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

湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目單片機(jī)構(gòu)成的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計作者李鐵雄學(xué)院信息與電氣工程專業(yè)自動化學(xué)號指導(dǎo)教師沈宏遠(yuǎn)老師二一一年四月八日目 錄前言11 緒論11.1 恒壓供水系統(tǒng)的概念11.2變頻器的基本概念1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)11.4 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93.1 硬件總體說明93.2 555定時器復(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)計圖165 結(jié)論18附錄19參考文獻(xiàn)2726基于單片機(jī)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計前言 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水的質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水企業(yè)新的要求。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟(jì)型的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)。所以，對于某些用水區(qū)提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。恒壓供水是指在供水管網(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(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)的提出采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)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(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實(shí)現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點(diǎn)測的壓力信號（420）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度。水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。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)水泵電動機(jī)無級調(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）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時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，對合理設(shè)計變頻器調(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。 變頻器的基本概念1、基本概念 （1） VVVF 改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）的縮寫。 （2） CVCF 恒電壓、恒頻率（Constant Voltage and Constant Frequency）的縮寫。各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。 變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱進(jìn)行出售。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。例如計算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。 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，通過變頻器內(nèi)置的PID控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時，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，電動機(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、長周期運(yùn)行。長期以來區(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，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)速從而改變水泵工作點(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)是一個十分關(guān)鍵的問題。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會引起水泵運(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單片計算機(jī)在這里主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用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)場生產(chǎn)的實(shí)際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，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，只需開動一臺大機(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，即把1#水泵電機(jī)（160KW）和2#水泵電機(jī)（220KW）為一組，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。分析自動控制系統(tǒng)機(jī)組（1#、2#水泵機(jī)組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：a.1#電機(jī)變頻啟動；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，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)對應(yīng)著三個切換過程。切換過程1#電機(jī)變頻啟動，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，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。變頻器對拖動1#泵的電動機(jī)采用軟啟動，1#電機(jī)啟動，運(yùn)行一段時間后，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，運(yùn)行一段時間后，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，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（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，2#電動機(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（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，于此同時變頻器BX端斷開。1#電機(jī)開始軟啟動?？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)。即通過改變電動機(jī)定子電源效率來改變電動機(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，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，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，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，當(dāng)用水量由Qmax下降時，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，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即為此時的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到Q1時，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，當(dāng)用水量由Qmax下降到Q1時，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，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，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，降低了起動電流，避免了對供電系統(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)速時是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無級調(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，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)速從n0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)時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運(yùn)行在C點(diǎn)時消耗的軸功率與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，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，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定時器復(fù)位電路用NE555組成的硬件定時復(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定時電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號至RST，達(dá)到定時復(fù)位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時電路，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，可以得到不同的時間常數(shù)。脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C振蕩周期計算公式：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時間。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(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 個點(diǎn)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8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，如圖3.3.2-1。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，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，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 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，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的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉(zhuǎn)換，EOC 信號在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)。我們在設(shè)計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機(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AD0809 后經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r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 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當(dāng)頻率范圍為500KHZ 時，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，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。a. uVision2 for Windows：是一個集成開發(fā)環(huán)境。它將項(xiàng)目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個強(qiáng)大功能的環(huán)境中。b. CX51國際標(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，生成絕對目標(biāo)模塊。e. LIB51庫管理器：從目標(biāo)模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。f. OH51目標(biāo)文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標(biāo)模塊生成Intel HEX文件。g. RTX-51實(shí)時操作系統(tǒng)：簡化了復(fù)雜的實(shí)時應(yīng)用軟件項(xiàng)目的設(shè)計8。4.2 單片機(jī)資料單片微型計算機(jī)簡稱為單片機(jī)，有稱為微型控制器，是微型計算機(jī)的一個重要分支。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：在系統(tǒng)擴(kuò)展時，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對外部進(jìn)行存取時，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，允許地址鎖存信號，當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE信號負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當(dāng)ALE是低電平時，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲器期間，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ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。 PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機(jī)內(nèi)部有一個4KB或8KB的程序存儲器（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，這個脈沖的輸入端口就是PROG。 EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號 a. 接高電平時： CPU讀取內(nèi)部程序存儲器（ROM）。 擴(kuò)展外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。 b. 接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（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，這個腳是一直接低電平的。 c. 8051寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。 RST 復(fù)位信號：當(dāng)輸入的信號連續(xù)2個機(jī)器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，當(dāng)復(fù)位后程序計數(shù)器PC=0000H，即復(fù)位后將從程序存儲器的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)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 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，跟計算機(jī)的CPU芯片很接近了9。4.3 軟件的程序設(shè)計圖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)合我國供水的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套一拖多的控制系統(tǒng)，在這個畢業(yè)設(shè)計中有如下認(rèn)識；a. 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(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。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的控制方式，沒有對供水管網(wǎng)的水量平衡進(jìn)行綜合考慮。針對傳統(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延時程序void display();/顯示程序void ad0809();/芯片啟動程序void key();/鍵掃描程序main()number=1;P1=0x00;while(1)ad0809();/調(diào)AD0809 啟動子程序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;/選通第二個數(shù)碼管delaynms(3);P0=tabad_data1;/送整數(shù)顯示P0_7=0;/點(diǎn)亮第三個數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)P2=0x0d;/ 選通第三個數(shù)碼管delaynms(3);P0=tabnumber;/送通道號顯示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 integr