畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于單片機(jī)控制的高樓恒壓供水系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量急劇增加，水資源的節(jié)約和合理利用顯的極為重要。高樓供水技術(shù)的發(fā)展對于水資源的節(jié)約和電能的合理利用有著極其重要的意義。</p><p>　　本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的高樓恒壓供水系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過對變頻器和交流接觸器的控

2、制，實(shí)現(xiàn)高樓全自動(dòng)恒壓供水。文中對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡述，并對算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。</p><p>　　系統(tǒng)根據(jù)用水量的多少由單片機(jī)控制投運(yùn)水泵數(shù)目,變頻調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,保證供水水壓的恒定,從而可以有效地防止管網(wǎng)出現(xiàn)超壓而引起設(shè)備損壞；變頻調(diào)速使水泵電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟啟動(dòng),避免了頻繁啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流對供電系統(tǒng)、配電設(shè)備的沖擊,延長了電氣設(shè)備、水泵及管網(wǎng)的使用壽命。這種由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速恒壓供水電路,不但使水

3、壓恒定,節(jié)電節(jié)水,系統(tǒng)維修工作量??；而且占地面積小,成本低, 投資省,操作方便,運(yùn)行可靠，非常適合于高層建筑和生活小區(qū)供水。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 變頻器 恒壓供水</p><p>　　THE DESIGN OF SYSTEM CONTROLLED BY SINGLE-CHIP COMPUTER</p><p>　　FOR HIGH BUILDING

4、 WATER SUPPLY</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of national economy and the acceleration of urbanization, industrial and domestic consumption, irrigation r

5、equirements in our country have increased enormously. So the saving and reasonable using of water is becoming very important. The development of hydrotechny plays an important role in that. </p><p>　　In this

6、 paper, I design a hydrotechny system based on single chip Microcomputer. In order to supply water to high buildings with constant pressure, the whole system, which consist of Micromaster and pressure sensor, is automati

7、cally controlled by a single chip Microcomputer. We formulate both the system’s requirements and structure and the theory and characteristics of constant pressure water supply. </p><p>　　The system measure w

8、ater needed and put into operation by the single-chip microcomputer to control the number of pumps .The electric motor was controlled through Micromaster and AC contactor ,which ensure constant water pressure and can eff

9、ectively prevent the emergence of pipeline equipment caused by overpressure damage. The variable frequence technique achieve circular soft start and avoid the wallop of power supply system caused by starting current.The

10、useful time of the electric installation</p><p>　　Keywords: Single chip Microcomputer Micromaster</p><p>　　Constant pressure water supply </p><p><b>　　目 錄</b></p>

11、;<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 高樓供水的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展4</p><p>　　1.3.1單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)4</p>&l

12、t;p>　　1.3.2不同的需求、推動(dòng)力和解決方案5</p><p>　　1.3.3更加高效的未來6</p><p>　　1.4 水泵的特性6</p><p>　　1.5 本課題的主要內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)8</p><p>　　1.5.1 研究內(nèi)容8</p><p>　　1.5.2 技術(shù)指標(biāo)9</p&

13、gt;<p>　　第二章 方案論證與選擇10</p><p>　　2.1 控制方式的選擇10</p><p>　　2.2 調(diào)速方式的選擇10</p><p>　　2.3 總體設(shè)計(jì)方案的選擇11</p><p>　　2.4 單片機(jī)的選擇12</p><p>　　2.5 變頻器的選擇13</

14、p><p>　　2.6 其它硬件的選擇15</p><p>　　2.6.1水泵的選擇15</p><p>　　2.6.2 MAX485通訊16</p><p>　　2.6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC080916</p><p>　　2.6.4 交流接觸器16</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件

15、設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2顯示電路的選擇和設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.4 直流電源電路24</p><p>　　4.1.1 數(shù)字PID參數(shù)的選擇25</p><p>　　

16、4.1.2 主程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1.3 子程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2 軟件流程圖27</p><p>　　4.2.1 主程序流程圖27</p><p>　　4.2.2 子程序流程圖29</p><p>　　4.3 軟件調(diào)試32</p><p>　　4

17、.3.1 系統(tǒng)硬件電路測試與分析32</p><p>　　4.3.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試與分析33</p><p>　　4.3.3 系統(tǒng)軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試33</p><p>　　4.3.4 系統(tǒng)總體調(diào)試過程的問題與分析34</p><p><b>　　總 結(jié)35</b></p><p><

18、b>　　致 謝36</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)37</p><p>　　附錄1 元器件清單39</p><p>　　附錄2：程 序 清 單40</p><p>　　附錄3 電氣接線圖48</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p&g

19、t;<p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　給水工程為居民和廠、礦、運(yùn)輸企業(yè)供應(yīng)生活、生產(chǎn)用水的工程。由給水水源、取水構(gòu)筑物、輸水道、給水處理廠和給管網(wǎng)組成，具有取集和輸送原水、改善水質(zhì)的作用。</p><p>　?、俳o水水源。有地表水、地下水和再用水。地表水主要指江河、湖泊、水庫和海洋的水，水量充沛，是城市和工廠用水的主要水源，但水質(zhì)易受環(huán)境污染；地下

20、水水質(zhì)潔凈，水溫穩(wěn)定，是良好的飲用水水源；再用水是工業(yè)用水的重復(fù)使用或循環(huán)使用，先進(jìn)國家的工業(yè)用水中約60％～80％是再用水。</p><p>　?、?取水構(gòu)筑物。 有地表水取水構(gòu)筑物和地下水取水排水工程。排除人類生活污水和生產(chǎn)中的各種廢水、多余的地面水的工程。由排水管系（或溝道）、廢水處理廠和最終處理設(shè)施組成。通常還包括抽升設(shè)施（如排水泵站） 。</p><p>　　和人們生活密切相關(guān)的

