运行时间和次数接近，以延长设备的整体使用寿命。第2章 恒压供水系统总体设计2.1 系统整体方案的论证方案一 气压罐供水方式气压罐供水方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开与停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比要小很多，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。是比传统的利用水塔的供水方式优越的供水方式。方案二 变频恒压供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统的压力信号与设定的压力值进行比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵的转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个比较大的缺点。而变频恒压供水系统的变频器是一台由控制器控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时气压罐占地面积要几十平米，而变频装置占地面积仅为几平米，由此可见变频恒压供水方式比气压罐供水方式将节省大量的占地面积。在运行效果上，气压罐方式与变频式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现为它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总体积的三分之一到六分之一，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪音，同时由于启动频繁，压力不稳，加之硬起动，电气和机械冲击较大，设备损坏快。变频式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了水质的二次污染，保证了饮用水水质的可靠。综上所述，变频恒压供水系统具有节约能源、节省材料、节省占地、节省成本、运行稳定可靠、使用寿命长等优势，具有更广阔的应用前景和明显的经济效益。因此，本课题选择方案二。2.2 系统结构及控制原理恒压供水系统是指在用户端用水量变化的情况下，总保持水泵出水管网中水压基本恒定。这样，既可以满足不同时间、不同用户对用水量的需求，又不会产生电机空转，防止造成电能的浪费。用户压力传感器电机组蓄水池键盘LED显示水位灯液位传感器CPUEVA /EVB ADCADCI/O口数字PIDDSP 图2.1 供水系统的系统结构示意图A/D电机水泵管网PIDPWMM压力传感器+Hr-Hfe系统以控制器、水泵、压力传感器、I/V转换预处理电路等构成的闭环系统为控制核心，此外系统还包括水位传感器、I/V转换预处理电路、水位报警指示灯、LED显示器件、键盘等外围部件。图2.2 恒压供水控制原理框图如图2.2所示，为了实现恒压供水，系统首先通过置于水泵出水管网上的液压传感器周期性地采集水泵出水管网中的水压信息，并将其变送成的标准信号，输入到DSP中进行A/D转换、滤波和尺度变换，以将该压力信息转换为数字两压力Hf。DSP通过将实际供水压力值Hf与设定的压力值Hr进行比较，形成偏差e，按照PID控制算法规律，控制输出的PWM波形信号，通过改变PWM波形的占空比来调节无刷直流电机的转速，进而改变变速泵的抽水速率，维持出水管网中压力的稳定。例如，当用户用水量增多，采集到的出水管网中的水压小于设定压力值时，这时通过PID算法的计算，改变输出PWM波形的占空比来改变电机的转速，使变速泵转速加快，出水量加大，使管网中的水压值上升；如果主泵全速运行，出水压力仍小于设定压力值时，就启动辅助泵并控制其变速运行。反之，当用户用水量减少，管网中的水压大于设定压力值时，就通过PID算法改变输出PWM波形的占空比来使水泵转速下降，出水量减少，使管网中的水压下降；当辅助泵最低速运行水压仍高于设定压力值时，就停止辅助泵，只使用主泵调速运行。如此经过循环反复的调整，就可以使供水管网中的压力值围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒定。这就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。