基于AT89C51的恒壓供水控制器的設計

1、基于AT89C5啲恒壓供水控制器的設計1 前言1.1 設計背景隨著社會經濟的飛速發(fā)展，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。尤其高 層建筑越來越多，這為高層建筑的供水提出了挑戰(zhàn)，原有的自來水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)不 足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水， 高層居民經常出現(xiàn)用水難問題， 給生活帶來極大不便。 傳統(tǒng)高層供水通常是采用固定在建筑上的供水塔或樓頂高位水 箱，以來自水局部加壓的形式供水， 但由于其造價高且影響建筑物結構強度及抗震性， 已逐漸被發(fā)展起來的氣壓供水所取代， 這種氣壓供水雖然可以取代任何高度的水塔或

2、 樓頂高位水箱，水質亦不易污染，占地面積小，然而它也存在著明顯的弱點，首先氣 壓供水設備笨重， 且主要部件氣壓罐式采用電容器， 其生產工藝復雜， 鋼材耗用量大， 投資成本高，其次，由于氣壓罐的調節(jié)容積較小，水泵啟動頻繁，這既影響了其電控 裝置中的電磁元件和水泵電機的壽命，同時大的供水泵電機功率又耗電，氣壓供水壓 力變動較大，直接影響水管網(wǎng)、閥、水表等使用壽命。過去經常出現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應 求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供大于 求 的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞。針對上述問題， 本

3、文研制了變頻恒壓供水系統(tǒng)， 該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設定參數(shù)， 通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節(jié)水泵電機的轉速， 實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調節(jié)(PID) ，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設定的壓力值。即用水量增加時，頻率升高，水泵轉 速加快，供水量相應增大，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過控制器加泵；用水 量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，供水量相應減小。也就是根據(jù)用水量的大小， 由供水控制器控制水泵數(shù)量以及變頻器對水泵的調速，來實現(xiàn)恒壓供水。同時達到供 水效率的目的“用多少水，供多少水” 。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱，水塔 , 水 質無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案 1 。此外，恒壓供水系統(tǒng)

4、對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產過 程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能 引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經 濟和社會意義。1.2 設計目標本設計以單片機 AT89C51做為控制核心并協(xié)調整個系統(tǒng)工作，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節(jié)水泵電機的轉速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的調節(jié)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn) 于設定的壓力值，實現(xiàn)恒壓供水。即用水量增加時，頻率升高，水泵轉速加快，供水 量相應增大；用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，供水量相應

5、減小。采用該供 水系統(tǒng)不需建造高位水箱或水塔，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。本次設計的預 期目標是：完成系統(tǒng)硬件電路的設計，并繪制出相應的原理電路圖；完成所需控制軟 件的流程設計和編程任務， 并在 proteus 上進行仿真達到預期的目的， 完成設計任務。252總體方案設計通過查閱大量相關技術資料，并結合自己的實際知識，主要提出了三種技術方案 來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面將首先對這三種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進行說明，并 分析比較它們的特點，然后闡述最終選擇方案的原因。2.1 方案比較2.1.1方案一方案一系統(tǒng)由泵機和可變頻網(wǎng)絡組成。 如圖2.1所示，以80C196為核心構成控制 器，將設定值與

6、壓力反饋值進行運算。系統(tǒng)通過壓力傳感器將電器部分與泵組聯(lián)系起 來，構成閉環(huán)系統(tǒng)。管網(wǎng)水壓圖2.1方案一的原理框圖2.1.2 方案方案二系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副兩個水泵電機及相關電氣控制設備 集成而成，是一種具有變頻調速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化智能設備。它可 同時對二臺三相380/50HZ,異步電動機行變頻調速和閉環(huán)控制，其系統(tǒng)組成示意圖如 圖2.2所示。從下圖中我們可以看到，自動恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采 用電動機調速裝置與供水控制器構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自 動調整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電

7、能的目的。圖22 方案二的原理框圖2.1.3方案三系統(tǒng)由專用變頻器、壓力傳感器、水泵等組成。如圖2.3。專用變頻器就是指有內置PID功能的變頻器。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對變頻調速恒壓供水設備進行合理的設計。國外不少生 產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品。如ABB公司的ACS600, ACS40（系列產品,富士公司的G11S/P11S系列產品。這些產品將PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。壓力給定圖2.3 方案三的原理框圖2.2 方案論證及選擇方案一的工作流程是80C196為核心構成控