21、小區(qū)或大樓供水，為了保證供水質(zhì)量，一般采用恒壓供水系統(tǒng)。以前是用供水水塔或高位水箱來保證供水系統(tǒng)壓力恒定的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸采用了無塔上水器、變頻恒壓供水等技術(shù)來保證供水系統(tǒng)壓力恒定，以提高供水質(zhì)量。隨著變頻器的日益廣泛應(yīng)用，恒壓變頻供水成套設(shè)備也日益完善、增多，小區(qū)或大樓供水系統(tǒng)中采用定壓變頻供水的方案也逐漸增多。但談到變頻供水節(jié)能時(shí)，不管變頻供水系統(tǒng)是什么樣的變流量系統(tǒng)，一律認(rèn)為是水泵功耗和水泵轉(zhuǎn)速的三次方成正比。</p&

22、gt;<p>　　隨著人們生活水平的提高、高層建筑的快速發(fā)展，高樓供水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多；水資源卻在不斷減少，能源的需求不斷提高，水資源、能源的節(jié)約和合理利用就擺在重要位置。研究高樓供水技術(shù)對于水資源的合理利用和電能的節(jié)約有著極其重要的意義。</p><p>　　建筑給水排水是給水排水工程三大支柱之一 ，它是與人民生活、 社會(huì)生產(chǎn)、 衛(wèi)生安全息息相關(guān)的一門學(xué)科。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加

23、快，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量急劇增加，水資源的節(jié)約和合理利用顯得極為重要。高樓供水技術(shù)的發(fā)展對于水資源的節(jié)約和電能的合理利用有著極其重要的意義。</p><p>　　隨著人們生活水平的提高、高層建筑的快速發(fā)展，高樓供水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多；水資源卻在不斷減少，能源的需求不斷提高，水資源、能源的節(jié)約和合理利用就擺在重要位置。研究高樓供水技術(shù)對于水資源的合理利用和電能的節(jié)約有著極其重要的意義。</p>&l

24、t;p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年水泵消耗的電能約占電能總消耗量的20%以上，而電能消耗又占水費(fèi)成本的60%以上。全球溫度正呈現(xiàn)上升的趨勢，更加有效地利用能源成為當(dāng)務(wù)之急。降低能耗的主要對象之一是電機(jī)。據(jù)粗略的統(tǒng)計(jì)，電機(jī)消耗了美國一半以上的能量。在家庭中使用的電機(jī)數(shù)量一般不下50臺，一部汽車?yán)锿ǔＳ?0至80臺電機(jī)；在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動(dòng)化中應(yīng)用的電機(jī)更加比比皆是。</p><p>　　本文采用了交流變頻調(diào)速裝置和

25、壓力傳感器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)高樓全自動(dòng)恒壓供水。交流變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法中最理想的方案，采用變頻器對水泵類機(jī)械進(jìn)行調(diào)速來調(diào)節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。但是，過去由于各種原因，如變頻器的價(jià)格、質(zhì)量、容量等因素的約束，沒有得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著IC產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，變頻器的價(jià)格大幅下降，可靠性增強(qiáng)，容量增大（已達(dá)到400KW），變頻器的使用已成倍增長。</p><p>　　

26、目前，國內(nèi)外許多電力拖動(dòng)場合已將矢量控制的變頻器廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工等行業(yè)中交流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速，已明顯取得節(jié)能效果并滿足工藝和自動(dòng)調(diào)速要求。</p><p>　　1.2 高樓供水的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測系統(tǒng)日新月益的更新。本文根據(jù)目前單片機(jī)控制的恒壓控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，

27、充分利用現(xiàn)代化新型、先進(jìn)的元器件和最新的智能控制理論與算法，將變頻調(diào)速技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)融合到一起。設(shè)計(jì)高樓恒壓供水智能控制系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究中，大容量恒壓供水系統(tǒng)存的水壓閉環(huán)控制和變頻電源與工頻電源的無擾動(dòng)平穩(wěn)切換問題沒有得到根本性的解決。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，并且降低中大容量系統(tǒng)的投資成本，本文主要利用單片機(jī)、變頻器、傳感器和多臺水泵機(jī)組等主要沒備構(gòu)建變頻調(diào)速恒壓供

28、水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級調(diào)速，能夠極大地改善管網(wǎng)的供水環(huán)境。</p><p>　　目前的高樓供水系統(tǒng)中，有許多種供水方式：組合泵供水、調(diào)節(jié)閥門供水、高位水塔供水等。在這些供水方式中，由于水泵揚(yáng)水較高、水壓不穩(wěn)且電機(jī)一直高速運(yùn)行，從而造成較大的電能消耗。高樓供水技術(shù)的發(fā)展對于水資源的節(jié)約和合理利用有著極其重要的意義。</p><p>　　另外，從控制部分來分，主要有單片機(jī)控制和PLC控

29、制。單片機(jī)控制高樓供水主要有調(diào)壓調(diào)速和變頻控制。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)正在不斷壯大，成為主流的調(diào)速方式[1]。</p><p>　　供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運(yùn)行工況也相同，即按單機(jī)的最大供水需求量來考慮的；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間水泵都需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開停補(bǔ)（減）泵及開關(guān)閥門的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，用開停補(bǔ)（減）泵會(huì)有啟動(dòng)沖動(dòng)電流，開關(guān)閥門

30、進(jìn)行調(diào)節(jié)增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個(gè)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)，對于供水系統(tǒng)超壓爆管這類故障幾乎無能為力。</p><p>　　目前，國內(nèi)絕大部分區(qū)域均采用集中凈化供水方式。但是受到輸水管線和供水設(shè)備的限制，供水壓力和高峰流量都滿足不了用戶的要求。因此，擺在用戶面前的突出問題：一是蓄水，二是加壓。因而各種供水設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的蓄水加壓的實(shí)現(xiàn)是采用高位水