2.3 数据采集及处理部分的设计要求蓄水池中的液位传感器将采集到的水位信号，经放大处理后输入TMS320LF2407的A/D转换器进行转换，转换后的数字量进行数字滤波以滤除高频干扰，然后对其进行尺度转换，转换成水位的数字量。DSP检测水位是否超上限或超下限并分别进行超上限或超下限报警，并将水位的高低通过LED显示出来。同理，水泵出水管网中的压力传感器将采集到的水压信号，经放大处理后输入DSP的A/D转换器进行转换、数字滤波、尺度转换，得到水压的数字量。DSP计算采集到的水压值与设定水压值的误差e的大小，将其送入PID控制模块作为控制PWM波形及电机转速的依据。同时DSP将水压的高低通过LED显示出来。人机接口方面：通过HD7279A芯片来设置人机接口，包括LED显示及键盘输入。通过LED实时的显示当前蓄水池的水位值或观望中的水压值。通过键盘人工选择哪台作为主泵，哪台作为辅助泵；输入PID控制参数；选择水压显示；选择水位显示；系统复位等。报警装置方面：设置蓄水池水位上下限报警指示灯，当蓄水池水位高于水位上限时，水位上限报警灯亮；当蓄水池水位值低于水位下限时，水位下限报警灯亮。抗干扰方面：要编写数字滤波程序，以滤除采样现场的高频干扰及噪声，防止它们引起电机的误操作。第3章 系统的硬件电路设计3.1 控制芯片的选择20世纪90年代以来，数字信号处理技术获得了惊人的发展，这体现在DSP的性能和指标不断提高，而价格却不断下降。同时，DSP获得了越来越广泛的应用，目前已成为不少新兴科技的主要推动力。目前，我国已有部分科研单位和公司进行DSP的研究，上百所高等院校从事数字信号处理算法的教学与科研。目前，除了一些DSP处理器尚需从国外进口之外，在信号处理理论和算法方面，与国外处于同一水平，而在信号处理和系统集成方面，正在进行与世界上先进国家同样的研究。DSP具有下列主要特点采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数据空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输；高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可完成多重操作，一般能够一次乘法和一次加法；支持流水处理，可在某一时刻同时对若干条指令进行不同阶段的处理；片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器，且多数DSP的指令系统中设置有循环寻址及位倒序指令和其它特殊指令，使得在作这些运算时寻址、排序及计算速度都大幅度提高；具有单独的DMA总线及其控制器，可在基本不影响DSP处理速度的情况下，作高速的并行数据传送；丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供了良好条件；新型DSP集成了越来越多的其它部件，如A/D、比较器、捕捉器、PWM、串行口及看门狗等，为将DSP应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了资源条件，并可以组成新型的DSP嵌入式应用系统。由此可以看出DSP的功能比单片机强大得多，能以比单片机更高的速度进行运算。有更高的集成度。DSP有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样保持电路，可提供PWM输出，允许同时存取程序和数据，具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，完成一次乘加运算快1630倍。而且，随着DSP技术的快速发展，DSP芯片的成本越来越低，目前，超高速、低功耗和强实时性的数字信号处理器（DSP）在许多领域正在逐渐代替单片机。所以，本课题选用DSP作为控制器，会使得系统的动力性、经济性、稳定性等各项性能得到提高。本课题选用的是TMS320LF2407芯片。TMS320LF24X系列是美国TI公司于1997年推出的低价格高性能的16位定点DSP，是专为数字电机控制和其他控制应用系统而设计的系列DSP芯片。LF2407不但具有高性能的LF24X DSP内核，配置有高速数字信号处理的结构，而且还具有单片电机控制的外设功能。它将DSP的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元MUC和多片设计系统的理想替代品。