基于51单片机恒压供水系统设计

基于基于 5151 单片机恒压供水系统设计单片机恒压供水系统设计 摘要 建设节约型社会 合理开发 节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务 根据高校用水 时间集中 用水量变化较大的特点 分析了校园原供水系统存在了耗能高 可靠性低 水 资源浪费严重 管网系统待完善的问题 提出利用自来水恒压供水和水泵提水相结合的方 式 并配以变频器 软启动器 单片机 微泄露补偿器 压力传感器 液位传感器等不同 功能传感器 根据管网的压力 通过变频器控制水泵的转速 使管网中的压力始终保持在 合适的范围 从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题 另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系 所以水泵调速运行的节能效果非常明 显 平均耗电量较通常供水方式节省近四成 结合使用可编程控制器 可实现主泵变频 副泵软启动 具有短路保护 过流保护功能 工作稳定可靠 大大延长了电机的使用寿命 关键字 恒压变频供水 单片机 差压供水 自动 引言 随着人民生活水平的日趋提高 新技术和先进设备的应用 使供水设计得到了新的发展机 遇 当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合 人们不再仅仅追去立面 和平面的美观和合理 而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念 特别是 在市场经济的浪潮中 力求土地使用效率的最大化 于是选择一种符合各方面规范 安全 又经济合理的供水方式 对我们供水系统设计带来了新的挑战 恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时 出口压力保持不变的供水方式 供水压力 值是根据用户需求确定的 传统的恒压供水方式是采用水塔 高位水箱 气压罐等设施来 实现 随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用 利用变频器 PID 调节器 传感器 PLC 等器件的有机组合 构成控制系统 调节水泵的输出流量 实现恒压供水 变频恒压供水系统主要特点 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 由于变频恒压调速直接从水源供水 减少了原有供水方式的二次污染 防止了很多传染 疾病 6 通过通信控制 可以实现五人职守 节约了人力物力 1 2 传统定压方式的弊病 1 管理不便 因与大气连通容易引起管道腐蚀 2 由于水箱内微生物 藻类寄生 还可能对系统造成二次污染 所以定压水箱都需要定期 维护 并由卫生部门检测 3 定压水箱需占用较大的空间 需要专门的地点来放置 4 高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节 但这种方式不能做到供水量和用水量 的最佳配比 水泵长期在高效区工作 效率低下 5 系统频繁的启停泵 造成水泵 电机及开关部件寿命缩短 6 使用高位水箱供水 在系统流量较大时 管网压力会有较大的变化 造成 部分用户压力不够 出现诸如流量不足 冷热不均等情况 7 在供水泵的选型上 设计人员为了提高系统安全系数 电机选型都较大 在用水负荷较 小时要采用减压阀 节流孔板等来调节水流量 这样大量的能量消耗在阀上 造成了电能 的浪费 1 3 恒压供水设备的主要应用场合 1 高层建筑 城乡居民小区 企事业等生活用水 2 各类工业需要恒压控制的用水场合 冷却水循环 热力网水循环 锅炉补水等 3 中央空调系统 4 自来水厂增压系统 5 农田灌溉 污水处理 人造喷泉 6 各种流体恒压控制系统 1 4 恒压供水技术实现 通过安装在管网上的压力传感器 把水转换成 4 20mA 的模拟信号 通过变频器内置的 PID 控制器 来改变电动水泵转速 当用户用水量增大 管网压力低于设定压力时 变频 调速的输出频率将增大 水泵转速提高 供水量加大 当达到设定压力时 电动机水泵的 转速不再变化 使管网压力恒定在设定压力上 反之亦然 目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术 由于电子技术的飞速发展 变频器的性能有了极大的提高 它可以实现控制设备软启停 不仅可以降低设备故障率 还可以大幅缩减电耗 确保系统安全 稳定 长周期运行 长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供 水压力的要求 在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设 计 然后泵组根据流量变化情况来选配 并确定水泵的运行方式 由于用水有着季节和时 段的明显变化 日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水 的水量水压 大量能量因消耗在出口阀而浪费 而且存在着水池 二次污染 的问题 变 频调速技术在给水泵站上的应用 成功的解决了能耗和污染两大难题 1 5 变频节能理论 1 5 1 交流电机变频调速原理 交流电机转速特性 其中 n 为电机转速 f 为交流电频率 s 为转差率 p 为极对数 电机选定之后 s p 为定值 电机转速 n 和交流电频率 f 成正比 使用变频器来改变交流电 频率 即可实现对电机变频无级调速 各类工业需要恒压控制的用水 冷却水循环 热力 网水循环 锅炉补水等 