本科畢業(yè)論文恒壓供水控制系統(tǒng)的設計

1、本科學生畢業(yè)設計 恒壓供水控制系統(tǒng)的設計 院系名稱： 電氣與信息工程學院 專業(yè)班級： 電氣09-3班 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 二一三年六月摘 要本文提出的系統(tǒng)設計方案是以atmel公司的at89c51為基礎，同時描述了包括變頻器和傳感器在內的硬件控制系統(tǒng)和相應的軟件控制系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機成本低，易于使用的特點。因為電機的轉速與水泵耗電功率的三次方形成正比關系，所以會使水泵調速運行的節(jié)能效果變得更加顯著，平均耗電量較一般的供水方式節(jié)也能節(jié)省近四成。系統(tǒng)本身使用51型單片機進行控制，可以實現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動，工作時具有短路保護、過流保護等功能，性能上具有工作穩(wěn)定可靠，延長電機使用

2、壽命等優(yōu)點。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展與城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。建設節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源也是一項艱巨任務。因此，有利于節(jié)能節(jié)水的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)得到了更廣泛的應用。本文論述了變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的調速原理及節(jié)能分析,描述了變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。關鍵詞： 變頻調速；恒壓供水；at89c51單片機；電機轉速；水泵 abstract this paper discusses the frequency conversion speed adjusting water s

3、upply system and energy-saving principle of speed control，and mainly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. the proposed system design is based on the companys at89c51 based atmel, also described including the transducer and

4、sensor control system including hardware, software control systems and the corresponding. give full play to the single chip low cost, ease of use. because the three party motor speed and pump power consumption of the formation of proportional relationship, so the effect of energy saving pump speed b

5、ecomes more and more obvious, the average power consumption than the general way of water festival also can save nearly four into. the system uses 51 monolithic integrated circuits to control, realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft starting, in operation has circuit prot

6、ection, over-current protection and other functions, in the performance has the operation stability to be reliable, prolongs electrical machinery service life and other merits. with the progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge，increasing of populat

7、ion and standard of living of people continuously improved，more and more demanding to quantity，quality and stability of water supply bring for ward in city. build a conservation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conservation is a difficul

8、t task. therefore, it is conducive to saving energy and frequency conversion speed adjusting water supply system has been more widely used.keywords: frequency control; constant pressure water supply; at89c51 mcu; motor speed; water pump目 錄摘要abstract第1章 引言11.1 恒壓供水控制系統(tǒng)的介紹11.2 恒壓供水控制系統(tǒng)的設計方案及主要特點11.3 恒

9、壓供水控制技術的背景及研究意義2第2章 恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理42.1 恒壓供水控制系統(tǒng)的工作過程52.2 變頻調速的基本調速原理62.3 水泵變頻調速節(jié)能分析82.4 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調速范圍92.5 本章小結10第3章 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設計113.1 主控單片機說明及引腳113.2 系統(tǒng)主要組成電路133.2.1 反饋壓力檢測電路133.2.2 輸出控制電路143.2.3 看門狗電路143.3 led數(shù)值顯示電路153.4 壓力報警電路173.5 鍵盤開關設置電路173.6 電源電路183.7 光電耦合電路193.8 供水設備的選擇203.8.1 水泵電機的選擇203.8.2 變

10、頻器的選擇213.8.3 壓力傳感器的選擇213.9 本章小結22第4章 恒壓供水控制系統(tǒng)的軟件設計234.1 主程序框圖234.2 繼電器控制子程序244.3 a/d子程序244.4 pid控制子程序254.5 本章小結26參考文獻27致謝28結束語29附錄a30附錄b39第1章 引言1.1 恒壓供水控制系統(tǒng)的介紹隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用，使供水設計得到了新的發(fā)展機遇，人性化的多層次住宅組合成為了當前住宅建筑的規(guī)劃趨向，人們追求的不僅僅是立面和平面的美觀和合理，空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念成為了人們眼中的重點，特別是在市場經(jīng)濟的浪潮中，土地使用效率最大

11、化尤為重要。就在供水系統(tǒng)面臨新的挑戰(zhàn)的時候，一種符合各方面規(guī)范、安全又經(jīng)濟合理的供水方式出現(xiàn)了。那就是變頻調速恒壓供水，它是一種在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據(jù)用戶需求確定的，傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)，隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、pid調節(jié)器、傳感器等器件的有機組合，構成控制系統(tǒng)，調節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水。恒壓供水系統(tǒng)是指用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定。這樣既可滿足各部位的用戶對用水量的需求，又不會產(chǎn)生電動機空轉，造成電能的浪費。為實現(xiàn)上述目標，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號和

