畢業(yè)設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 論文題目： 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 包旭東 專業(yè)年級(jí)： 自動(dòng)化06級(jí) 指導(dǎo)教師： 胡俊海 職稱 講師 年 月 日31目 錄摘 要i1 前 言11.1 變頻調(diào)速技術(shù)概況11.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義11.2.1 傳統(tǒng)供水方式21.2.2 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析21.2.3 研究意義51.3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展51.4 本文主要研究?jī)?nèi)容62 單片機(jī)概述62.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介62.2單片機(jī)的發(fā)展史72.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)82.4 at89c51單片機(jī)

2、簡(jiǎn)介93 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理93.1 變頻調(diào)速的基本原理103.1.1 變頻調(diào)速的基本控制方式103.2 系統(tǒng)工作過程113.3 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調(diào)速范圍134 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)134.1 主控單片機(jī)引腳說明144.2反饋壓力檢測(cè)電路154.3 輸出控制電路164.4 控制輸入電路174.5 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及watchdog電路175 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)185.1 單片機(jī)接口地址分配和控制端口功能185.2 軟件程序設(shè)計(jì)186 結(jié)論21參考文獻(xiàn)21致 謝22附錄23變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們

3、生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源也是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。因此，有利于節(jié)能節(jié)水的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用。本文論述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)速原理及節(jié)能分析。描述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是以atmel公司的at89c51為基礎(chǔ)，同時(shí)描述了包括變頻器和傳感器在內(nèi)的硬件控制系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)成本低，易于使用的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速；恒壓供水；at89c51單片機(jī)1 前 言1.1 變頻調(diào)速技術(shù)概況變頻技術(shù)是利用大功率半導(dǎo)體器件及其相應(yīng)的控制與

4、保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)電能頻率參量的控制與變換，以實(shí)現(xiàn)電力的某些使用目的，并提高其使用質(zhì)量與效率的一種技術(shù)。變頻技術(shù)在經(jīng)歷了早期電子管、晶閘管整流器（60年代）和集成電路技術(shù)（70年代）幾個(gè)階段后，從80年代至今一直沿用基于電力電子技術(shù)的功率集成電路技術(shù)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步繼續(xù)發(fā)展1。而變頻調(diào)速技術(shù)就是在變頻的基礎(chǔ)上調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個(gè)角落，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中占有重要地位

5、:應(yīng)用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù);是節(jié)約能源的高新技術(shù);是國(guó)際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域;是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。交流變頻調(diào)速技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最理想、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速方式。經(jīng)測(cè)算，電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行后，一般可節(jié)電20%一40%，因此這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的使用前景，可被廣泛應(yīng)用于改造鍋爐、風(fēng)機(jī)、水泵、制冷機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行方式，以用來降低壓差損耗以及起停電機(jī)的電耗2。我國(guó)現(xiàn)有的100萬(wàn)kw以上的大型電廠中，每套30萬(wàn)kw的發(fā)電機(jī)一般都配備30-35臺(tái)輔機(jī)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)。一個(gè)大型電廠，其輔機(jī)電動(dòng)機(jī)多達(dá)250臺(tái)左右?；鹆Πl(fā)電廠用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔機(jī)主要是風(fēng)機(jī)水泵、給水泵、循環(huán)

6、水泵、空壓機(jī)和磨煤機(jī)等，據(jù)初步調(diào)查，其中50%-60%的風(fēng)機(jī)、水泵可以改為調(diào)速運(yùn)行。如果這些設(shè)備都實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行，按節(jié)電20%計(jì)算，年節(jié)電可達(dá)200億kw.h，相當(dāng)于裝機(jī)400萬(wàn)kw容量的發(fā)電設(shè)備3。因此，應(yīng)用電力電子的交流變頻調(diào)速裝置以及相關(guān)高新技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，就可以獲得很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。近幾年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。在這種環(huán)境下，電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當(dāng)今世界節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境以及推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種

7、主要手段。1.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正處于迅猛發(fā)展時(shí)期，能源緊缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，節(jié)能節(jié)水是我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策。另外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求4。供水質(zhì)量的好壞直接影響著人民的生活水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。要安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)可靠的管理好遍布全城的供水管網(wǎng)，一定要有一個(gè)滿足供水特點(diǎn)的、先進(jìn)的自動(dòng)化供水控制系統(tǒng)。但我國(guó)長(zhǎng)期以來在城市供水、樓宇供水、工業(yè)生產(chǎn)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于受供水

