1、本科學生畢業設計恒壓供水控制系統的設計院系名稱：電氣與信息工程學院專業班級：電氣班學生姓名：指導教師：職 稱：摘 要本文提出的系統設計方案是以atmel公司的at89c51為基礎，同時描述 了包括變頻器和傳感器在內的硬件控制系統和相應的軟件控制系統。充分發揮 了單片機成木低，易于使用的特點。因為電機的轉速與水泵耗電功率的三次方 形成正比關系，所以會使水泵調速運行的節能效果變得更加顯著，平均耗電量 較一般的供水方式節也能節省近四成。系統本身使用51型單片機進行控制，可 以實現主泵變頻，副泵軟啟動，工作時具冇短路保護、過流保護等功能，性能 上具有工作穩定可靠，延長電機使用壽命等優點。隨著社會經濟的

2、飛速發展與 城市建設規模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市 供水的數量、質量、穩定性提出了越來越高的要求。建設節約型社會，合理開 發、節約利用和有效保護水資源也是一項艱巨任務。因此，有利于節能節水的 變頻調速恒壓供水系統得到了更廣泛的應用。木文論述了變頻調速恒壓供水系 統的調速原理及節能分析，描述了變頻調速恒壓供水系統的設計和實現方法。關鍵詞：變頻調速；恒壓供水；at89c51單片機；電機轉速；水泵abstractthis paper discusses the frequency conversion speed adjusting water supply syste

3、m and energy-saving principle of speed control, and mainly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system the proposed system design is based on the companyfs at89c51 based atmel, also described including the transducer and sensor con

4、trol system including hardware, software control systems and the corresponding. give full play to the single chip low cost, case of use. because the three party motor speed and pump power consumption of the formation of proportional relationship, so the effect of energy saving pump speed becomes mor

5、e and more obvious, the average power consumption than the general way of water festival also can save nearly four into. the system uses 51 monolithic integrated circuits to control, realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft starting, in operation has circuit protection, ov

6、er-current protection and other functions, in the performance has the operation stability to be reliable, prolongs electrical machinery service life and other merits. with the progress development of social economic and the constmct scale of city continuously enlarge, increasing of population and st

7、andard of living of people continuously improved, more and more demanding to quantity, quality and stability of water supply bring for ward in city. build a conservation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conservation is a difficult task.

8、therefore, it is conducive to saving energy and frequency conversion speed adjusting water supply system has been more widely used.keywords: frequency control; constant pressure water supply; at89c51 meu;motor speed; water pump目錄摘要iabstract11第1章引言11.1恒壓供水控制系統的介紹11.2恒壓供水控制系統的設計方案及主要特點11.3恒壓供水控制技術的背景及

9、研究意義2第2章恒壓供水控制系統的工作原理42恒壓供水控制系統的工作過程52.2變頻調速的基本調速原理62.3水泵變頻調速節能分析82.4系統的參數選取及調速范圍92.5 本章小結10第3章 恒壓供水控制系統的硬件設計113主控單片機說明及引腳113.2 系統主耍組成電路133.2.1反饋壓力檢測電路133.2.2 輸岀控制電路14323看門狗電路143.3 led數值顯示電路153.4壓力報警電路173.5鍵盤開關設置電路173.6 電源電路183.7 光電耦合電路193.8 供水設備的選擇203.8.1 水泵電機的選擇203.8.2 變頻器的選擇213.8.3壓力傳感器的選擇213.9 本

10、章小結22第4章 恒壓供水控制系統的軟件設計234.1主程序框圖234.2繼電器控制子程序234.3 a/d子程序244.4 p1d控制子程序254.5 本章小結26參考文獻27致謝28結束語29附錄a30附錄b39第1章引言1.1恒壓供水控制系統的介紹隨著人民生活水平的日趨捉高，新技術和先進設備的應用，使供水設計得到 了新的發展機遇，人性化的多層次住宅組合成為了當前住宅建筑的規劃趨向，人 們追求的不僅僅是立面和平面的美觀和合理，空間上布局的流暢和設計中貫徹以 人為木的理念成為了人們眼中的重點，特別是在市場經濟的浪潮中，土地使用效 率最人化尤為垂耍。就在供水系統面臨新的挑戰的時候，一種符合各方

11、面規范、 安全又經濟合理的供水方式出現了。那就是變頻調速恒壓供水，它是一種在供水 管網中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據用 戶需求確定的，傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實 現，隨著變頻調速技術的h益成熟和廣泛應用，利用變頻器、pid調節器、傳感 器等器件的冇機組合，構成控制系統，調節水泵的輸岀流量，實現恒壓供水。恒壓供水系統是指用戶端不管用水量大小，總保持管網中水壓基本恒定。這 樣既可滿足各部位的用戶對用水量的需求，乂不會產生電動機空轉，造成電能的 浪費。為實現上述目標，需要變頻器根據給定壓力信號和反饋壓力信號，調節水 泵轉速，從而達到控制