12、反饋壓力信號，調節(jié)水泵轉速，從而達到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。均勻改變交流電動機定子繞組的電源頻率f，可以平滑地改變電動機的同步轉速電動機轉速。變慢軸功率就相應減少，電機輸入功率也隨之減少這就是水泵變頻調速的節(jié)能作用。為了保持調速時電動機的最大轉矩不變，需要維持電動機磁通恒定。因此，要求定子繞組電壓也要做相應的調節(jié)，變頻調速即兼有調頻調壓兩種功能變頻調速器，就是基于此原理而實現(xiàn)調速的。在供水系統(tǒng)中應用變頻調速技術實現(xiàn)水泵的運行速度，由實際用水的多少來進行自動調節(jié)，比水泵在額定轉速下運行可以大大節(jié)省電能，并且可以實現(xiàn)供水的全面自動化，因此變頻恒壓供水的技術得到了廣泛的應用1。1.2 恒壓供水控制

13、系統(tǒng)的設計方案及主要特點1.設計方案系統(tǒng)以單片機為核心，將一個遠傳壓力表安裝在水泵的出水管道上，來檢測管道壓力，把出口壓力數(shù)值轉換成05 v或420 ma的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)a/d轉換器的輸入端，經(jīng)a/d轉換器變?yōu)橄鄳臄?shù)字信號，送入at89c51單片機中進行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過單片機運算后與設定的壓力值進行對比，得出數(shù)據(jù)的偏差值,最后通過pid調節(jié)得出控制參數(shù)，送到d/a轉換變成05 v或010 v的模擬信號，最終送入變頻器中，來控制其輸出頻率的變化，以此調節(jié)水泵的電機轉速,從而達到控制管道中壓力的目的。系統(tǒng)檢測到給定壓力大于管道壓力時，變頻器輸出的頻率逐漸升高，電機轉速同時加快，管道壓力升

14、高；相反，變頻器頻率降低，同時電機轉速減小，使管道壓力下降，如此上下調整多次，最終達到偏差值為零。通過這樣的方式使實際壓力圍繞設定的壓力值附近上下波動，達到供水壓力恒定2。所以現(xiàn)代化城市供水的發(fā)展方向就是變頻調速恒壓供水，系統(tǒng)采用單片機控制，具有性能優(yōu)越,工作可靠，實現(xiàn)容易，價格低廉等特點，是目前為止較理想的控器3。2.主要特點(1) 節(jié)約能源，電能的節(jié)省高達20%40%，實現(xiàn)綠色用電。(2) 占地面積小，需要的投資少，使用的效率高。(3) 機器的配置靈活，自動化程度比較高，達到的功能齊全。(4) 設備運行合理，由于是軟啟和軟停，可以消除一些不良效應，而且因為電機軸上的磨損和平均扭矩減小，從而

15、減小了維修費用，增大了水泵的壽命。(5) 變頻恒壓調速從水源直接供水，防止了很多污染和疾病的傳播。(6) 通過單片機控制，可實現(xiàn)變頻器和繼電器的合理啟動與停止，節(jié)約了人力物力。1.3 恒壓供水控制技術的背景及研究意義目前交流電機變頻調速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。以往區(qū)域的供水系統(tǒng)都是在市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓或水塔和天而水池來供水，以滿足用戶對供水壓力的需求。加壓泵通常是在供水系統(tǒng)中為了適應最不利水壓的要求，來確定相關揚程的設計，然后根據(jù)

16、水泵組流量的變化情況來選配，最后確定水泵的運行方式。由于在季節(jié)和時段變化時，水體本身也有很大的變化，日常供水的運行控制只能常采用水泵的運行方式進行調整，加上出口閥開度調節(jié)來調節(jié)供水的水量和水壓，消耗在出口閥而產(chǎn)生了很大的浪費，而且水池“二次污染”也是個很嚴重的問題。在給水泵站上應用變頻調速技術，成功解決了能耗和污染兩大難題。在科學技術的進步帶動下，大規(guī)模集成電路和微機技術也有了迅速的發(fā)展,變頻調速技術也在日趨完善,交流異步電動機調速中使用變頻調速器，達到的性能可以超過其他任何一種交流調速方式?；趩纹瑱C的變頻調速恒壓供水系統(tǒng),最典型的應用就是就是微機技術和變頻調速技術,在我國近幾年的發(fā)展中也逐

17、漸盛行起來，它具有節(jié)能、供水壓力穩(wěn)定、自動化程度高、造價低、安全、保護設備等優(yōu)點,主要適用于高層建筑的自動供水，安裝調試方便也是一共重要優(yōu)點,抗干擾能力強，功能全面可靠性高,系統(tǒng)性能完全可以滿足設計要求。本設計中用到的at89c51系列單片機控制系統(tǒng)是供水系統(tǒng)的核心,壓力傳感器送來的模擬信號被轉換器轉換成相應的數(shù)字量，再通過與系統(tǒng)設定的信號進行比較，計算差值來得到偏差信號, 通過預先設定的控制算法得出單片機的最佳控制參數(shù), 最后輸出一個信號來調節(jié)變頻器的頻率，用以控制工頻泵啟停的轉換和電機水泵機組的轉速，保持供水系統(tǒng)的供水壓力恒定。自動變化用戶實際需要的供水量，在供水系統(tǒng)中，變頻器主要組成部分