该系列芯片能为价格低廉的电机如AC感应、直流永磁和开关磁阻电机等提供控制器；可用于无刷电机的全变速控制；将LF2407使用在汽车电子动力转向系统中，可以提高汽油利用率，减少液压装置；用于变速控制可以约大量能源，一般比定速控制器节约25%的能量；另外，LF2407还可用于适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法，支持多项式的高速实时计算，因而可以减少力矩波纹，增强系统性能，降低功耗，减少振动，从而延长被控设备的使用寿命，为各种类型的电机提供了高速、高效和全变速的先进控制技术。3.2系统电路总体结构设计根据设计的总体方案，系统的整个硬件电路可以设计为以下几个模块:电源电路、时钟及复位电路、信号采集及预处理电路、电机驱动控制电路、键盘及显示电路、JTAG接口电路和报警电路。系统电路总体结构框图如图3.1所示。电源电路为系统的各部分提供稳定的工作电压，包括为直流无刷电机提供起动电压和工作电压，为LF24O7提供低压直流电，以及为各外围芯片提供直流电压时钟及复位电路是每个系统设计所必不可少的部分。本文时钟采用LF24O7内部时钟，复位由复位键完成。信号采集及预处理电路包括工作现场的信号的采集、信号的预处理电路。电机驱动控制电路实现了LF2407对直流无刷电机的控制，其中包括光电隔离电路。人机接口电路实现了按键输入与数码管显示，提供了人机交流平台。JTAG接口电路可以实现程序的下载、调试与改写。当水泵水位超上限或低于下限时，报警电路将做出指示。TMS320LF2407数据存储器的最大寻址范围是64K字，又分为局部数据存储器和全局数据存储器。其中，局部数据存储器用以保存指令中使用的数据，而全局数据存储器是附加的数据空间或用来保存与其它处理器共用的数据。两者都在这64K字范围内，但局部数据存储器从低端地址开始，最多可达64K字，地址为0000HFFFFH,而全局数据存储器占用局部数据存储器的高端地址，数量可以为25632K字，最多可达32K字，地址可取80000HFFFFH中的全部或者一部分。TMS320LF2407A输入时钟键盘LED显示JTAG接口光电隔离变频器电机驱动电源报警信号预处理传感器A/D图3.1恒压供水系统电路总体结构框图局部数据存储器分为片内和片外数据存储器两种。片内局部数据存储器包括片内DARAM(双口RAM)B0、B1和B2，它可用作片内的程序/数据存储器。片内的3个DARAM分布在地址0600H07FFH之间，其中，块B0有256个字，可设置为数据存储器或程序存储器。块B1有256个字，只能用作数据存储器。块B2是一个高速的32个字的暂存RAM块，它支持双存取操作，并可用任何数据存储器的寻址方式来寻址，它为那些没有分段的内部/外部的RAM块提供了可变存储空间。片外局部数据存储器可采用高速RAM芯片，通过与LF2407的接口来实现。如果采用低速RAM芯片，则必须考虑与LF247的速度匹配问题，需要使用READY信号、片外延迟电路或片内等待状态产生器来建立等待状态图3.2 TMS320LF2407芯片引脚3.3电源电路本系统电源为各部分电路提供所需稳定工作电压。系统各个部分所需供电电压分别为：电机起动时使用380V三相交流电；TMS320LF2407的I/O电源接+3.3V电压，内核电源电压为+1.2V；HD7279、MAX3232等外围芯片需+5V供电：TMS320LF2407片内有10位的A/D，这就要求一个与数字电源相隔离的+3.3V的模拟电源。综上所述，需要设计5组电源，分别为:1个+5V，2个 +3.3V，1个 +1.2V。整个电源电路图如图3.3所示。图3.3 电源电路为了得到一个5V电源，先将220V市电经变压器降压后，经全桥整型电路后转换为直流电，再经过三端集成稳压器件LM7815转换成15V直流电，再将15V直流电经集成稳压器件LM7805转换为+5V电压。+5V电压也有两个去处，一方面可以为系统中使用的外围芯片提供电压，一方面通过LMlll7-3.3将其转换为+3.3V电压。图中用100F的电解电容滤除低频信号，0.1F的独石电容滤除高频信号，0.1H的电感作为数字电源+3.3V和模拟电源 +3.3vA的隔离。3.3V电压经过简单的分压电路后即可得到1.2V的内核电压。3.4时钟及复位电路的设计3.4.1时钟电路LF2407内部含时钟发生器和时序控制逻辑，内部时钟发生器由振荡器和锁相环等组成。通过外部谐振电路和内部振荡器的协调工作，可在芯片内部产生CLKIN信号。并产生与CLKIN信号有关的CLKOUT1信号。CLKIN信号的产生有内部振荡器方式和外部振荡器方式两种，本文采用了较为简单的内部振荡器方式，电路连接如图3.4所示。