8、制器，將設定值與壓力反饋值進行 PID 運算。系統(tǒng)通過壓力傳感器將電器部分與泵組聯(lián)系起來，構成閉環(huán)系統(tǒng)。運算結果以 0-10v 的電壓信號輸給變頻器，實現(xiàn)恒壓供水。方案二整個系統(tǒng)的具體工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器， 將供水管網(wǎng)的非電量信號 （動態(tài)壓力 ）轉變成電信號，輸入至供水控制器的輸入模塊， 信號經單片機運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出偏差值，再經過 PID 處理 得出最佳的運行工況參數(shù)，并將其轉換成模擬信號，由系統(tǒng)的輸出部分輸出變頻器的 頻率設定值至變頻調速器，變頻調速器控制水泵的轉數(shù)來調節(jié)管網(wǎng)內的實際壓力值趨 向于設定壓力值，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對于

9、多臺泵調速的方式，控制器控 制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)通過計算判定目前是否己達到設定壓力，決定是否增 加（ 投入） 或減少 （ 撤出） 水泵。即：當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網(wǎng)水壓 仍達不到預設水壓， 則將啟動令一臺工頻泵運行， （此設計只用兩臺電機且功率達到設 計要求）此后，往復工作，直至滿足設定壓力要求為止。反之，若管網(wǎng)水壓大于預設 水壓，控制器控制變頻器頻率降低，下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使 管網(wǎng)水壓保待恒定?？傊到y(tǒng)

10、可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循 壞運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質量。 兩個水泵電機及相關電氣控制設備集成而成。0-5V 的模擬信號， 送到單片機系統(tǒng)的 A/D該變頻恒壓供水控制器以單片機為核心， 器，用于檢測管道壓力， 并把出口壓力變成 轉換輸入端，再經A/D轉換變成相應的數(shù)字信號，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。單片機 經運算后與設定的壓力進行比較，得出偏差值，再經 PID 調節(jié)得出控制參數(shù)，經 D/A 轉換變成05V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水 泵的電機轉速，從而達到控制管道壓力的目的。當實際管道壓力小于給定壓力時，變 頻器輸出頻率升高，電機轉速

11、加快，管道壓力升高；反之，頻率降低，電機轉速減小， 管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測壓力（下降）一一控制器輸出（上升）一一 變頻器頻率（上升）一一電機轉速（上升），反之相反，最終達到恒壓。2）調試不方便，需要專業(yè)人事到方案三由專用變頻器與PLC組成的恒壓供水系統(tǒng)，這類變頻器的功能雖然強一些， 但是價格比通用變頻器卻要高很多。此種類型供水設備的花費不光體現(xiàn)在變頻器上, 還體現(xiàn)在PLC上，市場上PLC的價格也要高于單片機的價格。使其工作時需要專業(yè)人 員通過變頻器的控制面板，在變頻器的 PID選項中選擇合適的PID參數(shù)，再經過現(xiàn)場 調試校正，設備才可以正常運行。整個操作過程都必須有專業(yè)人員的

12、界入。因此，通 用性不好，這是這種變頻恒壓供水方案的另外一個缺點。綜上所述，其有下面兩個缺 點：（1）價格比較昂貴，不適合小型用戶的使用。 現(xiàn)場進行調試，這也增加了人力的投入資本。至變頻器中央處理器（MCU）,經PIDMCI處理器控制，使電機的轉速自方案二采用壓力傳感器反饋電壓信號（ 0-5V） 控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸出頻率的大小由作用 動增加或降低；當變頻主電機由變頻器拖動運行至最大頻率，壓力如還不能達到設定 的壓力值，貝U MCH動啟動定頻副電機，以期保持供水壓力恒定。這樣不但減小了電 動機的無功功率，而且提高了水泵的工作效率，節(jié)約了能源。采用變頻控制方式；其 操作方便，無須手動調節(jié)進

13、水閥門；啟動噪音低，由于啟動電流很小，減小了對電網(wǎng) 的沖擊，保護了用電設備。而且其系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較簡單，并且系統(tǒng)價格相對來說也 比較便宜，所以本次設計將采用方案二。3 系統(tǒng)硬件設計本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以及各個單元 模塊之間的聯(lián)接關系；同時本節(jié)也會對相關電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核 心器件進行必要說明。3.1 系統(tǒng)的選型本系統(tǒng)中主要使用了如下一些功能器件： AT89C51，ADC0808, 變頻器，壓力傳感 器。下面就這些器件的功能特點、選型作相應說明。3.1.1單片機 AT89C51AT89C51是美國ATME公司生產的低電壓，高性能CMOS位單片

14、機，片內含4Kbytes 的可反復察寫的只讀程序存儲器和 128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲（RAM,器件采用 ATME公司的高密度、非易失性存儲器技術生產，兼容 MCS-51的指令系統(tǒng)，片內置通 用8位中央處理器（CPU和Flash存儲單元，功能強大。主要性能參數(shù)：與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容、4K字節(jié)可重察寫Flash閃速存儲器、全靜態(tài)操作0HZH24MHZ32個可編程 I/O 口線、2個 16位定時/計數(shù)器、 6個中斷源、低功耗空閑和掉電模式 2 。AT89C51還可以進行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方 式停止中央處理器的工作， 能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、