流量与转速成正比 Q N 转矩与转速的平方成正比 T 功率与转速的三次方成正比 T N 而且变频调速自身的能量损耗极低 在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率 由此可知在使用变频调速技术供水时 系统中流量变化与功率的关系 P 变 NP 额 QP 额 其中 P 为功率 N 为转速 Q 为流量 例如设定当前流量为水泵额定流量 60 则采用变频调速时 P QP 0 216P 而采用阀门控 制时 P 0 4 0 6Q P 0 76P 节电 P P P 100 71 6 由此可见从理论上计算结果可以看到技能效果非常显著 而且在实际运行变频恒压供水技 术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压 无污染等明显优势 而且新型的变频恒压供 水系统能自动控制一台或多台主泵和一台休眠泵的运行 在管网用水量减少到单台主泵流 量约 1 6 1 8 时 系统自动停止主泵 启动小功率休眠泵工作 保证系统小流量供水 解 决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题 从运行控制上进一步节能 1 6 变频恒压供水系统及控制参数选择 1 6 1 变频恒压供水系统组成 变频恒压供水系统通常是由水池 离心泵 压力传感器 PID 调节器 变频器 管网组成 工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内用水量的变化引起水压变化 即 使将信号反馈 PID 调节器 PID 调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令 改变水泵的运行或加减速 使得管网的水压与控制压力一致 1 6 2 变频恒压供水系统的参数选取 1 合理选取压力控制参数 实现系统低能耗恒压供水 这个目的的实现关键就在于恒 压控制参数的选取 通常管网压力控制点的选择有两个 一个就是管网最不利点压力恒压 控制 另一个就是泵出口压力恒压控制 2 变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行转台的必要手段 变频器根据 负载的转动惯性的大小 在启动和停止电机时所需的时间就不同 设定时间过短会导致变 频器在加速时过电流 在减速时过电压保护 设定时间过长会导致变频器在调速运行时使 系统变得调节缓慢 反应迟滞 应变应变能力差 系统易处于短期不稳定状态中 为了变 频器不跳闸保护 现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长 它所带来的问题很 容易被设备外表的正常覆盖 但是变频器达不到最佳运行状态 所以现场使用时要根据所 驱动的负载性质不同 测试出负载的允许最短加减速时间 进行设定 对于水泵电机 加 减速时间的选择在 0 2 20 秒之间 1 7 变频恒压供水系统的特点 本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水 工业用水以及消防用水等多种场合的供水要 求 该系统具有以下特点 1 供水系统的控制对象是用户管网的水压 它是一个过程控制量 同其他一些过程控制 量 如 温度 流量 浓度等 一样 对控制作用的响应具有滞后性 同时用于水泵转速控制 的变频器也存在一定的滞后效应 2 用户管网中因为有管阻 水锤等因素的影响 同时又由于水泵自身的一些固有特性 使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比 因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统 3 变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性 面向各种各样的供水系统 而不同的供 水系统管网结构 用水量和扬程等方面存在着较大的差异 因此其控制对象的模型具有很 强的多变性 4 在变频调速恒压供水系统中 由于有定量泵的加入控制 而定量泵的控制 包括定量泵 的停止和运行 是时时发生的 同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数 使其 不确定性地发生变化 因此可以认为 变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的 5 当出现意外的情况 如突然停水 断电 泵 变频器或软启动器故障等 时 系统能根 据泵及变频器或软启动器的状态 电网状况及水源水位 管网压力等工况点自动进行切换 保证管网内压力恒定 在故障发生时 执行专门的故障程序 保证在紧急情况下的仍能进 行供水 6 水泵的电气控制柜 有远程和就地控制的功能 数据通讯接口能与控制信号或控制软 件相连 能对供水的相关数据进行实时传送 以便显示和监控以及报表打印等功能 7 系统用变频器进行调速 用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水 节能效果显著 对 每台水泵进行软启动 启动电流可从零到电机额定电流 减少了启动电流对电网的冲击同 时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击 延长了设备的使用寿命 变频恒压调速供水系统的工作原理 在变频调速供水系统中 是通过变频调速来改变水泵的转速从而改变水泵工作点来达到调 节供水流量的目的 反应水泵运行工程的水泵工作点也称为水泵工况点 是指水泵在确定 