8、設(shè)備和供水方式的限制。1.2.1 傳統(tǒng)供水方式1.恒速泵直接供水方式這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。2.水塔/水箱的供水方式這種方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用戶供水。這種供水壓力比較恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來進(jìn)行供水的，為此，需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻敳?。即使如此，在大型建筑物種還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求

9、，且難于滿足不斷增長(zhǎng)的供水需求。同時(shí)，由于在建筑物頂部形成很大的負(fù)重，所以增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。另外這種供水方式的水質(zhì)容易受到污染，系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，這將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。3.氣壓供水方式模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水塔/水箱蓄水，通過監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔水箱要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性，靈活性大、建設(shè)快、不妨礙美觀，且可以通過改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。但缺點(diǎn)是

10、需要壓力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運(yùn)行效率低，因此電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高6。綜上所述，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)浪費(fèi)了很多水力資源和電力資源，效率低下，且可靠性低，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。它們還有一個(gè)共同的致命缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度不高，跟不上時(shí)代發(fā)展的需求。所以開發(fā)一種新型的自動(dòng)化程度高、可靠性高且節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。1.2.2 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析圖1-1 供水系統(tǒng)的基本特性figure1-1 basic characteristics of watersupply system變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是節(jié)能。在該系統(tǒng)中，最主要的是對(duì)水泵的控制，在日常生

11、活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由離心泵組成的供水系統(tǒng)普遍存在，下面就以離心泵為例分析變頻調(diào)速節(jié)能的原理。一、供水系統(tǒng)的特性和工作點(diǎn)1揚(yáng)程特性 以管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻髟谀骋晦D(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程ht與流量q間關(guān)系的曲線ht=f(q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖1-1中的曲線所示。揚(yáng)程特性是反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。2管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，全揚(yáng)程ht與流量q間關(guān)系的曲線ht=f(q)，稱為管阻特性曲線。如圖1-1中的曲線所示，管阻特性是表明由管阻（閥門開度）來控制供水能力的特性曲線。3供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖

12、1-1中的n點(diǎn)在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。4供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率pg（kw）稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比：pg=cphtq（1-1）式中cp比例常數(shù)。由圖1-1中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積0ang成正比7。二、調(diào)節(jié)流量的方法與比較在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。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 即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是

13、通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。圖1-2調(diào)節(jié)流量的方法與比較figure1-1 methodb and comparison of the regulation flow如圖1-2所示，設(shè)用戶所需流量qx為額定流量的60%（即qx=60%qn），當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至e點(diǎn)，這時(shí)：流量減小為qe（=qx）；揚(yáng)程增加為he；由式（1-1）知，供水功率pg與面積0dej成正比。2.轉(zhuǎn)速控制法 即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（

14、通常為最大開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%qn為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使qx=60%qn時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線，管阻特性仍為為曲線，故工作點(diǎn)移至c點(diǎn)。這時(shí)，流量減小為qe（=qx），揚(yáng)程減小為hc，供水功率pc與面積0dck成正比8。3.兩種方法的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（qx100%qn）的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差p便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積k

15、cej（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)能效果的最基本的方面。4從水泵的工作效率看節(jié)能(1)工作效率的定義水泵的供水功率pg與軸功率pp（輸入功率，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率）之比，即為水泵的工作效率，符號(hào)是p：p=pg/pp （1-2）(2)水泵工作效率的近似計(jì)算據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對(duì)值*的近似計(jì)算公式如下：p*=c1（q*/n*）c2(q*/n*)2 (1-3)式中，p*、q*、n*分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值；c1、c2常數(shù)，由制造廠家提供，c1與c2之間，通常遵循如下規(guī)律:c1c2=1(3)不同控制方式時(shí)的工作效率由式（1-3）可知，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時(shí)，由

16、于轉(zhuǎn)速不變，n*=1，比值q*/n*=q*，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯10。在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，由于在閥門開度不變的情況下，流量q*和轉(zhuǎn)速n*是成正比的，比值q*/n*不變。就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)9。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。5從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于：對(duì)用戶的管路情況無法預(yù)測(cè)；管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算；必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚(yáng)程和額定流量時(shí)，通常裕量較大10。所以，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，即使在用水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)

