居民小区供水

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1 前言1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2总体方案设计3 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2.1系统设计要求3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.2方案论证3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.2. 1供水方案的论证3 HYPERLINK l bookmark44 o

2、Current Document 系统方案的论证4 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 系统工作原理5 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 3系统硬件设计6 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.1单片机部分6 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document STC89C51芯片的介绍6 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 晶振电路的设计7 HYPERLINK l b

3、ookmark66 o Current Document 复位电路的设计8 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.2数据采集电路的设计9 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document ADC0809 简介9 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document ADC0809 与 STC89C51 接口11 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document DAC0832 简介12 HYPERLINK l bookmark108 o Cur

4、rent Document STC89C51 与 DAC0832 接口12 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 3.3系统并行I/O 口扩展电路的设计13 HYPERLINK l bookmark115 o Current Document 显示电路设计14 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 3.5报警电路的设计17 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 3.6电源电路的设计17 HYPERLINK l bookmark133 o Current

5、 Document 稳压集成电路原理17 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 电源电路的设计17 HYPERLINK l bookmark142 o Current Document 4电机电路的设计19 HYPERLINK l bookmark145 o Current Document 4.1电机调速方法的选择19 HYPERLINK l bookmark151 o Current Document 4.2电机变频器的选择20 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document 变频器的基本原理20 HYP

6、ERLINK l bookmark157 o Current Document 西门子变频器简介20 HYPERLINK l bookmark160 o Current Document ；4.3电机保护电路的设计21 HYPERLINK l bookmark163 o Current Document I过载保护与过电流保护21 HYPERLINK l bookmark166 o Current Document 短路保护22I HYPERLINK l bookmark169 o Current Document 4.4手动开关的设计22 HYPERLINK l bookmark175 o

7、Current Document I4.5无水监测电路23 HYPERLINK l bookmark178 o Current Document 5控制算法的设计24 HYPERLINK l bookmark181 o Current Document 5.1 PID控制规律的数字实现24I HYPERLINK l bookmark202 o Current Document 5.2 PID算法的改进25I HYPERLINK l bookmark213 o Current Document 6系统软件设计27装 HYPERLINK l bookmark216 o Current Docume

8、nt 6.1主程序276.2 A/D中断服务程序29I I HYPERLINK l bookmark243 o Current Document 6.3子程序30I HYPERLINK l bookmark342 o Current Document 订7总结48致谢49I参考文献：501前言当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。 能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来 了相当大的问题。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人 民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临 经济增长与环境保护的双重压力。

9、有资料表明，受资金、技术、能源价格的影 响，中国能源利用效率比发达国家低很多。能源这一链条正在掣肘整个中国经 济的运行发展。国家发展和改革委员会主任马凯发出警告：“我国已成为世界上 电力消费第二大国，我国主要能源和初级产品的供求格局已发生较大变化，资 源对经济发展的制约作用越来越大”。由此可见，对能源的有效利用在我国已经 非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。根据国内外相关方面的理论表明：交流电机变频调速技术1是近年来发展 起来的一项高新技术。其主要原理是：根据电机不同的负荷、工艺或转矩要求， 通过交流变频调速器调节电动机的转速，使其改变电机主轴的输出特性。变频 调速

10、技术应用于水泵风机等流体负载时，可使流体的流量、压力根据实际需 要自动恒压或恒流量调节。根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速出正比， 压力与电机转速的平方成正比，所以风机水泵采用变频调速技术后，它在节能 效果方面比采用阀门控制压力或流量的方法可节电40%50%，节水7%，同 时延长设备使用寿命，解决了占地面积大，设备启动频繁，电流和水压冲击严 重，设备维修量大等问题。又有实验证明：不管一般定速控制系统几次提效， 增加变频技术都可再实现节能超过30%以上，因此，变频成为最优异的节能技 术方案，是实现节能的最佳技术途径之一。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理 想，市