18、分為電力電子器件和微處理器，水或其他液體的機電裝置通過水泵機組傳送，最終將儲水池中的水以一定的壓力和流量通過供水管道輸送到用戶使用4。給排水現(xiàn)在已經(jīng)成為與人民生活密切相關的任務。假如供水的壓力不穩(wěn)定，將會導致很多不良的后果。比如水壓過高，將會造成管路泄露和水源流失；水壓過低，也會導致供水強度不足。因此，維持在一個恒定的水壓是供水系統(tǒng)很重要的。一些傳統(tǒng)的解決方案有：水塔式供水，用水泵把水抽到水塔中供用戶使用。當檢測到水塔中的水位比設定水位的下限低時，水泵開始啟動；當水塔中的水位比設定水位的上限高時，水泵逐漸停止。恒壓供水系統(tǒng)盡管可以基本滿足人們的日常用水要求，可是系統(tǒng)中也存在著很多的不足之處。本

19、文主要介紹了由單片機控制的無塔式恒壓變頻供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過檢測水管中水的壓力，控制水泵的轉速，使水管中水壓在一個很小的范圍內變化，實現(xiàn)恒壓供水5。變頻調速技術的應用和推廣，在工農業(yè)生產(chǎn)中無非是解決兩大問題一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過程。我國的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，我們國家的電機總裝機容量已經(jīng)超過4億千瓦，每年的耗電量大約占到全國用電量的60%以上，可是能源利用率卻非常低，特別是電機驅動系統(tǒng)，大概比國外平均水平還要低20%，有很多電機只能相當于國際20世紀50年代的技術水平，而且電機驅動系統(tǒng)能效也要比國外低20%左右，電能浪費特別嚴重6。眾所周知，對于人們生活最重要的就是水資源，

20、在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們國家水資源和電能十分短缺，長期以來，在高層建筑供水、市政供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面的發(fā)展程度一直比較落后，自動化程度也比較低。對于每個人來說飲水工程都是非常重要的，所以供水系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中無處不在7。第2章 恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理在變頻調速供水系統(tǒng)中，為了調節(jié)供水流量必須通過變頻調速來改變水泵的轉速，最終改變水泵工作點來達到目的。反應水泵運行工程狀況的工作點被稱為水泵工況點，是指在管路系統(tǒng)確定的時候，實際運行時水泵所具有的流量、揚程以及相應的功率、效率等參數(shù)。水泵轉速的調節(jié)過程中，調節(jié)水泵的工況點是一個特別關鍵的問題。假如水泵工況點與設計工作點差

21、距較大，不但會使水泵運行的效率大幅降低、使用功率提高或者引生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還有可能會產(chǎn)生不穩(wěn)定的管網(wǎng)壓力，從而使供水設備受到影響。在實際運行時，水泵的工作點取決于管路水力損失、水泵性能、以及實際中所需要的揚程，改變其中任何一條因素，水泵的運行工況都會發(fā)生改變。因此，這三者與水泵工況調節(jié)和水泵工況點的確定和是密切相關的。圖2.1就是一個典型的由8951單片機控制的恒壓調速供水系統(tǒng)。圖2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由微機控制器、交流變頻調速器、水泵機組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結構原理如圖2.2所示。at89c51單片機在這里主要起壓力采集，pid調節(jié)器計算、功能判斷處理、消防

22、處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用。圖2.2 單片機的變頻恒壓調速系統(tǒng)原理框圖2.1 恒壓供水控制系統(tǒng)的工作過程在實際操作過程中，選擇一臺水泵在白天供水，可以滿足生產(chǎn)生活用水的需要，小機工頻運行，作為一個恒速的水泵使用，功率大的電機變頻運行，作為變量水泵；在用水低量比較低時，只需要啟動一臺功率大的電機就可以滿足日常供水的使用，因此可采用兩臺水泵搭配進行使用，把1號水泵電機（15kw）和2號水泵電機（30kw）放在一起，用單片機控制系統(tǒng)根據(jù)運行時間來控制不同的機組運行。分析控制系統(tǒng)機組水泵的工作過程，大致可以分為三種工作狀態(tài)：1號電機變頻啟動；1號電機工頻運行，同時2號電機變頻運行；2號電

23、機單獨變頻運行。在通常狀況下，電機和水泵都處于這三種工作狀態(tài)中，在管網(wǎng)的壓力發(fā)生改變的時候，這三種工作狀態(tài)就要發(fā)生對應的改變，因此必須設計三個種換過程來改變這三種工作狀態(tài)。切換過程 11號電機開始變頻啟動，頻率穩(wěn)定到50hz，此時1號電機在工頻條件下運行，2號為變頻。當整個系統(tǒng)開始工作后，檢測到管網(wǎng)中的水壓低于設定壓力p，按下相應的按鈕，機組1開始運行，在單片機控制下，km2接通，1號電動機接至變頻器的輸出端，然后接通變頻器的fwd端。1號泵的電動機接到信號開始軟啟動，電機運行一段時間后，運行頻率逐漸增大，當增至工頻f0時，單片機系統(tǒng)會發(fā)出指令，使變頻器bx端接通，fwd端斷開，km2失電，1

