基于單片機的小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計論文

1、泰 山 學 院本科畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計所 在 學 院 機械與工程學院 專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化 申請學士學位所屬學科 工 學 年 級 二一一級（3+2） 學生姓名、學號 黃承蒙 2011170257 指導教師姓名、職稱 張秀紅 講師 完 成 日 期 二一三年五月 摘要摘要合理開發(fā)保護和利用水資源是建設(shè)資源節(jié)約型社會的一項艱巨任務(wù)?，F(xiàn)代中高層小區(qū)生活用水一般存在水壓低、用水時間集中、用水量變化較大的特點，因而導致了居民供水系統(tǒng)能耗高，可靠性較低，管網(wǎng)系統(tǒng)不完善等問題。進而嚴重的浪費了大量水資源。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，利用PID調(diào)節(jié)器、變頻器、單片

2、機、壓力傳感器等器件的有機組合， 構(gòu)成控制系統(tǒng)，利用變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵的輸出量，把管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)至一個合理的范圍，實現(xiàn)高層建筑的恒壓供水。由于水泵耗電功率與電動機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，故通過水泵調(diào)速有較好的節(jié)能效果，平均功耗相比節(jié)省近40%的正常用水。利用AT89C51單片機，可實現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動，短路保護，過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長電機的使用壽命。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，單片機，節(jié)能IIAbstractABSTRACTReasonable development and protection and utilization of water resources

3、is a difficult task to construct economic society. Modern high-rise residential area tend to have low water use, water time, the characteristic of the large changes in water consumption, high energy consumption of the residents and thus lead to the water supply system, low reliability, pipeline syst

4、em is imperfect and so on. And serious waste of a lot of water. With mature and widely used frequency conversion speed regulation technology, the use of PID regulator, frequency converter, MCU, pressure sensors such as organic combination, constitute a control system, the use of inverter control of

5、pump rotation speed, adjust the output of the pump, the pipe network pressure to adjust to a reasonable range, realize constant pressure water supply of high-rise building. Due to the water pump power consumption power and the motor speed of the direct ratio three times, so it has good energy saving

6、 effect through the pump speed control, compared to the average power consumption to save close to 40% of the normal use of water. Using AT89C51, can realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft start, short circuit protection, over current protection function, stable and reli

7、able work, greatly extend the service life of motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM，Energy-saving目錄目錄1 引言11.1 課題研究的提出11.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要優(yōu)點11.3 本課題的主要研究內(nèi)容22 變頻調(diào)速恒壓供水理論分析32.1調(diào)速原理32.2系統(tǒng)的節(jié)能原理分析32.2.1供水系統(tǒng)特性與工作點32.2.2流量調(diào)節(jié)的方法42.2.3 流量調(diào)節(jié)方法的比較52.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖63 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型93

8、.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計93.2單片機的選擇93.3 PID控制算法與其實現(xiàn)104 硬件設(shè)計124.1 系統(tǒng)工作過程說明134.2 變頻器部分硬件設(shè)計144.2.1主電路144.2.2控制電路154.3 單片機部分硬件設(shè)計164.3.1 主要部分電路164.3.2 其它部分電路205 系統(tǒng)軟件設(shè)計275.1 主程序流程275.2 繼電器動作控制275.3 PID控制流程286 結(jié)論30參考文獻31致謝32附錄1 以單片機為主的主要硬件圖33附錄2 主要程序35泰山學院本科畢業(yè)設(shè)計1 引言1.1 課題研究的提出伴隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，城市高層建筑數(shù)量增多，與此同時高層建筑樓層層數(shù)也不斷增加，高層居民經(jīng)

9、常出現(xiàn)用水難問題，針對上述問題，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)運而生。恒壓供水控制系統(tǒng)由單片機、電機水泵機組、變頻控制器、壓力傳感器及繼電控制邏輯等組成。其中單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，壓力傳感器用來測量系統(tǒng)中的控制變量，而水泵電機機組、變頻器以及繼電控制邏輯，可看作系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。當單片機壓力采樣到傳感器所測的水壓值超過設(shè)定水壓范圍時，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制算法發(fā)送控制信號，從而得以選擇水泵投入臺數(shù)和控制拖動水泵電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)高層建筑恒壓供水。“傳統(tǒng)的蓄水加壓方法有高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活和生產(chǎn)用水，但這種方式的不僅造價高而且將影

