基于單片機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

XXX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄前言11 緒論11.1 恒壓供水系統(tǒng)的提出11.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)11.3 恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)22 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理22.1 系統(tǒng)工作過程42.2 變頻調(diào)速的基本調(diào)速原理52.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析72.4 本章小結(jié)83 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1 硬件總體說明93.2 555定時(shí)器復(fù)位電路93.3 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋113.3.1 LED數(shù)值顯示模塊113.3.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路124 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 編程軟件134.1.1 C051編譯器介紹134.1.2 KEIL編譯器144.2 單片機(jī)資料144.3 軟件的程序設(shè)計(jì)圖165 結(jié)論18附錄19參考文獻(xiàn)2728基于單片機(jī)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言 隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，使供水設(shè)計(jì)得到了新的發(fā)展機(jī)遇，當(dāng)前住宅建筑的規(guī)劃趨向于更具有人性化的多層次住宅組合，人們不再僅僅追去立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設(shè)計(jì)中貫徹以人為本的理念，特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、安全又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式，對(duì)我們供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，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(shè)施來實(shí)現(xiàn)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機(jī)組合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。1 緒論1.1 恒壓供水系統(tǒng)的提出水已經(jīng)成為中國(guó)21世紀(jì)的熱點(diǎn)問題，水有其自然屬性，它既是一種特殊的、不可替換的資源，又是一種可重復(fù)使用、可再生的資源；水又有其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)屬性，不僅工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展要靠水，水更是城市發(fā)展、人民生活的生命線。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)a. 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。b. 占地面積小，投資少，效率高。c. 配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。d. 運(yùn)行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。e. 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。f. 通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。1.3 恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成420mA的模擬信號(hào)，通過變頻器內(nèi)置的PID控制器，來改變電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，電動(dòng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的技能技術(shù)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。長(zhǎng)期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上的應(yīng)用，成功解決了能耗和污染兩大難題1。2 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻調(diào)速來改變水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯霉ぷ鼽c(diǎn)來達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反應(yīng)水泵運(yùn)行工程的水泵工作點(diǎn)也稱為水泵工況點(diǎn)，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會(huì)引起水泵運(yùn)行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化因此水泵工況點(diǎn)的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。圖2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖圖2-1就是一個(gè)典型的由8051單片機(jī)控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)。系統(tǒng)由微機(jī)控制器、交流變頻調(diào)速器、水泵機(jī)組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2-2所示。8051單片計(jì)算機(jī)在這里主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計(jì)算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報(bào)警等作用2。圖2-2 單片機(jī)的變頻恒壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.1 系統(tǒng)工作過程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際狀況，白天一般只需開動(dòng)一臺(tái)水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就滿足供水需要，因此可采用一大一小搭配進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把1#水泵電機(jī)（160KW）和2#水泵電機(jī)（220KW）為一組，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。分析自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)組（1#、2#水泵機(jī)組）工作過程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：a.1#電機(jī)變頻啟動(dòng)；b.1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行；c.2#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行，一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)變換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過程。切換過程1#電機(jī)變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到50Hz，1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開始工作時(shí)，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組運(yùn)行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對(duì)拖動(dòng)1#泵的電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)，1#電機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機(jī)自變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機(jī)切換至工頻運(yùn)行，1#電機(jī)自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。1#電機(jī)工頻運(yùn)行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機(jī)接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機(jī)開始軟啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，2#水泵接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（PiPPm）為止。