31、箱和水塔供水，將水存到水塔，高水箱，靠水勢能供水。其缺點(diǎn)是：</p><p>　?。?）投資大，蓄水量有限；</p><p>　?。?）是不利于維護(hù)和抗震；</p><p>　?。?）容易造成二次污染，對當(dāng)今用水量增大，用地緊張情況更顯出了不足。</p><p>　　80年代，我國引進(jìn)了氣壓供水設(shè)備。其工作原理是由壓力表測氣壓罐壓強(qiáng)，由水位控

32、制器保證水位，由壓力和水位兩參數(shù)控制電機(jī)，進(jìn)行補(bǔ)氣補(bǔ)水。但氣壓供水也存在自身的缺點(diǎn)：</p><p>　?。?）罐式設(shè)備的膜壽命短，經(jīng)常易損，造成浪費(fèi)和水流污染；</p><p>　　（2）占地面積大，泵房投資高；</p><p>　?。?）水泵電機(jī)頻繁啟，制動(dòng)，耗電量大且損害壽命；</p><p>　?。?）供水壓力不穩(wěn)定，噪音大。<

33、/p><p>　　90年代隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了單片機(jī)控制變頻調(diào)速供水設(shè)備，通過自動(dòng)調(diào)壓調(diào)頻，自動(dòng)控制水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到水壓保持恒定。單片機(jī)通過監(jiān)控對檢測信號和人工設(shè)備自動(dòng)處理。通過在供水水泵加裝變頻調(diào)速器裝置，則可以一勞永逸的解決好上述問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。變頻節(jié)能的效果是十分顯著的，特別是調(diào)節(jié)范圍大的系統(tǒng)及設(shè)備.只要對轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會(huì)使水泵

34、軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點(diǎn)使得變頻調(diào)速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應(yīng)用于各行業(yè)及各種調(diào)速領(lǐng)域。</p><p>　　1.3 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　目前，單片機(jī)技術(shù)取得的進(jìn)步能夠比以往任何時(shí)候都更加有效地控制電機(jī)，而成本卻更低。這種進(jìn)步對市場的影響一方面加速了從機(jī)電控制到電子式控制的轉(zhuǎn)變，另一方面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速控制，優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行。而且，對整個(gè)

35、市場而言，降低了元器件的整體成本[2]。</p><p>　　1.3.1單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)</p><p>　　與電機(jī)控制中經(jīng)常使用的有刷電機(jī)不同，單片機(jī)控制的無刷直流（BLDC）電機(jī)不存在電刷磨損和電弧，因而電機(jī)的使用壽命實(shí)質(zhì)上只受到軸承壽命的影響。此外，單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性還包括：</p><p><b>　　·更高的效

36、率</b></p><p><b>　　·轉(zhuǎn)矩-慣性比高</b></p><p><b>　　·能達(dá)到更高的速度</b></p><p><b>　　·聽得見的噪聲更低</b></p><p><b>　　·更高的熱

37、效率</b></p><p><b>　　·更低的電磁干擾</b></p><p>　　大量專門針對電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的8位單片機(jī)在解決數(shù)字電機(jī)控制問題上是成本效益最高的方法之一。但在過去，集成的程度和可供選擇的產(chǎn)品一直有限。而現(xiàn)在，單片機(jī)性能高達(dá)10MIPS，具備的運(yùn)動(dòng)控制專用硬件包括中心對齊的14位脈寬調(diào)制器（PWM）、運(yùn)動(dòng)反饋模塊和高速模數(shù)

38、轉(zhuǎn)換器（ADC），使以往需要較昂貴處理器的應(yīng)用可以采用成本較低的8位單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　某些單片機(jī)，如PIC18F4431，在進(jìn)行三相PWM控制時(shí)，可用硬件實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)所有三個(gè)相的驅(qū)動(dòng)，從而最大限度地降低了軟件的開發(fā)和調(diào)試工作量。該單片機(jī)最多有8個(gè)PWM通道，而一般只需6個(gè)通道即可驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。因此，可以用另外兩個(gè)通道來實(shí)現(xiàn)其它功能，無需再添加其它元器件。帶有正交編碼器接口的運(yùn)動(dòng)反饋模塊是單

39、片機(jī)的一個(gè)組成部分，可減少元器件數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。</p><p>　　不僅如此，帶有一個(gè)運(yùn)行速度高達(dá)200 ksps的高速ADC的單片機(jī)，可以為閉環(huán)控制提供必要的速度。在兩個(gè)不同的通道上同時(shí)采樣，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對電壓和電流進(jìn)行采樣。在閉環(huán)電機(jī)控制中，需要這種高速的轉(zhuǎn)換進(jìn)行反電動(dòng)勢的測量。ADC可在上升沿或下降沿保持與PWM同步，使開關(guān)噪聲降至最低。綜上所述，有了這些模塊就不需要任何外部的電機(jī)控制器件，如高速AD

40、C和位置編碼器了。</p><p>　　在很多電機(jī)控制應(yīng)用中，故障防護(hù)操作是關(guān)鍵。帶有故障防護(hù)時(shí)鐘監(jiān)控器（其中內(nèi)部RC振蕩器在晶振失效時(shí)可以充當(dāng)備份時(shí)鐘）的單片機(jī)使設(shè)計(jì)人員得以利用可提供高可靠性的數(shù)字控制。只需利用PWM上的可編程死區(qū)時(shí)間延遲，即可最大限度地減小開關(guān)噪聲，同時(shí)還可以按時(shí)地完成設(shè)計(jì)，將新產(chǎn)品投放市場；否則就需要額外增加幾周的開發(fā)時(shí)間，由此帶來的差別顯而易見。在各種情況下，具有高可靠性閃存的單片機(jī)，靈