24、號電機變頻器輸出端斷開，km1得電，使1號電機變?yōu)楣ゎl運行。在1號電機變?yōu)楣ゎl運行后，打開1號水泵的閥門開關，然后接通km3，變頻器輸出端接通2號電機，變頻器fwd端接通，變頻器bx端斷開，使2號電動機開始實現(xiàn)軟啟動，當系統(tǒng)工作一段時間后，打開2號水泵的閥門，2號電機仍然工作在變頻狀態(tài)。最終實現(xiàn)1號水泵由變頻變?yōu)楣ゎl的電網(wǎng)運行狀態(tài)，2號水泵接入變頻器并且啟動運行，系統(tǒng)自動調節(jié)，使變頻器的輸出頻率增大，最后達到管網(wǎng)水壓設定值（pippm）為止。切換過程 2當1號電機工頻運行2號電機變頻運行時，2號電機轉換為單獨變頻運行狀態(tài)。當夜間用水量降低時，水壓變大，變頻器控制2號水泵電機，輸出頻率逐漸下降，

25、電機轉速也隨之下降，水泵輸出流量逐漸變少，當變頻器輸出頻率逐漸下降到開始設定的數(shù)值fmin，電機的轉速也同時降低到設定值，而水管的水壓比提前設定的上限pk高時（2號電機，f=fmin，ppk），單片機控制器發(fā)出信號，1號水泵由工頻運行變?yōu)橥Ｖ梗?號水泵電機仍然在變頻器拖動下繼續(xù)運行。切換過程 3將2號電機由變頻運行轉變?yōu)樽冾l停止，而1號電機仍然保持變頻運行狀態(tài)。當白天用水量增大時，2號電動機變?yōu)檎{速運行狀態(tài)，當變頻器的輸出頻率增大道工頻fi（即50hz），同時檢測到水管的水壓比設定的水壓上限pi低時（2號電機f=fi，ppi），使變頻器bx端接通，fwd端斷開，使km3斷開，2號電機的變頻器輸

26、出端斷開；使km2得電，變頻器輸出端接到1號電機；接通變頻器fwd端，同時變頻器bx端斷開，實現(xiàn)1號電機的軟啟動。整個系統(tǒng)又轉變到最初的工作態(tài)，開始新重新循環(huán)。2.2 變頻調速的基本調速原理水泵機組應用變頻調速技術，即是指為了改變電動機轉速，必須改變電動機的定子電源效率，也可以把水泵轉速及工況改變，最終使揚程與流量適應管網(wǎng)需求的水量變化，保持管網(wǎng)內的水壓恒定，實現(xiàn)節(jié)約的效果。h0：管網(wǎng)末端的服務壓力，h1：水泵出口壓力，a：管路特性曲線，n：水泵特性曲線。當用日常水量到達最大值qmax時，水泵達到全速運行狀態(tài)，全部打開出口閥門，實現(xiàn)滿負荷運行，用水管特性曲線a0與水泵的特性n0匯交于點b，這時

27、，水泵的輸出口壓力值為h，管網(wǎng)末端的服務壓力剛好為h0。在日常用水量從qmax變小到q1過程中，單片機會輸出不同的控制方案，水泵的能耗也會有不同的變化。（1）水泵在全速運轉的時候，必須關小水泵出口的閥門來控制水量；這時，水泵工況點由b點逐漸上升到c點，而管路中的揚程由b點下降到d點，從而使管路阻力特性曲線逐漸變陡（a2），這種情況下cd兩點的揚程差值就是水泵全速運行時所浪費的能量。（2）水泵在變速運轉的時候，必須以水泵出口的壓力恒定來控制；當用水量從qmax變小時，為了改變其特性，必須讓控制系統(tǒng)降低水泵的轉速?？墒枪ぷ鞣绞绞遣捎帽贸隹趬毫懔?，因此水泵工況點是在h上平移。當日常用水量到達q1時

28、，水泵特性曲線逐漸向nx接近。而管路的特性曲線卻向上平移到a1，兩條曲線的交點e就是此時水泵的工況點，因此，在水量減少到q1點時，將會使管網(wǎng)的不利點水壓升高至h0h1，則h1即為水泵運行時浪費的能量。節(jié)能曲線如圖2.3所示。圖2.3節(jié)能分析曲線圖（3）當電動機水泵變速運行時，控制的方法是依靠管網(wǎng)不利點的水壓恒定；這時，用水量由qmax逐漸降到q1，水泵轉速降低，水泵特性曲線n1中水泵工況點為d，恰好在管網(wǎng)特性曲線a0上，因此就能使水泵的工況點沿著曲線a0滑動，保持管網(wǎng)的服務壓力h0不發(fā)生改變，系統(tǒng)阻力與水泵揚程互相適應，實現(xiàn)能量零浪費。與泵出口恒壓松散水相比，這個方案的能耗下降了h1。根據(jù)水泵