切換過程由1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，2#水泵電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Pk時(shí)（2#電機(jī)，f=fmin，PPk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機(jī)在工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。切換過程由2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)變頻停止，1#電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，2#電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限Pi時(shí)（2#電機(jī)f=fi，PPi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，2#電機(jī)自變頻器輸出端斷開；KM2得電，1#電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時(shí)變頻器BX端斷開。1#電機(jī)開始軟啟動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)，開始新一輪循環(huán)。圖2.1-1 1#和2#機(jī)組工作過程流程圖2.2 變頻調(diào)速的基本調(diào)速原理水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源效率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。如圖2.2-1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大Qmax時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點(diǎn)，此時(shí)，水泵輸出口壓力為H，末端服務(wù)壓力剛好為H0.當(dāng)用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同3。圖2.2-1 節(jié)能分析曲線圖 水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點(diǎn)由b點(diǎn)上滑到c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由b點(diǎn)滑到d點(diǎn)，這樣c點(diǎn)和d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)是在H上平移。在水量到達(dá)Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)閚x。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點(diǎn)e即為此時(shí)的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到Q1時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到H0H1，則H1即為水泵的能量浪費(fèi)。 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降到Q1時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點(diǎn)為d點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)式中沿著A0滑動(dòng)，管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1。根據(jù)水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號(hào)，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到最佳節(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(dòng)，降低了起動(dòng)電流，避免了對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)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、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n為 n=120(1-s)/p式中s為電機(jī)的滑差（s=0.02），p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，f為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后，p和s為定值，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時(shí)是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的。由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關(guān)系為N=PQ由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率4。2.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析水泵運(yùn)行工況點(diǎn)A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2。運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到D點(diǎn)，揚(yáng)程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1。在圖2.3-1中水泵運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運(yùn)行在C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。圖2.3-1 變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖求出運(yùn)行在B點(diǎn)的泵的軸功率 運(yùn)行在C點(diǎn)泵的軸功率 兩者之差 也就是說，采用閥門控制流量時(shí)有V的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)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。2.4 本章小結(jié)本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手討論水泵工作點(diǎn)的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論：a. 水泵的工作點(diǎn)就是在同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)，水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。b. 水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。3 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件總體說明單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖3.1-1所示。本系統(tǒng)以8951單片機(jī)為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴(kuò)EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動(dòng)LED，使用8951的串行通訊口TXD，DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機(jī)設(shè)定的原始參數(shù)5。圖3.1-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2 555定時(shí)器復(fù)位電路用NE555組成的硬件定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機(jī)現(xiàn)象。NE555封裝圖3.2-1 NE555封裝圖如圖3.2-1和圖3.2-2可知，NE555定時(shí)電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)至RST，達(dá)到定時(shí)復(fù)位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié)RW或者電容C，可以得到不同的時(shí)間常數(shù)。脈沖寬度計(jì)算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C振蕩周期計(jì)算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時(shí)時(shí)間。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3.2-2 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3.2-3 NE555定時(shí)電路及工作波形3.3 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋3.3.1 LED數(shù)值顯示模塊數(shù)碼管由7 個(gè)發(fā)光二極管組成，行成一個(gè)日字形，它門可以共陰極，也可以共陽(yáng)極。