的管路系统中 实际运行时所具有的扬程 流量以及相应的效率 功率等参数 在调节水 泵转速的过程中 水泵工况点的调节是一个十分关键的问题 如果水泵工况点偏离设计工 作点较远 不仅会引起水泵运行效率降低 功率升高或者发生严重的气穴现象 还可能导 致管网压力不稳定而影响正常的供水 水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能 管路 水力损失以及所需实际扬程 这三种因素任一项发生变化 水泵的运行工况都会发生变化 因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关 图 2 1 变频恒压供水系统组成框图 图 3 1 就是一个典型的由 8051 单片机控制的恒压调速供水系统 系统由微机控制器 交 流变频调速器 水泵机组 供水管网和压力传感器等组成 控制系统结构原理如图 3 2 所 示 8051 单片计算机在这里主要起压力采集 PID 调节器计算 功能判断处理 消防处理 逻辑切换 压力显示和声光报警等作用 图 2 2 单片机的变频恒压调速系统原理框图 2 1 系统工作过程 根据现场生产的实际状况 白天一般只需开动一台水泵 就能满足生产生活需要 小机工 频运行作恒速泵使用 大机变频运行作变量泵 晚上用水低峰时 只需开动一台大机就能 满足供水需要 因此可以采用一大一小搭配进行设计 即把 1 水泵电机 160KW 和 2 水 泵电机 220KW 为一组 自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运 行 分析自动控制系统机组 1 2 水泵机组 工作过程 可分为以下三个工作状态 1 1 电机变频启动 2 1 电机工频运行 2 电机变频运行 3 2 电机单独变频运 行 一般情况下 水泵电机都处于这三种工作状态中 当管网压力突变时 三种工作状态 就要发生相应变换 因此这三种工作状态对应着三个切换过程 切换过程 1 电机变频启动 频率达到 50Hz 1 电机工频运行 2 电机变频运行 系统开始工作时 管网水压低于设定压力下限 P 按下相应的按钮 选择机组 运行 在 PLC 可编程控制器 控制下 KM2 得电 1 电机先接至变频器输出端 接着接通变频器 FWD 端 变频器对拖动 1 泵的电动机采用软启动 1 电机启动 运行一段时间后 随着运行频率的增加 当变频 器输出频率增至工频 f0 可编程控制器发出指令 接通变频器 BX 端 变频器 FWD 端断开 KM2 失电 1 电机自 变频器输出端断开 KM1 得电 1 电机切换至工频运行 1 电机自变频器输出端断开 KM1 得电 1 电机切换至工频运行 1 电机工频运行后 开启 1 泵阀门 1 泵工作在工频状 态 接着 KM3 得电 2 电机接至变频器输出端 接通变频器 FWD 端 变频器 BX 端断开 2 电机开始软启动 运行一段时间后 开启 2 泵阀门 2 水泵电机工作在变频状态 从而实 现 1 水泵由变频切换至工频电网运行 2 水泵接入变频器并启动运行 在系统调节下变频 器输出频率不断增加 直到管网水压达到设定值 Pi P Pm 为止 切换过程 由 1 电机工频运行 2 电机变频运行转变为 2 电机单独变频运行状态 当晚上用水量大 量减少时 水压增加 2 水泵电机在变频器作用下 变频器输出频率下降 电机转速下降 水泵输出流量减少 当变频器输出频率下降到指定值 fmin 电机转速下降到指定值 水管 水压高于设定水压上限 Pk 时 2 电机 f fmin P Pk 在 PLC 可编程控制器控制下 1 水泵电机在工频断开 2 水泵继续在变频器拖动下变频运行 3 切换过程 由 2 电机变频运行转变为 2 电机变频停止 1 电机变频运行状态 当早晨用水量再次增 加时 2 电动机工作在调速运行状态 当变频器输出频率增至工频 fi 即 50Hz 水管水 压低于设定水压上限 Pi 时 2 电机 f fi P Pi 接通变频器 BX 端 变频器 FWD 断开 KM3 断开 2 电机自变频器输出端断开 KM2 得电 1 电机接至变频器输出端 接通变频器 FWD 端 于此同时变频器 BX 端断开 1 电机开始软启动 控制系统又回到初始工作状态 开始新一轮循环 图 2 3 1 和 2 机组工作过程流程图 2 2 变频调速的基本调速调速原理 水泵机组应用变频调速技术 即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应 的改变水泵转速及工况 使其流量与扬程适应管网用水量的变化 保持管网最不利点压力 恒定 达到节能效果 如图 2 4 所示 n 为水泵特性曲线 A 管路特性曲线 H0 为管网末端的服务压力 H1 为泵 出口压力 当用水量达到最大 Qmax 时 水泵全速运转 出口阀门全开 达到了满负荷运行 水泵的特性 n0 和用水管特性曲线 A0 汇交于 b 点 此时 水泵输出口压力为 H 末端服务 压力刚好为 H0 当用水量从 Qmax 减少到 Q1 的过程中 采用不同的控制方案 其水泵的能 耗也不同 图 2 4 节能分析曲线图 1 水泵全速运转 靠关小泵出口阀门来控制 此时 管路阻力特性曲线变陡 A2 水 泵的工况点由 b 点上滑到 c 点 而管路所需的扬程将由 b 点滑到 d 点 这样 c 点和 d 点扬 程的差值即为全速水泵的能量浪费 2 水泵变速运转 靠泵的出口压力恒定来控制 此时 当用水量由 Qmax 下降时 控制系 统降低水泵转速来改变其特性 但由于采用泵出口压力恒量方式工作 所以其工况点是在 H 上平移 在水量到达 Q1 时 相应的水泵特性趋向为 nx 而管路的特性曲线将向上平移到 