29、相似原理： q1/q2=n1/n2h1/h2=(n1/n2)*2p1/p2=(n1/n2)*3式中，n、q、h、p分別為轉速、泵流量、水管壓力和軸功率。也就是說通過控制轉速來達到減少軸功率的效果。綜上所述，供水管網(wǎng)最不利點的選擇是很重要的，控制參數(shù)是指所允許范圍內的最低壓力，壓力信號必須通過壓力傳感器獲得，形成閉環(huán)壓力自動控制調速系統(tǒng)，使水泵的轉速保持在與所設定的控制壓力值附近，自控技術和調速技術互相結合，達到最好的節(jié)能效果。采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多

30、種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉速特性，電機的轉速n為n=120(1-s)/p式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數(shù)，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調速的。由流體力學知：管網(wǎng)壓力p、流量q和功率n的關系為n=pq由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。2.3 水泵變頻調速節(jié)能分析水泵運行工況點a是管道性能曲線r1和水泵性能曲線n1的交點。在日常供

31、水系統(tǒng)當中，一般使用閥門來控制流量，關小閥門時就可以減少流量，管路性能曲線由r1變?yōu)閞2。運行工況點從水泵性能曲線上的a點移動到d點，水泵的揚程從h0點上升到h1點，用水量從q0逐漸變小到q1。使用變頻調速技術控制用水量時，管路性能曲線r1始終不變，轉速決定水泵的特性，假如把水泵的轉速從n0減小到n1，把水泵的性能曲線由n0平移到n1，揚程從h0下降到h1，流量從q0減少到q1，水泵工況點沿著水泵性能曲線從a點移到c點。在圖2.4中，水泵運行在b點時運行在c點時消耗的軸功率與h2cq1o的面積成正比，消耗的軸功率與h1bq1o的面積成正比。運行在c點泵的軸功率 求出運行在b點的泵的軸功率也就是

32、說，采用閥門控制流量時有v的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。相反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節(jié)范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。從圖2.4上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。圖2.4 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節(jié)圖2.4 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調速范圍為了實現(xiàn)系統(tǒng)低能耗的恒壓供水，必須合理選取壓力控制參數(shù)，實現(xiàn)這個目的的關鍵就是選取恒壓控制參數(shù)，一般選擇兩個管網(wǎng)壓力控制點：一是泵出口壓力的恒壓控制；二是管網(wǎng)最不利點的壓力恒壓控制。為了保證系統(tǒng)達到最佳運

33、行狀態(tài)，變頻器在投入使用后的調試是必要手段?？梢愿鶕?jù)變頻器負載的轉動慣性大小，電機在啟動和停止時所需的時間不同，設定時間如果過短會造成變頻器在加速時的電流過大，當減速時系統(tǒng)會采用過電壓保護；假如設定時間過長，在調速運行時將會使變頻器的調節(jié)變得緩慢，反應遲鈍，應變能力差，使整個系統(tǒng)處在一個不穩(wěn)定的狀態(tài)中。給變頻器一個不跳閘保護措施，目前許多變頻器的加減速時間會被設置的很長，所帶來的問題也很明顯，就是會被覆蓋在設備外表里，從而使變頻器不能運行在最佳狀態(tài)，因此使用時要根據(jù)負載的不同性質，來測試出允許最短加減速時間，最后進行設定。對于一般的水泵電機，加減速時間為0.2-20秒之間?？疾焖玫男是€，

34、水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不能過多的降低變頻器的效率，為了避免水泵會運行在低效率狀態(tài)，用戶所需揚程和水泵自身的特性決定了水泵的調速范圍，當選定水泵的型號確定時即可確定它的最大調速范圍，然后由用戶的揚程來選定可降低的調速范圍，為了使水泵的揚程工作在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進逐漸變小，使變頻器的變化范圍提高到40hz以上，即轉速下降在20%以內。在這個范圍以內，電動機的負載率的變化范圍是50%-100%，所以電動機的工作效率基本上都在高效區(qū)。2.5本章小結本章從管網(wǎng)特性曲線和水泵理論分析入手討論了如何確定水泵工作點等問題。接著介紹了如何對水泵進行工況調節(jié)。在恒壓供水控制系統(tǒng)中