15、 定時/ 計數(shù)器、 串行通信口 及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內容，但震蕩器停止工 作并禁止其他所有部件的工作直到下一個復位。3.1.2 變頻器通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型：普通功能型V/F 控制變頻器、具有 轉矩控制功能的高性能型 V/F 控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩，低速下負載轉矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。對于恒轉矩類負載或有較高靜態(tài)轉速精度要求

16、的機械采用具有轉矩控制功能的高功能型變頻器則是比較理想的。因 為這種變頻器低速轉矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。 為了實現(xiàn)大調速比的恒轉矩調速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、 動態(tài)性能好、響應快的生產機械（如造紙機械、軋鋼機等），應采用矢量控制高功能型 通用變頻器。大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸 出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電 流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是

17、 選擇變頻器容量的基本原則：（1）負荷的調速范圍。在調速范圍不大的情況下，選擇 較為簡易的V/F控制方式的變頻器。當調速范圍很大時，應考慮采用有反饋的矢量控 制方式。（2）恒轉矩負載只是在負荷一定的情況下負載阻轉矩是不變的，但對于負荷 變化時其轉距仍然隨負荷變化。當轉矩變動范圍不大時，可選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器，但對于轉矩變動范圍較大的負載，應考慮采用無反饋的矢量控制方式。（3）如果負載對機械特性的要求不高，可考慮選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器， 而在要求較高的場合，則必須采用有反饋的矢量控制方式。在眾多變頻器中基于運行可靠性、價格適中我們選定三菱公司出品的FR-500系列。

18、由式3.1和所要求的調速范圍901500r/min我們可以計算出變頻的范圍， 即頻率的調節(jié)范圍為3Hz50Hz之間，另外，考慮到此前我們選用的 YVP100L1-4型 變頻電機其標稱功率P=2.2KW額定電流In=5.2A，對于三菱公司的FR-500系列變頻 器標準規(guī)格型號的查看，如表 3.1所示，擬選用FR-A540-2.2K-CH型號的變頻器。fminn min P60空2 3Hz60式3.1maxnmax P60型乞上50Hz60式3.2表3.1 三菱FR-500系列標準規(guī)格型號 FR-A540- K-CH0.751.52.23.75.5適用電機容量（KW）（注1）0.751.52.23

19、.75.5輸 出額定容量（KVA）（注2）1.934.66.99.1額定電流（A）2.546912過載能力（注2）150% 60s 200% 0.5s （反時限特性）電壓（注4）三相 380V 至 480V 50HZ/60HZ再生制 動轉矩最大值允許 使用率100%轉矩-2%ED電 源額定輸入交流電壓、頻率三相 380V 至 480V 50HZ/60HZ交流電壓允許波動范圍323 至 528V 50HZ/60HZ允許頻率波動范圍± 5%電源容量（KVA）（注5）2.54.55.5912保護結構（JEM 1030）封閉型（IP20 NEMA1）（注 6）冷卻方式自冷強制風冷大約重量（k

20、g）連同DU3.53.53.53.56.03.1.3 A/D轉換器A/D轉換器是一種能把輸入模擬電壓變成與它成正比的數(shù)字量的器件，即能把被 控對象的各種模擬信息轉變成計算機可以識別的數(shù)字信息。A/D轉換器的種類很多，例如：計數(shù)器式A/D轉換器、雙積分式A/D轉換器、逐次逼近式A/D轉換器、并行式A/D轉換器。一般來說，計數(shù)器A/D轉換器、轉換速度很慢，所以很少采用；雙積分式A/D轉換器抗干擾能力強，轉換精度高，但轉換速度不夠理想，常應用于數(shù)字式測量儀表中； 計算機中廣泛采用逐次逼近式 A/D轉換器做為A/D轉換接口電路，因為它結構不復雜， 轉換速度也高；并行式 A/D轉換器的轉換速度最快，但因

21、其結構復雜而造價很高，故 只用于轉換速度極高的場合。故本設計選用的 A/D轉換器是ADC08083.1.4 壓力傳感器傳感器的主要作用是感受和相應規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律將其抓換成有用輸 出，特別是完成非電量的轉換。傳感器的組成并無嚴格的規(guī)定。一般來說，可以把傳 感器看做由敏感元件和變換元件兩部分組成。傳感器的分類：（ 1 ）按輸入量分類，以被測物理量命名，如位移傳感器、速度傳 感器、壓力傳感器、溫度傳感器、氣敏傳感器等。（ 2）按輸出信號形式分類，以模擬量輸出的為模擬式傳感器，以數(shù)字量輸出的為數(shù)字式傳感器。（ 3）按工作原理分類，以工作原理命名，如應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、