11、场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统 的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面 的了解。国外现状3 在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在 大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为 6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子 公司Simovert A电流型品闸管变频调速设备单机容量为 102600kVA和 Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为100900 kVA，其控制系统已 实现全数

12、字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术 反面，日本富士 BJT变频器最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器已形成 系列产品，其控制系统也已实现全数字化。交流变频调速技术1是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要4处理 巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此该技 术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和 新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策 略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要全数字控制技术）。 其主要发展方向有如下几项：（1）实现高水平的控制：基于电动机和机械模

13、型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑 模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒 观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基 于智能控制思想的控制策略，电子科技大学硕士学位论文有模糊控制、神经元 网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。（2）开发清洁电能的变流器：所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉 动。对中小容量变流器，提高开关实现高水平的控制：基于电动机何机械模型 的控制策略，有矢量控制、磁场控制、

14、直接转矩控制何机械扭振补偿等；基于 现代理论的控制测列有话没变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分集合 理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎 斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网 络、专家系统和各种各样的自动化、自诊断技术等。（3）频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率 下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。（4）缩小装置的尺寸：紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源， 以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率

15、器件冷却 方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。2总体方案设计2.1系统设计要求利用微机控制系统实现居民小区的恒压变频调速自动供水，是居民不管任 何情况，只要官网有水，就能正常用水。设计完整的微机控制系统完成7层楼600户居民的自动供水。有以下要求:24小时不间断供水有数字显示供水高度系统有必要的保护和报警无水系统停止工作1、2、3、4、2.2方案论证供水方案的论证1、1台泵的变频调速方案这也是应用得较为普遍的方案。其控制过程是：用水少时，由变频器控制1 号泵，进行恒压供水控制。当用水量逐渐增加，1号泵的工作频率达到50Hz时， 将其电动机切换成由工频电源供电。同时，将

16、变频器切换到2号泵上，由2号 泵进行补充供水。反之，当用水量逐渐减少，即使2号泵的工作频率已降到0Hz， 而供水压力仍偏大时，则关掉1号泵，同时迅速升高2号泵的工作频率，并进 行恒压控制。此方案的主要特点是：（1）只用1台变频器，故设备投资少。（2）如果用水量恰巧在1台泵全速供水量的上下变动时，将会出现供水系统来 回切换的状态。为了避免这种现象的发生，可设置压力控制的“切换死区”。 举例说明如下：设所需供水压力为200Pa，则可设定切换死区范围为200Pa250Pa，控制 的方式是，当1号泵的工作频率上升至50Hz时，如压力低于200Pa，则进行切 换，使1号泵全速运行，2号泵进行补充。当用水

17、量减少，2号泵已完全停止， 但压力仍超过200Pa时，先暂不切换，直至压力超过250Pa时，再行切换。2、2台泵的变频调速方案2台水泵的电动机都由变频器控制，或用2台变频器分别控制2台电动机， 或用1台容量较大的变频器同时控制2台电动机。后者控制较为简单，但前者 的机动性较强，即使一台变频器出了故障，另一台仍可使用，转为1台泵的变 频调速方案。综合看二台变频装置确实节能，当系统所需的流量在额定流量85%范围内运 行，那么选择一台变频装置为经济合理；若系统运行流量变化很大，但在小流 量下运行时间很短，那么也没有必要为此设置二台变频装置；若系统所需流量 在额定流量的55%以下长期运行，那么应考虑增

18、加机组台数与增加变频装置数量 的综合经济比较后确定更为合理的方案。本系统根据控制要求，选择方案1即 可。系统方案的论证目前，实现恒压供水的设计方案由多种，且设计实现的功能各不尽同，但 使用最多最频繁的方法如下所列：1、基于PLC控制的恒压供水系统根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控市自来水以及供水口的 情况来决定是否要起动水泵，或是采用直抽水充压方案还是采用抽水池水充压 的方案。在控制过程中，供水口的水压自动调节是一个重要和较有特色的设计 部分之一，由于供水系统管道长、管径大，阀门的开、关、管网充压都较慢， 故系统是一个大滞后系统。同时由于控制系统的程序设计较复杂，故本次设计 中不予