35、，只有改變水泵性能曲線才可以實現(xiàn)水泵的工況調節(jié)。本章重點對恒壓供水控制系統(tǒng)中水泵能耗機理問題進行了比較深入的研究，得到以下幾個結論：1. 水泵的工作點是指在同一個坐標系當中管路性能曲線和水泵性能曲線的交點，水泵運行的理想工作點也就是水泵工作點，在實際運行中水泵的工作點一般都是可以變化的。2. 水泵工況的調節(jié)就是采用改變水泵性能曲線或者改變管路性能曲線的方法，達到移動工作點的目的，最終使其符合要求。綜上所述，與傳統(tǒng)供水方式相比，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)最大的特點就是采用改變電源供電頻率的方式調節(jié)水泵轉速，從而改變供水量。由對電機特性的分析可知，通過改變轉速節(jié)流調壓，比傳統(tǒng)方式用閘閥增加阻力節(jié)流消耗功

36、率更小，節(jié)能效果明顯。由電子系統(tǒng)控制供水壓力恒定比傳統(tǒng)的人工控制更加穩(wěn)定準確，同時系統(tǒng)為自適應平衡調節(jié)，比之傳統(tǒng)方式對水壓變化的反應也更迅速，所以大大提高了供水質量。另外系統(tǒng)供水壓力可根據(jù)需要自行隨意調節(jié)，因而對不同工作環(huán)境的適應性也非常出色。 第3章 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設計 3.1 主控單片機說明及引腳1.at89c51單片機簡介本文設計的系統(tǒng)主要采用at89c51作為控制。at89c51是美國atmel公司生產(chǎn)的高性能、低電壓型cmos 8位單片機。片內帶有4kb的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128b的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。它是由atmel公司制造的，使用了高密度的非易失存儲器技術，和工

37、業(yè)使用中標準的輸出管腳相或mcs-51指令集互相兼容。所以atmel公司的at89c51單片機是一種功能強大、性價比很高的微控制器，在各種控制領域得到廣泛的應用。at89c51單片機的主要特性有：與mcs-51兼容，4kb可編程控制的閃爍存儲器，1000次的擦寫循環(huán)周期，10年數(shù)據(jù)保留時間，0hz-24mhz全靜態(tài)工作，三級程序存儲器鎖定， 1288位內部ram，32可編程i/o線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內振蕩器和時鐘電路。at89c51單片機引腳分布具體說明如圖3.1所示：圖3.1 單片機at89c51管腳圖2.at89c51單片機

38、引腳說明vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。p2口

39、：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內

40、部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當單片機的外部存儲器被訪問時，地址鎖存器用于地位字節(jié)來鎖存地址。在系統(tǒng)編程的時候，ale管腳可以輸入脈沖編程。在以往，ale端能輸出正脈沖信號并且有不變的周期頻率，此頻率與振蕩器頻率的比例為1/6。所以它可以用于定時目的或對外部輸出的脈沖。但是最重要的是：在用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是

41、ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當/ea保持低電平時，則這時外部程序存儲器不管單片機系統(tǒng)有沒有程序存儲器在內部。當系統(tǒng)使用方式1進行加密時，/ea管腳鎖定為reset；在/ea端通過高電平時，使用內部程序存儲器進行控制。在flash編程期間，該引腳也可以使用12v編程電源（vpp）。 xtal1：內部時鐘工作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸入端。 xtal2：輸出

42、反向振蕩器的放大信號。3.2系統(tǒng)主要組成電路3.2.1 反饋壓力檢測電路系統(tǒng)壓力檢測電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設定電位器和0809a/d轉換器等組成。壓力檢測電路如圖3.2所示。圖3.2反饋壓力檢測電路1.adc0809的邏輯結構adc0809轉換器是8位逐次逼近型a/d轉換器。它是由一個地址鎖存譯碼器、一個8路模擬開關、一個三態(tài)輸出鎖存器和一個a/d 轉換器組成。多路開關能選擇8個模擬通道，可以讓8 路模擬量分時輸入，共用一個a/d 轉換器實現(xiàn)轉換。a/d 轉換完的數(shù)字量鎖存在三態(tài)輸出鎖器當中，當oe 端接通高電平時，會使三態(tài)輸出鎖存器輸出轉換完的數(shù)據(jù)。2. ad0809的工

43、作原理in0in7管腳為8 條模擬量信號的輸入通道。ad0809 對輸入信號的要求為，電壓范圍是0到5v，信號必須是單極性，假如輸入信號太小，必須接入運算放大模塊；保持輸入的模擬量信號在轉換過程中始終不變，假如若模擬量變化太快，必須使用采樣保持電路放在輸入之前。3. ad0809轉換電路主要由ad 轉換器at89c51單片機和ad0809轉換器組成。ad0809為脈沖啟動，收到啟動信號start之后，才可以開始轉換，在start 的下降沿10us后，eoc 信號會變?yōu)闊o效的低電平。所以必須查詢程序，等eoc無效以后再開始查詢，完成轉換之后，eoc 輸出高電平信號，再由oe 變?yōu)楦唠娖剑詈筝敵?/p>