12、管網中水壓恒定的目的。均勻改變交流屯動機定子繞組的 電源頻率f,可以平滑地改變電動機的同步轉速電動機轉速。變慢軸功率就相應 減少，電機輸入功率也隨之減少這就是水泵變頻調速的節能作用。為了保持調速 時電動機的最大轉矩不變，需耍維持電動機磁通恒定。因此，耍求定子繞組電壓 也要做相應的調節，變頻調速即兼冇調頻調壓兩種功能變頻調速器，就是基丁此 原理而實現調速的。在供水系統中應用變頻調速技術實現水泵的運行速度，由實 際用水的多少來進行口動調節，比水泵在額定轉速下運行可以大大節省電能，并 且可以實現供水的全面自動化，因此變頻恒壓供水的技術得到了廣泛的應用。1.2恒壓供水控制系統的設計方案及主要特點1.

13、設計方案系統以單片機為核心，將一個遠傳壓力表安裝在水泵的出水管道上，來檢測 管道壓力，把出口壓力數值轉換成05 v或420 ma的模擬信號，送到單片 機系統a/d轉換器的輸入端，經a/d轉換器變為相應的數字信號，送入at89c51 單片機中進行數據處理。經過單片機運算后與設定的壓力值進行對比，得出數據 的偏差值，最后通過pid調節得出控制參數，送到d/a轉換變成05 v或010 v的模擬信號，最終送入變頻器中，來控制其輸出頻率的變化，以此調節水泵的 電機轉速,從而達到控制管道中壓力的目的。系統檢測到給定壓力大于管道壓力 時，變頻器輸出的頻率逐漸升高，電機轉速同時加快，管道壓力升高；相反，變 頻

14、器頻率降低，同時電機轉速減小，使管道壓力下降，如此上下調整多次，最終 達到偏差值為零。通過這樣的方式使實際壓力圍繞設定的壓力值附近上下波動， 達到供水壓力恒定。所以現代化城市供水的發展方向就是變頻調速恒壓供水，系統采用單片機控 制，具冇性能優越，工作可靠，實現容易，價格低廉等特點，是目前為止較理想 的控器。2. 主要特點(1) 節約能源，電能的節省高達20%40%,實現綠色用電。(2) 占地而積小，需要的投資少，使用的效率高。(3) 機器的配置靈活，自動化程度比較高，達到的功能齊全。(4) 設備運行合理，由于是軟啟和軟停，可以消除一些不良效應，而且因為 電機軸上的磨損和平均扭矩減小，從而減小了

15、維修費用，增大了水泵的壽命。(5) 變頻恒壓調速從水源-直接供水，防止了很多污染和疾病的傳播。(6) 通過單片機控制，可實現變頻器和繼電器的合理啟動與停止，節約了人 力物力。1.3恒壓供水控制技術的背景及研究意義目而交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的技能技術，由于電了技術 的飛速發展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現控制設備軟啟停，不僅 可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。 以往區域的供水系統都是在市政管網經過二次加壓或水塔和天而水池來供水，以 滿足用戶對供水壓力的需求。加壓泵通常是在供水系統中為了適應最不利水壓的 要求，來確定相關揚程的設計，然

16、后根據水泵組流量的變化情況來選配，最后確 定水泵的運行方式。曲于在季節和時段變化時，水體本身也有很大的變化，口常 供水的運行控制只能常采用水泵的運行方式進行調整，加上出丨丨閥開度調節來調 節供水的水量和水壓，消耗在出口閥而產生了很大的浪費，而且水池“二次污染” 也是個很嚴重的問題。在給水泵站上應用變頻調速技術，成功解決了能耗和污染 兩大難題。在科學技術的進步帶動下，大規模集成電路和微機技術也冇了迅速的 發展，變頻調速技術也在日趨完善,交流界步電動機調速中使用變頻調速器，達到 的性能可以超過其他任何一種交流調速方式。基于單片機的變頻調速恒壓供水系 統，最典型的應用就是就是微機技術和變頻調速技術,

17、在我國近幾年的發展中也逐 漸盛行起來，它具有節能、供水壓力穩定、口動化程度高、造價低、安全、保護 設備等優點,主要適用于高層建筑的白動供水，安裝調試方便也是一共重耍優點, 抗干擾能力強，功能全面可靠性高,系統性能完全可以滿足設計要求。本設計屮 用到的at89c51系列單片機控制系統是供水系統的核心，壓力傳感器送來的模擬 信號被轉換器轉換成和應的數字量，再通過與系統設定的信號進行比較，計算并 值來得到偏井信號，通過預先設定的控制算法得出單片機的最佳控制參數，最后 輸出一個信號來調節變頻器的頻率，用以控制工頻泵啟停的轉換和電機水泵機組 的轉速，保持供水系統的供水壓力恒定。自動變化用戶實際需要的供水