41、活性都很強(qiáng)，不僅可以讓產(chǎn)品按時(shí)上市，而且在電機(jī)安裝前或已經(jīng)投入使用后，都可以根據(jù)變化的要求進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　1.3.2不同的需求、推動(dòng)力和解決方案</p><p>　　家用電器、工業(yè)和汽車這三大市場中對于電子電機(jī)控制的需要，證明具有先進(jìn)的電機(jī)控制外設(shè)的單片機(jī)是大有市場的。</p><p>　　在家用電器市場領(lǐng)域，為了符合政府推行的計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)，如美國環(huán)保局

42、旨在促進(jìn)使用高效率家電的能源之星計(jì)劃，需要改進(jìn)電機(jī)控制。洗衣機(jī)就是迫切需要改進(jìn)電機(jī)控制的一類產(chǎn)品。直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)可以不再需要電機(jī)軸與滾筒之間的連接皮帶，同時(shí)還可設(shè)置各種速度范圍和使用不同形狀的滾筒。</p><p>　　某洗衣機(jī)廠商對洗衣機(jī)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，結(jié)果比傳統(tǒng)的洗衣機(jī)的耗電量減少了38%，用水量減少了17%。電機(jī)控制的單片機(jī)可根據(jù)衣物的數(shù)量和類別調(diào)整電機(jī)的功率。但是，洗衣機(jī)的購買者對于購買價(jià)格仍然十分在意

43、，因此廠商必須不斷降低其開發(fā)和生產(chǎn)成本，才能為更廣大的消費(fèi)者群體提供更先進(jìn)而負(fù)擔(dān)得起的洗衣機(jī)。</p><p>　　在家用電器中，專門為低成本電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的8位單片機(jī)集成了各種功能，大大減少了額外元器件的需求。最新單片機(jī)具備片上電機(jī)PWM、故障防護(hù)時(shí)鐘監(jiān)控器以及高度可靠的閃存，使家用電器中電機(jī)控制的設(shè)計(jì)得以簡化，并滿足降低成本的目標(biāo)。</p><p>　　在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，裝配線運(yùn)行的

44、用電成本與故障停機(jī)都將使利潤減少。我們用工業(yè)用泵中基于單片機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)（VSD）系統(tǒng)取代閥門為例，來說明改進(jìn)控制能力將如何直接影響效率和利潤。</p><p>　　對于泵和風(fēng)扇而言，其功耗與轉(zhuǎn)軸速度的立方根成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)軸速度降低10%時(shí)，氣流也減小10%，但能耗減少27%；如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工業(yè)應(yīng)用的離心泵、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)中，通過使用單片機(jī)進(jìn)行變速電機(jī)控制，取代速度恒定的電機(jī)和利用閥門減小氣流

45、的方法，可以節(jié)能25%至40%，這已得到了證明。</p><p>　　用單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制在工業(yè)應(yīng)用中的收效十分明顯。因此，究竟是否采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的變速電機(jī)控制只需由其它一些因素來決定，如靈活性和可靠性等可避免故障的因素。具有閃存和EEPROM存儲器的單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)VSD電機(jī)控制，對于需要進(jìn)行升級或改善控制程序等變化，其再編程能力可滿足工業(yè)用戶所需的靈活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F44

46、31等單片機(jī)具有16KB閃存和256字節(jié)EEPROM，這些8位單片機(jī)的存儲器足以應(yīng)對工業(yè)環(huán)境中各種必要的變動(dòng)。與之同等重要的是Microchip的閃存采用PMOS電可擦除單元（PEEC）工藝技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲單元的耐用性超過100萬次擦/寫周期（典型值），而數(shù)據(jù)保存期超過40年[3]。</p><p>　　在汽車應(yīng)用中使用電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)、開關(guān)門窗以及移動(dòng)座椅等已得到了廣泛應(yīng)用。這些不經(jīng)常使用的操作尚能容忍較低的效率，

47、但是一些經(jīng)常使用的設(shè)備如乘客空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)風(fēng)扇等，則連續(xù)不斷地消耗著汽車中有限的能量。電機(jī)控制單片機(jī)可以使空調(diào)風(fēng)扇以恰當(dāng)?shù)乃俣冗\(yùn)轉(zhuǎn)來保持適宜的溫度，從而降低噪聲和功耗。    </p><p>　　1.3.3更加高效的未來</p><p>　　隨著控制算法在各個(gè)市場領(lǐng)域中復(fù)雜程度的不斷提高，數(shù)字電機(jī)控制器的處理能力需要從單片機(jī)的性能水平提升到數(shù)字信號處理器（

48、DSP）的性能水平。數(shù)字信號控制器（DSC）性能更高而價(jià)格適中，采用設(shè)計(jì)人員熟悉的單片機(jī)技術(shù)，適用于更加復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，包括矢量控制設(shè)計(jì)。DSC的運(yùn)行速度高達(dá)30MIPS，并具有高達(dá)144KB的閃存和電機(jī)控制專用的集成外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的新型電機(jī)控制應(yīng)用。有了基于單片機(jī)和DSC的電子電機(jī)控制，家用電器、工業(yè)控制及汽車不僅運(yùn)行效率更高、功能更豐富，而價(jià)格也適中。</p><p><b>　　1.4 水泵

49、的特性</b></p><p>　　由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的揚(yáng)程與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚(yáng)程的乘積，故水泵的軸功率與水泵（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）[4]。</p><p>　　水泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速與流量、揚(yáng)程及泵的軸功率的關(guān)系如下式所示：</p>

50、<p>　　 （1-1)</p><p>　　式(1—1)表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輔功率 (kW)可按式(1—2)計(jì)算：</p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　圖1—1是泵的流量與揚(yáng)程

