本科毕业论文-恒压供水控制系统的设计

本科学生毕业设计恒压供水控制系统的设计院系名称电气与信息工程学院专业班级电气班学生姓名指导教师职称摘要本文提出的系统设计方案是以ATMEL公司的AT89C51为基础，同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件控制系统和相应的软件控制系统。充分发挥了单片机成本低，易于使用的特点。因为电机的转速与水泵耗电功率的三次方形成正比关系，所以会使水泵调速运行的节能效果变得更加显著，平均耗电量较一般的供水方式节也能节省近四成。系统本身使用51型单片机进行控制，可以实现主泵变频，副泵软启动，工作时具有短路保护、过流保护等功能，性能上具有工作稳定可靠，延长电机使用寿命等优点。随着社会经济的飞速发展与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、稳定性提出了越来越高的要求。建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源也是一项艰巨任务。因此，有利于节能节水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛的应用。本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析,描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。关键词变频调速；恒压供水；AT89C51单片机；电机转速；水泵ABSTRACTTHISPAPERDISCUSSESTHEFREQUENCYCONVERSIONSPEEDADJUSTINGWATERSUPPLYSYSTEMANDENERGYSAVINGPRINCIPLEOFSPEEDCONTROL，ANDMAINLYDESCRIBESTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONAPPROACHOFTHEFREQUENCYCONVERSIONSPEEDADJUSTINGWATERSUPPLYSYSTEMTHEPROPOSEDSYSTEMDESIGNISBASEDONTHECOMPANYSAT89C51BASEDATMEL,ALSODESCRIBEDINCLUDINGTHETRANSDUCERANDSENSORCONTROLSYSTEMINCLUDINGHARDWARE,SOFTWARECONTROLSYSTEMSANDTHECORRESPONDINGGIVEFULLPLAYTOTHESINGLECHIPLOWCOST,EASEOFUSEBECAUSETHETHREEPARTYMOTORSPEEDANDPUMPPOWERCONSUMPTIONOFTHEFORMATIONOFPROPORTIONALRELATIONSHIP,SOTHEEFFECTOFENERGYSAVINGPUMPSPEEDBECOMESMOREANDMOREOBVIOUS,THEAVERAGEPOWERCONSUMPTIONTHANTHEGENERALWAYOFWATERFESTIVALALSOCANSAVENEARLYFOURINTOTHESYSTEMUSES51MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTOCONTROL,REALIZETHEMAINPUMPFREQUENCYCONVERSION,THEAUXILIARYPUMPSOFTSTARTING,INOPERATIONHASCIRCUITPROTECTION,OVERCURRENTPROTECTIONANDOTHERFUNCTIONS,INTHEPERFORMANCEHASTHEOPERATIONSTABILITYTOBERELIABLE,PROLONGSELECTRICALMACHINERYSERVICELIFEANDOTHERMERITSWITHTHEPROGRESSDEVELOPMENTOFSOCIALECONOMICANDTHECONSTRUCTSCALEOFCITYCONTINUOUSLYENLARGE，INCREASINGOFPOPULATIONANDSTANDARDOFLIVINGOFPEOPLECONTINUOUSLYIMPROVED，MOREANDMOREDEMANDINGTOQUANTITY，QUALITYANDSTABILITYOFWATERSUPPLYBRINGFORWARDINCITYBUILDACONSERVATIONORIENTEDSOCIETY,RATIONALDEVELOPMENT,UTILIZATIONANDEFFECTIVEPROTECTIONOFWATERRESOURCESCONSERVATIONISADIFFICULTTASKTHEREFORE,ITISCONDUCIVETOSAVINGENERGYANDFREQUENCYCONVERSIONSPEEDADJUSTINGWATERSUPPLYSYSTEMHASBEENMOREWIDELYUSEDKEYWORDSFREQUENCYCONTROLCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYAT89C51MCUMOTORSPEEDWATERPUMP目录摘要ABSTRACT第1章引言111恒压供水控制系统的介绍112恒压供水控制系统的设计方案及主要特点113恒压供水控制技术的背景及研究意义2第2章恒压供水控制系统的工作原理421恒压供水控制系统的工作过程522变频调速的基本调速原理623水泵变频调速节能分析824系统的参数选取及调速范围925本章小结10第3章恒压供水控制系统的硬件设计1131主控单片机说明及引脚1132系统主要组成电路13321反馈压力检测电路13322输出控制电路14323看门狗电路1433LED数值显示电路1534压力报警电路1735键盘开关设置电路1736电源电路1837光电耦合电路1938供水设备的选择20381水泵电机的选择20382变频器的选择21383压力传感器的选择2139本章小结22第4章恒压供水控制系统的软件设计2341主程序框图2342继电器控制子程序2443A/D子程序2444PID控制子程序2545本章小结26参考文献27致谢28结束语29附录A30附录B39第1章引言11恒压供水控制系统的介绍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，人性化的多层次住宅组合成为了当前住宅建筑的规划趋向，人们追求的不仅仅是立面和平面的美观和合理，空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念成为了人们眼中的重点，特别是在市场经济的浪潮中，土地使用效率最大化尤为重要。就在供水系统面临新的挑战的时候，一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式出现了。那就是变频调速恒压供水，它是一种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。恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。这样既可满足各部位的用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。均匀改变交流电动机定子绕组的电源频率F，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，电机输入功率也随之减少这就是水泵变频调速的节能作用。为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持电动机磁通恒定。因此，要求定子绕组电压也要做相应的调节，变频调速即兼有调频调压两种功能变频调速器，就是基于此原理而实现调速的。在供水系统中应用变频调速技术实现水泵的运行速度，由实际用水的多少来进行自动调节，比水泵在额定转速下运行可以大大节省电能，并且可以实现供水的全面自动化，因此变频恒压供水的技术得到了广泛的应用1。12恒压供水控制系统的设计方案及主要特点1设计方案系统以单片机为核心，将一个远传压力表安装在水泵的出水管道上，来检测管道压力，把出口压力数值转换成05V或420MA的模拟信号，送到单片机系统A/D转换器的输入端，经A/D转换器变为相应的数字信号，送入AT89C51单片机中进行数据处理。经过单片机运算后与设定的压力值进行对比，得出数据的偏差值,最后通过PID调节得出控制参数，送到D/A转换变成05V或010V的模拟信号，最终送入变频器中，来控制其输出频率的变化，以此调节水泵的电机转速,从而达到控制管道中压力的目的。系统检测到给定压力大于管道压力时，变频器输出的频率逐渐升高，电机转速同时加快，管道压力升高；相反，变频器频率降低，同时电机转速减小，使管道压力下降，如此上下调整多次，最终达到偏差值为零。通过这样的方式使实际压力围绕设定的压力值附近上下波动，达到供水压力恒定2。所以现代化城市供水的发展方向就是变频调速恒压供水，系统采用单片机控制，具有性能优越,工作可靠，实现容易，价格低廉等特点，是目前为止较理想的控器3。2主要特点1节约能源，电能的节省高达2040，实现绿色用电。2占地面积小，需要的投资少，使用的效率高。3机器的配置灵活，自动化程度比较高，达到的功能齐全。4设备运行合理，由于是软启和软停，可以消除一些不良效应，而且因为电机轴上的磨损和平均扭矩减小，从而减小了维修费用，增大了水泵的寿命。5变频恒压调速从水源直接供水，防止了很多污染和疾病的传播。6通过单片机控制，可实现变频器和继电器的合理启动与停止，节约了人力物力。13恒压供水控制技术的背景及研究意义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。以往区域的供水系统都是在市政管网经过二次加压或水塔和天而水池来供水，以满足用户对供水压力的需求。加压泵通常是在供水系统中为了适应最不利水压的要求，来确定相关扬程的设计，然后根据水泵组流量的变化情况来选配，最后确定水泵的运行方式。