A1 两线交点 e 即为此时的工况点 这样 在水量减少到 Q1 时 将导致管网不利点水压升 高到 H0 H1 则 H1 即为水泵的能量浪费 3 水泵变速运转 靠管网取不利点压力恒定来控制 此时 当用水量由 Qmax 下降到 Q1 时 水泵降低转速 水泵的特性曲线 n1 其工况点为 d 点 正好落在管网特性曲线 A0 上 这样可以使水泵的工作点式中沿着 A0 滑动 管网的服务压力 H0 恒定不变 其扬程与系统 阻力相适应 没有能量的浪费 此方案与泵出口恒压松散水相比 其能耗下降了 h1 根据水泵相似原理 Q1 Q2 n1 n2 H1 H2 n1 n2 2 P1 P2 n1 n2 3 式中 Q H P n 分别为泵流量 压力 轴功率和转速 即通过控制转速可以减少轴功 率 根据以上分析表明 选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数 通过压力传 感器以获得压力信号 组成闭环压力自控调速系统 以使水泵的转速保持与调速装置所设 定的控制压力相匹配 使调速技术和自控技术相结合 达到最佳节能效果 此外 最不利 点的控制压力还保证了用户水压的稳定 无论管路特性等因素发生变化 最不利点的水压 是恒定的 保证了供水压力的可靠 采用变频恒压供水系统除可节能外 还可以使水泵组启动 降低了起动电流 避免了对供 电系统产生冲击负荷 提高了供水供电的安全可靠性 另外 变频器本身具有过电流 过 电压 失压等多种保护功能 提高了系统的安全可靠性 目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机 根据交流电机的转速特性 电机的转速 n 为 n 120 1 s p 2 3 1 式中 s 为电机的滑差 s 0 02 p 为电机极对数 f 为定子供电频率 当水泵电机选定后 p 和 s 为定值 也就是说电机转速与电源的频率高低成正比 频率越高 转速越高 反之 转速越低 变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的 由流体力学知 管网压力 P 流量 Q 和功率 N 的关系为 N PQ 由功率与水泵电机转速成三次方正比关系 基于转速控制比 基于流量控制可以大幅度降 低轴频率 2 3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 2 3 1 管路水力损失及性能曲线 管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种 2 3 2 沿程损失 2 3 3 式中 y 管路沿程摩擦损失系数 j 局部损失系数 L 管路长度 m A 过水 截面的面积 将式中 2 3 1 和 2 3 3 代入 2 3 1 可得 式中 S 被称为管路阻力系数 当水泵管路系统去掉后 相应的 y j L A 等参数都能去 顶 S 也就确定了 由式 2 3 4 可知管路水力损失与流量的平方成正比 当上下水位确 定后 管路所需要的水损失就等于上下水位差 即实际扬程 H 加上管路损失 Hx Hsj Hs 2 3 5 由式 2 3 5 可以得到如图所示的 Hs Q 管路性能曲线 图 2 5 本泵工作点的确定 2 3 2 水泵变频调速节能分析 水泵运行工况点 A 是水泵性能曲线 n1 和管道性能曲线 R1 的交点 在常规供水系统中 采 用阀门控制流量 需要减少流量时关小阀门 管路性能曲线有 R1 变为 R2 运行工况点沿着 水泵性能曲线从 A 点移到 D 点 扬程从 H0 上升到 H1 流量从 Q0 减少到 Q1 采用变频调速 控制时 管路性能曲线 R1 保持不变 水泵的特性取决于转速 如果水泵转速从 n0 降到 n1 水泵性能曲线从 n0 平移到 n1 运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C 点 扬程 从 H0 下降到 H1 流量从 Q0 减少到 Q1 在图 2 5 中水泵运行在 B 点时消耗的轴功率与 H1BQ1O 的面积成正 比 运行在 C 点时消耗的轴功率与 H2CQ1O 的面积成正比 从图 2 6 上可以看出 在流量相 同的情况下 采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显 图 2 6 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图 求出运行在 B 点的泵的轴功率 运行在 C 点泵的轴功率 两者之差 也就是说 采用阀门控制流量时有 V 的功率被白白浪费了 而且损耗阀门的关小而增加 相反 采用变频调速控制水泵电机时 当转速在允许范围内降低时 功率以转速的三次方 下降 在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比 节能效 果显著 2 3 3 调速范围的确定 考察水泵的效率曲线 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内 也就是不要使变频 器效率降得过低 避免水泵在低效率段运行 水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所 需扬程规定 当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围 在根据用户的扬程 确定具体降低调速范围 在实际配泵时扬程设定在高效区 水泵的调速范围将进一步变小 其频率变化范围在 40Hz 以上 也就是说转速下降在 20 以内 在此范围内 电动机的负载 