19、以采用。2、基于DSP控制的恒压供水系统DSP变频自动恒压系统由DSP控制器，变频器，泵组电机，压力反馈（流量反 馈），交流接触器等部分组成.系统为一个压力（流量）单闭环控制系统,DSP控制系 统选用TMS320F240 DSP为控制器件与一台160kW大功率变频器控制三台水泵 电机的投入，退出，工频及变频运行,系统可实现压力反馈控制和流量反馈控制，恒 压精度小于0.01 MPao DSP控制变频恒压供水系统的压力设定信号，压力反馈信号,流量设定信号，流量反馈信号由DSP内部自带的ADC转换器转换以实现数模 之间的转换，压力给定和反馈在DSP中经PID调节器控制后由外部扩展芯片DAC1210进

20、行D/A转换后输出控制变频器实现恒压控制.为了实时监控恒压系统的压力和流量，还要利用TMS320F240 SPI接口和串行显示芯片MAX7219设 计成串行显示电路，利用其显示系统的压力设定值，压力测量值，流量设定值，流量 反馈值功能设置主要通过数字UO扩展的键盘来实现控制系统功能的设定.虽然系统安全可靠但在设计上应用太多的软件，复杂难度较大，且设计造 价高，故本次设计亦不以考虑。3、基于单片机控制的恒压供水系统用单片机结合变频器实现供水系统全自动化的恒压控制，是当前性能价格 比较高的方案，采用以ST89C51单片机为核心，按通用模块化的设计可使用各 种类型变频器及泵组的配合。该系统投资少，维

21、护简单，可靠性高，能满足客 户扩展的要求，同时预留了和上位机的通讯口，是地区供水管理的前期准备， 也能实现管网泄漏有效监视。设计总体框图如图2.1所示。图2.1设计总体框图所以，本次设计采用单片机作为控制系统来实现小区供水的恒压控制。2.3系统工作原理变频调速恒压供水是应用先进的现代控制理论，结合单片机编程控制技 术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。设计通过 压力传感器，将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信 号转换成数字量并送入单片机，经比较后通过PID运算，得出一调节参量并将 该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而

22、控制 其输出频率的变化。设计采用两台水泵并联的供水方式，用户用水量的大小决 定了投入运行的水泵的数量，实现变频调速当用水量较小时，单台泵变频工作， 当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足 用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反 之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍 大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一 程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由工泵供水。3系统硬件设计3.1单片机部分STC89C51芯片的介绍本系统的核心是单片机，也称为微控制器或嵌入式控制器。单片

23、按用途可 分为通用型和专用型两大类。我们所选用的是通用型单片机。根据其基本操作 处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机、32 位单片机。其中1位、4位单片机只适用于非常简单的控制操作：16位单片机 和32位单片机集成度高、性能优越，但是价格较贵。而8位单片机以其小巧灵 活、价格低廉的优势使它的产量占整个单片机市场的60%以上，8位单片机将在 最近若十年仍是工业检测、控制应用的主角。目前在各主要的单片机生产厂商中，Intel公司的MCS-51系列及其增强型 系列在8位单片机市场中占的份额最大，达50%左右。由于MCS-51系列单片机 性价比高，所以自1980年推出以来

24、，直至现在，其市场仍很坚挺，这也是我国 在工业检测、控制领域中的优选机种和机型。在MCS-51系列单片机的典型代表 产品中，8051单片机价格低廉，对于大多数工业检测、控制场合也都能满足要 求。由于系统控制方案简单，数据量也不太，因此选用具有8051内核的STC89C51作为控制系统的主机，由于其内部有8KB的flash存储器，因此不需 要外扩程序存储器。也可视具体情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、 STC89C51等。其中，STC89C51、8052、8751、8752的各个引脚输入/输出电平 只与TTL电平兼容；89C51、89C52、80C51各引脚