10、響建筑物結(jié)構(gòu)強度及抗震性，最重要的是高位水箱給水會帶來“二次污染”。1逐漸發(fā)展起來的氣壓供水，雖有所改進，可取代任何高度的水塔或樓頂高位水箱，但它亦存在很多明顯的缺點，如氣壓供水設(shè)備笨重，氣壓罐和泵房建造成本高，水泵啟動頻繁，耗電量大，壓力不穩(wěn)定還會影響電磁元件和水泵電機的壽命。根據(jù)流體力學的原理，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)不僅可做到水量供需平衡，同時又降低了電耗。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和微型計算機的廣泛應(yīng)用，上述想法已成為現(xiàn)實。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要優(yōu)點：（1）節(jié)約能源，可節(jié)電20%40%，供水品質(zhì)大大提高。（2）設(shè)備簡單，安裝配置方便，投資成本低，水資源利用效率大大提高。（3

11、）自動化程度高，功能齊全，合理可靠。（4）不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。（5）從水源供直接水，設(shè)備二次污染的程度下降，防止許多傳染疾病的滋生，清潔維修方便。（6）利用通信技術(shù)進行控制，減少了人力物力過度投入。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本設(shè)計以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，把單片機跟變頻技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一套城市生活小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，單片機控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由單片機、變頻器、壓力變送器和水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有1個貯水池2臺水泵，采用PID調(diào)節(jié)方法，即2臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行

12、，另一臺水泵工頻運行。單片機根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制水泵運行，并根據(jù)壓力檢測值和系統(tǒng)設(shè)定定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速，進而使供水管網(wǎng)壓力恒定。根據(jù)以上控制要求，進行設(shè)計系統(tǒng)總體控制方案、硬件設(shè)備選型、單片機選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖，完成以單片機為核心的硬件設(shè)計：A/D轉(zhuǎn)換采樣、PID控制、用戶按鍵輸入、顯示屏顯示、單片機和變頻器的通信。以及主電路和控制電路梯形圖。熟練使用相關(guān)軟件，并對程序進行調(diào)試和修改。2 變頻調(diào)速恒壓供水理論分析 2.1調(diào)速原理討論異步電動機的轉(zhuǎn)速，首先研究其轉(zhuǎn)速公式： （公式1）式中：f表示電源頻率，p表示電機磁極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率

13、。此式表明，改變?nèi)喈惒诫妱訖C轉(zhuǎn)速有三種方式，即改變電源頻率f、改變電機磁極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率S?！案淖冸姍Cp調(diào)速的方式控制簡單，效率高，有很好的節(jié)能效果，但這種電動機的調(diào)速是有極的，并且級差大。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法最大優(yōu)點是設(shè)備簡單、投資少、調(diào)速性能好，調(diào)速平滑性好，但是線路復雜，中間環(huán)節(jié)電能損耗加大” 2，且成本高，推廣困難?！坝晒娇芍D(zhuǎn)差率如果變化不大時，轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。然而，單一調(diào)節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速電源裝置的性能不斷改善，促進了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用?！?2.2系統(tǒng)的節(jié)能原

14、理分析2.2.1供水系統(tǒng)特性與工作點（1）揚程特性 假設(shè)保持供水管道中閥門的大小不變，在某轉(zhuǎn)速下，反映全揚程HT與流量Q關(guān)系的曲線HT=f(Q)，稱為系統(tǒng)揚程特性曲線，如圖1中曲線所示。揚程特性用來表征用水需求與全揚程間的關(guān)系。（2）管阻特性 假設(shè)不改變水泵的轉(zhuǎn)速情況下，全揚程HT與供水流量Q的關(guān)系曲線HT=f(Q)，稱為系統(tǒng)的管阻特性。如圖1中的曲線所示，管阻特性主要是用來表明管組控制供水系統(tǒng)能力的大小。（3）工作點與供水功率 供水系統(tǒng)的工作點是指系統(tǒng)揚程特性與管阻特性關(guān)系曲線的交點，如圖1中的N點就是供水系統(tǒng)的工作點，供水系統(tǒng)不僅滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。此時供水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，達到

15、平衡狀態(tài)。 供水系統(tǒng)運行時所消耗的功率PG（KW）稱為供水功率，供水功率與流量跟揚程的乘積成正比例關(guān)系：PG=CPHTQ其中CP是常數(shù)。 由圖1中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與OANG四點所成的正方形的面積成正比。圖 1 供水系統(tǒng)基本特性2.2.2流量調(diào)節(jié)的方法流量是供水系統(tǒng)中最根本也是最直接的控制對象。討論節(jié)能問題，首先要考察供水流量的調(diào)節(jié)方法。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。（1）閥門控制法 “即通過控制閥門大小來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速通常為額定轉(zhuǎn)速。閥門控制法的實質(zhì)是保持水泵本身的供水能力不變，通過改變供水管網(wǎng)中的阻力大小來強行改變流量，以滿足用戶的用水需求。這時，管阻特性跟閥門的開度