51、的關(guān)系曲線。圖中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程—流量(—)的特性；曲線⑤為泵在轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程—流量(—)的特性；曲線②為泵在轉(zhuǎn)速下的功率—流量(P—)的特性；曲線③、④為管阻特性。</p><p><b>　　</b></p><p>　　圖1-1 泵的楊程—流量特性</p><p>　　假設(shè)泵的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)A點(diǎn)的效率最高，輸出流量為100%，此時(shí)軸

52、功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門方法(相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力)，使管阻特性從曲線③變到曲線④，系統(tǒng)由原來的工作點(diǎn)A變到新的工作點(diǎn)B運(yùn)行。此時(shí)，泵揚(yáng)程增加，軸功率P2與面積BH2OQ2成正比。如果采用變頻器控制方式，泵轉(zhuǎn)速由降到，在滿足同樣流量Q2的情況下，揚(yáng)程H3大幅降低，軸功率P3與面積CH3OQ3成正比。軸功率P3與P1、P2之和相比較，將顯著減小，節(jié)省的功率

53、損耗ΔP與面積BH2H3C成正比，節(jié)能效果十分顯著。</p><p>　　如表1-1所示，根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉(zhuǎn)速就可改變水泵的功率[5]。</p><p><b>　　表1-1頻率與轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則/=453/503=0.729，即=0.729。</p><

54、p>　　將供電頻率由50HZ降為40HZ，則/=403/503=0.512，即=0.512，依上述公式計(jì)算。</p><p>　　1.5 本課題的主要內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　用戶在不同時(shí)段對水的需求量是不同的，因此高樓供水系統(tǒng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅要滿足各個(gè)樓層的用水需求，還要有處理各種突發(fā)事件的能力。通過實(shí)時(shí)檢測和轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，有效利

55、用電能。文中對系統(tǒng)的恒壓供水的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了闡述,并對算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.5.1 研究內(nèi)容</p><p>　　供水系統(tǒng)的供水水壓會(huì)隨著管路的加長而逐漸減弱, 生活區(qū)用水, 一天內(nèi)不同時(shí)段的用水量具有明顯的差異, 晝夜負(fù)荷變化大, 供水量不固定, 不能滿足用戶及消防安全保障的需要; 要解決高層建筑的供水和生活區(qū)供水問題, 就要解決壓力不斷減弱和不穩(wěn)定問題。</

56、p><p>　　系統(tǒng)中以單片機(jī)為核心，通過安裝在水泵組出水管上的遠(yuǎn)傳壓力變送器采集出口壓力信號，并變成 1～5V的電壓模擬信號, 經(jīng)前置放大,多路切換, A /D變換成數(shù)字信號；數(shù)字信號送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算并與給定參數(shù)進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參量；由變頻器結(jié)合繼電器按規(guī)定切換控制水泵電機(jī)開啟臺數(shù)和工作狀態(tài)。</p><p>　　因此本文主要研究水泵的特性和節(jié)能、異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、單片機(jī)AT8

57、9S51的應(yīng)用、數(shù)字PID的設(shè)計(jì)等四個(gè)部分。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并進(jìn)行各類數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。另外，單片機(jī)控制著交流接觸器的開關(guān)狀態(tài)，控制著電源對電動(dòng)機(jī)的供電狀態(tài)。</p><p>　　變頻器是變頻調(diào)速的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。變頻器結(jié)合交流接觸器控制電動(dòng)機(jī)的開啟和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對管道的恒壓供水。</p><p>　　1.5.2 技術(shù)指標(biāo)</p>

58、;<p>　　1.供水系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在保證最高樓層（21米）供水條件下，使供水壓力維持在0.5MPa左右，最大供水壓力為0.6 MPa，最小供水壓力為0.1MPa，壓力允許波動(dòng)范圍為±1%。</p><p>　　2.系統(tǒng)控制應(yīng)有實(shí)測壓力顯示和各種工況指示。</p><p>　　3.系統(tǒng)能隨時(shí)中斷處理一些緊急事件，如管道漏水等。</p><

59、;p>　　4.系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)供水和連續(xù)供水的要求。</p><p>　　5.系統(tǒng)具有超壓、斷相和短路等保護(hù)和報(bào)警功能。</p><p>　　6.系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換能力。</p><p>　　7.其中一臺水泵出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)能保證正常運(yùn)行。</p><p>　　8.電機(jī)的功率為7.5KW，電動(dòng)機(jī)3臺。</p><

60、p>　　第二章 方案論證與選擇</p><p>　　高樓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)控制部分、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速部分和算法部分。目前高樓供水控制系統(tǒng)最常見的有PLC控制和單片機(jī)控制，電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式最常見的有調(diào)壓調(diào)速和變頻調(diào)速。本系統(tǒng)根據(jù)高樓供水系統(tǒng)的問題和發(fā)展趨勢，確定一個(gè)最佳方案。</p><p>　　2.1 控制方式的選擇</p><p>　　單片機(jī)也被稱為微

61、控制器，它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，有較強(qiáng)的抗干擾能力、較低的成本。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域[6]。</p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采

62、用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[7]。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。</p><p>　　單片機(jī)為專用控制器，使用范圍較PLC狹窄，但是單片機(jī)功能很強(qiáng)。在一些能使用單片機(jī)且干擾性不強(qiáng)的場合，首先考

63、慮使用單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的軟硬件結(jié)構(gòu)比PLC簡單，自然處理速度快，運(yùn)行效率高。另外，使用單片機(jī)成本要比PLC低很多。單片機(jī)編程時(shí)可以采用匯編語言，也可以使用C語言等高級語言。</p><p>　　高樓供水系統(tǒng)控制功能比較簡單，要求處理速度較快，而且并不需要經(jīng)常改變程序。因此使用單片機(jī)控制有較高的性價(jià)比。</p><p>　　2.2 調(diào)速方式的選擇</p><p>　

64、　感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地取決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。另外，頻率是電機(jī)供電電源的電信號，所以該值能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。</p><p>