率在 50 100 范围内变化 电动机的效率基本上都在高效区 2 4 本章小结 本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手讨论水泵工作点的确定方法 接着介绍了水泵工 况调节的几种常用方法 在变频调速恒压供水系统中 水泵工况的调节是通过改变水泵性 能曲线得以实现的 本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究 得 到以下几个结论 1 水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点 水泵工作点 是水泵运行的理想工作点 实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的 2 水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点 使其符合要求 变频恒压调速供水系统硬件设计 系统单元设计主要包括 CPU 基本控制单元 电路定时复位电路 A D 转换电路 D A 转换 电路 显示电路和相应的开关电路 图 3 1 系统硬件结构框图 3 1 硬件总体说明 单片机系统的硬件结构框架图如图 3 1 所示 本系统以 8951 单片机为核心 它有 4KEPROM 所以不用外扩 EPROM 这样可以利用 P0 P2 口作为输入 输出 I O 口 简化了硬件结构 系统的显示采用 4 片 74LS164 驱动 LED 使 用 8951 的串行通讯口 TXD DXD 93C46 为串行 EEPROM 用于保存开机设定的原始参数 采 用 NE555 组成硬件定时复位电路 可以有效防止程序死机现象 74LS273 用于对继电器输出状态硬件锁存 以防止输出状态 被干扰 ULN2003 为反向驱动芯片 同时在 74LS273 的 CLEAR 管脚外接 RC 电路 用于开机 时使 74S273 的输出端清零 用于防止继电器的误动作 对变频器起到了保护作用 在报警 输入端与 CPU 之间采用光耦隔离 以消除外部干扰 系统 A D 输入采用 8 位 TLC0831 逐次 逼近模数转换器 D A 输出采用了光耦离式 D A 输出 并采用 LM358 双运放组成 D A 输出 及驱动电路 P3 3 定时输出占空比与频率相对应的 PWM 调制信号 通过二极运算放大电路 后 在 LM358 的第 7 引脚输出与频率相对应的电压信号 在输出端调节电位器可以调节输 出电压的大小 两放大器之间的 RC 电路起到了滤波的作用 3 2 555 定时器复位电路 用 NE555 组成的硬件定时复位系统 可以有效地防止程序死机现象 NE555 封装和内部结构图 图 3 2 NE555 封装图 如图 3 3 和图 3 4 上可知 NE555 定时电路 V0 口输出连续的脉冲信号至 RST 达到定时复 位的效果 电路使用电阻电容产生 RC 定时电路 用于设定脉冲的周 期和脉冲的宽度 调 节 RW 或者电容 C 可以得到不同的时间常数 脉冲宽度计算公式 TW 0 7 R1 RW R2 C 振荡周期计算公式 T 0 7 R1 RW 2 R2 C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间 图 3 3 NE555 内部结构 图 3 4 NE555 定时电路及工作波形 3 3 5V 单片机供电电源电路 如图 3 5 所示电路为输出电压 5V 输出电流 1 5A 的稳压电源 它由电源变压器 B 桥式 整流电路 D1 D4 滤波电容 C1 C3 防止自激电容 C2 C3 和一只固定式三端稳压器 7805 极 为简捷方便地搭成的 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压 再经过桥式整流电 路 D1 D4 和滤波电容 C1 的整流和滤波 在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形 成一个并不十分稳定的直流电压 该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而 发生变化 此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C3 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度 高 稳定度好的直流输出电压 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源 三端稳 压器是一种标准化 系列化的通用线性稳压电源集成电路 以其体积小 成本低 性能好 工作可靠性高 使用简捷方便等特点 成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集 成稳压器件 图 3 5 LM7805 稳压电源 3 4 LED 数值显示 D A 数值采集 D A 数值反馈 3 4 1 LED 数值显示模块 数码管由 7 个发光二极管组成 行成一个日字形 它门可以共阴极 也可以共阳极 通过解 码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字 这就是它的工作原理 基本的半导 体数码管是由 7 个条状的发光二极管 LED 按图 1 所示排列而成的 可实现数字 0 9 及少量字符的显示 另外为了显示小数点 增加了 1 个点状的发光二极管 因此数码管就 由 8 个 LED 组成 我们分别把这些发光二极管命名为 a