16、直接相關(guān)成正比例關(guān)系變化，而揚程特性保持不變” 4。如圖2所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%（即QX=60%QN），當通過閥門控制法來實現(xiàn)時，關(guān)小閥門，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚程特性曲線不變，顯然供水系統(tǒng)的工作點由N點移到E點。此時，流量減小為QE；相反揚程增加為HE；由圖2知，供水功率PG與面積0DEJ成正比。（2）轉(zhuǎn)速控制法 “ 即保持閥門開度不變（一般將閥門設(shè)置為最大開度）通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來改變流量。”5轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是調(diào)節(jié)水泵的供水能力以滿足用戶對流量的需求。揚程特性曲線隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%QN為例，降低轉(zhuǎn)速使QX=60%Q

17、N時，揚程特性為曲線，管阻特性曲線保持不變，顯然工作點移到了C點。減小為QC（=QX），揚程減小為HC，供水功率PC與面積0DCK同樣成正比。圖 2 調(diào)節(jié)流量的方法與比較2.2.3 流量調(diào)節(jié)方法的比較對比以上兩種流量調(diào)節(jié)方法可知，同樣用戶所需流量小于額定流量（QX100%QN）的情況下，轉(zhuǎn)速控制法的揚程要比閥門控制法的揚程要小，同時也可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制法供水功率也比閥門控制法小。兩者之差P便是轉(zhuǎn)速控制法所節(jié)約的功率,它與面積KCEJ（圖中的陰影部分）成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本表現(xiàn)。從工作效率上看：(1)工作效率 即水泵的供水功率PG與軸功率PP（即電動機的輸出功率）之比，記為

18、P，P= PG/PP （公式2）(2)據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對值*的近似計算公式如下：P* = C1（Q*/ n*）C2（Q*/n*） (公式3)式中，P*、Q*、n*分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值；C1、C2為一常數(shù)，通常由制造廠家提供，C1與C2遵循如下規(guī)律:C1C2=1。 (3)采用不同控制方式時的工作效率由（圖2）可知，采用閥門控制法減少閥門開度減少流量時，因為轉(zhuǎn)速不變，即n*=1，Q*/n*=Q*，顯然，水泵工作效率隨之減少明顯。在采用轉(zhuǎn)速控制方式時，閥門的開度基本保持不變，流量Q*和轉(zhuǎn)速n*比值不變。水泵的工作效率總能達到最佳狀態(tài)。通過比較采用不同控制方式時的工作效率可知，

19、轉(zhuǎn)速控制法下的水泵工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個表現(xiàn)。從電機的效率上看：在我們設(shè)計供水系統(tǒng)時通常存在以下困難用戶的管路情況太復雜無法預測；管阻特性沒有確切的函數(shù)關(guān)系來表示，因此計算困難；滿足用戶需求的同時還要留有余地。所以，在實際的運行過程中，即便是在用水流量高峰期，電機一般處于輕載狀態(tài)，此時電機效率與功率都比較低。選用轉(zhuǎn)速控制法后，可打開全部的排水閥并有計劃地降低電機轉(zhuǎn)速。變頻器具有能夠根據(jù)負載大小調(diào)節(jié)輸入電壓的功能，利用變頻器電機低頻運行，從而大大提高了電機的運行效率。2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖系統(tǒng)由主要有單片機、變頻器、壓力變送器和水泵機組一起組成一

20、個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示：水位變送器單片機變頻器M 水泵機組壓力變送器 水池水位信號水位水池信號用戶報警信號圖 3 系統(tǒng)控制流程圖此系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號監(jiān)測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分。(l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)由兩臺水泵構(gòu)成，它們用于將水送給用戶，其中由一臺變頻泵和一臺工頻泵構(gòu)成。 (2) 信號監(jiān)測機構(gòu)：系統(tǒng)運行過程中需要檢測管網(wǎng)壓力、蓄水池水位和警報信號。壓力信號反映小區(qū)用戶的水壓值，它是系統(tǒng)最重要的反饋控制信號。因壓力傳感器所測得的是模擬量，因此需A/D轉(zhuǎn)換才能讀入單片機。另外為了使得整個系統(tǒng)更加可靠，還需要用壓力表檢測一下供水的上下限水壓，將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字