25、输入/输出电平即与TTL电平 兼容，也与CMOS电平兼容。STC89C51管脚功能见图3.1所示：STC89C51的主要性能参数有：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。8K可重擦写的闪速存储器。1000次擦写周期。全静态操作：0Hz-24MHz。三级加密程序存储器。256X8字节内部RAM。32个可编程I/O 口线。3个16位的定时/计数器。5个中断源。可编程串行UART通道。低功耗空闲和掉电模式。晶振采用11.0592MHZ、按键复位方式。STC89C51提供以下标准功能：8K字节的Flash闪速存储器,256字节的内部RAM,32个I/O 口线,2个16位的定时/计数器，一个6向量两极中

26、断结构,一个全 双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C51可降至0Hz的静态逻 辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式：空闲方式停止CPU的工作，但允 许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。P10POOP11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INTOP21P22T1P23TOP24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXDTXD_RD_ALE /PWRPSEN12345678131215143119189n

27、163938立3635343122q2242_5262Z28STC8 9C51图3.1 STC89C51管脚图晶振电路的设计STC89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大 器的输入为XTAL1，输出端为XTAL2,分别是STC89C51的18脚和19脚。在XTAL1 和XTAL2两端跨接石英品体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图3.2 所示。电容器C1和C2通常取30PF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范 围是 1.2MHZ-12MHZ。复位电路的设计复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把?初始化为0000H,使单片机 从0000H单元开始执行程序。除了

28、进入系统的的正常初始化之外，当由于程序出 错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，要实现复位操作， 必须使RST引脚至少保持2个机械周期（24个振荡周期）以上的高电平。例如： 时钟频率若为6MHZ，每机械周期为2us，则需要持续4us以上时间的高电平。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号（RST）送 全施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发 器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位是计算机的一个重要工作状态，其电路虽然简单，但其作用非常重要。

29、一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能够复位成功。系统接电时要 复位，断电时要复位，发生大故障后也要复位。初步检查可以用示波器探头监 视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的）还可以 通过改变复位电路阻容值进行实验。复位有两种方式，一种是上电复位，一种 是按键复位，本系统采用按键复位方式。如图3.3为本系统复位电路。图中RC 构成微分电路，在接电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机械周期， MCS-51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于2个机械周期。一般取22uF电容、1千欧姆的电阻。19TsREEEIRDWRS IC89C51S1?W-PB

30、2 00R.21K图3.3复位电路3.2数据采集电路的设计ADC0809简介1 .主要特性1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100 s4）单个+ 5V电源供电5）模拟输入电压范围0+ 5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+ 85摄氏度7）低功耗，约15mW。内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3.4所示， 它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、 逐次逼近CLOCKSTARTLN：I.1N1.模报榆人比粒器IN?.1 H通道地址蹄和1枷ADDA A DDB ADDC开

31、美定时和控制JF美祷型侦A1_2-|1；X_1-21土携存和115三志门1111EOGOE逐次遇近奇存器(SAR)数字输出ALEREFRl-F(+)图3.4ADC0809内部结构框图寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。外部特性(引脚功能)ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.5所示。下面说 明各引脚功能。INjJN4 IN, TNfi- IN?EOCOE CLOCK Vcc、RF(+)- GND- 2-3456勺 ADC0809910II1242

32、R272625242322201918171615图 3.5 ADC0809 引脚in2 IM 1NC ADDA ADDB ADDC ALE 2 1 22 25 24 2 s REF(-) 2 sIN0IN7： 8路模拟量输入端。 蛆 8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC： 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。如 表3.1所示。表 3.1 ADDA、ADDB、ADDC 真值表ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动信