44、轉換數(shù)據(jù)。在設計程序的時候，可以利用eoc 信號通知單片機讀入已經(jīng)完成轉換的數(shù)據(jù)。at89c51的輸出頻為晶振頻的1/6（2mhz），at89c51提供ad0809 的工作時鐘。3.2.2輸出控制電路系統(tǒng)在運行中，將壓力設定值和反饋值進行比較后再按pid算法進行計算，在將計算算結果u（k）經(jīng)0832d/a轉換后變成模擬控制電壓信號，再作用于交流變頻調速器。變頻調速器按其控制信號u（k）的大小來調節(jié)水泵的速度，以達到恒壓的目的。圖3.3 輸出控制電路3.2.3 看門狗電路 watchdog電路，又叫watchdog timer，俗稱“看門狗電路”。是一個定時器電路。在由單片機構成的微型計算機系統(tǒng)

45、中，由于單片機的工作常常會受到來自其他電磁場的干擾，使整個程序跑飛，而進入死循環(huán)程序中，打斷正常的運行，造成單片機系統(tǒng)不能正常工作，使整個系統(tǒng)的變?yōu)橥顟B(tài)，產(chǎn)生嚴重的后果，所以為了實時監(jiān)測單片機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，就產(chǎn)生了一種芯片，專門用來監(jiān)測單片機程序的運行狀態(tài)，即watchdog。 watchdog電路的應用，能在無人狀態(tài)下使單片機連續(xù)工作，它的工作原理是，在單片機的一個i/o引腳接入watchdog芯片，這個i/o引腳通過程序控制使它能定時的給watchdog引腳上送入高低電平，分散的在watchdog其他控制語句中間放入這一程序，假如單片機由于受到其他干擾而造成程序跑飛，陷入某一程序段，

46、使整個系統(tǒng)變成死循環(huán)，不能執(zhí)行watchdog引腳的程序，此時，watchdog電路就不能接收單片機送來的信號，就會在單片機復位引腳和它相連的引腳上發(fā)出一個復位信號，使單片機系統(tǒng)復位，同時從單片器程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行，實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的自動復位。 本文采用max813作為watchdog電路主芯片。max813是具有監(jiān)控電路的微處理芯片，它具有獨立的watchdog計時器。基于max813的具體電路設計如圖3.4所示。圖3.4 定時控制電路3.3 led數(shù)值顯示電路數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極。通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相

47、應的字，這就是它的工作原理。為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個led 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為a,b,c,d,e,f,g,dp，排列順序如下圖。圖3.5 共陰數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，每個數(shù)碼管的公共極com增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的i/o線控制，單片機對位元選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。透過分時輪流控制各個led數(shù)碼管的com端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。每位元數(shù)碼管的點亮時間為12m

48、s，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o口，而且功耗更低。具體顯示電路與單片機的連接方式如圖3.6所示。圖3.6 數(shù)值顯示電路圖3.4壓力報警電路為了知道壓力過大所以設計了報警電路，它含有聲音報警與光報警。在本設計中用了電壓比較器來控制報警系統(tǒng)。在分析比較器時，虛斷路原則仍然成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應。在正電壓輸入端接上5v電壓，負電壓輸入端接0v電壓，設定比較電壓為1v，當輸入電壓小于1v時，輸出的為0v，

49、不能使后面的開關三極管導通，放光二極管和蜂鳴器也就不能工作。當輸入電壓大于1v時，輸出電壓跳變到5v，導通開關三極管，放光二極管和蜂鳴器通上了電，開始閃爍地放光和發(fā)聲，達到報警的效果。圖3.7 聲光報警電路3.5 鍵盤開關設置電路1.鍵盤結構、功能、工作原理鍵盤是由若干各按鍵組成的，是最簡單的單片機輸入設備?？梢酝ㄟ^鍵盤輸入數(shù)據(jù)和命令，達到簡單的人機對話。按鍵電路其實是一個簡單的開關電路，當按鍵按下時，閉合開關；當按鍵松開時，斷開開關。因為按鍵的釋放和按下都是通過機械觸點的斷開與閉合實現(xiàn)的，而且機械觸點是具有彈性的，在閉合或斷開的時候都有一個抖動過程，所以鍵閉合和斷開會產(chǎn)生電壓波形，抖動時間大

50、約在510ms左右。在按鍵按下或釋放時，這個抖動都會產(chǎn)生很大的影響，所以必須消除這個抖動，也只有如此，才可以判斷按鍵的狀態(tài)。在單片機應用系統(tǒng)中，消除抖動有軟件和硬件兩種方法。軟件去抖動通常是程序檢測到鍵被按下時，延時10ms后在檢測按鍵是否依然閉合，若是則確認是一次真正的閉合，否則就忽略此次按鍵。硬件去抖動方法主要有利用r-s觸發(fā)器和濾波電路等。2.鍵盤連接原理圖如下sb1:上調按鈕。sb2:下調按鈕。sb3:輸入數(shù)據(jù)確認鍵。sb4:設定退出鍵。圖3.8 at89c51與鍵盤連接原理圖3.6電源電路電源電路就是指，提供給用電設備電力供應的電源部分的電路設計，電源有交流電源或者直流電源。如圖3.