21、量后送給單片機；水位信號反映供水水源的充裕程度，由安在蓄水池中的水位傳感器發(fā)出，防止空抽損壞牽引電機，對控制系統(tǒng)起到保護作用；報警信號主要監(jiān)測系統(tǒng)是否運行平穩(wěn)，當水泵電機發(fā)生過載或者變頻器出現(xiàn)異常時會發(fā)出警報。(3) 控制機構(gòu)：控制機構(gòu)由單片機、變頻調(diào)速器和電力控制設(shè)備組成。供水控制器是整個系統(tǒng)的控制中樞。它負責系統(tǒng)運行過程中壓力、水位、報警信號的采集，分析人機接口和通訊接口所采集到的數(shù)據(jù)、選擇具體的算法，制定出系統(tǒng)的執(zhí)行控制方案，通過控制器控制接觸器的開斷實現(xiàn)水泵機組的切換；變頻器控制牽引水泵電機的轉(zhuǎn)速，其跟蹤控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。報警是每一個控制系統(tǒng)

22、必不可少的部分。為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須監(jiān)測各種報警量，由單片機判斷報警類別，進行相應(yīng)的保護措施，以免造成不必要的損失。管網(wǎng)出口水壓是變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要控制目標，總體上把實際管網(wǎng)供水壓力與設(shè)定值的差值控制在一個允許的范圍內(nèi)。壓力的設(shè)定值可以是具體的數(shù)值，也可以定義域為某時間段的分段函數(shù)。故某個具體的時間段內(nèi)，恒壓控制就是為了使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上10。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：單片機D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器變頻器A/D轉(zhuǎn)換器壓力傳感器水壓給定水壓圖 4 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓

23、供水系統(tǒng)通過安裝在用戶管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，由于電信號為模擬量，故必須通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比較，對偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻恒壓供水。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計單片機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖5所示：該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備：(1) 單片機、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設(shè)備選型如表1所示：表1系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其

24、生產(chǎn)廠家單片機AT89C51（Intel）變頻器西門子 MM430水泵機組SFL系列水泵2臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表浩捷PTJ206、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器HM21投入式液位變送器 AT89C51按鍵變頻器泵顯示屏A/D壓力傳感器圖 5系統(tǒng)總體設(shè)計框圖3.2單片機的選擇（1）單片機運行速度 單片機的運行速度首先要看它的時鐘頻率，指令集和機器周期。另外選擇的時候不要追求運行的高速度，速度越高單片機的穩(wěn)定性和抗干擾性會受影響。另外高速度同時功耗也大。（2）單片機I/O口的數(shù)量和功能 根據(jù)實際需要確定I/O口的數(shù)量，I/O過多會增大芯片的體積，體積增大的同時也增加了成本

25、。（3）定時器和計數(shù)器 多數(shù)的單片機提供23個定時/計數(shù)器，現(xiàn)在很多單片機都提供了看門狗定時器（WDT），當單片機發(fā)生“死機”后，可自動復位。（4）串行接口和模擬電路功能 單片機的串行接口有：UART接口、SPI接口、USB接口等。單片機集成片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的同時，還集成了采樣/保持電路。（5）工作電壓和功耗 工作電壓一般在1.8V6V之間，功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流。（6）抗干擾性、保密性 在干擾比較大的工業(yè)環(huán)境中要選擇抗干擾能力強的單片機。保密性主要是保護個人或企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)。本系統(tǒng)選擇AT89C51單片機，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以

26、利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動LED，使用89C51的串行通訊口TXD，DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設(shè)定的原始參數(shù)。3.3 PID控制算法與其實現(xiàn)該系統(tǒng)采用PID進行控制，將PID算法編成程序輸入到單片機中自動運行。算法程序流程圖如下：壓力采樣求實際壓力與設(shè)定壓力之差調(diào)用PID控制子程序控制量輸出圖 6 PID算法流程“PID控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。當我們不熟悉被控對象的函數(shù)控制模型或難以確定系統(tǒng)參數(shù)時，這種情況下我們就需要運用PID控制算法?！? 其控制規(guī)律為： (公式4) U(t)

27、為控制量，Kp為比例增益，e(t)為控制偏差，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。（1）位置型把式公式4變換一下，作下面近似：   （公式5） （公式6）式中：T為時間周期，k為序號。可得位置型PID算式：U(k) = Kpe(k)+TD （公式7） 公式7提供位置參數(shù)U（k），例如閥的開度，因此被稱作位置型PID。（2）增量型由公式7可看出，位置型不是特別方便， e(i)還需要連續(xù)累加，這樣不僅占用了多余的存貯空間，而且程序編寫困難，現(xiàn)將式公式7做如下改進： (公式8)其中 Kp=稱為比例增益；K= Kp 稱為積分系數(shù)；KD = KP稱為微分系數(shù)。為編程方便，將式公式8改動如下