18、量，在供 水系統中，變頻器主要組成部分分為電力電了器件和微處理器，水或其他液體的 機電裝置通過水泵機組傳送，最終將儲水池中的水以一定的壓力和流量通過供水 管道輸送到用戶使用。給排水現在已經成為與人民生活密切相關的任務。假如供水的壓力不穩定， 將會導致很多不良的后果。比如水壓過高，將會造成管路泄露和水源流失；水壓 過低，也會導致供水強度不足。因此，維持在一個恒定的水壓是供水系統很重要 的。一些傳統的解決方案有：水塔式供水，用水泵把水抽到水塔中供用戶使用。 當檢測到水塔中的水位比設定水位的下限低時，水泵開始啟動；當水塔中的水位 比設定水位的上限高時，水泵逐漸停止。恒壓供水系統盡管可以基本滿足人們的

19、 日常用水要求，可是系統中也存在著很多的不足z處。木文主要介紹了由單片機 控制的無塔式恒壓變頻供水系統。該系統通過檢測水管屮水的壓力，控制水泵的 轉速，使水管中水壓在一個很小的范圍內變化，實現恒壓供水。變頻調速技術的應用和推廣，在工農業生產中無非是解決兩大問題一是節 能，二是改善生產過程。我國的產值能耗是世界上最高的國家之一。據統計，我 們國家的電機總裝機容量已經超過4億千瓦，每年的耗屯量人約占到全國用電量 的60%以上，可是能源利用率卻非常低，特別是電機驅動系統，大概比國外平均 水平還要低20%,有很多電機只能相當于國際20世紀50年代的技術水平，而且 電機驅動系統能效也要比國外低20%左右

20、，電能浪費特別嚴重。眾所周知，對于人們生活最重耍的就是水資源，在節水節能已成為時代特征 的現實條件下，我們國家水資源和電能十分短缺，長期以來，在高層建筑供水、 市政供水、工業生產循環供水等方面的發展程度一直比較落后，自動化程度也比 較低。對于每個人來說飲水工程都是非常重要的，所以供水系統在現代工業中無 處不在。第2章恒壓供水控制系統的工作原理在變頻調速供水系統中，為了調節供水流量必須通過變頻調速來改變水泵的 轉速，最終改變水泵工作點來達到目的。反應水泵運行工程狀況的工作點被稱為 水泵工況點，是指在管路系統確定的時候，實際運行時水泵所具有的流量、揚程 以及相應的功率、效率等參數。水泵轉速的調節過

21、程中，調節水泵的工況點是一 個特別關鍵的問題。假如水泵工況點與設計工作點差距較大，不但會使水泵運行 的效率大幅降低、使用功率提高或者引生嚴重的氣穴現象，還有可能會產生不穩 定的管網壓力，從而使供水設備受到影響。在實際運行時，水泵的工作點取決于 管路水力損失、水泵性能、以及實際中所需要的揚程，改變其中任何一條因素， 水泵的運行工況都會發生改變。因此，這三者與水泵工況調節和水泵工況點的確 定和是密切相關的。圖2就是一個典型的由8951單片機控制的恒壓調速供水系 統。圖2.1變頻恒壓供水系統組成框圖系統由微機控制器、交流變頻調速器、水泵機組、供水管網和壓力傳感器等 組成，控制系統結構原理如圖2.2所

22、示o at89c51單片機在這里主耍起壓力采集, pid調節器計算、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。給定水壓水壓圖2.2單片機的變頻恒壓調速系統原理框圖2.1恒壓供水控制系統的工作過程在實際操作過程中，選擇一臺水泵在白天供水，可以滿足生產生活用水的需 要，小機工頻運行，作為一個恒速的水泵使用，功率大的電機變頻運行，作為變 量水泵；在用水低量比較低時，只需要啟動一臺功率大的電機就可以滿足fi常供 水的使用，因此可采用兩臺水泵搭配進行使用，把1號水泵電機（15kw）和2號 水泵電機（30kw）放在一起，用單片機控制系統根據運行時間來控制不同的機 組運行。分析控制系統機

23、組水泵的工作過程，大致可以分為三種工作狀態：1號電機 變頻啟動；1號電機工頻運行，同時2號電機變頻運行；2號屯機單獨變頻運行。 在通常狀況廠電機和水泵都處于這三種工作狀態中，在管網的壓力發生改變的 時候，這三種工作狀態就要發生對應的改變，因此必須設計三個種換過程來改變 這三種工作狀態。切換過程11號電機開始變頻啟動，頻率穩定到50hz,此時1號電機在工頻條件下運行, 2號為變頻。當整個系統開始工作后，檢測到管網中的水壓低于設定壓力p,按下 相應的按鈕，機組1開始運行，在單片機控制下，km2接通，1號屯動機接至變頻 器的輸出端，然后接通變頻器的fwd端。1號泵的電動機接到信號開始軟啟動， 電機運