由于在季节和时段变化时，水体本身也有很大的变化，日常供水的运行控制只能常采用水泵的运行方式进行调整，加上出口阀开度调节来调节供水的水量和水压，消耗在出口阀而产生了很大的浪费，而且水池“二次污染”也是个很严重的问题。在给水泵站上应用变频调速技术，成功解决了能耗和污染两大难题。在科学技术的进步带动下，大规模集成电路和微机技术也有了迅速的发展,变频调速技术也在日趋完善,交流异步电动机调速中使用变频调速器，达到的性能可以超过其他任何一种交流调速方式。基于单片机的变频调速恒压供水系统,最典型的应用就是就是微机技术和变频调速技术,在我国近几年的发展中也逐渐盛行起来，它具有节能、供水压力稳定、自动化程度高、造价低、安全、保护设备等优点,主要适用于高层建筑的自动供水，安装调试方便也是一共重要优点,抗干扰能力强，功能全面可靠性高,系统性能完全可以满足设计要求。本设计中用到的AT89C51系列单片机控制系统是供水系统的核心,压力传感器送来的模拟信号被转换器转换成相应的数字量，再通过与系统设定的信号进行比较，计算差值来得到偏差信号,通过预先设定的控制算法得出单片机的最佳控制参数,最后输出一个信号来调节变频器的频率，用以控制工频泵启停的转换和电机水泵机组的转速，保持供水系统的供水压力恒定。自动变化用户实际需要的供水量，在供水系统中，变频器主要组成部分分为电力电子器件和微处理器，水或其他液体的机电装置通过水泵机组传送，最终将储水池中的水以一定的压力和流量通过供水管道输送到用户使用4。给排水现在已经成为与人民生活密切相关的任务。假如供水的压力不稳定，将会导致很多不良的后果。比如水压过高，将会造成管路泄露和水源流失；水压过低，也会导致供水强度不足。因此，维持在一个恒定的水压是供水系统很重要的。一些传统的解决方案有水塔式供水，用水泵把水抽到水塔中供用户使用。当检测到水塔中的水位比设定水位的下限低时，水泵开始启动；当水塔中的水位比设定水位的上限高时，水泵逐渐停止。恒压供水系统尽管可以基本满足人们的日常用水要求，可是系统中也存在着很多的不足之处。本文主要介绍了由单片机控制的无塔式恒压变频供水系统。该系统通过检测水管中水的压力，控制水泵的转速，使水管中水压在一个很小的范围内变化，实现恒压供水5。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，我们国家的电机总装机容量已经超过4亿千瓦，每年的耗电量大约占到全国用电量的60以上，可是能源利用率却非常低，特别是电机驱动系统，大概比国外平均水平还要低20，有很多电机只能相当于国际20世纪50年代的技术水平，而且电机驱动系统能效也要比国外低20左右，电能浪费特别严重6。众所周知，对于人们生活最重要的就是水资源，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们国家水资源和电能十分短缺，长期以来，在高层建筑供水、市政供水、工业生产循环供水等方面的发展程度一直比较落后，自动化程度也比较低。对于每个人来说饮水工程都是非常重要的，所以供水系统在现代工业中无处不在7。第2章恒压供水控制系统的工作原理在变频调速供水系统中，为了调节供水流量必须通过变频调速来改变水泵的转速，最终改变水泵工作点来达到目的。反应水泵运行工程状况的工作点被称为水泵工况点，是指在管路系统确定的时候，实际运行时水泵所具有的流量、扬程以及相应的功率、效率等参数。水泵转速的调节过程中，调节水泵的工况点是一个特别关键的问题。假如水泵工况点与设计工作点差距较大，不但会使水泵运行的效率大幅降低、使用功率提高或者引生严重的气穴现象，还有可能会产生不稳定的管网压力，从而使供水设备受到影响。在实际运行时，水泵的工作点取决于管路水力损失、水泵性能、以及实际中所需要的扬程，改变其中任何一条因素，水泵的运行工况都会发生改变。因此，这三者与水泵工况调节和水泵工况点的确定和是密切相关的。图21就是一个典型的由8951单片机控制的恒压调速供水系统。A/D转换4位LED显示键盘报警系统单片机继电器电动机水泵压力传感器电源电路定时器D/A转换器变频器AT89C51图21变频恒压供水系统组成框图系统由微机控制器、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22所示。AT89C51单片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。单片机D/A转换器变频器水压给定水压A/D转换器压力传感器并放大电动机水泵图22单片机的变频恒压调速系统原理框图21恒压供水控制系统的工作过程在实际操作过程中，选择一台水泵在白天供水，可以满足生产生活用水的需要，小机工频运行，作为一个恒速的水泵使用，功率大的电机变频运行，作为变量水泵；在用水低量比较低时，只需要启动一台功率大的电机就可以满足日常供水的使用，因此可采用两台水泵搭配进行使用，把1号水泵电机（15KW）和2号水泵电机（30KW）放在一起，用单片机控制系统根据运行时间来控制不同的机组运行。