b c d e f g dp 排列顺序如下 图 3 6 图 3 6 共阴数码管引脚图 图 3 7 数码管封装 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两类 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种示 方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一 起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独立的 I O 线控 制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码管会 显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码 管的选通控制打开 该位就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制 各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过 程中 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳 定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由 一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动 图 3 8 共阴极 4 位 8 段数码显示 3 4 2 数据采集 A D 转换电路 1 AD0809 的逻辑结构 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A D 转换器 它由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 见图 1 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换 完的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 图 3 9 AD0809 内部结构 2 AD0809 的工作原理 IN0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放 大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 则需在输入前增加 采样保持电路 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁存与译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行 转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 通道选择表如 图表 3 10 所示 图 3 10 AD0809 通道选择表 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转 换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转 换结束 否则 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允许信号 用于控制三条输出锁存器向 单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻状 态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号必须由外界提供 通常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考 电压输入 3 ADC0809 应用说明 1 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接相连 2 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 3 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 4 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 5 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 6 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高电平 转换的数据就输出给单片机了 4 AD0809 转换电路 电路见图 3 4 2 4 主要由 AD 转换器 AD0809 频率发生器 SUN7474 单片机 AT89S51 及显示用数码管组成 AD0809 的启动方式为脉冲启动方式 启动信号 START 启动后开始转 换 EOC 信号在 START 的下降沿 10us 后才变为无效的低电平 这要求查询程序待 EOC 无 效后再开始查询 转换完成后 EOC 输出高电平 再由 OE 变为高电平来输出转换数据 我们在设计程序时可以利用 EOC 信号来通知单片机 查询法或中断法 读入已转换的数据 也可以在启动 AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据 