24、行一段時間后，運行頻率逐漸增大，當增至工頻fo時，單片機系統會發出 指令，使變頻器bx端接通，fwd端斷開，km2失電，1號電機變頻器輸出端斷 開，km1得電，使1號電機變為工頻運行。在1號電機變為工頻運行后，打開1號 水泵的閥門開關，然后接通km3,變頻器輸出端接通2號電機，變頻器fwd端接 通，變頻器bx端斷開，使2號電動機開始實現軟啟動，當系統工作一段時間后， 打開2號水泵的閥門，2號電機仍然工作在變頻狀態。最終實現1號水泵由變頻變 為工頻的電網運行狀態，2號水泵接入變頻器并且啟動運行，系統自動調節，使 變頻器的輸出頻率增人，最后達到管網水壓設定值（pivpvpm）為止。切換過程2當1號

25、電機工頻運行2號電機變頻運行時，2號電機轉換為單獨變頻運行狀態。 當夜間用水量降低時，水壓變大，變頻器控制2號水泵電機，輸出頻率逐漸卜降, 電機轉速也隨z卜降，水泵輸出流量逐漸變少，當變頻器輸出頻率逐漸下降到開 始設定的數值fmin,電機的轉速也同時降低到設定值，而水管的水壓比提前設定 的上限pk高時（2號電機，p<pk）,單片機控制器發出信號，1號水泵 由工頻運行變為停止，2號水泵電機仍然在變頻器拖動下繼續運行。切換過程3將2號電機出變頻運行轉變為變頻停止，而1號屯機仍然保持變頻運行狀態。 當白天用水量增大時，2號電動機變為調速運行狀態，當變頻器的輸岀頻率增大 道工頻fl （即50hz

26、）,同時檢測到水管的水壓比設定的水壓上限pi低時（2號 電pwpi）,使變頻器bx端接通，fwd端斷開，使km3斷開，2號電 機的變頻器輸岀端斷開；使km2得電，變頻器輸出端接到1號電機；接通變頻 器fwd端，同時變頻器bx端斷開，實現1號電機的軟啟動。整個系統又傳變 到最初的工作態，開始新重新循環。2.2變頻調速的基本調速原理水泵機組應用變頻調速技術，即是指為了改變電動機轉速，必須改變電動機 的定子電源效率，也可以把水泵轉速及工況改變，最終使揚程與流量適應管網需 求的水量變化，保持管網內的水壓恒定，實現節約的效果。h0：管網末端的服務壓力，h1：水泵出口壓力，a：管路特性曲線，m水 泵特性曲

27、線。當用日常水量到達最大值qmax時，水泵達到全速運行狀態，全部 打開出口閥門，實現滿負荷運行，用水管特性曲線a0與水泵的特性no匯交于點b, 這時，水泵的輸出口壓力值為h,管網末端的服務壓力剛好為h0。在fi常用水量 從qmax變小到q1過程中，單片機會輸出不同的控制方案，水泵的能耗也會有不 同的變化。（1）水泵在全速運轉的時候，必須關小水泵出口的閥門來控制水量；這時, 水泵工況點由b點逐漸上升到c點，而管路中的揚程由b點下降到d點，從而使管路 阻力特性曲線逐漸變陡（a2）,這種情況卜，cd兩點的揚程茅值就是水泵全速運 行時所浪費的能量。（2）水泵在變速運傳的時候，必須以水泵出口的壓力恒定來

28、控制；當用水 量從qmax變小時，為了改變其特性，必須讓控制系統降低水泵的傳速。可是工 作方式是采用泵出口壓力恒量，因此水泵工況點是在h上平移。當日常用水量到達q1時，水泵特性曲線逐漸向nx接近。而管路的特性曲線卻向上平移到a1,兩 條曲線的交點e就是此吋水泵的工況點，因此，在水量減少到q1點時，將會使管 網的不利點水壓升高至ho>h1,則hl即為水泵運行時浪費的能量。節能曲線如圖2.3節能分析illi線圖(3) 當電動機水泵變速運行時，控制的方法是依靠管網不利點的水壓恒定; 這時，用水量由qmax逐漸降到q1,水泵轉速降低，水泵特性曲線nl中水泵工況 點為d,恰好在管網特性曲線a0上，