28、： (公式9) 其中= Kp (1 + +)， = Kp ()，q = Kp。4 硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計如下： （1）以8951單片機為核心的硬件部分設(shè)計。主要包括：A/D轉(zhuǎn)換采樣、PID控制、用戶按鍵輸入、顯示屏顯示、單片機和變頻器的通信。（2）變頻器硬件部分電路設(shè)計。主要包括：主電路和控制電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示：圖 7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖46圖 8 實際供水系統(tǒng)示意圖實際供水系統(tǒng)如圖8，電機M1工頻直接接入電網(wǎng)，電機M2主要用來變頻調(diào)速?？蛇x擇性利用氣壓供水罐增加系統(tǒng)阻尼。4.1 系統(tǒng)工作過程說明（1）兩個泵的供水方式結(jié)合圖8，恒壓供水系統(tǒng)選用兩個泵，1#泵(M1)工頻工作，系統(tǒng)處于

29、用水低峰時，由它供水。此時變頻器與電機M2都不工作。當小區(qū)居民用水量上升，水壓低于系統(tǒng)設(shè)定值，這時變頻器動態(tài)調(diào)節(jié)水壓。當用水需求量處于低用水區(qū)域時，變頻器停止運行仍然由1#泵（M1）供水。低用水量區(qū)水壓在容許范圍波動，只有水壓低于一定程度才啟動變頻器。必要利用氣壓罐增加系統(tǒng)阻尼，這樣變頻器無需在低頻率下長期運行，同時也解決了系統(tǒng)V/F控制不能在過低頻率下運行的問題。 圖 10 水泵啟停與用水量關(guān)系圖（2）系統(tǒng)的啟動與運行系統(tǒng)啟動電機M1先投入運行。這時如圖9，繼電器KM1吸合，KM2與KM3斷開，直到電機M1啟動結(jié)束。變頻器在電機M1的啟動過程中相當于軟啟動器。電機M1啟動完畢后，變頻器停止輸

30、出同時KM1斷開，KM3吸合，再經(jīng)過一個軟件延時后KM2吸合。此時電機M1直接接入電網(wǎng)，電機M2接到變頻器。當壓力偏差超過設(shè)定時變頻器工作輸出電機M2運行。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區(qū)，但用戶需要的用水量難以測量。故通過單片機對變頻器的頻率輸出（u(k)）與壓力偏差e(k)，來判斷用戶用水量。顯然在u(k), e(k)都小于設(shè)定值的情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區(qū)，這時讓單片機控制變頻器停止工作。4.2 變頻器部分硬件設(shè)計4.2.1主電路圖 9 變頻器部分電路接線圖如圖9所示，電機M1的作用是在供水系統(tǒng)用水量最小的情況時，維持管道水壓。在這種情況下M2可以停機休息。當負載增加，

31、水壓減少到一值時再將M2投入運行。M2采用變頻器V/F恒壓頻比控制，根據(jù)負載動態(tài)的調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。4.2.2控制電路圖 11 控制電路梯形圖如圖11，圖中A部分為當失控時，通過變頻器設(shè)置且斷開QF2、閉合QF3，QF4設(shè)置為手動控制。此時為一開環(huán)控制的方式?？梢酝ㄟ^按鍵控制電機正反轉(zhuǎn)，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統(tǒng)水壓。B部分為自動運行情況下的控制圖。其中KM11，KM22為單片機控制的接觸器的觸點。自動運行過程如下：首先單片機發(fā)出指令讓KM11閉合，這時KM1工作，電機M1與變頻器接通，變頻器起軟啟動器的作用。當時間繼電器延時到， M1啟動到工頻，M1與變頻器斷開直接接到電網(wǎng)運行

32、。之后單片機根據(jù)需要控制KM22使之投入運行，根據(jù)負載的不同，通過V/F控制改變M2轉(zhuǎn)速。4.3 單片機部分硬件設(shè)計4.3.1 主要部分電路AT89C51顯示模塊電源通信模塊變頻器A/D轉(zhuǎn)換模塊繼電器模塊圖 12 單片機硬件結(jié)構(gòu)圖如圖12中包括了以單片機為核心的五個部分。其總體硬件圖見附錄1（1）系統(tǒng)供電電路圖 13 電源模塊如圖13，系統(tǒng)供電將220V交流電轉(zhuǎn)換成5V直流電。系統(tǒng)首先通過變壓器將220V的交流電降壓為15V交流，再通過整流橋變?yōu)橹绷鳌ｋ娙軨3、C4起濾波作用。LM7812為穩(wěn)壓模塊。將電壓穩(wěn)定在5V。（2）單片機的晶振電路圖14晶振電路如圖14，該電路為單片機提供穩(wěn)定的12M