图中，在CLKIN/X2和X1引脚之间连接晶振及两个电容，组成谐振电路，这样就可在内部产生时钟源。晶体应处于基波或谐波方式工作，负载电容选定为33pF，晶振频率为7.37MHZ。输入时钟采用四倍频，且PLL输入不分频。因此整个系统的时钟频率为7.37MHZ的四倍频，约为30MHZ，满足LF2407的要求。图3.4 时钟电路3.4.2复位电路本系统采用MAX811来实现复位。MAX811是低功耗微处理器监控电路，用于5V或3V供电的微处理和数字系统的电源监视。Vcc降低至复位门限以下时，输出复位信号，当Vcc升高超过复位门限后至少保持l40ms的复位有效时间。另外该芯片还提供防抖动人工复位输入功能。采用四引脚SOT-143封装，输出低电平复位脉冲。其引脚与电路图如图3.5所示：图3.5 MAX811引脚及电路其中是人工复位输入端，低电平有效。在为低电平时及返回高电平之后的延迟时间内，复位保持有效。内部有20K输入电阻，不用时将其浮空。3.5 信号采集电路设计3.5.1 设计思路与框图本设计用液位、压力传感器将被测蓄水池水位、管网压力信号（x）转换为模拟电流信号，经过I/V转化放大及电压匹配电路处理后，变为与DSP引脚输入电压相匹配的模拟电压信号，输入到DSP中的A/D转换器，由A/D转换器将模拟电压量转换为数字量（y）。ADDSPI/V转化放大及匹配电路压力液位传感器设计框图如图3.7所示图3.7 信号采集电路设计框图 说明如下1.被测量水位、水压(0-10m、0-2MPa)经过液位、压力传感器转换为模拟电流量输出4-20mA。2.输出的电流信号要经过信号调理电路的低通滤波、IV转换放大(0-20mA转换为0-5V)、电压匹配(0-5V匹配为0-3.3V)然后再送给DSP中的A/D转换器。3.在DSP芯片中A/D转换器将输入的模拟电压量转换为10位的二进制数值，送给存储单元作为后期数字平滑滤波和尺度变换处理所用。3.5.2 具体硬件电路设计1传感器的选择现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理的选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。本系统主要采集的是蓄水池的液位高度和水泵出水管网压力两个信号。液位信号采集的液位信号实际上是由液位传感器感应并输出的电流信号。基于蓄水池的液位不超过10米，我们选用量程为0-10米的投入式液位传感器YH871.YH871采用扩散硅压力传感器，全硬封结构，可靠性高，稳定性好；适用于自来水公司、蓄水池、水塔、城市给排水、水井、水库水位测量；具有“本质安全”性能。它的主要技术指标如下:基准量程:010m输出信号:42mA(DC)精度等级:土0.2%F.S介质温度:-2060、080、0100C、0200C工作电压:24V(DC)负载电阻:0600欧姆过载能力:基准量程的1.5倍防爆类型:EXialIBT6(本质安全型)稳定性:一年内不超过变送器的精度水压信号采集的管网水压信号实际上是由压力传感器感应并输出的电流信号。基于供水压力不超过1.5MPa，我们选用量程为0-2MPa的PTP503恒压供水压力传感器。它采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。它的主要技术指标如下量程：0l150(MPa)综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号：420mA(二线制)供电电压：24DCV(936DCV)介质温度：-2085环境温度：常温(-2085)负载电阻：电流输出型:最大800绝缘电阻：大于2000M。(100VDC)密封等级：IP65长期稳定性能：0.1%FS/年振动影响：在机械振动频率20HZ1000Hz内，输出变化小于0.1%FS/年电气接口(信号接口)：四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母2I/V转换放大及电压匹配电路因为两传感器的输出都为420mA，而DSP中AD转换器的输入一般为03.3v，因此需要在传感器和AD转换器之间加一个I/V转换放大及电压匹配电路，以实现电流电压转换及电压的匹配。I/V转换放大电路目前广泛应用的集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算(加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等)、信号的处理(滤波、调制)以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。