29、因此就能使水泵的工況點沿著曲線a0滑動， 保持管網的服務壓力h0不發生改變，系統阻力與水泵揚程互相適應，實現能量 零浪費。與泵出口恒壓松散水相比，這個方案的能耗下降了hl。根據水泵相似原理：ql/q2=nl/n2hl/h2=(nl/n2)*2pl/p2=(nl/n2)*3式中，n、q、h、p分別為轉速、泵流量、水管壓力和軸功率。也就是說通 過控制轉速來達到減少軸功率的效果。綜上所述，供水管網最不利點的選擇是很 重要的，控制參數是指所允許范圍內的最低壓力，壓力信號必須通過壓力傳感器 獲得，形成閉環壓力自動控制調速系統，使水泵的轉速保持在與所設定的控制壓 力值附近，門控技術和調速技術互相結合，達到

30、最好的節能效果。采用變頻恒壓供水系統除可節能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流, 避免了對供電系統產生沖擊負荷，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、失壓等多種保護功能，提高了系統的安全可靠性。目前水泵電機絕大部分是三和交流界步電動機，根據交流電機的轉速特性， 電機的轉速n為n=120(l-s)/p式中s為屯機的滑差(s=0.02) , p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵 電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成止比，頻率越 高，轉速越高，反乙轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無級調速的。由流體力學知：管網壓力p、流量q和功率n的

31、關系為n=pq由功率與水泵電機轉速成三次方止比關系，基于轉速控制比，基于流量控制 可以大幅度降低軸頻率。2.3水泵變頻調速節能分析水泵運行工況點a是管道性能曲線r1和水泵性能曲線nl的交點。在h常供水 系統當中，一般使用閥門來控制流量，關小閥門時就町以減少流量，管路性能曲 線由r1變為r2。運行工況點從水泵性能曲線上的a點移動到d點，水泵的揚程從 h0點上升到h1點，用水量從q0逐漸變小到q1。使用變頻調速技術控制用水量時, 管路性能曲線r1始終不變，轉速決定水泵的特性，假如把水泵的轉速從no減小 到nl,把水泵的性能曲線由no平移到nl,揚程從ho下降到hl,流量從q0減少到 q1,水泵工況

32、點沿著水泵性能曲線從a點移到c點。在圖2.4中，水泵運行在b點 時運行在c點時消耗的軸功率與h2cq1o的面積成止比，消耗的軸功率與 h1bq1o的面積成正比。運行在c點泵的軸功率nc = kqyhx求出運行在b點的泵的軸功率nb=kqyhy也就是說，采用閥門控制流量時有av的功率被白白浪費了，而h損耗閥門 的關小而增加。和反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低 時，功率以轉速的三次方下降，在可調節范圍內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，節能效果顯著。從圖2.4 ±可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控 制節能效果明顯。圖2.4變

33、頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖2.4系統的參數選取及調速范圍為了實現系統低能耗的恒壓供水，必須合理選取壓力控制參數，實現這個目 的的關鍵就是選取恒壓控制參數，一般選擇兩個管網壓力控制點：一是泵出口壓 力的恒壓控制；二是管網最不利點的壓力恒壓控制。為了保證系統達到最佳運行狀態，變頻器在投入使用后的調試是必耍手段。 可以根據變頻器負載的轉動慣性大小，電機在啟動和停止時所需的時間不同，設 定時間如杲過短會造成變頻器在加速時的電流過大，當減速時系統會采用過電壓 保護；假如設定時間過長，在調速運行時將會使變頻器的調節變得緩慢，反應遲 鈍，應變能力差，使整個系統處在一個不穩定的狀態屮。給變頻器一個不跳閘

34、保 護措施，目前許多變頻器的加減速時間會被設置的很長，所帶來的問題也很明顯, 就是會被覆蓋在設備外表里，從而使變頻器不能運行在最佳狀態，因此使用時要 根據負載的不同性質，來測試出允許最短加減速吋間，最后進行設定。對丁一般 的水泵電機，加減速時間為0.2-20秒之間。考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就 是不能過多的降低變頻器的效率，為了避免水泵會運行在低效率狀態，用戶所需 揚程和水泵自身的特性決定了水泵的調速范圍，當選定水泵的型號確定時即可確 定它的最大調速范圍，然后出用戶的揚程來選定可降低的調速范圍，為了使水泵 的揚程工作在高效區，水泵的調速范圍將進逐漸變小，使

35、變頻器的變化范圍提高 到40hz以上，即轉速卜降在20%以內。在這個范圍以內，電動機的負載率的變 化范圍是50%-100%,所以電動機的工作效率基本上都在高效區。2.5本章小結本章從管網特性曲線和水泵理論分析入手討論了如何確定水泵工作點等問 題。接著介紹了如何對水泵進行工況調節。在恒壓供水控制系統屮，只有改變水 泵性能曲線才可以實現水泵的工況調節。本章重點對恒壓供水控制系統中水泵能耗機理問題進行了比較深入的研究， 得到以下幾個結論：1. 水泵的工作點是指在同一個坐標系當小管路性能曲線和水泵性能曲線的 交點，水泵運行的理想工作點也就是水泵工作點，在實際運行屮水泵的工作點一 般都是可以變化的。2.