AT89S51 的输出频为晶振频的 1 6 2MHZ AT89S1 与 SUN7474 连接经与 7474 的 ST 脚提供 AD0809 的工作时钟 AD0809 的工作频范围为 10KHZ 1280KHZ 当频率范围为 500KHZ 时 其转换速度为 128us AD0809 的数据输出公式为 Dout Vin 255 5 Vin 51 其中 Vin 为输入模拟电压 Vout 为 输出数据 图 3 11 A D 转换电路 5 D A 转换模块 本系统采用的一个光耦隔离式串行 D A 输出 并采用 LM358 双运放组成 D A 输出及驱动 电路 电路图如图 3 12 图 3 12 光耦隔离式 D A 这里运用到了脉宽调制 PWM 的方法来控制电压模拟量 脉宽调制 PWM 是利用微处理器的 数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应用在从测量 通信到功率 控制与变换的许多领域中 6 PWM 控制原理 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分辨率计数器的使用 方波的占 空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 PWM 信号仍然是数字的 因为在给 定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全无 OFF 电压或电流源是以 一种通 ON 或断 OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加 到负载上的时候 断的时候即是供电被断开的时候 只要带宽足够 任何模拟值都可以使 用 PWM 进行编码 图 3 13 PWM 占空比 图 3 13 显示了三种不同的 PWM 信号 a 是一个占空比为 10 的 PWM 输出 即在信号周 期中 10 的时间通 其余 90 的时间断 b 和 c 显示的分别是占空比为 50 和 90 的 PWM 输出 这三种 PWM 输出编码的分别是强度为满度值的 10 50 和 90 的三种不同模拟 信号值 例如 假设供电电源为 9V 占空比为 10 则对应的是一个幅度为 0 9V 的模拟信 号 变频恒压调速供水系统软件设计 4 1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明 系统软件程序由主程序 定时中断显示和频率输出子程序组成 采用软件模块化设计 引 入了先进的模糊逻辑控制技术 并增加了容错技术和抗干扰算法 系统采用了定时复位软 件设计方案 1 秒钟复位一次 以消除程序运行时的死机现象 数字滤波采用平均值滤 波方法 以消除干扰对输入信号的影响 4 2 8051 系列单片的编程语言 51 单片机在有四种语言支持 即汇编 PL MC C 和 BASIC C 语言是一种源于编写 UNIX 操作系统的语言 是一种结构化语言 可产生紧凑代码 C 语 言结构是以括号 而不是以字和特殊符号表示的语言 C 语言可以进行许多机器级函数控 制而不用汇编语言 与汇编语言相比 C 语言有很多优点 1 对单片机指令系统不要求了解 仅要求了解对 8051 的存储器结构有初步了解 2 寄存器的分配 不同存储器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理 程序规范的结构 可分为不同的函数 这种方式可使程序结构化 3 具有将可变选择和特殊操作组合在一起的能力 改善了程序的可读性 关键字及运算函数可用于近似人的思维过程方式使用 4 编程和程序调试时间显著缩短 从而提高效率 5 提供的库包括许多标准子程序 具有较强的数据处理能力 6 已编好的程序可以很容易地移植入新程序 因为 C 语言具有方便的模块化编程技术 虽然 C 语言有诸多优点 但是并不是说汇编语言就要被抛弃 懂得汇编语言指令就可使用 在片 RAM 作为变量的优势 因为片外变量需要几条几条指令才能设置累加器和数据指针进 行存取 要求使用浮点和启用函数时 只有具备汇编编程经验 才能避免生成庞大的 效 率低的程序 所有现在所有的对速度要求高的内核程序都是用汇编编写完成的 4 3 编程软件 4 3 1 C051 编译器介绍 现在比较流行的 51 系列编程软件 1 American Automation 编译器通过 asm 和 endasm 预处理选择支持汇编语言 2 IAR 瑞典的 IAR 是支持分体切换的编译器 3 Bso Tasking 是 Intel LSI Motorola Philips Simens 和 Texas Instruments 嵌入式系统的配套软件工具 4 Dunfield Shareware 非专业的软件包 不支持 floats longs 或结构等 5 KEIL KEIL 在代码生成方面处于领先地位 可以产生最少的代码 它支持浮点或长 整数 重入和递推 使用单片机模式 KEIL 是最好的选择 6 Intermetrics 使用起来比较困难 要由可执行的宏语句控制编译 汇编和链接 且选项很多 编译器的算法技术支持 float 和 long 很重要 生成代码的大小比编译速度重要 这里 KEIL 具有性能领先 紧凑的代码和使用方便等优点 所以本系统采用 KEIL 编译器 4 3 2 KEIL 编译器 KEIL 开发工具套件可用于编译 C 源程序 汇编源程序 链接和定位目标文件及库 创建 HEX 文件以及调试目标程序 1 uVision2 for Windows 是一个集成开发环境 它将项目管理 源代码编辑和程序调 试等组合在一个强大功能的环境中 