图3.8 压力检测电路在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。基于本设计的目的和应用环境以及不同运放的特点，选用低温漂型运算放大器ICL7650，其构成的IV转换放大电路如图3.8所示。该电路将020mA电流信号转换放大为0-5V的电压信号，因此接传感器的输出后将有用值4-20mA转换为1-5V。因为DSP的输入电压为0-3.3V，因此该电路的输出电压还应该再进行电压匹配电路的匹配处理后送入DSP。电压匹配电路由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。调零及电压匹配电路如图3.9所示。该电路将05V匹配为03.3V，当输入电压为零时，我们可以通过调节调零电阻(50K的电位器)使运放的输出为零；再通过调节反馈电阻(40K的电位器)调整放大倍数，以实现电压匹配。因此会将IV电路的有效输出15V匹配为0.663.3V。输出的匹配电压送入DSP的A/D转换器。图3.9 I/V转换放大电路图3.10 电压匹配和调零电路3.6 A/D转换器 LF2407片内的A/D转换模块由两个10位串行A/D转换器组成。每个A/D保持电路，都有8个模拟输入通道和一个8转1多路转换器，并设置了内部采样、保持电路，能够进行单独的或连续的采样/保持和转换操作。当每次A/D转换结束时，都会将中断标志置位，如果该中断未被屏蔽，就会产生中断申请。由于两套A/D是相互独立的，因此模块可同时采样两个模拟输入信号。每个A/D的最大转换时间10s。模块内有两个可编程的模-数转换寄存器，用来竹理A/D模块的工作。可通过软件指令、器件引脚上的外部信号跳变、每个通用定时器的定时/比较输出和事件管理器事件等去启动A/D转换。另外，模块内有两个2级的FIF0，用来存放A/D转换的结果，其中一个ADCFIF01的地址为7036H，另一个ADCFIF02地址为7038H，它们都是只读寄存器。其操作特点是：在从数据寄存器中读取结果前提供了两次转换的灵活性。但是，如果FIF0中已经有两个未读数据，此后，又进行了第三次转换，则第一次转换的数据将丢失。注意：ADCFIF0的存放格式是数据左对齐，使用位D15D6，而位D5D0保留。与A/D模块有关的引脚有20个，其中16个引脚ADC0ADC15用于模拟输入，ADC0ADC7为第一个A/D的模拟输入，ADC8ADC15为第一个A/D的模拟输入。引脚ADC0、ADC1、ADC8和ADC9可通过编程用作数字I/O口，但它们的精度低于专用模拟输入引脚ADC2ADC7和ADC10ADC15.所以A/D转换器采用DSP芯片TMS320LF2407自身的AD转换模块。两个模拟输入信号水位TNPUTA和水压TNPUTB分别使用ADC的通道0和通道1，输入电压匹配为03.3V。参考电压Vrefhi、Vcca接+3.3VA, Vreflo、Vssa接地。3.7 TMS320LF2407的数据存储器、输入模拟信号的采样及转换TMS320LF2407数据存储器的最大寻址范围是64K字，又分为局部数据存储器和全局数据存储器。其中，局部数据存储器用以保存指令中使用的数据，而全局数据存储器是附加的数据空间或用来保存与其它处理器共用的数据。两者都在这64K字范围内，但局部数据存储器从低端地址开始，最多可达64K字，地址为0000HFFFFH,而全局数据存储器占用局部数据存储器的高端地址，数量可以为25632K字，最多可达32K字，地址可取80000HFFFFH中的全部或者一部分。局部数据存储器分为片内和片外数据存储器两种。片内局部数据存储器包括片内DARAM(双口RAM)B0、B1和B2，它可用作片内的程序/数据存储器。片内的3个DARAM分布在地址0600H07FFH之间，其中，块B0有256个字，可设置为数据存储器或程序存储器。块B1有256个字，只能用作数据存储器。块B2是一个高速的32个字的暂存RAM块，它支持双存取操作，并可用任何数据存储器的寻址方式来寻址，它为那些没有分段的内部/外部的RAM块提供了可变存储空间。片外局部数据存储器可采用高速RAM芯片，通过与LF2407的接口来实现。如果采用低速RAM芯片，则必须考虑与LF2407的速度匹配问题，需要使用READY信号、片外延迟电路或片内等待状态产生器来建立等待状态。每个A/D转换器需要的采样/转换时间约为6.6s。