36、 水泵工況的調節就是采用改變水泵性能曲線或者改變管路性能曲線的方 法，達到移動工作點的口的，最終使其符合要求。綜上所述，與傳統供水方式相比，變頻調速恒壓供水系統最大的特點就是采 用改變電源供電頻率的方式調節水泵轉速，從而改變供水量。曲對屯機特性的分 析口j知，通過改變轉速節流調壓，比傳統方式用閘閥增加阻力節流消耗功率更小, 節能效果明顯。由電了系統控制供水壓力恒定比傳統的人工控制更加穩定準確， 同時系統為門適應平衡調節，比z傳統方式對水壓變化的反應也更迅速，所以大 大提高了供水質量。另外系統供水壓力可根據需要自行隨意調節，因而對不同工 作環境的適應性也非常出色。第3草 恒壓供水控制系統的硬件設

37、計3.1主控單片機說明及引腳1.at89c51單片機簡介本文設計的系統主要采用at89c51作為控制。at89c51是美國atmel公 司生產的高性能、低電壓型cmos 8位單片機。片內帶有4kb的可反復擦寫的 只讀程序存儲器和128b的隨機存取數據存儲器。它是由atmel公司制造的， 使用了高密度的非易失存儲器技術，和工業使用屮標準的輸岀管腳相或mcs-51 指令集互相兼容。所以atmel公司的at89c51單片機是一種功能強大、性價 比很高的微控制器，在各種控制領域得到廣泛的應用。at89c51單片機的主要特性有：與mcs-51兼容，4kb可編程控制的閃爍 存儲器，1000次的擦寫循環周期

38、，10年數據保留吋間，0hz-24mhz全靜態工作, 三級程序存儲器鎖定，128x8位內部ram, 32可編程i/o線，兩個16位定時 器/計數器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內振 蕩器和時鐘電路。at89c51單片機引腳分布具體說明如圖3.1所示：3 27 601234567 ppppppppp3.3(int1)p32(int0)p3.5(t1)p3.4(t0)ea/vppxtal1xtal2rstp3.7(rd)p3.6(wr)(ado)po.o(adl)po.l(ad2)p0.2(ad3)po3(ae4)p0.4(ad5)p0.5(ad6)p0.6(ad7)p

39、0.7(a8)p2.0(a9)p2.1(a10)p2.2(a11)p2.3(a12)p2.4(a13)p2.5(a14)p2.6(a15)p2.7vccgnd(rxd)p3.0(txd)p3.1ale/progpsen9 8 7 6 5 4 3 2 33333333 £ v v v < v<l212223242526刃28o o o 11 o 94 2 113 2 一一<h<h-a6at89c51圖3.1單片機at89c51管腳圖2.at89c51單片機引腳說明vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口： p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門

40、電流。當p1 i的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數據存儲器， 它可以被定義為數據/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口， 當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1 口： p1li是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1 口緩沖器能接收輸 iihttl門電流。p1 口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1 口被外部 下拉為低電平時，將輸出屯流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校 驗時，p1 口作為第八位地址接收。p21-1: p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2i緩沖器可接收，輸出 4個t

41、tl門電流，當p2口被寫“1邛寸，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的 緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1邛寸，它利用內部上拉優勢，當對外部八位 地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口： p3口管腳是8個帶內部上拉屯阻的雙向i/o口，可接收輸岀4個ttl門 電流。當p3i寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部卜拉為低電平，p

42、3口將輸出電流(ill)這是由于上拉的緣故rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電 平時間。ale/prog：當單片機的外部存儲器被訪問時，地址鎖存器用于地位字節來 鎖存地址。在系統編程的時候，ale管腳可以輸入脈沖編程。在以往，ale端能 輸出正脈沖信號并且有不變的周期頻率，此頻率與振蕩器頻率的比例為1/6。所 以它可以用于定時目的或對外部輸出的脈沖。但是最重耍的是：在用作外部數據 存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出町在sfr8eh地址上置0。 此時，ale只有在執行movx, movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被 略微拉高。如果微處理

43、器在外部執行狀態ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每 個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen 信號將不出現。/ea/vpp：當/ea保持低電平吋，則這吋外部程序存儲器不管單片機系統有沒冇程序存儲器在內部。當系統使用方式1進行加密吋，/ea管腳鎖定為reset； 在/ea端通過高電平吋，使用內部程序存儲器進行控制。在flash編程期間，該 引腳也可以使用12v編程電源（vpp）。xtal1：內部時鐘工作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸入端。xtal2 :輸出反向振蕩器的放大信號。3.2系統主要組成電路3