22、熱釋電傳感器、 壓電式傳感器、光電傳感器等。 （4）按能量關系分類，分為有源傳感器和無源傳感器。 有緣傳感器將非電量轉換為電能量，如電動勢、電荷式傳感器；無源程序傳感器不起 能量轉換作用。只是將被測非電量轉換為電參數(shù)的量，如電阻式、電感式及電容光煥 發(fā)式傳感器等。本設計中選用PTJ206壓力傳感器。PTJ206壓力傳感器采用全不銹鋼封焊結構， 具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質兼容性。 適于與樓宇供水等壓力測量與控制。 PTJ206 量程；0-150 （MPa ；介質溫度：常溫（-20 85攝氏度）；負載電阻大于50千瓦； 絕緣電阻；大于 20000兆瓦；密封等級： IP65。3.2 各單元模塊功

23、能介紹及電路設計本系統(tǒng)主要分為 9 個單元模塊，它們分別是：水管壓力測量模塊、時鐘模塊、復位模塊、按鍵接口模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、顯示模塊、穩(wěn)壓電源模塊。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。3.2.1水管壓力測量模塊要測量出水管的電壓就需要壓力傳感器。本次設計采用壓力傳感器來測量水管壓 力。壓力傳感器是利用晶體的壓阻效應制成的傳感器。當它受到壓力作用時，應變元 件的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。一般壓阻式傳感器是在硅膜片上做成 四個等值的電阻的應變元件，構成惠斯特電橋。當受到壓力作用時，一對橋臂的電阻 變大，而另一對橋臂電阻變小，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電

24、壓。由于硅壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應變的靈敏系數(shù)大50100倍，故硅壓阻式壓力3.1所示。傳感器的滿量程輸出可達幾十毫伏至二百多毫伏，有時不需要放大就可直接測量。另 外壓阻式傳感器還有易于微型化，測量范圍寬，頻率響應好（可測幾千赫茲的脈動壓 力）和精度高等特點。但在使用過程中，要注意硅壓阻式壓力傳感器對溫度很敏感， 在具體的應用電路中要采用溫度補償。目前大多數(shù)硅壓阻式傳感器已將溫度補充電路 做在傳感器中，從而使得這類傳感器的溫度系數(shù)小于±0.3%的量程。如圖圖3.1水管壓力測量電路3.2.2時鐘模塊設計時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同 步

25、時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在惟一的時鐘信號控制下嚴格地 按時序進行工作。該時鐘電路由兩個電容和一個晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體 管的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片 內振蕩器。輸出端為引腳X2,在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調電容， 形成反饋電路，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機工作的速度是由時鐘電路提供的。 在單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳間，接一只晶振及兩只電容就構成了單片機的時鐘電路，如圖3.2所示。電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一 些典型電路的參數(shù)。電路中電容 C1和C2對振蕩頻率有微調

26、作用，通常的取值范圍 30 ± 10pF;石英晶體選擇6MHz或 12MHz都可以。其結果只是機器周期時間不同，影響記 數(shù)器的記數(shù)初值和運算速度。C2圖3.2時鐘電路3.2.3復位電路的設計RST為了保RST保 持單片機的RST引腳為主機提供一個外部復位信號輸入端口。復位信號是高電平有 效的持續(xù)時間應為2個機器周期以上。復位后，單片機內部各部件恢復到初試狀態(tài)， 單片機從ROM勺0000H開始執(zhí)行程序。單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個 系統(tǒng)工作的可靠性。許多人在設計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調試成功后，在現(xiàn)場卻 出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復位電路設計不可

27、靠引起的。 在單片機應用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當由于程序運行出錯或 操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。所以，系 統(tǒng)的復位電路必須準確、可靠地工作。單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的 引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。 證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，通常使 RST保持高電平。只要高電平，則單片機就循環(huán)復位。本次設計采用上電自動復位電路。由于R?C電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復位。C3U ".亠.L111101r 1110k廠E；廠AI 1