通常，模块在6个A/D转换时钟周期内完成全部的采样/转换操作，其中输入采样需要1个预定标时钟周期，转换需要5个预定标时钟周期，因此，必须在所有的系统时钟(SYSCLK)频率下，都能满足6个所需转换时钟周期与最少6.6s之间的关系，才能确保转换的精度。因为系统时钟频率不满足这种关系，因此，需要在模块中使用预定标器。当DSP时钟因应用不同而有所变化时，选用合适的转换预定标因子值，就可使整个转换的采样/转换时间大于或等于6s。因此，预定标因子值应满足：YSCLK周期x预定标值x66 s。8种预定标因子值是通过ADCTRL2寄存器的位20 ADCPSCALE来选择的。3.8 电机驱动控制电路的设计图3.11电机控制驱动电路变频器选用的是风光JD-BP32-XF 型供水变频器。JD-BP32-XF 型是山东新风光电子公司推出的专用于供水变频器，使用空间电压矢量控制技术适用于各类自控场合。在恒压供水中可以采用这类变频器。 JD-BP32-XF 型变频器除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率（可以任意设定），可以方便地进行控制，内置智能 PI 控制，以上功能非常适用于供水控制要求。所以在本设计中选用 JD-BP32-37F （ 37KW ）风光供水变频器拖动用户水泵。需要特别强调的是，电机驱动部分与DSP之间不能直接进行电气连接，否则电机运转时会严重干扰DSP，它们之间需要用光电耦合器进行隔离。光电隔离信号的传递是单向的，而且光电隔离的两部分在电气上是相互独立的，由两套电源供电，有各自的参考电位。两部分之间的绝缘电压在2500V左右，因而能够抑制干扰信号进入控制系统内部。本课题采用的光电耦合器为TLP521，其结构如图3.12所示。图3.12 光电耦合器结构3.9 人机接口电路设计本课题所设计的人机接口包括键盘输入以及LED数码管显示。因此设计中选用了一种键盘和数码管的智能控制芯片HD7279A，将它和微处理器连接实现人机接口的功能。3.9.1 人机接口电路芯片选择HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片最多还可以同时连接多达64键的键盘矩阵，无需外围元件可直接驱动LED，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。使用该芯片，占用的IO口线少，较常规的动态扫描电路具有硬件电路简单、软件工作量少、使产品的性价比高等优点。HD7279A仅仅占用TMS320LF2407的4个I/O端口，它的这些特点完全适合于本设计的系统需要。HD7279A共28引脚，其引脚封装图如图3.13所示。HD7279A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并和CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。HD7279A的指令结构有三种类型。不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即微处理器需要发8个CLK脉冲；带有数据的指令，宽度为16个BIT，即微处理器需要发送16个CLK脉冲；读取键盘数据指令，宽度为16个BIT，前8个BIT为微处理器发送到HD7279A的指令，后8个BIT为HD7279A返回的键盘代码。图3.13 HD7279A引脚封装图3.9.2 电路设计图3.14是人机接口电路的硬件电路图。HD7279A应连接共阴式数码管，可同时驱动8位数码管和64键（8行8列）的键盘，设计中无需用到的键盘和数码管可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。若不用键盘，则图3.14中的连接到键盘的8只10K电阻RP2和8只100K下拉电阻RP3均可以省去。若使用了键盘，则电路中的8只100K下拉电阻RP3均不得省略，使用几列键盘，就接入几只10K电阻。实际应用中8只下拉电阻RP3和连接位选线DIG0-DIG7的8只位选电阻RP2应遵从一定的比例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5倍而小于其50倍，典型值为10倍；下拉电阻的取值范围是10K-100K，位选电阻的取值范围是1K-10K。在不影响的前提下，下拉电阻应尽可能地取较小的值，以提高键盘部分的抗干扰能力。