分析控制系统机组水泵的工作过程，大致可以分为三种工作状态1号电机变频启动；1号电机工频运行，同时2号电机变频运行；2号电机单独变频运行。在通常状况下，电机和水泵都处于这三种工作状态中，在管网的压力发生改变的时候，这三种工作状态就要发生对应的改变，因此必须设计三个种换过程来改变这三种工作状态。切换过程11号电机开始变频启动，频率稳定到50HZ，此时1号电机在工频条件下运行，2号为变频。当整个系统开始工作后，检测到管网中的水压低于设定压力P，按下相应的按钮，机组1开始运行，在单片机控制下，KM2接通，1号电动机接至变频器的输出端，然后接通变频器的FWD端。1号泵的电动机接到信号开始软启动，电机运行一段时间后，运行频率逐渐增大，当增至工频F0时，单片机系统会发出指令，使变频器BX端接通，FWD端断开，KM2失电，1号电机变频器输出端断开，KM1得电，使1号电机变为工频运行。在1号电机变为工频运行后，打开1号水泵的阀门开关，然后接通KM3，变频器输出端接通2号电机，变频器FWD端接通，变频器BX端断开，使2号电动机开始实现软启动，当系统工作一段时间后，打开2号水泵的阀门，2号电机仍然工作在变频状态。最终实现1号水泵由变频变为工频的电网运行状态，2号水泵接入变频器并且启动运行，系统自动调节，使变频器的输出频率增大，最后达到管网水压设定值（PIPPM）为止。切换过程2当1号电机工频运行2号电机变频运行时，2号电机转换为单独变频运行状态。当夜间用水量降低时，水压变大，变频器控制2号水泵电机，输出频率逐渐下降，电机转速也随之下降，水泵输出流量逐渐变少，当变频器输出频率逐渐下降到开始设定的数值FMIN，电机的转速也同时降低到设定值，而水管的水压比提前设定的上限PK高时（2号电机，FFMIN，PPK），单片机控制器发出信号，1号水泵由工频运行变为停止，2号水泵电机仍然在变频器拖动下继续运行。切换过程3将2号电机由变频运行转变为变频停止，而1号电机仍然保持变频运行状态。当白天用水量增大时，2号电动机变为调速运行状态，当变频器的输出频率增大道工频FI（即50HZ），同时检测到水管的水压比设定的水压上限PI低时（2号电机FFI，PPI），使变频器BX端接通，FWD端断开，使KM3断开，2号电机的变频器输出端断开；使KM2得电，变频器输出端接到1号电机；接通变频器FWD端，同时变频器BX端断开，实现1号电机的软启动。整个系统又转变到最初的工作态，开始新重新循环。22变频调速的基本调速原理水泵机组应用变频调速技术，即是指为了改变电动机转速，必须改变电动机的定子电源效率，也可以把水泵转速及工况改变，最终使扬程与流量适应管网需求的水量变化，保持管网内的水压恒定，实现节约的效果。H0管网末端的服务压力，H1水泵出口压力，A管路特性曲线，N水泵特性曲线。当用日常水量到达最大值QMAX时，水泵达到全速运行状态，全部打开出口阀门，实现满负荷运行，用水管特性曲线A0与水泵的特性N0汇交于点B，这时，水泵的输出口压力值为H，管网末端的服务压力刚好为H0。在日常用水量从QMAX变小到Q1过程中，单片机会输出不同的控制方案，水泵的能耗也会有不同的变化。（1）水泵在全速运转的时候，必须关小水泵出口的阀门来控制水量；这时，水泵工况点由B点逐渐上升到C点，而管路中的扬程由B点下降到D点，从而使管路阻力特性曲线逐渐变陡（A2），这种情况下CD两点的扬程差值就是水泵全速运行时所浪费的能量。（2）水泵在变速运转的时候，必须以水泵出口的压力恒定来控制；当用水量从QMAX变小时，为了改变其特性，必须让控制系统降低水泵的转速。可是工作方式是采用泵出口压力恒量，因此水泵工况点是在H上平移。当日常用水量到达Q1时，水泵特性曲线逐渐向NX接近。而管路的特性曲线却向上平移到A1，两条曲线的交点E就是此时水泵的工况点，因此，在水量减少到Q1点时，将会使管网的不利点水压升高至H0H1，则H1即为水泵运行时浪费的能量。节能曲线如图23所示。图23节能分析曲线图（3）当电动机水泵变速运行时，控制的方法是依靠管网不利点的水压恒定；这时，用水量由QMAX逐渐降到Q1，水泵转速降低，水泵特性曲线N1中水泵工况点为D，恰好在管网特性曲线A0上，因此就能使水泵的工况点沿着曲线A0滑动，保持管网的服务压力H0不发生改变，系统阻力与水泵扬程互相适应，实现能量零浪费。与泵出口恒压松散水相比，这个方案的能耗下降了H1。根据水泵相似原理Q1/Q2N1/N2H1/H2N1/N22P1/P2N1/N23式中，N、Q、H、P分别为转速、泵流量、水管压力和轴功率。也就是说通过控制转速来达到减少轴功率的效果。综上所述，供水管网最不利点的选择是很重要的，控制参数是指所允许范围内的最低压力，压力信号必须通过压力传感器获得，形成闭环压力自动控制调速系统，使水泵的转速保持在与所设定的控制压力值附近，自控技术和调速技术互相结合，达到最好的节能效果。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N1201S/P式中S为电机的滑差（S002），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NPQ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。