33、Hz的外部時鐘頻率。其中以一塊12MHz的晶震為核心。（3）單片機繼電器電路圖15單片機控制的繼電器電路系統(tǒng)有兩套這樣的繼電器電路與單片機相連，該繼電器的作用相當于輔助繼電器。通過它來控制圖15中的KM11和KM22的打開或吸合，進而控制主繼電器KM1和KM2來控制電機的接入或斷開。（4）單片機的外部通信電路圖16 通信模塊單片機與變頻器的通信，單片機通過MAX3232芯片進行串行通信。在變頻器端，再通過一個RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換卡，將信號轉(zhuǎn)換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。（5）A/D轉(zhuǎn)換采樣電路圖17 A/D轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換電路以ADC0809為核心，將采集的壓力傳感器的信號（

34、420mA信號），加以電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成05V的電壓信號。通過ADC0809的模擬量輸入口（IN-0IN-7）進行AD采樣。模擬信號通道地址A、B、C由74LS373（三態(tài)輸出鎖存器）的Q0、Q1、Q2提供。時鐘通過單片機ALE用74LS74（D觸發(fā)器）進行二分頻得到。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC為高電頻，作為中斷，單片機調(diào)用中斷程序，讀采樣數(shù)據(jù)。4.3.2 其它部分電路（1）顯示電路圖18 顯示模塊顯示部分采用循環(huán)掃描的方式，P0口傳輸顯示的內(nèi)容，P2.0至P2.3的作用是選擇對應(yīng)的LED工作。（2）系統(tǒng)電路監(jiān)測電路圖19 看門狗電路“X25045芯片片內(nèi)的看門狗定時器，系統(tǒng)的監(jiān)控時間可利用軟件來設(shè)置。如

35、果預置時間內(nèi)無總線活動，芯片的RESET端會輸出一高電平?！?通過改變芯片的相應(yīng)位的邏輯值可設(shè)定預置時間： 表2 X25045控制位“看門狗的定時周期長短通過編程改變芯片內(nèi)的兩個可編程位來實現(xiàn)，編寫程序的過程中，在軟件適當?shù)奈恢眉由衔构分噶罴纯?，使看門狗永遠達不到預置時間，系統(tǒng)正常運行不會復位。系統(tǒng)跑飛時，用軟件陷阱等其他方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時增至預置時間，實現(xiàn)系統(tǒng)復位”7。（3）555定時器復位電路針對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的程序死機現(xiàn)象，采用NE555組成硬件定時復位系統(tǒng)。圖20 NE555封裝圖如圖（a）和圖（b）可知，NE555定時電路V0口把連續(xù)的脈沖信號輸送至RST，達到定

36、時復位的效果。電路中使用RC定時電路來設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)電阻R或電容看C可得到不同的定時時間。脈沖寬度：TW =0.7(R1+RW+R2)C； （公式10）振蕩周期：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C。 （公式11）從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖21 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）振蕩波形（a）自激多諧振蕩器電路圖22 NE555定時電路及工作波形（4）LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋 LED數(shù)值顯示模塊數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管組成，行成一“日”字形，他們可以共陰極，也可共陽極?！巴ㄟ^解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字，這便是

37、它的工作原理?；镜陌雽w數(shù)碼管由7個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖23 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字"09"及少量字符的顯示?！?另外為了顯示小數(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”，排列順序如圖23:圖23 共陰數(shù)碼管引腳圖 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路 A. AD0809的邏輯結(jié)構(gòu)“ADC0809 是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由模擬量開關(guān)、譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和鎖存器四部分構(gòu)成，如圖24。其中開關(guān)提供8個數(shù)據(jù)通道，允許分時間輸入模擬量，同時需要A/D轉(zhuǎn)換，再通過鎖存器鎖存轉(zhuǎn)換后的

38、數(shù)字信號，當OE = 1時，方可從鎖存器取得完成轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)”。8圖24 AD0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)B. AD0809應(yīng)用說明（1）ADC0809內(nèi)有輸出鎖存器，可與AT89C51單片機直接連接。 （2）初始化時，ST和OE信號為低電平。 （3）把要轉(zhuǎn)換的通道地址送到A，B，C端口上。 （4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）通過EOC信號來判斷是否轉(zhuǎn)換完畢。 （6）當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。C. AD0809轉(zhuǎn)換電路“電路見圖25，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機AT89C51及顯示用數(shù)碼管組成。在程序