2 CX51 国际标准优化 C 交叉编译器 从 C 源代码产生可重定位的目标模块 3 AX51 宏汇编器 从 8051 汇编源代码产生可重定位的目标模块 4 BL51 链接器 定位器 组合有 CX51 和 AX51 产生的可重定位的目标模块 生成绝对 目标模块 5 LIB51 库管理器 从目标模块生成链接器可以使用的库文件 6 OH51 目标文件至 HEX 格式的转换器 从绝对目标模块生成 Intel HEX 文件 7 RTX 51 实时操作系统 简化了复杂的实时应用软件项目的设计 4 4 单片机资料 单片微型计算机简称为单片机 有称为微型控制器 是微型计算机的一个重要分支 单片 机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片 是 CPU RAM ROM I O 接口和中 断系统于同一硅片的器件 80 年代以来 单片机发展迅速 各类新产品不断涌现 出现了 许多高性能新型机种 现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一 引脚功能 MCS 51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片 引脚分布请参照 单片机引脚 图 l P0 0 P0 7 P0 口 8 位双向口线 在引脚的 39 32 号端子 l P1 0 P1 7 P1 口 8 位双向口线 在引脚的 1 8 号端子 l P2 0 P2 7 P2 口 8 位双向口线 在引脚的 21 28 号端子 l P3 0 P3 7 P2 口 8 位双向口线 在引脚的 10 17 号端子 P0 口有三个功能 1 外部扩展存储器时 当做数据总线 如图 1 中的 D0 D7 为数据总线接口 2 外部扩展存储器时 当作地址总线 如图 1 中的 A0 A7 为地址总线接口 3 不扩展时 可做一般的 I O 使用 但内部无上拉电阻 作为输入或输出时应在外部 接上拉电阻 P1 口只做 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P2 口有两个功能 1 扩展外部存储器时 当作地址总线使用 2 做一般 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P3 口有两个功能 除了作为 I O 使用外 其内部有上拉电阻 还有一些特殊功能 由特殊寄存器来设 置 具体功能请参考我们后面的引脚说明 有内部 EPROM 的单片机芯片 例如 8751 为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程 电源 这些信号也是由信号引脚的形式提供的 即 编程脉冲 30 脚 ALE PROG 编程电压 25V 31 脚 EA Vpp 接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池 这个电池是干什 么用的呢 这就是单片机的备用电源 当外接电源下降到下限值时 备用电源就会经第二 功能的方式由第 9 脚 即 RST VPD 引入 以保护内部 RAM 中的信息不会丢失 在介绍这四个 I O 口时提到了一个 上拉电阻 那么上拉电阻又是一个什么呢 他起 什么作用呢 当作为输入时 上拉电阻将其电位拉高 若输入为低电平则可提供电流源 所以如果 P0 口如果作为输入时 处在高阻抗状态 只有外接一个上拉电阻才能有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 在系统扩展时 ALE 用于控制把 P0 口的输出低 8 位地址送 锁存器锁存起来 以实现低位地址和数据的隔离 在后面关于扩展的课程中我们就会看 到 8051 扩展 EEPROM 电路 ALE 与 74LS373 锁存器的 G 相连接 当 CPU 对外部进行存取时 用以锁住地址的低位地址 即 P0 口输出 ALE 有可能是高电平也有可能是低电平 当 ALE 是高电平时 允许地址锁存信号 当访问外部存储器时 ALE 信号负跳变 即由正变负 将 P0 口上低 8 位地址信号送入锁存器 当 ALE 是低电平时 P0 口上的内容和锁存器输出 一致 在没有访问外部存储器期间 ALE 以 1 6 振荡周期频率输出 即 6 分频 当访问外部存 储器以 1 12 振荡周期输出 12 分频 当系统没有进行扩展时 ALE 会以 1 6 振荡周期的 固定频率输出 因此可以做为外部时钟 或者外部定时脉冲使用 PORG 为编程脉冲的输入端 在 8051 单片机内部有一个 4KB 或 8KB 的程序存储器 ROM ROM 的作用就是用来存放用户需要执行的程序的 那么我们是怎样把编写好的程 序存入进这个 ROM 中的呢 实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的 这个脉冲的输入端 口就是 PROG PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 PSEN 低电平有效 以实现外部 ROM 单元的读操作 1 内部 ROM 读取时 PSEN 不动作 2 外部 ROM 读取时 在每个机器周期会动作两次 3 外部 RAM 读取时 两个 PSEN 脉冲被跳过不会输出 4 外接 ROM 时 与 ROM 的 OE 脚相接 8051 扩展 2KB EEPROM 电路 PSEN 与扩展 ROM 的 OE 脚相接 EA VPP 访问和序存储器控制信号 1 接高电平时 CPU 读取内部程序存储器 ROM 扩展外部 ROM 当读