23水泵变频调速节能分析水泵运行工况点A是管道性能曲线R1和水泵性能曲线N1的交点。在日常供水系统当中，一般使用阀门来控制流量，关小阀门时就可以减少流量，管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点从水泵性能曲线上的A点移动到D点，水泵的扬程从H0点上升到H1点，用水量从Q0逐渐变小到Q1。使用变频调速技术控制用水量时，管路性能曲线R1始终不变，转速决定水泵的特性，假如把水泵的转速从N0减小到N1，把水泵的性能曲线由N0平移到N1，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1，水泵工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点。在图24中，水泵运行在B点时运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比。运行在C点泵的轴功率YCHKQN求出运行在B点的泵的轴功率B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。从图24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24变频调速恒压供水单台水泵工况调节图24系统的参数选取及调速范围为了实现系统低能耗的恒压供水，必须合理选取压力控制参数，实现这个目的的关键就是选取恒压控制参数，一般选择两个管网压力控制点一是泵出口压力的恒压控制；二是管网最不利点的压力恒压控制。为了保证系统达到最佳运行状态，变频器在投入使用后的调试是必要手段。可以根据变频器负载的转动惯性大小，电机在启动和停止时所需的时间不同，设定时间如果过短会造成变频器在加速时的电流过大，当减速时系统会采用过电压保护；假如设定时间过长，在调速运行时将会使变频器的调节变得缓慢，反应迟钝，应变能力差，使整个系统处在一个不稳定的状态中。给变频器一个不跳闸保护措施，目前许多变频器的加减速时间会被设置的很长，所带来的问题也很明显，就是会被覆盖在设备外表里，从而使变频器不能运行在最佳状态，因此使用时要根据负载的不同性质，来测试出允许最短加减速时间，最后进行设定。对于一般的水泵电机，加减速时间为0220秒之间。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，也就是不能过多的降低变频器的效率，为了避免水泵会运行在低效率状态，用户所需扬程和水泵自身的特性决定了水泵的调速范围，当选定水泵的型号确定时即可确定它的最大调速范围，然后由用户的扬程来选定可降低的调速范围，为了使水泵的扬程工作在高效区，水泵的调速范围将进逐渐变小，使变频器的变化范围提高到40HZ以上，即转速下降在20以内。在这个范围以内，电动机的负载率的变化范围是50100，所以电动机的工作效率基本上都在高效区。25本章小结本章从管网特性曲线和水泵理论分析入手讨论了如何确定水泵工作点等问题。接着介绍了如何对水泵进行工况调节。在恒压供水控制系统中，只有改变水泵性能曲线才可以实现水泵的工况调节。本章重点对恒压供水控制系统中水泵能耗机理问题进行了比较深入的研究，得到以下几个结论1水泵的工作点是指在同一个坐标系当中管路性能曲线和水泵性能曲线的交点，水泵运行的理想工作点也就是水泵工作点，在实际运行中水泵的工作点一般都是可以变化的。2水泵工况的调节就是采用改变水泵性能曲线或者改变管路性能曲线的方法，达到移动工作点的目的，最终使其符合要求。综上所述，与传统供水方式相比，变频调速恒压供水系统最大的特点就是采用改变电源供电频率的方式调节水泵转速，从而改变供水量。由对电机特性的分析可知，通过改变转速节流调压，比传统方式用闸阀增加阻力节流消耗功率更小，节能效果明显。由电子系统控制供水压力恒定比传统的人工控制更加稳定准确，同时系统为自适应平衡调节，比之传统方式对水压变化的反应也更迅速，所以大大提高了供水质量。另外系统供水压力可根据需要自行随意调节，因而对不同工作环境的适应性也非常出色。第3章恒压供水控制系统的硬件设计31主控单片机说明及引脚1AT89C51单片机简介本文设计的系统主要采用AT89C51作为控制。AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能、低电压型CMOS8位单片机。片内带有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器。它是由ATMEL公司制造的，使用了高密度的非易失存储器技术，和工业使用中标准的输出管脚相或MCS51指令集互相兼容。所以ATMEL公司的AT89C51单片机是一种功能强大、性价比很高的微控制器，在各种控制领域得到广泛的应用。AT89C51单片机的主要特性有与MCS51兼容，4KB可编程控制的闪烁存储器，1000次的擦写循环周期，10年数据保留时间，0HZ24MHZ全静态工作，三级程序存储器锁定，1288位内部RAM，32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以及片内振荡器和时钟电路。