65、　　調(diào)壓調(diào)速：當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳[8]。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：</p><p>　　(1)調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；</p><p>　　(2)調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低

66、；</p><p>　　(3)調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。</p><p>　　由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。因此，在一些調(diào)速性能要求較高的場合不適合。</p><p>　　變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源

67、的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器[9]。其特點(diǎn)：</p><p>　　(1)效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；</p><p>　　(2)應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；</p><p>　　(3)調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。</p><p>　　變頻調(diào)速適用于要求精度高、

68、調(diào)速性能較好場合。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)正在不段壯大，成為主流的調(diào)速方式。</p><p>　　高樓供水系統(tǒng)中，生活區(qū)用水, 一天內(nèi)不同時(shí)段的用水量具有明顯的差異, 晝夜負(fù)荷變化大, 供水量不固定，需要電機(jī)調(diào)速范圍比較大。因此，高樓供水系統(tǒng)選用變頻調(diào)速。</p><p>　　本系統(tǒng)中變頻器的控制方式為VVVF，即變壓變頻。也即是先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再

69、把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。如果僅改變頻率，電機(jī)將被燒壞。特別是當(dāng)頻率降低時(shí)，該問題就非常突出。為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓，例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。</p><p>　　如果要正確的使用變頻器, 必須認(rèn)真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率

70、隨溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。在變頻器工作時(shí)，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。</p><p>　　2.3 總體設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p>　　根據(jù)上述的論證，本設(shè)計(jì)采取了以單片機(jī)為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖如2-1所示。該系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量的變化，經(jīng)

71、單片機(jī)運(yùn)算并與給定參量比較,進(jìn)行PID運(yùn)算,得出調(diào)節(jié)參量,隨時(shí)調(diào)節(jié)開啟電機(jī)臺數(shù)和水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供水量，實(shí)現(xiàn)恒壓變流量供水。</p><p>　　另外，系統(tǒng)外接一個(gè)時(shí)鐘芯片，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)供水的模式[10]。</p><p>　　圖2-1 高樓供水系統(tǒng)簡圖</p><p>　　2.4 單片機(jī)的選擇</p><p>　　本系統(tǒng)采用的單片機(jī)為

72、AT89S51，是ATMEL公司生產(chǎn)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器[11]。AT89S51主要性能參數(shù)為：</p><p>　　· 與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　　· 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命1000寫/擦循環(huán))</p><p>　　

73、83; 4.0-5.5V的工作電壓范圍</p><p>　　· 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz</p><p>　　· 128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　· 32條可編程I/O線</p><p>　　· 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　&

74、#183; 6個(gè)中斷源</b></p><p><b>　　· 可編程串行通道</b></p><p>　　· 低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　· 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　· 看門狗及雙數(shù)據(jù)指針</p><p>　　

75、· 靈活的在系統(tǒng)編程 </p><p>　　與AT89C51相比，AT89S51性價(jià)比優(yōu)了較大提高：</p><p>　　1.ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。</p><p>　　2.最高工作頻率為33MHz（89C51的極限工作頻率是24M），就是說89S51具有更高工

76、作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。</p><p>　　3.具有雙工UART串行通道。</p><p>　　4.內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。</p><p><b>　　5.雙數(shù)據(jù)指示器。</b></p><p><b>　　6.電源關(guān)閉標(biāo)識。</b>&l

77、t;/p><p>　　7.全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變?yōu)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。</p><p>　　8.兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。</p><p>　　2.5 變頻器的選擇</p><p><b>　?。?/p>

78、一）變頻器的原理</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速方式來控制其轉(zhuǎn)速是比較理想的一種方法。由交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： </p><p><b>　　(2-1) </b></p><p>　　式中 ———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； </p><p>　　———異步電動(dòng)機(jī)的頻率； </p>

79、;<p>　　———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； </p><p>　　———電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。 </p><p>　　由式(2-1)可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。</p><p>　　改變即可改

80、變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若均勻地改變定子供電頻率，則可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而,對于拖動(dòng)有負(fù)載的電動(dòng)機(jī),只調(diào)節(jié)頻率是不行的,因?yàn)?，?dāng)定子電壓不變時(shí),與成反比,的升高或降低, 會(huì)導(dǎo)致磁通的減小或增大。從而使電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩減小,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn),或者使磁路飽和,鐵損急劇增加。</p><p>　　為此,在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí),要調(diào)節(jié)電壓的大小,以維持磁通的恒定,使最大轉(zhuǎn)矩不變。根據(jù)和不同的比例關(guān)系, 可形成多種變頻調(diào)

81、速方式。主要有恒比例控制方式、恒磁通控制方式、恒功率控制方式、恒電流控制方式等。因水泵類負(fù)載屬于轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載, 這類負(fù)載的性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比, 故該系統(tǒng)采用恒磁通控制方式比較合適。</p><p>　　變頻器的主回路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，整流電路采用不可控整流電路，逆變器采用正弦脈寬調(diào)制逆變器，同時(shí)完成調(diào)壓和調(diào)頻，開關(guān)元件采用大功率晶體管GTR。一般的中小容量的逆變器，以GTR作為開關(guān)元件最適宜，為使電

82、路可靠工作，逆變器中加入過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)和微機(jī)監(jiān)測過流保護(hù)等。</p><p>　　圖2-2 變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　?。ǘ㎝M440變頻器的性能參數(shù)</p><p>　　根據(jù)水泵的參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用的是西門子公司的為MM440變頻器[12]，其主要參數(shù)為：</p><p>　　·功率范圍：0.12KW至250K

83、W</p><p>　　·電壓范圍：380V至480V三相交流電；</p><p>　　·輸入：帶有6個(gè)數(shù)字、2個(gè)模擬輸入和1個(gè)電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)的PTC/KTY輸入；</p><p>　　·輸出：2個(gè)模擬輸出，3個(gè)繼電器輸出；</p><p>　　·過程控制：內(nèi)置PID控制器，帶參數(shù)自整定功能。</