17、也常常處于輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。綜上所述，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能顯而易見，所以要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。1.2.3 研究意義變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在工農(nóng)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(guó)的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國(guó)家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量己達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國(guó)用電量的60%，但我國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國(guó)外平均水

18、平低20%，70%的電機(jī)只相當(dāng)于國(guó)際20世紀(jì)50年代的技術(shù)水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效比國(guó)外低20%左右，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重11。眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。飲水工程對(duì)于每個(gè)人來說都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無處不在。然而，作為飲水工程中最重要的供水這一環(huán)目前卻存在著很多問題，傳統(tǒng)供水方式己經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展和需求。要解決生產(chǎn)過程中能耗高的問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量

19、的有效措施，其重要性日益得到了國(guó)家的重視，在國(guó)內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。1.3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展變頻恒壓供水是在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的，所以談變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看看交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關(guān)器件。以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。20世紀(jì)70年代電力電子

20、器件開發(fā)的電力晶體管(gtr)和門極關(guān)斷(gto)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)12。20世紀(jì)80年代，又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(igbt)，它是一種電壓(場(chǎng)控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門極)信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來，出現(xiàn)了智能化功率集成電路(igbt)模塊和智能功率模塊(ipm)，它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)模化，包括了邏輯控制、功率、保

21、護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（spwm）的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中13。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。這無疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。我國(guó)的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵方面，但同國(guó)外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各

22、個(gè)行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來高電壓大電流的scr、gto、igbt等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容本文主要論述了變頻調(diào)速的基本原理及單片機(jī)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了表述如何利用單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個(gè)基于at89c51單片機(jī)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。2 單片機(jī)概述2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器

23、cpu隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、只讀存儲(chǔ)器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了i/o設(shè)備。事實(shí)上，單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40

24、多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作的單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過pc機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊(cè)中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對(duì)電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件

25、(包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號(hào)單片機(jī)開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。單片機(jī)控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，正逐漸取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制過程可以以軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計(jì)思想。是控制技術(shù)的一次革命。2.2單片機(jī)的發(fā)展史1974 年,美國(guó)仙童(firchild)公司研制出世界第一臺(tái)單片微型機(jī)f8。該機(jī)有兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從

26、此,單片機(jī)開始迅速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支,單片機(jī)的發(fā)展過程通?？梢苑譃橐幌聨讉€(gè)發(fā)展過程。第一代單片機(jī)(1974-1976):這是單片機(jī)發(fā)展的起步階段。在這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)特點(diǎn)是,制造工藝落后和集成度低,而且采用了雙片形。典型的代表產(chǎn)品有fairchild公司的f8和mostek387公司的3870等。第二代單片機(jī)(1976-1978):這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。這個(gè)時(shí)代生產(chǎn)的單片機(jī)隨眼已能在單塊芯片內(nèi)集成cpu,并行口,定時(shí)器,ram和rom等功能部件,但性能低,品種少,應(yīng)用范圍也不是很廣,典型的產(chǎn)品有inrel公司的mcs-48系列機(jī)。第三代單片機(jī)(197

27、9-1982):這是八位單片機(jī)成熟的階段.這一代單片機(jī)和前兩代相比,不僅存儲(chǔ)容量和尋址范圍大,而且中斷源,并行i/o口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全雙工穿行通信接口電路。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設(shè)了懲處法和比較指令。這一時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)品種齊全,可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。代表產(chǎn)品有intel公司的mcs-51系列機(jī),motorola公司的mc6801系列機(jī),ti公司的tms7000系列機(jī),此外,rockwell,ns,gi和日本松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機(jī)系列14。第四代單片機(jī)(1983年以后):這是十六位單片機(jī)和八位高性能單片機(jī)并行發(fā)展的時(shí)代,十六位機(jī)的

28、特點(diǎn)是,工藝先進(jìn),集成度高和內(nèi)部功能強(qiáng),加法運(yùn)算速度可達(dá)到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語(yǔ)言,如pl/mplus c和forth語(yǔ)言等。代表產(chǎn)品有intel公司的mcs-96系列,ti公司的tms9900,nec公司的783系列和ns公司的hpc16040等。我國(guó)開始使用單片機(jī)是在1982年，從那時(shí)到現(xiàn)在20多年的時(shí)間里，單片機(jī)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。國(guó)內(nèi)的單片機(jī)發(fā)展在前幾年以51及其兼容系列為主。直到現(xiàn)在51系列的芯片還在中國(guó)市場(chǎng)占有相當(dāng)大的比重。中國(guó)單片機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過近三十年的發(fā)展，及在國(guó)家的支持下，也產(chǎn)生了一些非常優(yōu)秀的單片機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家。2.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