33、号，输入，高电平有效。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电 平(转换期间一直为低电平)。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输 入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF ( + )、REF (-):基准电压。Vcc :电源，单 一+ 5V。GND：地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址 锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次 逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低

34、，指示转换正 在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据 已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门 打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809与 S TC89C51 接口本系统采用的晶振为6MHZ，STC89C51 ALE脚的频率为FOSC/6 = 1MHZ。而 ADC0809的最大允许频率值为640KHZ。所以，ALE需要经双D触发器74LS分频 后接入ADC0809的时钟脚，如图3.6所示。1234567813言1 2 -15143 11 91 89i,17 d1 63938349221A717287 4LS0 47

35、 4LS0 22324253221 2223192 021L4.1 58L801 13025 2622q 36L51 067 4LS0 2U1P10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INT0P21P22T1P23T0_P24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXD_TXDRDALE/PWRPSENSTC8 9C _29U6ref(+)CLOCKSTARTENABLEref(-)ALEIN-7ADD-CIN-6ADD-BADD-AIN-5EOCIN-4lsb2-82-7IN-32-6IN-22-52-42-3IN-

36、12-2msb 2 -1IN-0ADC08 0 954321282726R1 81 0KR6压力设定值1 5KXRD1MP X2100图 3.6 ADC0809 与 STC89C51 接 口电路DAC0832简介DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件，其:芯片内有两级输入寄存器， 使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需 要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。D/A转换结果采用电流形式输出。 要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个 供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻辑输入满足TT

37、L电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。引脚说明如下：D0D7 :数字信号输入端。ILE :输入寄存器允许，高电平有效。CS :片选信号，低电平有效。WR1：写信号1，低电平有效。XFER :传送控制信号，低电平有效。WR2:写信号2,低电平有效。IOUT1、IOUT2： DAC 电流输出端。Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。STC89C51 与 D AC0832接口如图3.7所示，STC89C51通进引脚/WR控制DAC0832的片选，当STC89C51执行写命令时/WR脚变为低电平，由于DAC0832的/CS片选信号脚与/WR脚相连， 故/CS也变低有效，选中DAC083

38、2。STC89C51的P0 口与DAC0832的D0D7相连，由此单片机向DAC0832发送数 字量。STC89C51的P2_5,P2_6,P2_7脚经过74LS138译码号控制DAC0832的写1 信号是否有效。mP10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INT0P21P22T1P23T0P24P25EA/VPP26P27,X1X2RESETRXIRDALEwrPSE6-13-9N15141918士10It307839383635343332*212223,24261728STC89C5117十U7Xfer CSWRlWR：

39、_ILE181913msbDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1lsbDI0、,VDAC0832+5VVrefRftIout2 Tout+5V+12V330KR10-12V图 3.7 STC89C51 与 DAC0832 接 口电路3.3系统并行I/O口扩展电路的设计8155芯片内包含有256字节RSM，2个8位、1个6位的可编程并行I/O 口， 和1个14位定时器/计数器。由于8155既具有RSM又具有I/O 口，因而是单片 机系统中最常用的外围接口芯片之一。虫13运丧rIE5E1TTCiERlNRESET3 4 5-CCCF p P21o 1 rLJ4 |2舌一 PAPAPJp.pAP

40、APAPA1rrj耳5* E BB B B BE p p p p p p P1 T- C-CC F PP衣 3-fe5芯片.引脚说明!i8155共40个引脚10采用了双列直插的封装，主要引脚功能如下：IISD7-SD0：地址数据总线；单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态II信息都是通过它来传送的。iCE :片选信号线，低电平有效。IIRD：存储器读信号线，低电平有效。IIWR：存储器写信号线，低电平有效。1SLE：地址及片选信号锁存信号线，高电平有效。在下降沿时将地址及片选II信号锁存到器件中。IIO/M： IO接口与存储器选择信号线，高电平选择I/O,低电平选择存储器。装IPS7PS