39、設(shè)計過程中，單片機可通過查詢法找到EOC 信號然后讀取已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動AD0809 后經(jīng)適當?shù)难訒r再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89C51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經(jīng)與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。 圖 25 A/D轉(zhuǎn)換電路5 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 主程序流程圖26 主程序流程圖單片機上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設(shè)置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進入主循環(huán)；最后進入PID計算及各種控制信號的輸出部分。5.2 繼電器動作控制圖27 繼電器控制程序流程圖判斷M1是否

40、啟動，M1未啟動則系統(tǒng)處于停機狀態(tài)。這時KM11閉合控制，變頻器起到軟啟動器的作用，帶動電機到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動將電機切換到電網(wǎng)。經(jīng)過延時之后通過e（k），判斷是否需要電機M2投入運行若需要就KM22繼電器輸出，同時標志位KM22_0置位，使M2電機接到變頻器。5.3 PID控制流程圖28 PID算法流程圖該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)采用PID控制算法。在工業(yè)中，由于對象的精確數(shù)學型難以確定，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，人們常常采用PID控制算法。這里采用的PID增量式算法。這里讀取標志位KM22，KM220來判斷電機M2是否是從停機狀態(tài)到運行狀態(tài)，作用是保證控制的各種初狀態(tài)為0。因為前一狀態(tài)若為停

41、止，則前一個輸出和e（k）都應(yīng)為零，而單片機記錄的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停機前一個狀態(tài)的參數(shù)，應(yīng)該要歸零處理。其具體程序參見附錄2。6 結(jié)論本文針對城市小區(qū)供水的特點，結(jié)合我國中高層小區(qū)供水的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺水泵變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)。單片機是該控制系統(tǒng)的核心，壓力變送器將采樣到的管網(wǎng)壓力信號PID處理后傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而保證管網(wǎng)壓力恒定。變頻調(diào)速恒壓供水是現(xiàn)代生活小區(qū)供水的發(fā)展方向，采用基于單片機的變頻供水系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠，價格低廉，無二次污染的特點。本文的主要工作如下：（1）由AT89C51單片機、

42、變頻器實現(xiàn)小區(qū)生活用水的恒壓控制。系統(tǒng)利用單片機實現(xiàn)對兩臺水泵的控制。通過變頻器實現(xiàn)水泵電機的軟啟動，由電機的變頻調(diào)速調(diào)節(jié)供水壓力。（2）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，在查閱資料以及利用互聯(lián)網(wǎng)工具基礎(chǔ)上，確定了單片機、變頻器、壓力傳感器、水位傳感器、供水水泵的具體型號。（3）利用所學的Protel軟件設(shè)計了主要的電路圖。（4）通過對控制過程和原理的分析，利用Keil軟件設(shè)計了A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序和PID控制子程序。參考文獻1 杜曉府.小氣壓罐與變頻調(diào)速結(jié)合的節(jié)能供水系統(tǒng)J.中國給水排水，2005，21(07)：77-80.2 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社，2000:34-4

43、0.3 宋舒,王秋才.高層建筑恒壓供水控制系統(tǒng)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，1999，13(08)：23-30.4 孔全建筑二次供水方式及優(yōu)缺點探析J.科技資訊，2001，5(03)：76-80.5 張滿朝.分段注射/雕刻快速成形裝備控制系統(tǒng)及工藝研究D.福建.華僑大學.2007:50-576 宋銀賓.電機及拖動基礎(chǔ)M.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：45-49.7 王再英，韓養(yǎng)社，高虎賢.樓宇自動化系統(tǒng)原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2008:56-64.8 李華.變頻調(diào)速應(yīng)用手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，2000:67-70.9 張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機原理及應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，20

44、10：174-178.10 郭嘉激光散射法表面粗糙度測量儀D.北京:華北電力大學，2002:98-100.致謝本課題在選題以及研究過程中得到了指導老師的精心指導。在此謹向張老師表示衷心的感謝，在論文的完成過程中，我遇到了很多困難和障礙，各位老師同學幫助我查閱資料和提供論文建議與意見，在他們的幫助下，最終完成了這篇論文。此外本文引用了很多專家學者的研究文獻以及很多期刊資料，如果各位專家學者文獻的啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。畢業(yè)設(shè)計是對我們整個大學所學知識的檢驗，通過此次設(shè)計我發(fā)現(xiàn)了自身所存在的弱點，在今后的學習工作中我也將逐步彌補自己知識上的漏洞。最后要感謝我的家人和親友，他們是我永遠的精