因为采用循环扫描的工作方式，应采用高亮或超高亮的数码管型号，否则亮度有可能不够。HD7279A的RESET复位端在一般应用情况下，可以直接与正电源连接。在上电或RESET端由低电平变为高电平之后，HD7279A大约需要经过18-25ms才会进入正常工作图3.14 人机接口电路HD7279A需要外接RC震荡电路以供芯片正常工作，其典型值分别为R=1.5K,C=15pF，若芯片无法正常工作，要首先检查此震荡电路。键盘及LED显示设计本系统采用了4*4行列式键盘，包括0-9十个数字键及命令键。命令键包括PID参数输入键、水泵选择键、转速显示键、及系统复位键。HD7279A共可驱动8位数码管，显示的内容包括水位及转速。HD7279A与LF2407的接口电平转换设计由于TMS320LF2407的I/O口输出都是0-3.3V，HD7279A的引脚是0-5V，所以加上了一个二极管钳位电路，使输出电压在HD7279A的引脚输出高于3.3V时，能够钳位在3.3V上。3.10 RS232串口电路的设计TMS320LF2407具有一个SCI模块，可利用该模块方便地实现CPU与RS232串口之间的通信，RS232接口主要提供一个调试接口。为了实现本系统与PC机之间的通信，本课题设计了RS232串口电路，采用MAX3232作为驱动器件进行串行通信。由于TMS320LF2407是+3.3V的系统，所以RS232接口芯片采用低电压的MAX3232。设计中采用了最典型的连接方式，只用到了TMS320LF2407的SCITXD和SCIRXD两个引脚，电路连接图如图3.15所示。图3.15 RS232串口电路3.11 JATG接口电路设计为了便于对程序进行仿真调试，需要连接JTAG仿真器接口电路。JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真和调试。通过JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问。目前JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口，本设计使用的是14针接口JTAG。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TD1、TD0，分别为测试模式选择、测试数据和测试数据输出。本设计的JTAG接口连接图如图3.16所示。图3.16 JTAG接口电路图3.12 蓄水池水位控制电路及电源指示电路设计蓄水池水位控制电路如图3.19所示，其中A、B、C为三根水位探针，当池中的水位低于B点时，LSE的、脚断开，LSE的脚为低电平，三极管导通，继电器J励磁吸合。其常开触点j12接通，电磁阀YA通电工作，打开水龙头，如果来水的话，就会自动流入池中。与此同时，常闭触点j11断开。当池中的水达到A点水位时，LSE的、脚串通，其脚变为高电平，三极管VT截止，J释放，YA断电自动停止供水，同时其常闭触点j11复位闭合。要等到其水位下降至B点以下时，才重新启动电磁阀放水。LSE名为负载传感器，是专门用于监测电源设备输出端负载接通与断开的敏感器件。本设计中选用的是ZA1N型负载传感器，它属于系列负载传感器。系列负载传感器属通用型器件，共有5只引脚：、脚为回路通断检测端；可串接于02500V交直流电路中。脚为电源正极端；使用615V的直流电源。脚为输出端；厂家推荐参数最大为50mA。（经实测随着脚电压的升高，脚的输出电流最大可达80mA）。脚为接地端。该传感器的动作灵敏度为50K（即负载RL的内阻小于50K时即可动作）。静态损耗电流小于30uA；额定负载电流由器件所标型号确定。电磁阀选择阿托斯 电磁阀 MAP-160。阿托斯是一个意大利的品牌，拥有一流的设备现代化的工厂和先进的加工技术，所有产品均通过质量检测，拥有专业的技术人员加质量的保证，可以说是这一领域的专家。在设计中，当水塔中的水位超过了上限或低于下限时，将由硬件报警。报警电路采用LF2407的I/O口驱动发光二极管构成，如图3.17所示。当水塔水位超上限时，通过软件将IOPF4置高，DIODE1发光，实现超上限报警；当水位超下限时，通过IOPF5控制DIODE2实现超下限报警。为了得知电源是否正在工作，本课题还设计了电源指不灯，如图3.18所示。当发光二极管亮时，指示电源处于工作状态。图3.17 报警电路图3.18 电源指示电路图3.19 蓄水池自动上水电路第4章 系统的软件设计软件是整个控制系统的灵魂，良好的软件设计不但能充分发挥CPU在数据处理上的速度优势，更