41、0： S 口输出/输入线。IPB7PB0： B 口输出/输入线。IIPC5PC0： C 口输出/输入或控制信号线，用作控制信号时其功能如下：IPC0： S INTR （S 口中断信号线）订IPC1： S BF （S 口缓冲器满信号线）IIPC2： SSTB （S 口选通线）IIPC3： B INTR （B 口中断信号线）IIPC4： B BF （B 口缓冲器满信号线）线IPC5： BSTB （B 口选通线）IISD7SD0I.!寄存器IS7S6S5S4S3S2S1S0IX1XXXX000命令/状态寄存器（命令状态I口）XXXXX001 S 口（PS7PS0）IX1 1XXXX010B 口（PB

42、7PB0）IX1XXXX100C 口（PC7PC0）IX1IXXXX100定时器低8位1XXXXX101定时器高6位和2位计数器方式TIMER IN：定时器/计数器输入端；TIMER OUT:定时器/计数器输出端；RESET:复位信号线。3.4显示电路设计在本单片机系统中，显示用的是3个LED即发光二极管。LED数码管结构简 单，价格便宜，是通过同名管脚上所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而 显示不同字形的。它有七段和八段之分，也有共阴和共阳的区别，这里采用的 是八段共阴型LED。图3.9为共阴八段LED管的原理图。图中，所有发光二极管阴极共连后接 到G脚。正常显示时G脚接地，各发光二极管是

43、否点亮取决于a-dp各引脚上是 否是低电平。Q图3.9共阴数码管MCS-51对LED管的显示可以分为静态显示和动态显示两种。在静态显示的 方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O 口，公共端可直接接地（共阴）。 显示时，每一位字段分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。 静态显示方式的特点是八段LED管稳定地同时地显示各自字形，但占用I/O 口 线多。为了简化电路，本系统采用7406 TTL集电极开路六反相高压驱动器驱动数码管的位，7407 TTL集电极开路六正相高压驱动器驱动LED段码。如图3.10所示：9o!Y YY Y Y Y YY YY Y Y Y Yco/sIf3

44、1Q!Y Y Y Y Y Y2 3 4Q25Z2Z1Z4Q23Z2Zlz64/- LnNHSr*4_r3PparQp!wRLI =- 6171976图3.10系统显示电路本系统采用的是动态扫描显示电路。动态显示是将显示各位的所有相同的 字段线连接在一起，由一个8位I/O 口控制，而每一位的公共端有另一个I/O 口控制。由于多位同时选通，必须采用轮流显示的方式，即：在一瞬间只让某 一位的字位线处于选通状态（共阴极LED低电平；共阳极为高电平），其它各位 的字位线处于断开状态同时字段上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这 一瞬间，只有这一位在显示，其他几位暗。同样在下一瞬间，单独显示下一位。 这

45、样依次轮流显示，循环扫描。人们因视觉器官停滞效应而看到是是各LED似 乎在同时显示不同字符。3.5报警电路的设计系统采用一蜂鸣器作为报警声源。当三极管基极为高电平“1”时，三极管 导通，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣鸣音。当三极管 基极为低电平“0”时，三极管截止，压电蜂鸣器的两条引线间的直流电压降至接近于0V，发音停止。具本电路设计如图3.11所示:3EGLDSTC89C51PE313(iUFi：n：i2A图3.11系统报警电路3.6电源电路的设计稳压集成电路原理三端稳压器的工作原理是和串联型稳压电源是完全相同的，只是多集成了 一些保护电路，其调压过程就是通过调整外接的电

46、位器调节分压比，具体的公 式为Voe1.25*（1+R2/R1）V,其中R1为采样电阻（一般为120欧或240欧），R2 为可变电阻，R2的变化就会使输出电压可调，但最小为1.25V,最大为37V左右。电源电路的设计小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成， 本系统用到三种直流电源分别是：12V,+5V电源。其电路图如3.12所示：近81宾 垣OS许mm A9+(o)Asi+(q)3IAI4电机电路的设计4.1电机调速方法的选择直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪后诞生。在20世纪上半叶，鉴于 直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电动机，而约占 电