45、神支柱，他們給予的愛讓我得以順利的走完這段路程。附錄1 以單片機為主的主要硬件圖附錄2 主要程序(1)主程序：LIMIT EQU 0030H OVER EQU 0031H WEIGH EQU 0039HQIAN EQU 004AH SAVE EQU 0050H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ；外部中斷0入口 LJMP DOG ；看門狗子程序 ORG 0023H ；串行中斷入口 LJMP INOUT ；通訊子程序 ORG 0100H89C51初始化：MAIN:MOV A,#80H MOV DPTR,#FD03H MOVX DPTR,A 串口通訊初始化： MOV TM

46、OD,#20H ；定時器T1設(shè)為方式2 MOV TL1,#0F3H ；裝入定時器初值 MOV TH1,#0F3H ；8位重裝值 SETB TR1 ；啟動定時器T1 MOV SCON,#50H ；串行口設(shè)為方式1看門狗初始化：SETB IP.0 ；PX0=1,將中斷優(yōu)先級PX0設(shè)為最高 SETB IE.7 ；EA=1，開總中斷 SETB IE.0 ；EX0=1,允許外部中斷0中斷 SETB TCON.0 ；選用跳變觸發(fā)方式。SETB P1.7 NOP CLR P1.7 ；周期性的從P1.6端向WDI輸入端發(fā)送脈沖信號 MAIN:JBC PCON.1,GONE SJMP LOOP GONE:LCA

47、LL SJMP LOOPLOOP:MOV R0,#08H MOV R1,#OVER ；超載量地址 MOV R2,#WEIGH ；實際重量地址LCALL KEY ；LOOP1:LCALL CAIJI ；調(diào)用采集子程序INC R1MOV OVER,R1INC R2MOV WEIGH,R2 LCALL DISP ；調(diào)用顯示子程序 DJNZ R0,LOOP1 ；是否采集完?SJMP LOOP RET(2)參數(shù)恢復子程序：(1)讀操作主程序 ORG 0200HRD24C: MOV DPTR,#0000H ；取24C02單元首地址RD24C1:CLR EA ；禁止中斷 LCALL FBZM ；發(fā)送標志位

48、LCALL CSXY ；測試響應(yīng)信號 JB XYBZ,RD24C1 ；若未響應(yīng)，則重新發(fā)送 LCALL FDPL ；發(fā)送字節(jié)首地址代碼 MOV A,R3 ；取“讀”控制字 LCALL FSMW ；發(fā)送“讀”控制字 LCALL CSXY ；測試響應(yīng)信號 JB XYBZ,RD24C1 ；若無響應(yīng)，則重新發(fā)送 MOV R0,#LIMIT ；取緩沖區(qū)首址 MOV R2,#00H ；設(shè)置字節(jié)數(shù)據(jù)傳送計數(shù)器RD24C2:MOV R1,#08H ；設(shè)置位傳送計數(shù)器RD24C3:SETB SCL ；發(fā)送讀脈沖 SETB SDA ；釋放數(shù)據(jù)線，將單片機對應(yīng)口線置輸入狀態(tài) MOV C,SDA ；讀一位數(shù)據(jù) RLC

49、 A ；將讀到的數(shù)據(jù)移入ACC CLR SCL ；準備接收下一位數(shù)據(jù) DJNZ R1,RD24C3 ；若8位數(shù)據(jù)未讀完則繼續(xù)讀 MOV R0,A ；將讀到的1個字節(jié)數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū) INC R0 ；修改緩沖區(qū)指針 INC R2 ；修改字節(jié)數(shù)據(jù)計數(shù)器 CJNE R2,#17,WW ；是否接收完畢 LCALL FJSM ；發(fā)結(jié)束信號 SETB EA ；恢復中斷設(shè)置 RET WW : LCALL FYD ；若未接收完，則發(fā)送應(yīng)答信號 AJMP RD24C2 ；轉(zhuǎn)RD24C2繼續(xù)接收下一個字節(jié)數(shù)據(jù)(2)發(fā)標志碼子程序 ORG 0300HFBZM:SETB SDA SETB SCL ；初始化 MOV A,DPH ；取單元地址高字節(jié) CLR C RLC A ANL A,#0FH ORL A,#0A0H ；將地址高字節(jié)融入寫控制碼：1010 0B MOV R3,A INC R3 ；產(chǎn)生讀控制碼 FSMW:CLR SDA ；產(chǎn)生啟動信號FSMW