基于单片机的恒压供水系统的设计方案

基于单片机的恒压供水系统的设计方案摘要近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以 AT89C51为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数及变频器对的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。关键字：恒压变频供水、单片机、AT89C511.1本设计的背景：本设计为广州高级技工学院综合楼恒压供水的设计。1.2本设计的优点包括：（1）设备投资少，可靠性高，抗干扰能力强，占地面积小。 (2)系统采用变频器对电机进行调速，调速范围宽，频率可以在低于或高于工频频率的范围内调节，从几赫兹到几百赫兹，具有很宽的调速范围。 (3)由于调速过程中转差率很小，转差率小，损耗小，效率高，所以节约电能。水压的稳定还可减少对管网的冲击，提高供水的稳定性和质量。另外该系统还可以推广到管道输油等方面。 (4)采用单片机控制，变频调速系统采用闭环控制，可得到很高的控制精度。1.3 本设计的主要内容 ：本设计是关于基于单片机的恒压供水系统的设计，具体阐述了以下几个方面：1)系统方案阐述2）单片机选择； 3）变频器的选择；4）控制方式的选择； 5）硬件电路的设计，包括：A）看门狗复位电路，B）时钟电路 C）A/D 和 D/A 电路，D）供电电路 E）LED 显示电路 F）反馈检测电路G)控制输入/输出电路2、本设计总体方案2.1.系统的组成：有传感器、变频器、控制器、三个水泵电机及相关电器电气控制设备集成而成。2.2系统的工作原理为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能，根据不同场合、不同需要可以采取三台水泵同时运行、二台水泵同时运行、一台运行一台备用、一台运行二台备用、定时换泵等多种工作方式。水泵电机全部软起动，以先起先停为原则；具有变频器频率显示和实时压力显示；变频器故障、远传表故障或欠压超时和水位报警指示：可设定上限保护压力；可设定PID上升和下降周期及跟踪周期；可设定泵的上电工作顺序。 2.3控制方案本设计通过传感器检测水压信号，经A/D转换成数字量，输入给单片机，与给定压力值进行比较，按PID控制算法对差值进行运算，将运算结果输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。在实供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。2.4系统的控制原理：变频恒压供水控制器以单片机为核心，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，并把出口压力变成0-5V的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成05V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此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。其变过程可以表示如下：检测压力（下降）控制器输出（上升）变频器频率（上升）电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压。2.5工作模式：供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。3 .设备的介绍 3.1单片机：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/计时器等功能（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，在工业控制领域的广泛应用。3.2单片机的选择根据初步设计方案的分析，设计这样一个应用系统，可以选择带有 EPROM 的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。INTEL 公司的 8051 和 8751 芯片均可选用。还有其他与 MCS-51 系列相兼容的芯片例如 ATMEL公司生产的 AT89CXX 系列单片机。AT89CXX 系列与 MCS-51 系列单片机相比具有片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便的优势。为此，我们选用 AT89C51 单片机。该芯片的功能与 MCS-51 系列单片机完全兼容，并且还有程序加密等功能，相比而言更加实用。AT89C51的最小系统电路如图2所示。3.3AT89C51单片机特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.4变频器的选用：根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型 V/F 控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型 V/F 控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。3.5压力传感器：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。2而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器PTJ206压力传感器 运用:广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、管道水压力,供水系统,供油系统空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水、恒压供水等压力测量与控制 量 程: 00.6150(MPa) 综合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 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；电压输出型：大于50K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 电气接口(信号接口): 贺斯曼接头/防干扰接头机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。4、系统硬件设计4.1系统设计的硬件框图如下：4.2本系统硬件主要由复位电路、时钟电路、A/D转换器、D/A转换器、显示电路、电源电路、运算放大电路、反馈检测电路、控制输入/输出电路九部分组成。各模块功能如下：4.3各电路功能简介A/D转换器的功能就是把水管的压力信号经压力传感器把0-5v的模拟信号转换成数字信号D/A转换器的功能是把实际水压与设定压力之差经过单片机处理后输出的数据转换成模拟的电压信号，用以控制变频器的输出功率，从而控制点击的转速，最终达到控制水压的母的。