29、的發(fā)展已明顯地朝三個(gè)方向發(fā)展；這三個(gè)方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理為主的工作仍然是巨型機(jī)在起作用，故而，巨型機(jī)在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，intel公司就給其單片機(jī)取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來越多，但要求也越來越高，在這個(gè)刺激下，單片機(jī)技術(shù)在很多方面都有了進(jìn)步。首先，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機(jī)已集成了越來越多的部件。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器，a/d轉(zhuǎn)換器，

30、d /a轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，watchdog電路，lcd控制器等。 有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊can。例如，infineon公司的c 505c，c515c，c167cr，c167cs-32fm，81c90；motorola公司的68hc08az 系列等。特別是在單片機(jī)c167cs-32fm中，內(nèi)部還含有2個(gè)can。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面?，F(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作

31、方式。philips公司的單片機(jī)p87lpc762是一個(gè)很典型的例子，在空閑時(shí)，其功耗為1.5 ma，而在節(jié)電方式中，其功耗只有0.5ma?，F(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機(jī)也大量采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機(jī)都可以在3.35.5v的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在2.26v的條件下工作的單片機(jī)。這些單片機(jī)有fujitsu公司的mb8919189195，mb89121125a，mb89130系列等，應(yīng)該說該公司的f2mc-8l系列單片機(jī)絕大多數(shù)都滿足2.2

32、6v的工作電壓條件。而ti公司的msp430x11x系列的工作電壓也是低達(dá)2.2v的15。 最后是工藝方面?，F(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用cmos技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了0.6m以上的光刻工藝，有個(gè)別的公司，如motorola公司則已采用0.35m甚至是0.25m技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性。綜上所述，單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)1 低功耗 制作工藝全部cmos化。這主要是出于對(duì)低功耗的要求，而且在單片機(jī)工作模式上，也有多種模式，如idel，sleep模式等。有的還使用雙晶振設(shè)計(jì)，在空閑時(shí)候關(guān)閉高速晶振，使用片內(nèi)或外部低速晶振。等機(jī)功耗非常低。2 資源豐富 盡管單片機(jī)

33、內(nèi)部已經(jīng)由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破?，?shí)現(xiàn)在單片化，但是出于成本和穩(wěn)定性的考慮，如a/d(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、d/a(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、pwm(脈沖產(chǎn)生器)以及l(fā)cd(液晶)驅(qū)動(dòng)器等也集成到內(nèi)部，出于開發(fā)和調(diào)試的方便，大多支持isp下載、片上調(diào)試、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位電路、甚至集成有單運(yùn)放電路。 有些高檔單片機(jī)，如一些32位的單片機(jī)，出于一些特殊市場(chǎng)，還在內(nèi)部集成有音頻解碼和合成，圖片和視頻解碼電路，dma通道，mmc等16。3 共性和個(gè)性共性，是指單片機(jī)的共同特性，8051為代表的單片機(jī)架構(gòu)和指令對(duì)整個(gè)單片機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其他單片機(jī)或多或少都會(huì)受到其加構(gòu)的影響。因此國(guó)內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)類似

34、于51系列的增強(qiáng)型的單片機(jī)，這些芯片，保留了8051單片機(jī)的功能特性的同時(shí)，增強(qiáng)了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機(jī)運(yùn)算速度提高十倍以上。個(gè)性是指一些面向特殊領(lǐng)域、特殊設(shè)計(jì)的單片機(jī)，如用于特殊控制的簡(jiǎn)單電路，有的單片機(jī)只有一個(gè)定時(shí)器，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，rom只有1k的sop-8的單片機(jī)，價(jià)格在1元人民幣以下。 總之，單片機(jī)的發(fā)展將進(jìn)一步多元化，單片機(jī)產(chǎn)品將更加豐富，單片機(jī)的盡用場(chǎng)合將進(jìn)一步細(xì)化。單片機(jī)將更易用、性能更加穩(wěn)定、價(jià)格更低，而主流仍然是8位機(jī)。2.4 at89c51單片機(jī)簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用at89c51作為控制。at89c51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電