51、9所示電路為輸出電壓+5v和+15v，輸出電流1.5a的穩(wěn)壓電源。它由濾波電容c1、c3，防止自激電容c2、c3，電源變壓器b，橋式整流電路d1d4和一只固定式三端穩(wěn)壓器lm7805、lm7815組成。通過電源變壓器把220v交流市電轉為交流低壓，再經(jīng)過濾波電容c1與橋式整流電路d1d4和的濾波和整流，在固定式三端穩(wěn)壓器lm7805、lm7815的vin和gnd兩端形成一個的不是很穩(wěn)定的直流電壓。因為這個直流電壓經(jīng)過lm7805、lm7815芯片的穩(wěn)壓與c3的濾波電路便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了穩(wěn)定度更好、精度更高的直流輸出電壓。系統(tǒng)使用的電源電路為+5v和+15v直流供電，經(jīng)過整流和濾波電路之

52、后直接應用到系統(tǒng)設計當中，電源電路的連接方式如下圖3.9所示。圖3.9 電源電路3.7 光電耦合電路1.光電耦合器的簡介光電耦合器是一種電一光一電轉換器件，是以光為媒介來傳輸電信號的。它由受光器和發(fā)光源兩部分組成。把受光器與發(fā)光源安裝在同一個密閉的殼體內，之間用透明絕緣體隔離。輸入端為發(fā)光源的引腳，輸出端為受光器的引腳。一般使用的發(fā)光源都為發(fā)光二極管，受光器就是光敏二極管或者光敏三極管等。光電耦合器的種類有很多，常見有光電二、三極管型、集成電路型、光電達林頓型、光控晶閘管型、光敏電阻型等。2.光電耦合器的工作原理為了使發(fā)光源發(fā)光可以在光電耦合器輸入端加電信號，激勵電流的大小決定光的強度，當光照

53、射到封裝的受光器上時，受光器輸出端產(chǎn)生了電效應引起的光電流，組后實現(xiàn)了電到光再到電的轉換過程。當光電耦合器的輸入端接收到電信號時，電流通過發(fā)光二極管而發(fā)光，光敏元件接受光照從而產(chǎn)生電流，ce導通；當輸入端沒有信號接入，發(fā)光二極管不導通，光敏型三極管同時截止，ce不導通。而數(shù)字量，在輸入低電平信號“0”時，光敏型三極管截止，輸出高電平“1”；輸入高電平“1”時，光敏型三極管飽和導通，輸出低電平“0”。假如在基極有引出線，就可以滿足檢測調制、溫度補償要求。這種光電耦合器的特點是性能較好，而且價格便宜，使用效率高，能有效的隔離單片機和電機之間的高電壓，減小對單片機系統(tǒng)的影響，使輸出結果更加準確，因而

54、得到廣泛的應用。光電耦合控制電路如圖3.10所示。圖3.10 光電耦合控制電路3.8供水設備的選擇3.8.1水泵電機的選擇在做供水系統(tǒng)時，應先選擇水泵和電機，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而供水規(guī)模和住宅類型以及用戶數(shù)有關。有關選擇依據(jù)原則使用表格如下。（1）不同住宅類型的用水標準。不同的住宅有著不同的用水量，根據(jù)城市居民生活用水標準gb/t 50331-2002如表3.1。表3.1 不同住宅類型的用水標準住宅類型給水衛(wèi)生器具完善程度用水標準（/人日） 小時變化系數(shù)1僅有給水龍頭0.040.082.52.02有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備0.0850.132.52.03有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴

55、設備0.130.192.51.84有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備和集中熱水供應0.170.252.01.6（2）供水規(guī)模換算表。不同住宅類型的用水標準，根據(jù)城市居民生活用水標準gb/t 50331-2002，節(jié)錄如表3.2。上面一行為用水標準(/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(/h)。表3.2 供水規(guī)模換算表戶數(shù)用水標準（/人日）0.100.150.200.2545039.4059.0078.7098.4050043.8065.6087.50109.4060052.5078.80105.00131.3070061.3091.90122.50153.1080070.00105.00140.00175.

56、00100087.50131.30175.00218.80（3）根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動機進行選型,見表3.3。表3.3 水泵，電機和變頻器選型表50xn4080lg50-20x211116080lg50-20x315158080lg50-20x418.518.510080lg50-20x5222212080lg50-20x63030100xn40100dl218.518.560100dl3303080100dl43737100100dl54545120100dl65555注：n為水泵臺數(shù) （4）設定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù)：平方供水壓力p=0.12mpa；樓房供水壓力p=（0.08+0.04樓層數(shù)）mpa (3.1) （5）系統(tǒng)設計還應遵循以下的原則： 蓄水池容量應大于每小時最大供水量； 水泵揚程應大于實際供水高度； 水泵流量總和應大于實際最大供水量。 （6）參數(shù)的計算與供水設備選型： 根據(jù)表3.1確定用水量標準為