84、p><p>　　圖2-3 MM440變頻器的電路圖</p><p>　　2.6 其它硬件的選擇</p><p>　　2.6.1水泵的選擇</p><p>　　根據(jù)供水要求，選擇水泵時(shí)主要考慮水泵的功率和揚(yáng)程。本文選用三臺IS80-65-160單級單吸式離心泵組成水泵機(jī)組。</p><p>　　表2-1 水泵IS80-65-

85、160的性能參數(shù)</p><p>　　2.6.2 MAX485通訊</p><p>　　MAX485是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。它具有限擺率驅(qū)動(dòng)器，可以減小EMI，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實(shí)現(xiàn)最高250kbps 的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。MAX485的驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。收發(fā)器在驅(qū)

86、動(dòng)器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120A至500A之間。另外，MAX485工作電壓較低，在5V單電源下即可工作。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。</p><p>　　2.6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809</p><

87、p>　　模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片的種類較多，按轉(zhuǎn)換原理可分為計(jì)數(shù)器式ADC、逐次逼近式ADC、雙積分式ADC、并行ADC等。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809，因?yàn)锳DC0809 是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近式ADC,它除了8位ADC外，還有一個(gè)8路模擬開關(guān)，其作用可根據(jù)地址譯碼信號來選擇8路模擬輸入，8路模擬輸入可以分時(shí)共用一個(gè)ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集；而且其轉(zhuǎn)

88、換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出[13]。</p><p>　　2.6.4 交流接觸器</p><p>　　交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來開閉電路，用輔助接點(diǎn)來執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對具有常開和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用[14]。本設(shè)計(jì)采用CJ20系列CJ20—16交流接觸器，具體參數(shù)如表2-1：&l

89、t;/p><p>　　表2-2 CJ20—16交流接觸器</p><p>　?。ㄎ澹毫Α⒁何蛔兯推?lt;/p><p>　　高樓供水系統(tǒng)中，控制信號為壓力量，即通過安裝在水泵組出水管上的壓力變送器采集出口壓力信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，與給定值相比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)量，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的控制。本系統(tǒng)采用的為EHT-13-2遠(yuǎn)傳壓力變送器和LRSP系列液位傳感

90、器[15]。其中EHT-13-2壓力變送器的指標(biāo)為：</p><p>　　量程范圍：0—0.6Mpa；</p><p>　　輸出信號：4-20mA電流信號</p><p><b>　　誤差：±0.05%</b></p><p>　　LRSP系列液位變送器的最大量程為5米，輸出信號為4-20 mA直流電。<

91、/p><p>　?。r(shí)鐘芯片 DS1302</p><p>　　DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)

92、據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力[16]。</p><p>　　圖2-4 DS1302的引腳圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　高樓恒壓供水系統(tǒng)以AT89S51芯片為核心，由變頻器部分、強(qiáng)電電路開關(guān)切換電路、壓力變送

93、器、A /D轉(zhuǎn)換部分、鍵盤顯示、報(bào)警等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p>　　圖3-1 高樓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　工作原理：通過安裝在水泵組出水管上的壓力變送器采集出口壓力信號，并變成 1～5V的電壓模擬信號, 經(jīng)前置放大,多路切換, A /D變換成數(shù)字信號；送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算并與給定參數(shù)進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參量；變頻器結(jié)合交流接觸器按規(guī)定切換順序控制水泵開啟臺

94、數(shù)。</p><p>　　水泵機(jī)組采用循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式運(yùn)行：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，第一臺水泵變頻運(yùn)行，另外兩臺電機(jī)不工作；當(dāng)水壓滿足不了要求時(shí)，第一臺繼續(xù)變頻，將第三臺水泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行；如果仍達(dá)不到壓力要求，則第一臺轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，第二臺變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，第三臺保持工頻運(yùn)行不變。停泵時(shí)先停第三臺工頻泵，然后停第二臺、第一臺。</p><p>　　用戶的用水量與頻率的變化有關(guān)，用水量多時(shí)，頻率提高，水泵電動(dòng)機(jī)

95、轉(zhuǎn)速加快；反之，用水量少時(shí)，頻率降低，水泵處于低速狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能、恒壓的目的。</p><p>　　另外, 系統(tǒng)利用了變頻器本身的過電壓、欠壓報(bào)警、缺相保護(hù)功能，充分利用單片機(jī)接受報(bào)警信號，可以進(jìn)行中斷處理, 并通過程序延時(shí)等手段實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、無擾動(dòng)切換，使系統(tǒng)更安全可靠地運(yùn)行。</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于AT89S51內(nèi)

96、部有4KB閃爍存儲器，芯片本身就是1個(gè)最小系統(tǒng)，所以它的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3-2所示。</p><p>　　AT89S51中有一個(gè)用于構(gòu)成的振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以有內(nèi)部方式產(chǎn)生和外部方式產(chǎn)生。在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回

97、路，電容值在30PF左右。電容的大小可起頻率微調(diào)作用。XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率底于20MHz的方波信號。</p><p>　　圖3-2 最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　復(fù)位電路：一個(gè)可靠的復(fù)位電路對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說是必不可少的，復(fù)位電路的好壞直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。對于AT89S51而言，復(fù)位是不可屏蔽的外

98、部中斷（中斷矢量地址是0000H），也是優(yōu)先級別最高的中斷。</p><p>　　一般在加點(diǎn)后芯片處于未知狀態(tài)時(shí)對其復(fù)位，每次復(fù)位后系統(tǒng)重新進(jìn)行初始化程序。根據(jù)對復(fù)位源的不同操作，本系統(tǒng)中采用手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位相結(jié)合對系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　表3-1 復(fù)位后單片機(jī)的初始復(fù)位狀態(tài)</p><p>　　AT89S51為低電平復(fù)位。復(fù)位電路是既具有上電復(fù)位又具有外