通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字，這就是它的工作原理?；镜陌雽?dǎo)體數(shù)碼管是由7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字09及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點(diǎn)，增加了1 個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個(gè)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3.3.1-1。圖3.3.1-1 共陰數(shù)碼管引腳圖3.3.2 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位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成，如圖3.3.2-1。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖3.3.2-1 AD0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)b. AD0809的工作原理IN0IN7：8 條模擬量輸入通道ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路6。c. AD0809轉(zhuǎn)換電路電路見圖3.3.2-2，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機(jī)AT89S51及顯示用數(shù)碼管組成。AD0809的啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)方式，啟動(dòng)信號(hào)START啟動(dòng)后開始轉(zhuǎn)換，EOC 信號(hào)在START 的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序時(shí)可以利用EOC 信號(hào)來通知單片機(jī)（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動(dòng)AD0809 后經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89S51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(shí)鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當(dāng)頻率范圍為500KHZ 時(shí)，其轉(zhuǎn)換速度為128us。AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。圖3.3.2-2 A/D轉(zhuǎn)換電路4 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 編程軟件4.1.1 C051編譯器介紹現(xiàn)在比較流行的51系列編程軟件a. American Automation：編譯器通過#asm和endasm預(yù)處理選擇支持匯編語(yǔ)言。b. IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。c. Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統(tǒng)的配套軟件工具d. Dunfield Shareware：非專業(yè)的軟件包，不支持floats，longs或結(jié)構(gòu)等e. KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領(lǐng)先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點(diǎn)或長(zhǎng)整數(shù)、重入和遞推。使用單片機(jī)模式，KEIL是最好的選擇f. Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執(zhí)行的宏語(yǔ)句控制編譯、匯編和鏈接，且選項(xiàng)很多。編譯器的算法技術(shù)支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領(lǐng)先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)用KEIL編譯器7。4.1.2 KEIL編譯器KEIL開發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標(biāo)文件及庫(kù)，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。a. uVision2 for Windows：是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。它將項(xiàng)目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個(gè)強(qiáng)大功能的環(huán)境中。b. CX51國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標(biāo)模塊。c. AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標(biāo)模塊。d. BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產(chǎn)生的可重定位的目標(biāo)模塊，生成絕對(duì)目標(biāo)模塊。e. LIB51庫(kù)管理器：從目標(biāo)模塊生成鏈接器可以使用的庫(kù)文件。f. OH51目標(biāo)文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對(duì)目標(biāo)模塊生成Intel HEX文件。g. RTX-51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：簡(jiǎn)化了復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件項(xiàng)目的設(shè)計(jì)8。4.2 單片機(jī)資料單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為單片機(jī)，有稱為微型控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來，單片機(jī)發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機(jī)種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動(dòng)化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 ALE/PROG 地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當(dāng)CPU對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ALE是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將P0口上低8位地址信號(hào)送入鎖存器。當(dāng)ALE是低電平時(shí)，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當(dāng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)ALE會(huì)以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時(shí)鐘，或者外部定時(shí)脈沖使用。 PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)4KB或8KB的程序存儲(chǔ)器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，通過編程脈沖輸入才能寫進(jìn)去的，這個(gè)脈沖的輸入端口就是PROG。 EA/VPP 訪問和序存儲(chǔ)器控制信號(hào) a. 接高電平時(shí)： CPU讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）。 擴(kuò)展外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時(shí)自動(dòng)讀取外部ROM。 b. 接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器（ROM）。 在前面的學(xué)習(xí)中我們已知道，8031單片機(jī)內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應(yīng)用8031單片機(jī)時(shí)，這個(gè)腳是一直接低電平的。 c. 8051寫內(nèi)部EPROM時(shí)，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。 RST 復(fù)位信號(hào)：當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，當(dāng)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，即復(fù)位后將從程序存儲(chǔ)器的0000H單元讀取第一條指令碼。 XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 VCC：電源+5V輸入 VSS：GND接地。 AVR和pic都是跟8051結(jié)構(gòu)不同的8位單片機(jī)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，所以匯編指令也有所不同，而且區(qū)別于使用CISC指令集的8051，他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。