44、.2.1反饋壓力檢測電路系統壓力檢測電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設定電位器和 0809a/d轉換器等組成。壓力檢測電路如圖3.2所示。apl.7p3.5(ti) 円.4(10)evvh> xtal1 xtal2rsrb.wl匕;上八恨awcsi(a|p2.0(a9)p2.i la10|f2.2 lalllfl? (a)2|r14 iaij)p2.5 ia14ie.6 |ai$)p2.7i 2 3 4 5 6wcirxdlk.o (7xdip5.i .ale progpslnclock start enablealea1xx， aiqb ado八eocijm-82-7262-

45、52-42-32-2 niic-lre?-)_r5vt5v.10ok壓力傳感器輸入4-20ma in圖3.2反饋壓力檢測電路1. adc0809的邏輯結構adc0809轉換器是8位逐次逼近型a/d轉換器。它是由一個地址鎖存譯碼 器、一個8路模擬開關、一個三態輸出鎖存器和一個a/d轉換器組成。多路開 關能選擇8個模擬通道，可以讓8路模擬量分時輸入，共用一個a/d轉換器實 現轉換。a/d轉換完的數字量鎖存在三態輸出鎖器當屮，當oe端接通高電平 時，會使三態輸岀鎖存器輸岀轉換完的數據。2. ad0809的工作原理in0-in7管腳為8條模擬量信號的輸入通道。ad0809對輸入信號的要求 為,電壓范圍

46、是0到5v,信號必須是單極性，假如輸入信號太小，必須接入運算放人模塊；保持輸入的模擬量信號在轉換過程中始終不變，假如若模擬量變化太 快，必須使用采樣保持電路放在輸入之前。3. ad0809轉換電路主耍±ad轉換器at89c51單片機和ad0809轉換器組成。ad0809為脈沖啟 動，收到啟動信號start之后，才可以開始轉換，在start的下降沿10us后， eoc信號會變為無效的低電平。所以必須查詢程序，等eoc無效以后再開始查 詢，完成轉換z后，eoc輸出高電平信號，再由oe變為高電平，最后輸出轉 換數據。在設計程序的時候，可以利用eoc信號通知單片機讀入已經完成轉換 的數據。a

47、t89c51的輸岀頻為晶振頻的1/6 (2mhz) , at89c51提供ad0809的 工作時鐘。3.2.2輸出控制電路系統在運行中，將壓力設定值和反饋值進行比較后再按pid算法進行計算， 在將計算算結果u (k)經0832d/a轉換后變成模擬控制電壓信號，再作用于交 流變頻調速器。變頻調速器按其控制信號u (k)的大小來調節水泵的速度，以 達到恒壓的口的。i4iu<j2_m<hfx7圖3.3輸出控制電路vrcfled iioa2ile wr1 wr23.2.3看門狗電路watchdog電路，乂叫watchdog timer,俗稱"看門狗電路"。是一個定時器

48、電路。在由單片機構成的微型計算機系統中，由丁單片機的工作常常會受到來自 其他電磁場的干擾，使整個程序跑飛，而進入死循環程序中，打斷正常的運行， 造成單片機系統不能止常工作，使整個系統的變為停滯狀態，產生嚴重的后果，所以為了實時監測單片機系統的運行狀態，就產生了一種芯片，專門用來監測單 片機程序的運行狀態，即watchdogowatchdog電路的應用，能在無人狀態下使單片機連續工作，它的工作原理 是，在單片機的一個i/o引腳接入watchdog芯片，這個i/o引腳通過程序控制 使它能定時的給watchdog引腳上送入高低電平，分散的在watchdog其他控制語 句中間放入這一程序，假如單片機由

49、于受到其他干擾而造成程序跑匕陷入某一 程序段，使整個系統變成死循環，不能執行watchdog引腳的程序，此時,watchdog 電路就不能接收單片機送來的信號，就會在單片機復位引腳和它和連的引腳上發 出一個復位信號，使單片機系統復位，同時從單片器程序存儲器的起始位置開始 執行，實現單片機系統的自動復位。本文采用max813作為watchdog電路主芯片。max813是具有監控電路 的微處理芯片，它具有獨立的watchdog計時器。基于max813的具體電路設計 如圖3.4所示。gndr16i okr1810kr15ikd10mr wdo+5vvcc rstgndwdipfi pfomax813