AT89C51单片机引脚分布具体说明如图31所示EAVP1XTL92RS7D6WIN04OGC图31单片机AT89C51管脚图2AT89C51单片机引脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当单片机的外部存储器被访问时，地址锁存器用于地位字节来锁存地址。在系统编程的时候，ALE管脚可以输入脉冲编程。在以往，ALE端能输出正脉冲信号并且有不变的周期频率，此频率与振荡器频率的比例为1/6。所以它可以用于定时目的或对外部输出的脉冲。但是最重要的是在用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则这时外部程序存储器不管单片机系统有没有程序存储器在内部。当系统使用方式1进行加密时，/EA管脚锁定为RESET；在/EA端通过高电平时，使用内部程序存储器进行控制。在FLASH编程期间，该引脚也可以使用12V编程电源（VPP）。XTAL1内部时钟工作电路的输入端和反向振荡放大器的输入端。XTAL2输出反向振荡器的放大信号。32系统主要组成电路321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。压力检测电路如图32所示。图32反馈压力检测电路1ADC0809的逻辑结构ADC0809转换器是8位逐次逼近型A/D转换器。它是由一个地址锁存译码器、一个8路模拟开关、一个三态输出锁存器和一个A/D转换器组成。多路开关能选择8个模拟通道，可以让8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器实现转换。A/D转换完的数字量锁存在三态输出锁器当中，当OE端接通高电平时，会使三态输出锁存器输出转换完的数据。2AD0809的工作原理IN0IN7管脚为8条模拟量信号的输入通道。AD0809对输入信号的要求为，电压范围是0到5V，信号必须是单极性，假如输入信号太小，必须接入运R7K4V2693C5D压力传感器输入MAIN压力设定电位器LMSBLEOBREFST/PXWG算放大模块；保持输入的模拟量信号在转换过程中始终不变，假如若模拟量变化太快，必须使用采样保持电路放在输入之前。3AD0809转换电路主要由AD转换器AT89C51单片机和AD0809转换器组成。AD0809为脉冲启动，收到启动信号START之后，才可以开始转换，在START的下降沿10US后，EOC信号会变为无效的低电平。所以必须查询程序，等EOC无效以后再开始查询，完成转换之后，EOC输出高电平信号，再由OE变为高电平，最后输出转换数据。在设计程序的时候，可以利用EOC信号通知单片机读入已经完成转换的数据。AT89C51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89C51提供AD0809的工作时钟。322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。图33输出控制电路323看门狗电路WATCHDOG电路，又叫WATCHDOGTIMER，俗称“看门狗电路”。是一个定时器电路。在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自其他电磁场的干扰，使整个程序跑飞，而进入死循环程序中，打断正常的运行，造成单片机系统不能正常工作，使整个系统的变为停滞状态，产生严重的VR5130K42MAOUTLMSBDI678CS9XFEROTEWFPQ三相电源GN后果，所以为了实时监测单片机系统的运行状态，就产生了一种芯片，专门用来监测单片机程序的运行状态，即WATCHDOG。WATCHDOG电路的应用，能在无人状态下使单片机连续工作，它的工作原理是，在单片机的一个I/O引脚接入WATCHDOG芯片，这个I/O引脚通过程序控制使它能定时的给WATCHDOG引脚上送入高低电平，分散的在WATCHDOG其他控制语句中间放入这一程序，假如单片机由于受到其他干扰而造成程序跑飞，陷入某一程序段，使整个系统变成死循环，不能执行WATCHDOG引脚的程序，此时，WATCHDOG电路就不能接收单片机送来的信号，就会在单片机复位引脚和它相连的引脚上发出一个复位信号，使单片机系统复位，同时从单片器程序存储器的起始位置开始执行，实现单片机系统的自动复位。本文采用MAX813作为WATCHDOG电路主芯片。MAX813是具有监控电路的微处理芯片，它具有独立的WATCHDOG计时器。基于MAX813的具体电路设计如图34所示。图34定时控制电路33LED数值显示电路数码管由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。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。