ARM實(shí)際上就是32位的單片機(jī)，它的內(nèi)部資源（寄存器和外設(shè)功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計(jì)算機(jī)的CPU芯片很接近了9。4.3 軟件的程序設(shè)計(jì)圖a. 主程序框圖圖 4.3-1 主程序流程圖b. 繼電器控制子程序圖4.3-2 繼電器控制流程圖c. A/D子程序圖4.3-3 A/D子程序流程圖d. PID控制子程序圖4.3-4 PID計(jì)算子程序流程圖5 結(jié)論本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)供水的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套一拖多的控制系統(tǒng)，在這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中有如下認(rèn)識(shí)；a. 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的，分析水泵工況點(diǎn)激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。b. 通過對(duì)供水控制模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制模式是一種被動(dòng)的控制方式，沒有對(duì)供水管網(wǎng)的水量平衡進(jìn)行綜合考慮。針對(duì)傳統(tǒng)控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應(yīng)平衡調(diào)節(jié)方法，為該供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。附錄1： A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit st=P32;sbit oe=P31;sbit eoc=P30;uchar codetab=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;/數(shù)碼管顯示段碼uchar codetd=0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70;/通道先擇數(shù)組uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x8;/八通道數(shù)據(jù)待存數(shù)組void delaynms(uint x);/nms延時(shí)程序void display();/顯示程序void ad0809();/芯片啟動(dòng)程序void key();/鍵掃描程序main()number=1;P1=0x00;while(1)ad0809();/調(diào)AD0809 啟動(dòng)子程序key();/調(diào)按鍵子程序ad_0809=xnumber;/把相關(guān)通道數(shù)據(jù)給ad_0809display();/調(diào)顯示/nms 延時(shí)程序void delaynms(uint x)uchar i;while(x-0)for(i=0;i125;i+);void display()uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;/讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%除以100 得百位ad_data2=(ad_0809*49/25)%100)/10;/讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出十位ad_data3=(ad_0809*49/25)%100)%10);/讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出個(gè)位for(a=0;a10;a+)P0=tabad_data3;/送小數(shù)點(diǎn)后第二位顯示P2=0x07;/選通第一個(gè)數(shù)碼管delaynms(3);P0=tabad_data2;/送小數(shù)點(diǎn)后第一位顯示P2=0x0b;/選通第二個(gè)數(shù)碼管delaynms(3);P0=tabad_data1;/送整數(shù)顯示P0_7=0;/點(diǎn)亮第三個(gè)數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)P2=0x0d;/ 選通第三個(gè)數(shù)碼管delaynms(3);P0=tabnumber;/送通道號(hào)顯示P2=0x0e;delaynms(3);void ad0809()uchar i,m=1;for(i=0;i8)number=1;/八通道附錄2： PID控制子程序#include #include#includestruct _pid int pv; /*integer that contains the process value*/ int sp; /*integer that contains the set point*/ float integral; float pgain; float igain; float dgain; int deadband; int last_error;struct _pid warm,*pid;int process_point, set_point,dead_band; float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ; /*- pid_init DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure to the process variable and the setpoint. *pv and *sp are integer pointers. -*/ void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point) struct _pid *pid; pid = warm; pid-pv = process_point; pid-sp = set_point; /*- pid_tune DESCRIPTION Sets the proportional gain (p_gain), integral gain (i_gain), derivitive gain (d_gain), and the dead band (dead_band) of a pid control structure _pid. -*/ void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) pid-pgain = p_gain; pid-igain = i_gain; pid-dgain = d_gain; pid-deadband = dead_band; pid-integral= integral_val; pid-last_error=0; /*- pid_setinteg DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation. This is useful for setting the initial output of the pid controller at start up. -*/ void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ) pid-integral = new_integ; pid-last_error = 0; /*- pid_bumpless DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim. When suddenly changing setpoints, or when restarting the PID equation after an extended pause, the derivative of the equation can cause a bump in the controller output. This function will help smooth out that bump. The process value in *pv should be the updated just before this function is used. -*/ void pid_bumpless(struct _pid *pid) pid-last_error = (pid-sp)-(pid-pv); /*- pid_calc DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a. This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim. Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control. RETURN VALUE The new output value for the pid loop. USAGE #include control.h*/ float pid_calc(struct _pid *pid) int err; float pterm, dterm, result, ferror; err = (pid-sp) - (pid-pv); if (abs(err) pid-deadband) ferror = (float) err; /*do integer to float conversion only once*/ pterm = pid-pgain * ferror; if (pterm 100 | pterm integral = 0.0; else pid-integral += pid-igain * ferror; if (pid-integral 100.0) pid-integral = 100.0; else if (pid-integral integral = 0.0; dterm = (float)(err - pid-last_error) * pid-dgain; result = pterm + pid-integ