50、3u19p1.0(ado)po.op1.1(adl)po.lp1.2(ad2)p0.2p1.3(ad3)p()3p1.4(aim)p04p1.5(ad5)p0.5pi.6(ad6)p0.6p1.7(ad7)p07p3.3(1nt1)(a8)r2.op3.2(into)(a9)p2.1(a10)p2.2p35(t1)(a11)p2.3p3.4(t0)(ai2jp2.4(ai3)p2.5eavpp(a14)p2.6(a15)p2.7> xtal1xtal2vcc gndrst(rxd)p3.0 (txd)p3.1p3.7(rd)ale.pr(x；p3.6(wr)psen:毀at89c51“a

51、/9elv31_,84020j】vcc圖3.4定時控制電路3.3 led數值顯示電路數碼管由7個發光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以 共陽極。通過解碼屯路得到的數碼接通相應的發光二極而形成相應的字，這就是 它的工作原理。為了顯示小數點，增加了 1個點狀的發光二極管，因此數碼管就 由8個led組成，我們分別把這些發光二極管命名為”a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順 序如下圖。abcaefgdp遲遲、 1ledledledled丨 (led)iledled圖3.5共陰數碼管引腳圖數碼管動態顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，每個數 碼管的公共極com增加位元

52、選通控制電路，位元選通曲各自獨立的i/o線控制, 單片機對位元選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選 通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。透過分時輪流控制各個led數碼管的com端，就使各個數碼管輪流受控 顯示，這就是動態驅動。每位元數碼管的點亮時間為12ms,由于人的視覺暫 留現彖及發光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要 打描的速度足夠快，給人的卬象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態 顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的i/o 口，而且功耗更低。具體 顯示電路與單片機的連接方式如圖3.6所示。(ado)po.o

53、 (adl)po.l (ad2 丹.2 (ad3)p0.3 (a1m)r>.4 (ad5)p0.5 (ad6)k>.6 (ad7)p(>.7p1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7p3.3(inti)p3.2(rxro)rj.5(ti)p3.4(t0)15143 4 5 6 7 8i98n654bh31ea'vpp> xt auxtal2rstp3.7(kd)p3.6(wr)<.a8)p2.o < a9)p11 (a1o)p2.2 (ai1>p2.3 (a12)p2.4 (a13)p2.5 (a14jf2.6 (a15j

54、p2.7vcc gnd (rxd)p3.0 rrxp)p3 aleprog psen4020at89c51圖3.6數值顯示電路圖3.4壓力報警電路為了知道壓力過大所以設計了報警電路，它含冇聲音報警與光報警。在本設 計屮用了電壓比較器來控制報警系統。在分析比較器時，虛斷路原則仍然成立， 虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應。在正電壓輸入端接上5v電壓， 負電壓輸入端接0v電壓，設定比較電壓為iv,當輸入電壓小于iv時，輸岀的 為0v,不能使后面的開關三極管導通，放光二極管和蜂鳴器也就不能工作。當 輸入電壓大t iv吋，輸出電壓跳變到5v,導通開關三極管，放光二極管和蜂 鳴器通上了電，開始閃爍

55、地放光和發聲，達到報警的效果。3,i19p1.0(ado)po.opi.iadi)p0.1p1.2(ad2)ro.2pi.3(ad3)p0.3pi.4(.mm)p0.4p1.5(ad5)p0.5p1.6ad6)p0.6p1.7(ad7)p0.7ra.3(inrri)(a8)p2.op3.2(ikto)(a9)p2.1p3.5(t1)(a10)p2.2(a1dp2.3p3.4(t0)(a12)p2.4eavpp(a13)p2.5(a14)p2.6xtalixtal2 rsfe3.7(rd)p3.6(wr)(al 5)127vcc gko (rxd)p3.0 (txd)p3.1 ale/progp

56、senat89c5i2840 20 11.3() c29弘-34bis314058r19i i100k圖3.7聲光報警電路ri7!iookc12.2ufi1lzzef 90153.5鍵盤開關設置電路1. 鍵盤結構、功能、工作原理鍵盤是由若干各按鍵組成的，是最簡單的單片機輸入設備。可以通過鍵盤輸 入數據和命令，達到簡單的人機對話。按鍵電路其實是一個簡單的開關電路，當 按鍵按下時，閉合開關；當按鍵松開時，斷開開關。因為按鍵的釋放和按下都是 通過機械觸點的斷開與閉合實現的，而且機械觸點是具有彈性的，在閉合或斷開 的時候都冇一個抖動過程，所以鍵閉合和斷開會產生電壓波形，抖動時間大約在 510ms左右。在按鍵按下或釋放吋，這個抖動都會產生很大的影響，所以必須 消除這個抖動，也只有如此，才可以判斷按鍵的狀態。在單片機應用系統中，消 除抖動冇軟件和硬件兩種方法。軟件去抖動通常是程序檢測到鍵被按下時，延時 10ms后在檢測按鍵是否依然閉合，若是則確認是一次真止的閉合，否則就