MRVC2GND3PFI4WO5ST6AXK0E/L9图35共阴数码管引脚图数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位元选通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，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，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资料，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口，而且功耗更低。具体显示电路与单片机的连接方式如图36所示。EA/VP3XTL928RS7D6WIN045OGCBQKMFFGEDCBAPY图36数值显示电路图34压力报警电路为了知道压力过大所以设计了报警电路，它含有声音报警与光报警。在本设计中用了电压比较器来控制报警系统。在分析比较器时，虚断路原则仍然成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。在正电压输入端接上5V电压，负电压输入端接0V电压，设定比较电压为1V，当输入电压小于1V时，输出的为0V，不能使后面的开关三极管导通，放光二极管和蜂鸣器也就不能工作。当输入电压大于1V时，输出电压跳变到5V，导通开关三极管，放光二极管和蜂鸣器通上了电，开始闪烁地放光和发声，达到报警的效果。9015BUZEFR2K74V_信号输入OTS38CULMA/PXD6WINOG图37声光报警电路35键盘开关设置电路1键盘结构、功能、工作原理键盘是由若干各按键组成的，是最简单的单片机输入设备。可以通过键盘输入数据和命令，达到简单的人机对话。按键电路其实是一个简单的开关电路，当按键按下时，闭合开关；当按键松开时，断开开关。因为按键的释放和按下都是通过机械触点的断开与闭合实现的，而且机械触点是具有弹性的，在闭合或断开的时候都有一个抖动过程，所以键闭合和断开会产生电压波形，抖动时间大约在510MS左右。在按键按下或释放时，这个抖动都会产生很大的影响，所以必须消除这个抖动，也只有如此，才可以判断按键的状态。在单片机应用系统中，消除抖动有软件和硬件两种方法。软件去抖动通常是程序检测到键被按下时，延时10MS后在检测按键是否依然闭合，若是则确认是一次真正的闭合，否则就忽略此次按键。硬件去抖动方法主要有利用RS触发器和滤波电路等。2键盘连接原理图如下SB1上调按钮。SB2下调按钮。SB3输入数据确认键。SB4设定退出键。EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCB上图38AT89C51与键盘连接原理图36电源电路电源电路就是指，提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，电源有交流电源或者直流电源。如图39所示电路为输出电压5V和15V，输出电流15A的稳压电源。它由滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3，电源变压器B，桥式整流电路D1D4和一只固定式三端稳压器LM7805、LM7815组成。通过电源变压器把220V交流市电转为交流低压，再经过滤波电容C1与桥式整流电路D1D4和的滤波和整流，在固定式三端稳压器LM7805、LM7815的VIN和GND两端形成一个的不是很稳定的直流电压。因为这个直流电压经过LM7805、LM7815芯片的稳压与C3的滤波电路便在稳压电源的输出端产生了稳定度更好、精度更高的直流输出电压。系统使用的电源电路为5V和15V直流供电，经过整流和滤波电路之后直接应用到系统设计当中，电源电路的连接方式如下图39所示。1LM7805N2C3AVINOUTD49FGHZ图39电源电路37光电耦合电路1光电耦合器的简介光电耦合器是一种电一光一电转换器件，是以光为媒介来传输电信号的。它由受光器和发光源两部分组成。把受光器与发光源安装在同一个密闭的壳体内，之间用透明绝缘体隔离。输入端为发光源的引脚，输出端为受光器的引脚。一般使用的发光源都为发光二极管，受光器就是光敏二极管或者光敏三极管等。光电耦合器的种类有很多，常见有光电二、三极管型、集成电路型、光电达林顿型、光控晶闸管型、光敏电阻型等。2光电耦合器的工作原理为了使发光源发光可以在光电耦合器输入端加电信号，激励电流的大小决定光的强度，当光照射到封装的受光器上时，受光器输出端产生了电效应引起的光电流，组后实现了电到光再到电的转换过程。当光电耦合器的输入端接收到电信号时，电流通过发光二极管而发光，光敏元件接受光照从而产生电流，CE导通；当输入端没有信号接入，发光二极管不导通，光敏型三极管同时截止，CE不导通。而数字量，在输入低电平信号“0”时，光敏型三极管截止，输出高电平“1”；输入高电平“1”时，光敏型三极管饱和导通，输出低电平“0”。假如在基极有引出线，就可以满足检测调制、温度补偿要求。这种光电耦合器的特点是性能较好，而且价格便宜，使用效率高，能有效的隔离单片机和电机之间的高电压，减小对单片机系统的影响，使输出结果更加准确，因而得到广泛的应用。