28、0圖3.3復位電路3.2.4按鍵接口模塊設計本系統(tǒng)采用獨立式按鍵，獨立式按鍵的各按鍵相互獨立，每個按鍵都有一個輸入 線，各按鍵的狀態(tài)互不影響，CPU需對按鍵狀態(tài)分別檢測，只適用于按鍵數(shù)量較少的 場合。在此電路中，按鍵輸入部分采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的電平。在掃描時，先讀取P0 口的四位，若某位為低電平，應先延時lOms， 然后再讀取該位，如果讀得的值仍為低電平，可確認此鍵已按下，然后調用該鍵的鍵 處理子程序，各鍵的優(yōu)先級別由軟件安排。依據(jù)本次的設計要求我們大體分析在自動 部分需要4個按鍵，因此我們選擇獨立式鍵盤。在電路仿真當中，為了體現(xiàn)效果，把 最小步進臨時改

29、成了 5。按下啟停鍵后，系統(tǒng)將壓力傳感器傳過來的信號進行轉換后 進入單片機，顯示出當前的水壓。按下設置鍵后，系統(tǒng)顯示出設定的壓力值，如果對 設置的水壓進行調整，通過增減鍵，可以進行單位為5的調整。如圖3.4所示，電路由4個按鍵和4個電阻組成，按鍵分別命名為增一鍵、減一 鍵、設置鍵和啟停鍵，共四個鍵，電阻可以采用9腳排阻（8X10KQ）。啟停鍵功能：啟動/停止，執(zhí)行開始自動運行和停止功能；設置鍵功能：設置，與加一鍵和減一鍵配合對壓力進行調整，開始設置。增一鍵鍵功能：+1,與設置鍵鍵配合對壓力進行調整，加一鍵鍵每按下一次則進 行數(shù)據(jù)進行+1操作。減一鍵鍵功能：-1，與設置鍵鍵配合對壓力進行調整，減

30、一鍵鍵每按下一次則進 行數(shù)據(jù)進行-1操作。圖3.4 按鍵接口電路0325A/D轉換模塊計算機、數(shù)字通訊等數(shù)字系統(tǒng)是處理數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。 然而，在實際應用中, 遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉換為數(shù)字信 號。A/D轉換器正是基于這種要求應運而生的。由于壓力傳感器傳過來的信號為模擬 信號，在接入前要加A/D轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號，本次設計采用常用的A/D轉換芯片ADC0808.如圖3.5所示。U-rVCLOCIO-I JL -H U U H U UU U oucoooo c'CLOCKE TnrNO rj -I NZN>N4Nfl NO

31、r-i 7¥- 衛(wèi).AH? A AE'D add t?OE圖3.5 A/D轉換電路326D/A轉換模塊D/A轉換電路用我們比較熟悉的DAC0832來作，DAC0832S用了二次緩沖輸入數(shù)據(jù) 方式（輸入寄存器及DAC寄存器）。這樣可以在輸出的同時，采集下一個數(shù)字量，以提 高轉換速度。如圖3.6所示。U2CP/sWPilh 1 A¥89hb-1J丨-.20i191311015141312TTU3VCCWRGWTO?DI?UI4LILDI5DllCISCIODI7VFEFIGUT；FFBICUT1CNLD.4C3a33'=;= .圖3.6 D/A 轉換電路3.2.

32、7顯示模塊設計單片機應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人一機對話。這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干 預與數(shù)據(jù)輸入，以及應用系統(tǒng)向人們顯示運行結果等。顯示器、鍵盤電路就是用來完 成人機對話的人一機通道。本次設計中要求作到4組LED顯示，LED顯示器的控制方式為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種，因此在選擇 LED驅動時，一定要先確定顯示方式。若 選擇靜態(tài)顯示，則LED驅動器的選擇較為簡單，只要驅動器的驅動能力與顯示器電流 相匹配即可。而且只須要考慮段的驅動因為共陽極接 +5V,而共陰接地，所以位的驅動不要考慮。動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段選和位選信號共同配合完成 的，因此，要同時考慮段和位的驅動能力，而且段的

33、驅動能力決定位的驅動能力。女口 圖3.7所示。£圖3.7顯示模塊電路3.2.8電機控制設計壓力傳感器將壓力信號經過A/D轉換后輸入到單片機，如果壓力和設定壓力有偏 差，單片機將控制變頻器調頻使壓力值穩(wěn)定，當變頻主電機由變頻器拖動運行至最大 頻率，壓力如還不能達到設定的壓力值，則 MClU動啟動定頻副電機，以期保持供水 壓力恒定。這樣不但減小了電動機的無功功率，而且提高了水泵的工作效率，節(jié)約了 能源。圖3.8電機控制電路3.2.9 穩(wěn)壓電源模塊3.9。大部分的電子電路與電子設備都需要有一個穩(wěn)定的直流電源提供能量，而且對于 我們通常所接觸的控制器而言， 一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，