47、力拖动总量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时 期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并 已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪 60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动得 以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统 应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局被打破了。这时直流电动机和交 流电动机相比的缺点日益显露出来。于是，用交流可调速拖动取代直流可调拖 动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动系统的主要发 展方向。从能量的角度看，转差功率

48、是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调 速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类。转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都能转换成热能消耗在转子电路中，这类系统的 效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速 降低的（恒转矩负载时）。降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速均 属于这一类调速系统工程。转差功率馈送型调速系统在这类系统中，除了转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置 馈送出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线转子电支机串级调速和双 馈送电动机调速就属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装 置本身的

49、损耗后，最终都转化成有用功率，因此这类系统的效率较高，但要增 加一些设备。转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基 本不变，因此效率较高，变极对数调速，变压变频调速就属于这一类调速系统。 其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可 以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，但在定子电路中须配备与 电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。 因此说本系统需要有一定的动能性能，显然，采用有级调速，进行换档调速是 不合适的。综合分析效率与成本，本满足

50、了系统要求的前提下本系统选择了变 压变频调速。变频调速特点是效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级的。 容易实现协调控制和闭环控制，可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造， 它既保留了原有电动机，具有改造简单，可靠、耐用，维护方便的优点，即能 达到节电的显著效果，又能恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。因此，可 理论上认为水泵采用交流调速来实现较大幅度的节能(可达20-50% )是种较为 理想而实用的方法。4.2电机变频器的选择变频器的基本原理变频器是一种能够简单、自由地改变交流电机转速的一种控制装置。简单 地说变频器是通过改变电机输入电压的频率来改变电机转速的。从电机的转速 公式

51、n=60f(1-S)/P ；可以看出，调节电机输入电压的频率f，即可改变电机的 转速n。目前几乎所有的低压变频器均采用如图4.1所示的主电路结构：部分1称为整流器，作用是把交流电变为直流电，部分2为无功缓冲直流 环节，在此部分可以采电容作为缓冲，也可用电感。部分3是逆变器部分，作 用是把直流电变为频率可调整的三相交流电。中间环节采用电容器的这种变频 器称之为交直交电压型变频器。西门子变频器简介西门子变频器430节能型(MicroMaster430)是全新一代标准变频器中的 风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计， 并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高

52、度可靠性和灵活性。控制软件可以 实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能 运行方式等。实现了高转矩、高精度、宽调速驱动，满足通用变频器高性能化 的要求，具有超出同类产品的防跳闸功能和适应恶劣电网温度、湿度和粉尘能 力，极大提高产品可靠性。故本次设计选用其作为电机的变频器。234.3电机保护电路的设计过载保护与过电流保护热继电器是利用电流的热效应原理实现电动机的过载保护。电动机在实际 运行中发生过载，只要电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但过 载时间过长，绕组温升超过了允许值时，将会加剧绕组绝缘老化，严重时甚至 使电动机绕组烧毁。因此，电动机在长期运行中，

53、需要对其过载提供保护装置。 热继电器的作用是电动机过负荷时自动切断电源，热继电器的构造是两片膨胀 系数不同的金属片构成，电流过大时膨胀系数大的先膨胀，起到切断电源的作 用。热继电器动作后有人工复位和自动复位。图4.2电机的保护电路熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔 化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器是一种过电流保护 电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断 器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后， 由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。电机的保护电路如图4.2示短路保护

54、断路器是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短 路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及 电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切 断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故 障电流后一般不需要变更零部件，一获得了广泛的应用。本次设计中正是利用 了其短路保护的特性。保护电路如图4.2所示。4.4手动开关的设计本次设计主要应用于城市居民小区的供水，在保证居民正常生活的同时也 要达到节能的目的，但由于小区四季的用水量及每天中各时间段的用水量也不 同，故本次设计中完善了常规设计中的不足。自行设计了手动