35、壓、高性能cmos 8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有4kb的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128b的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該器件采用atmel公司的高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于芯片中組合有多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器，atmel的at89c51是一種功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的微控制器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。at89c51單片機(jī)的主要特性有：與mcs-51兼容，4kb可編程閃爍存儲(chǔ)器，1000次的擦寫循環(huán)周期，10年數(shù)據(jù)保留時(shí)間，0hz-24mhz全靜態(tài)工作，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定， 1288位內(nèi)部ram，32可編程i/o線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，

36、可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理在變頻調(diào)速恒壓供水系統(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)供水壓力的目的。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)。在調(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

37、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)。3.1 變頻調(diào)速的基本原理系統(tǒng)中的水泵機(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。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=601(1-s)/np=n1(1s) (3-1)式中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；1為電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；np為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。由式(3-1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，基本上正比于1，所以改變供電電源頻率1，即可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

38、這種調(diào)速方法,可以獲得很大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)速平滑性和相對(duì)穩(wěn)定性17。3.1.1 變頻調(diào)速的基本控制方式在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機(jī)的加減速時(shí)的快速性；如果增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是eg=4.441n1kn1m (3-2)式中，1定子頻率；n1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kn1基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通量。圖3-1 恒壓頻比控制特性 1-不帶定子壓降補(bǔ)償2-帶定子壓降補(bǔ)償figure 3-1 consta

39、nt voltage and frequency ratio control characteristics1- the compensation for pressure drop with no stator2- the compensation for pressure drop with stator由式（3-2）可知，n1、kn1是常數(shù)，只要控制好eg和1，便可達(dá)到控制磁通m的目的。對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1 基頻以下調(diào)速由式（3-2）可知，要保持m不變，當(dāng)頻率1從額定值1n向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低eg，使eg/1=常值 (3-3)即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率

40、比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接測(cè)量的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓u1eg，則得u1/1=常值 （3-4）這是恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)，u1和eg都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時(shí)，可以人為的把電壓u1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子漏阻抗壓降18。其控制特性如圖3-1所示。 2 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從1n向上增高，但電壓u1卻不能超過電機(jī)的額定電壓u1n，最多只能保持u1=u1n。由式（3-2）可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況19。 把基頻以下和基頻以上的情況結(jié)

41、合起來可得圖3-2所示的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，即電機(jī)都能在溫升允許情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的裝機(jī)容量足夠大，所以不會(huì)出現(xiàn)基頻以上調(diào)速的情況，因此主要考慮基頻以下調(diào)速。圖3-2異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性figure 3-2 the control characteristics of variable pressure and frequency control

42、 with asynchronous motor3.2 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)就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把水泵1（220kw）和水泵2（160kw）為一組，變頻調(diào)速控制系統(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20。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)見圖3-3。圖3-3 供水控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖figure 3-3 the structure diagram for the principle of water supply contro

43、l system分析控制系統(tǒng)機(jī)組（水泵1、2機(jī)組）工作過程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：（1）水泵2變頻啟動(dòng)；（2）水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行；（3）水泵1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。1.切換過程水泵2變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到50hz，水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(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， km2得電，水泵2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)水泵2的電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)，水泵2啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加

44、，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，水泵2自變頻器輸出端斷開，km1得電，水泵2切換至工頻運(yùn)行，水泵2自變頻器輸出端斷開，km1得電水泵2切換至工頻運(yùn)行。水泵2工頻運(yùn)行后，開啟水泵2閥門，水泵2工作在工頻狀態(tài)。接著km3得電，水泵1接至變頻器輸出端，接通變頻器fwd端，變頻器bx端斷開，水泵1開始軟啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟水泵1閥門，水泵1電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)水泵2由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，水泵1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。2.切換過程由水泵1變頻

45、運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?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，水泵1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)（f=fmin，ppk），在系統(tǒng)控制下，水泵2電機(jī)在工頻斷開，2水泵1繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。3.切換過程由水泵1變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?變頻停止，水泵2變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，水泵1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)（水泵1電機(jī)f=fi，ppi），接通變頻器bx端，

46、變頻器fwd斷開，km3斷開，水泵1電機(jī)自變頻器輸出端斷開；km2得電，水泵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。水泵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)。3.3 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調(diào)速范圍合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制。另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間就不同，設(shè)定時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過電流，