34、經過整流、濾波、 穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動、干擾成分，提供一個穩(wěn)定的直流電壓，來使電子電路 與電子設備保持正常的工作。并且，我們目前絕大部分電子電路與電子設備都是使用 線性電源，即通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片 工作的。固定式三端穩(wěn)壓電源（7805）是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GNffl成,它 的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW78X）系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進一步的濾波,輸出 端也要接電容可以改善負載的瞬間影響，此電路的穩(wěn)定性也比較好。由于固定式三端穩(wěn) 壓電源（7805）的輸出電流有1.5A，而本次設計電路電流在1A到2A之間，考慮到電 路的一般余量在

35、2倍到3倍左右。故本次設計電源電路需要采用擴流電路，如圖rI=Rt BP1plINOUTC113 ivkCT?0畑F圖3.9穩(wěn)壓電源電路采用外接PNP型大功率管的方法，這是一種最基本的擴展電流電路，擴展的輸出電流取決于外接功率管的電流負載量，電路中的R1是VT的偏置電阻，為VT1提壓導通時的基極偏壓，VT與集成穩(wěn)壓器內電路中的NPN型調整管組成復合管，設Ir為流 過電阻R1中的電流，Ic為流過外接調整管的集電極電流， 這時7805的輸出電流為Ioxx，可表示loxx Ir夕/ 數(shù)，穩(wěn)壓擴展后的輸出電流Io可表示為Io Ic Ioxx。Td為7805的靜態(tài)工作電流,Id式中為VT的電流放大系因為

36、7805的的最大輸出電流為1.5A，當Io取1.5A時，則穩(wěn)壓器的擴展后的輸出電流為 3A,加一只二極管VD與 R1并聯(lián)，把外接整流管的VT1的發(fā)射結電阻限制在0.7V以內，當輸出電流超過額定 值時，保護電阻R2上的壓降增大，必然會使VT1的Vbe減小，從而使VT1的輸出電流 減小，以至不導通，這樣便達到了保護外接管的目的。電路中的VT1可選用3CD6等PNP型硅低頻大功率管。4 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計原理及設計所用工具軟件的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，框圖，先制定各部分程序的流程圖，然 后再根據(jù)流程圖編寫各部分程序，通過調試各部分程序運行正確無誤后，再進行主程 序的調試，看是否能實現(xiàn)

37、預期的功能。系統(tǒng)能否完全正常工作，最主要的也是最關鍵的是看軟件程序是否正確，它關系 到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，可以說，軟件是一個系統(tǒng)的靈魂。本設計所使用的軟件工具如下： (1) 開發(fā)平臺 KeilC51 ；(2) 編寫語言 C/C+;Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā) 系統(tǒng)，是目前最流行開發(fā)80C51系列單片機的軟件，提供了包括 C編譯器、宏匯編、 連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成 開發(fā)環(huán)境將這些部份組合在一起。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用

38、。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。4.2 主程序流程圖恒壓供水控制器對生活供水、消防供水系統(tǒng)進行監(jiān)控，要求軟件具有高可靠性、 高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，檢測信號準確，有良好的動靜態(tài)性能，該軟件按結構化流 水設計，分為若干功能部分，采用 C 語言編寫。本設計的軟件主程序用來動態(tài)顯示系 統(tǒng)的壓力，壓力的采樣和系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)都在中斷處理程序中 , 主流程圖如圖 4.1：開始主程序初始 化開始TO中 斷，設置TO為1OMS的中斷按鍵處理子程序壓力的動態(tài)顯示圖4.1主程序流程圖4.2.1TO中斷服務程序程序流程圖如下：如圖4.2示，變頻器控制M1電機，M2電動機由單片機控制, 其標志位為M2(

39、1) A/D轉換子程序其主要任務是把壓力傳感器檢測的壓力轉換成數(shù)字量，并送入單片機處理(2) D/A轉換子程序其主要任務是把經PID處理過的數(shù)據(jù)轉換成模擬量，來控制變頻器輸出電壓的頻率，來控制水泵的轉速，以達到控制供水壓力的目的。(3) PID 調節(jié)程序 本設計就是通過單片機實現(xiàn)的 PID 調節(jié)器來實現(xiàn)水壓的恒定， 并自動調節(jié)水泵的 數(shù)量。 PID 有幾個重要的功能：提供反饋控制；通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差：通 過微分作用預測將來。數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。隨著計以此來獲得控制目標。m(k)。離散的PID表算機技術的發(fā)展，在控制工程中，

40、用計算機 PID 控制算法來實現(xiàn)數(shù)字 PID 控制器， 組 成計算機控制系統(tǒng)。 可以靈活的改變 PID 參數(shù)， 同時可以改變控制策略來達到控制目 的。這是模擬 PID 控制器中所無法實現(xiàn)的。 這里所說的控制策略是數(shù)字 PID 的改進算 法，如積分分離 PID 控制算法、 不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和 帶死區(qū)的 PID 控制算法等。在各個控制階段采取各種控制方法， 本設計采用增量式 PID 控制，所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 達式為：k式 4.1u(k) KPe(k) KI e( j) KDe(k) e(k 1) j0當執(zhí)行機構需要的是控