55、开关，有操作人 员根据实际需要进行操作，进而达到了供求平衡且节能的目的。具体设计方法 如下：+12V-12V设计中将继电器线圈与模拟电路相连接，当线圈吸合时，相应的继电器开 关接通，从而控制电机的启动与停止，正常工作中，工频电机始终处于运作状 态，由继电器KA2控制。当实际压力值小于系统设定值时，继电器KA1的线圈 吸合，变频电机M1启动，通过变频使压力值上升至系统设定值。但由于四季用水量的不同，系统设置开关相应的开关来选择电机的数量。 开关设计如图4.3示4.5无水监测电路本电路由热继电器常闭开关的动作来控制电机的启停，当水箱中无水时， 检测电路将模拟电压量经非门送如单片机，经处理后的结果使

56、热继电器常闭开 关断开，继而使热继电器的线圈断开，使电机停止工作。从而起到保护电路的 作用，延长电机的使用寿命！检测电路如图4.4示+5V0R174.7K图4.4水位检测电路5控制算法的设计5.1 PID控制规律的数字实现PID调节之所以不衰，而且在数字化的计算机时代仍能得一广泛应用，主要 有以下优点：1）技术成熟PID调节是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它的结 构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID 的变种，如PI,PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID 控制，变速积分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制

57、系统中，系统参数 整定方便，而且在大多数工业生产过程中效果比较好。2）易被人们熟悉和掌握生产技术人员及操作人员都比较熟悉它，并在实践中积累了丰富的经验， 特别是一些工作时间比较长的工程技术人员更是如此。到目前为止，仍有许多工业对象得不到或很难得到精确的数学模型，因此， 应用直接数字控制方法比较困难甚至根本不可能，所以必须应有PID算法。3）控制效果好虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于 连续变化。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满 意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节仍是目前应用比较广泛的方法之一。采用单片机微机作为控制器核心的自动控制

58、系统简化框图如图5.1所示：图5.1单片机微机闭环控制系统框图它是由STC89C51单片微机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差 e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程变量Y稳定在设定的 点上。可见计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控 制变量u。因此模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算， 只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT （T为采样周期，i为正整数），PID调节规律可以通过 数值公式7 T(5.1-1)也=关m+号( Y-i) +他12 J-0近似计算。如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与 连续过程

59、十分接近。当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量（例如去驱动步进电 机）时，由式（5.1-1）可导出增量式的PID算法，由式（5.1-1）可得T 2-1tS二尺户弓_1+另2 + 专（0一如）+ 地（5.1-2）1 i j -o1由（5.1-1）与式（5.1-2 ）相减就可以导出下面的公式。T 7(5.1-3)加=也知=&叵-0 +成愆-电_ +%)式（5.1-3）称为增量式PID控制算法，式（5.1-1）则称为位置式PID控 制算法。（5.1-3 ）也可以进一步改写为Aw = d e + d e + d ei 0 i i i-12 i - 2其中可见增量式PID算法只需保持现时以前三

60、个时刻的误差（e ,e ,e ）即可。i i-1 i-25.2 PID算法的改进在实际的控制系统中，控制变量实际输出值往往受到执行机构性能的约束 （如放大器的饱和，阀门旋转角度的限制），而被限制在有限范围内，艮口U 或- - max其变化也局限在一定的（阀门旋转角度）范围内，即I u I Zumax如果微机输出的控制变量u在上述范围内，那么PID控制可以达到预期的 效果，一旦超出上述范围，则实际执行的控制变量就不用再是计算值，由此将 引起不期望的效应，称为饱和效应。下面介绍PID位置算法的积分饱和作用及抑制方法。如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃若根据PID算法公式（5.1-1） 计算出控