99、部復(fù)位的電路上電瞬間，C與R構(gòu)成充電電路，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要配RST保持足夠高的高電平就能使單片機(jī)復(fù)位。在此設(shè)計(jì)中，我們選用RC電路完成復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.2顯示電路的選擇和設(shè)計(jì)</p><p>　　本方案采用YM12864型lcd，可直接顯示4*8個(gè)漢字，界面友好，支持串并行兩種連接方式，YM12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，

100、內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊,其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。</p><p>　　YM12864接線圖如圖3-3所示：</p><p&

101、gt;　　圖3-3 YM12864接線圖</p><p>　　此連接為2線串行接口方式,只要將模塊 PSB引腳接低電平 ,CS(RS)引腳接高電平 ,SID (R/ W)引腳接 P2.7 ,SCLK(E)接 P2.6 即可。其中 ,SCLK時(shí)鐘是通過 P2.6 口的CLR和 SETB命令實(shí)現(xiàn)的 ,SCLK上升沿有效。</p><p>　　YM12864引腳說明如表3-2所示。</p

102、><p>　　表3-2 YM12864引腳說明</p><p>　　3.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行需要人工干預(yù)時(shí)，鍵盤往往是一種最簡單的干預(yù)途徑，利用鍵盤，人們可以很方便的實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或讓系統(tǒng)去執(zhí)行某一項(xiàng)命令。因此，鍵盤接口技術(shù)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)

103、及要求本文共設(shè)置了4個(gè)按鍵，采用2*2的矩陣式鍵盤，如圖3-4所示為鍵盤接口電路，下文詳細(xì)的介紹了各按鍵所對應(yīng)的功能，具體如下:</p><p>　　啟動(dòng)鍵K1:按下啟動(dòng)鍵，單片機(jī)工作，并對變頻器和交流接觸器發(fā)出指令，電機(jī)開始工作，帶動(dòng)水泵供水。</p><p>　　停止鍵K2:當(dāng)水庫水量不足或者供水系統(tǒng)需要維護(hù)時(shí)，需要停止供水。按下停止鍵，電機(jī)對變頻器和交流接觸器發(fā)出信號，交流接觸器斷開

104、。</p><p>　　定時(shí)供水鍵K3：對于一些實(shí)行定時(shí)供水的地方可以使用該模式。本設(shè)計(jì)中定時(shí)供水的模式為：</p><p>　　早上6：30— 8：30；中午11：30—1：30；晚上18：00—21：00。</p><p>　　復(fù)位鍵S1:當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題或者死機(jī)時(shí)，進(jìn)行復(fù)位操作。</p><p>　　圖3-4 鍵盤接口電路圖</p

105、><p>　　鍵盤實(shí)質(zhì)上是一種按鍵開關(guān)的集合，它是利用觸點(diǎn)的閉合或斷開來實(shí)現(xiàn)其功能的。當(dāng)某按鍵按下時(shí)，其輸出電平并非立刻降為零，而是有一個(gè)抖動(dòng)過程。當(dāng)按鍵松開時(shí)，在這段過程中信號也會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，抖動(dòng)的時(shí)間視鍵盤的機(jī)械特性和操作者不同而不同，一般為5～10ms的抖動(dòng)時(shí)間，而CPU的操作很快，因此這種抖動(dòng)就容易對按鍵的識別產(chǎn)生影響，為了防止因按鍵抖動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤操作，需要采取某種手段實(shí)現(xiàn)鍵盤的“去抖動(dòng)”功能。去抖動(dòng)的方法

106、有多種，如采用軟件延時(shí)查詢的方法或采用硬件處理的方法，本文選用軟件延時(shí)的方法去除按鍵抖動(dòng)。</p><p>　　3.4 直流電源電路</p><p>　　合理的供電電源模塊設(shè)計(jì)可以為單片機(jī)的工作提供有力的保障。本系統(tǒng)需要+24V和+5V兩種供電電壓等級，而該系統(tǒng)是通過普通交流220V的市電供電的，所以本設(shè)計(jì)采用整流、濾波、穩(wěn)壓的原理，完成由交流到所需直流電源的功能設(shè)計(jì)。該電源模塊是采用三端

107、穩(wěn)壓管7805和7824來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的，如圖3-5所示，經(jīng)過7824穩(wěn)壓輸出的+24V電壓給變頻器和交流接觸器供電；經(jīng)過7805穩(wěn)壓輸出的+5V電壓給單片機(jī)和其它元器件供電。</p><p>　　圖3-5 直流電源電路</p><p>　　對于控制系統(tǒng)來說，軟件就是它的血脈、它的靈魂，沒有了軟件的控制，整個(gè)系統(tǒng)也就無所用途。由此，對系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是尤其重要的。</p>&l

108、t;p>　　根據(jù)硬件系統(tǒng)要求,本系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、子程序和中斷服務(wù)程序等組成,為了便于程序分析和調(diào)試,應(yīng)用程序采用了結(jié)構(gòu)化程模塊設(shè)計(jì)。</p><p>　　匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。</p><p>　　C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言

109、，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由上向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。用C語言來編寫系統(tǒng)的軟件程序，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。</p><p>　　綜上所述，用C語言進(jìn)

110、行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。為便于連接和調(diào)試，系統(tǒng)軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，將特定功能編成子程序，以調(diào)用子程序方式組成程序流。既能做到修改和調(diào)試程序方便，又能實(shí)現(xiàn)軟件自診斷，提高了軟件的易理解性和易維護(hù)性。本文的整個(gè)程序主要由主程序和若干子程序組成。</p><p>　　4.1.1 數(shù)字PID參數(shù)的選擇</p><p>　　控制參量的PID算法是工程控制中常用的比例、