41、制量的增量(如驅動步進電機 )時，量的 PID 控制算法。根據(jù)遞推原理可得k-1K I e( j) K De(k 1) e(k 2)j0u(k -1) K Pe(k -1)用式 4.1 減去式 4.2，可得KP e(k) KI e(k)KD e(k) e(k 1)可由式 (4-1)導出提供增式 4.27。27式 4.3K P e(k) K Ie(k) K D e(k) e(k 1)其中： e(k) e(k) - e(k - 1) ，式 4.3 稱為增量式 PID 控制算法。可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T, 一旦確定了 KP，Ki，Kd，只要使用前后三次測量值的偏差，即可有

42、式4.3求出控制增量。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量Au(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量。對應閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用如上算式并通過執(zhí)行軟件來完成進入TO中斷讀A/D轉換器PID調節(jié)是否為 最大值是否為最小值標志位M2是否 為1標志位M2是否 為1置標志位M2為1 ,（開M2電機）PID調節(jié)數(shù) 據(jù)送D/A轉換器圖4.2 TO中斷服務程序流程圖清標志位M2為0 （關M2電機）34422獨立按鍵程序設計按鍵接收子程序主要是實現(xiàn)對當前設定壓力的調整。根據(jù)按鍵電路的設計可知, 當設置鍵按下時可以產生中斷請求， CPU響應中斷請求時，則進入該中斷服務程序。在程序中，將對當前

43、設定的壓力進行調整，利用增一鍵和減一鍵鍵配合使用，每次對增一鍵鍵的按下則進行累加；同樣對減一鍵鍵按下則進行減1操作。置無鍵按下（P0 FFH）標志是否有鍵按下（讀P0 口值）調延時子程序Y是否有鍵按下（再、次讀P0 口值）確認有鍵按下保存鍵值進入鍵盤處理程序圖4.3 鍵盤掃描程序流程圖4.2.3LED動態(tài)顯示程序模塊的設計它降低了 CPU 的CPU 并行工作，溢出中斷功能實現(xiàn)在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得 LED 顯示比較均勻，又有足夠的亮度，需 要設置適當?shù)膾呙桀l率。當掃描頻率在 70Hz 左右時，能夠產生足夠的圖形和較好的 顯示效果。一般可以采用時間間隔 10ms 對 LED 進行動態(tài)掃

44、描一次，每一位 LED 的 顯示時間為1ms。在單片機中，定時器功能既可以由硬件（定時/記數(shù)器）實現(xiàn)，也可 以通過軟件定時程序實現(xiàn)。軟件延時程序占用 CPU 的時間，因此， 利用率；硬件定時是利用單片機片內定時器，啟動以后定時器可與 不占用CPU的時間，使得CPU有較高的工作效率。本設計采用硬件定時和軟件定時并用的方式，即用定時器 1 10ms定時，通過軟件延時程序實現(xiàn)1ms的定時。T1定時器中斷服務程序的功能，從 顯示緩沖區(qū)分別取出4位LED顯示數(shù)據(jù)的位碼和段碼，送 P0 口，依次顯示每一位， 顯示4位需要4ms的時間。在設定時間時候，對當前需要調整的設定值應具有閃爍功 能，用來提醒當前處于

45、設置狀態(tài)。I進入T1中斷/保護現(xiàn)場關T1中斷把DATA1中數(shù)據(jù) 寫到DATA中根據(jù)CLK，送COM+1位選COM端四位顯示是否結束恢復現(xiàn)場，開T1中斷，恢復T1初值返回圖4.5 LED動態(tài)顯示程序程序流程圖5系統(tǒng)調試本章對系統(tǒng)的各模塊進行了仿真調試。5.1 Proteus仿真軟件介紹Proteus軟件是Labcenter Electronics公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES莫塊主要用來完成 PCB的設計，而ISIS模塊用來完 成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術，它與其他軟件最大 的不同也是最大的優(yōu)勢就在于它能仿真大量的單

46、片機芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機外圍電路，比如鍵盤、LED LCD等等。通過Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗室17。軟件仿真有很多特點和優(yōu)勢，如：可以隨意方便的更換和改變電路中的器件及線路，仿真的過程中不會損壞器件，從而降低了產品開發(fā)的成本。本文中由于我們主要使用Proteus軟件在單片機方面的仿真功能，所以我們重點 研究ISIS模塊的用法，在下面的內容中，如不特別說明，我們所說的Proteus軟件特 指其ISIS模塊。5.2軟件調試521水管壓力顯示的仿真為了能夠實現(xiàn)仿真，在仿真時用滑動變阻器來模擬水管水壓。通過調節(jié)電阻的