光电耦合控制电路如图310所示。光电耦合隔离电路M2OTR1783456LPVINUGDCSEBA90UF/XW图310光电耦合控制电路38供水设备的选择381水泵电机的选择在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。有关选择依据原则使用表格如下。（1）不同住宅类型的用水标准。不同的住宅有着不同的用水量，根据城市居民生活用水标准GB/T503312002如表31。表31不同住宅类型的用水标准住宅类型给水卫生器具完善程度用水标准（/人日）3M小时变化系数1仅有给水龙头00400825202有给水卫生器具，但无淋浴设备008501325203有给水卫生器具，并有淋浴设备01301925184有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应0170252016（2）供水规模换算表。不同住宅类型的用水标准，根据城市居民生活用水标准GB/T503312002，节录如表32。上面一行为用水标准/人日，中间数据为用水规模3M/H。3M表32供水规模换算表用水标准（/人日）3M户数010015020025450394059007870984050043806560875010940600525078801050013130700613091901225015310800700010500140001750010008750131301750021880（3）根据供水量和高度确定水泵型号和台数,并对电动机进行选型,见表33。表33水泵，电机和变频器选型表4080LG5020X211116080LG5020X315158080LG5020X418518510080LG5020X5222250XN12080LG5020X6303040100DL218518560100DL3303080100DL43737100100DL54545100XN120100DL65555注N为水泵台数（4）设定供水压力经验数据平方供水压力P012MPA；楼房供水压力P（008004楼层数）MPA31（5）系统设计还应遵循以下的原则蓄水池容量应大于每小时最大供水量；水泵扬程应大于实际供水高度；水泵流量总和应大于实际最大供水量。（6）参数的计算与供水设备选型根据表31确定用水量标准为019/人日。3M根据表32确定每小最大用水量为17500/H。根据12层楼高度40M，计算得P（00800412）MPA056MPA根据表33确定水泵型号为100DL3型号一台，水泵自带电动机功率为30KW，80LG5020X3型号一台，水泵功率15KW。382变频器的选择本系统使用的是MCIORMASTER430系列变频器，型号HVAC，EC014500/3，主要应用在风机和水泵的节能调节，额定电压380V500V，额定功率35KW。MICROMASTER430系列变频器是新一代标准变频器中水泵和风机专用的变转矩负载专家，功率范围可以达到75KW至250KW。按照专用要求进行设计，使用内部功能互联技术BICO，具有很好的灵活性和可靠性，牢固的EMC设计电磁兼容性；系统控制可实现多种功能多泵切换、断带及缺水检测、节能运行方式、手动/自动切换、旁路功能等。MCIORMASTER430变频器的端子接口分布如图所示。RL1ARL1BRL1CRL2BRL2CRL3ARL3BRL3C181225242322212019321262728293016151413111098765417AOUT1AOUT1PTCBPTCA0V10VNPPE0VAOUT2AOUT2DIN6DIN5DIN2DIN3DIN424VAIN2AIN2DIN1AIN1AIN1313233343536L1L2L3UVWVVVF图311MM430端子接口分布图383压力传感器的选择CYYB120系列压力变送器为两线制420MA电流信号输出产品。它采用CYYB105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420MA标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。39本章小结本章详细介绍了恒压供水系统的硬件组成部分，对每一部分的结构及功能做了较详细的介绍，主要说明了整个系统的每一部分组成电路的工作原理，及实际操作中应该选用的各种器件等。从工作原理到工作方式，再到各个组成部分之间的相互联系，对整个系统的影响等等。第4章恒压供水控制系统的软件设计41主程序框图变频调速恒压供水系统的单片机控制器软件包括主程序、控制量计算子程序、继电器控制子程序、A/D转换子程序、演示子程序等。主程序包括系统初始化，开机命令的检测等，包含调用子程序的程序称为主程序。主程序不能被它的子程序调用，主程序和子程序两者是相对的。比如，某主程序在某个过程中调用了子程序A，子程序A在某个过程中又调用了子程序B，那么A对主程序而言是子程序，但对B而言它又成了主程序。系统的主程序流程框图如图41所示。初始化系统检测按键倒计时原始参数设置参数存入EEPR