显示系统用于系统的工作状态。如设定的水压值、实际水压值、缺水和漏水报警等。供电电路就是为了控制系统的正常工作提供电能。看门狗电路用于提高系统的抗干扰能力，并对系统进行实时监测。运算放大电路将压力传感器输出的电流信号进行放大，提高其线性度。时钟电路为各电路提供时钟信号5.硬件电路的设计5.1复位电路：复位电路，就是 利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都 要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。复位电路都 是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。目前常用的集成看门狗电路很多，如MAX705708、MAX791、MAX813L、X5043/5045等。 本系统采用MAX813L看门狗电路监控单片机的工作，如果单片机工作不正常，看门狗电路在规定时是内得不到刷新复位，就输出信号强制单片机复位重新启动工作，保证仪器正常工作。 1.MAX813L芯片功能原理MAX813L主要有以下几个功能：(1)上电、掉电以及降压情况下具有RESET输出。(2)独立的。“看门狗”电路定时时间为1.6s。(3)1.25V门限检测器，用于低压报警，适时监视+5V以外的电源电压。(4)具有手工复位输入端。 5.2时钟电路单片机运行需要时钟支持就像计算机的CPU一样，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那单片机就不能执行程序。时钟电路的设计 单片机工作的速度是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。ds1302引脚图电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围3010pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。5.3 A/D转换电路:本设计所用A/D模数转换电路采用通用的ADC0809模拟/数字转换芯片，它是一种8位数字输出的逐次逼近式A/D转换期间，转换时间约为100s。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。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。三态输出锁存器用于锁存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。其内部结构图如下：主要性能有： （1）8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容。（2）带锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路05V模拟量进行分时转换。（3）输出具有三态锁存/缓冲功能。 （4）分辨率：8位。 （5）转换时间：100s。（6）不可调误差：1LSB。 （7）功耗：15mW。 （8）工作电压：+5V，参考电压标准值+5V。（9）片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100kHz的时钟信号。ADC0809应用说明 （1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89C51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）将要转换通道的地址送到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）根据EOC信号来判断转换是否完毕。 （6）当EOC变为高电平时，令OE为高电平，这样转换的数据就输出给单片机了。 使用A/D转换器注意的问题 首先，当模入通道不全部使用时，应将不适用的通道就近对地短接，不要使其悬空，以避免造成通道间串扰和损坏通道。其次，为保证安全及采集精度，应确保系统地线（计算机及外接仪器机壳）接地良好。特别是使用双端输入方式时，为防止外接较大的共模干扰，应注意对信号线进行屏蔽处理。5.4D/A转换电路DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。 其结构框图如下主要性能有：（1） 分辨率为8位；（2） 电流稳定时间1us；（3）可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；（4） 只需在满量程下调整其线性度；（5） 单一电源供电（+5V+15V）；（6） 低功耗，200mW。 5.5供电电路系统将220v的市电转换成5v的直流电。系统首先通过变压器将220v的交流电降压为9v交流，再通过整流桥变为9v直流。电容才c1、c2起滤波作用。LM7805为稳压模块。将电压稳定在5v。下图为供电电路图。5.6显示电路本次设计中要求作到4组LED显示，LED显示器的控制方式为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动时，一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可。而且只须要考虑段的驱动因为共阳极接+5V，而共阴接地，所以位的驱动不要考虑。动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。 我们用的是动态的显示用74LS164移位寄存器来移位显示要显示的数据，并用三极管来驱动，这样可以节省单片机的I/O口，四个数码管用四个COM位选端和一个数据传送端及和其他器件共用的时钟端来实现。节省了硬件资源，也使电路简单。5.7反馈压力检测电路系统压力检测电路主要由压力传感器（或压力变送器）、压力设定电位器和0809A/D转换器等组成。压力检测电路。5.8 输出控制电路系统在运行中，将压力设定值和反馈值进行比较后再按PID算法进行计算，在将计算算结果u（k）经0832D/A转换后变成模拟控制电压信号，再作用于交流变频调速器。变频调速器按其控制信号u（k）的大小来调节水泵的速度，以达到恒压的目的。输出控制电路如图4-4所示。5.9 控制输入电路控制输入电路主要负责整个系统的控制，包含一些控制信号及开关命令。为了减少强电回路的影响，电路需通过光电耦合电路进行隔离。控制输入电路如图4-5所示。6.变频调速恒压供水系统的软件设计假设供水系统共有2 台水泵, 其中水泵1 为变频运行,水泵2 为工频运行, 由接触器分别启动或停止, 单片机通过继电器控制接触器的工作。 .1 单片机接口地址分配和控制端口功能A/D转换器ADC0809 : 80XXH87XXH; 压力传感器为I