47、大 小來改變水管的水壓值。在調節(jié)電阻值的時候，顯示管上所顯示的值隨之變化。合上 按鍵電路中的啟停鍵系統(tǒng)工作。用戶通過開閉啟停鍵來控制系統(tǒng)的開關，當開關啟停 鍵未合上時，系統(tǒng)不工作，顯示管顯示 FREE如圖5.1所示。當開關啟停鍵合上時, 系統(tǒng)開始工作，顯示出當前水壓。-iR山-二圖5.1顯示仿真5.2.2恒壓值的仿真合上設置鍵后，系統(tǒng)顯示出恒定壓力值，通過增減鍵可以調節(jié)其大小。單片機把 信息輸入DAC0832后將數(shù)字信號轉換為模擬信號，通過變頻器后調節(jié)水泵的轉速，用 來保持恒定的水壓。如圖5.2所示，為開始設定的恒壓值。系統(tǒng)設定的開始恒壓值是 150。165。因為恒壓力的需求不同，就要根據(jù)不同

48、用戶的需要來調整恒壓值。 合上設置鍵后, 按增一鍵一下，數(shù)值增加5,減一鍵一下，數(shù)值減少5。這樣就可以調節(jié)所需要的壓力。 如圖5.3所示，按可三下增一鍵后顯示鍵置設鍵停啟DZUQCDDL L<!4器感傳力壓管水擬lqjcON2N3N7qe 2 一4N5N7N6NADQCCDQCBDQCELANX15C6： otN PoCUQC鍵一鍵鍵鍵 停一設啟減«br2l-uttRVCu邑 器咸律力水擬模uo屬 彳 1D 4 _DZUQ? 7 -CA 0 OOOUUUUOABC EFNNNNNNNN AAA A EVarnocCCD2卩8興15悄JrWhuriPP PP PPP P PP P

49、P P P PP ppipip PpppLLL L K KK K AA A AA AAA 淞ffiKH京目2郎2l8 .0UDfX A SSe 卡 PPPPPPPP5678EDipYC =0 C = = 0I圖5.2恒壓值顯示|E 扉 PPPPPPPP4 4 5 16 7 u8CDEFGp圖5.3調節(jié)后的恒壓值顯示2結論本論文的研究主要完成了以下內容： 通過對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理和控制原理的分析，用單片機匯編語言結合硬件電路，設計出以 AT89C51 為核心的恒 壓供水控制器。 并將數(shù)值 PID 算法應用到變頻恒壓供水控制器中， 使得用戶在使用時 更加方便快捷。變頻調速恒壓供水是現(xiàn)代

50、化城市和生活小區(qū)供水的發(fā)展方向，采用單 片機控制的變頻供水系統(tǒng)具有工作可靠、實現(xiàn)容易、價格低廉等特點，是較理想的控 制器。當然由于自己能力所限和時間的緊迫，這個設計還有很多缺陷，無法應用于實 際，在電路設計方面也有考慮不足，由于沒能做出實物，還無法對電路進行調試。只 有在以后的工作中去完善。39參考文獻1 王曉明. 電動機的單片機控制 M. 北京：北京航空航天大學出版社， 2002.62 王曉君，安國臣.MCS-51及兼容單片機原理與選型M.北京：電子工業(yè)出 版社， 2003.5345盧京潮自動控制原理 M. 西安：西北工業(yè)大學出版社， 2004.2 吳忠智，吳加林變頻器應用手冊 M. 北京：

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53、5致謝在本次畢業(yè)設計過程中我的指導教師張煥梅老師給予了我無私的幫助與耐心的指 導，期間解決了我在設計過程中的許許多多的疑問，同時對于自己設計過程中的某些 知識盲點也耐心地給予講述，從而使得自己的畢業(yè)設計能順利完成。在此，對于張煥 梅老師的無私幫助表示最真誠的感謝。 當然，設計的評閱也花費了老師們很大的精力， 并且對于自己整個設計的不足之處，也給予了熱心的指正。對此，表示衷心地感謝。附錄1系統(tǒng)的原理電路圖陽rf:anAMH¥ip-亠匚士1L 1ITP U 呼； 窗 VC”A強1-isTlfc-rIH m M HM備；.iMBBEFPP葦J 咄3rT壽一丄"*|3可M ”鬲匯h 下 一 _J -rrr回??；_-l-理匚二H3#include "AT89x51.h"#define ulong unsigned long#define uint unsigned int#def