47、在減速時(shí)過電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過長(zhǎng)，它所帶來的問題很容易被設(shè)備外表的正常覆蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運(yùn)行狀態(tài)，所以現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)不同，測(cè)試出負(fù)載的允許最短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間21?？疾焖玫男是€，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即

48、可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體降低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%-100內(nèi)變化22，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如前所述，本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要采用atmel 公司的at89c51 單片機(jī)作為控制cpu (因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)片內(nèi)具有4kb 可編程閃爍存儲(chǔ)器)其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-1所示系統(tǒng)的工作原理是: 控制器通過檢測(cè)實(shí)際水壓值, 比較設(shè)定水壓值和實(shí)際水壓值的差別, 按pid 控制規(guī)律運(yùn)算后,輸出控制信號(hào)

49、至變頻器, 變頻器則根據(jù)控制器的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量增加時(shí), 控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率加大, 水泵轉(zhuǎn)速升高, 出水量增加; 當(dāng)用水量減少時(shí), 控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率降低, 水泵轉(zhuǎn)速下降, 出水量減少。通過這種控制方式, 就可以使自來水管道壓力保持在設(shè)定值上。圖4-1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖figure 4-1 system structure diagram如前所述，系統(tǒng)的核心控制cpu為at89c51單片機(jī)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行, 采用max813 作為系統(tǒng)的電壓監(jiān)控及watchdog 電路; 壓力變送器送來的420ma 的壓力信號(hào)經(jīng)ic7 轉(zhuǎn)換

50、為05v 的電壓信號(hào); 由a/ d 轉(zhuǎn)換電路adc0809將壓力傳感器的檢測(cè)水壓值和設(shè)定電位器的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量, 供單片機(jī)使用; d/ a 轉(zhuǎn)換電路采用dac0832 , 將單片機(jī)輸入的控制量轉(zhuǎn)換為420ma 電流環(huán), 控制變頻器的輸出頻率。變頻器采用常用于供水系統(tǒng)的td2100由單片機(jī)到配電部分的控制信號(hào)及系統(tǒng)的一些控制開關(guān)命令, 均通過光電耦合電路進(jìn)行隔離, 以減少?gòu)?qiáng)電回路對(duì)單片機(jī)的影響。完整硬件設(shè)計(jì)圖見附錄。4.1 主控單片機(jī)引腳說明本文所使用的at89c51單片機(jī)引腳分布見圖4-2。具體說明如下：vcc：供電電壓。gnd：接地。 圖4-2 at89c51引腳分布figure 4-2

51、 pin designation of at89c51p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接

52、收。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后

53、，它們被內(nèi)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(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)， ale只有在執(zhí)行movx，movc指

54、令是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(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 xtal2：

55、來自反向振蕩器的輸出。4.2反饋壓力檢測(cè)電路系統(tǒng)壓力檢測(cè)電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設(shè)定電位器和0809a/d轉(zhuǎn)換器等組成。壓力檢測(cè)電路如圖4-3所示。反饋壓力采集程序如下。反饋壓力采集程序如下：mov dptr,#5000h dptr指向0809通道0地址movx dptr,a 啟動(dòng)該通道a/d轉(zhuǎn)換up: mov a ,pi 讀轉(zhuǎn)換狀態(tài)eocjnb acc5,up eoc1未轉(zhuǎn)換完，等待movx dptr,a 轉(zhuǎn)換完讀回壓力值movx 48h,a 結(jié)果存入48h圖4-3反饋壓力檢測(cè)電路figure 4-3 detection circuit of feedback pressure4.3 輸出控制電路系統(tǒng)在運(yùn)行中，將壓力設(shè)定值和反饋值進(jìn)行比較后再按pid算法進(jìn)行計(jì)算，在將計(jì)算算結(jié)果u（k）經(jīng)0832d/a轉(zhuǎn)換后變成模擬控制電壓信號(hào)，再作用于交流變頻調(diào)速器。變頻調(diào)速器按其控制信號(hào)u（k）的大小來調(diào)節(jié)水泵的速度，以達(dá)到恒壓的目的。輸出控制電路如圖4-4所示。cpu訪問0832d/az轉(zhuǎn)換器的輸出控制程序如下mov dptr,#2000h dptr指向0832地址mov a ,25h 取控制信號(hào)u（k）送amovx dptr,a 輸出該控制信號(hào)圖4-4 輸出控制電路figure 4-4 control circuit of output4.4 控制輸入電路控制輸入