基于单片机的恒压供水系统毕业设计.docx

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1、目 录摘要21绪论21.1选题背景21.2本文的主要工作32设备介绍42.1单片机42.2其他设备介绍53整体设计方案64 系统硬件电路设计94.1时钟电路94.2复位电路104.3模数转换电路114.4压力传感器与ADC之间运算放大电路134.5 D/A输出电路144.6变频器的应用144.7 抗干扰措施174.8 显示电路194.9 系统供电电路194.10 继电器控制电路195系统程序设计205.1主程序流程图205.2PID调节子程序流程图215.3控制子程序流程图245.4显示子程序设计266系统调试27结论28致谢28摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同

2、时带动传统控制检测日新月益更新。目前对高楼供水恒压控制的研究以及已开发的系统各有所长。随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。本文根据目前单片机控制的恒压控制系统的研究现状，充分利用现代化新型、先进的元器件和最新的智能控制理论与算法，将变频调速技术和单片机技术融合到一起，设计高楼恒压供水智能控制系统。设计的高楼恒压供水智能控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、节能效率高等特点。关键词:单片机;变频器:压力传感器;恒压供水系统;Abstract: A new kind of frequenay-varying pre

3、ssure-constant water supply system is introduced. The system can regulate the water pump numbers and their rotational speed basing on the condition of the water pipe net, thereby automatic pressure-constant water supply is practised in efficient and energy saving way. The water pump is started softl

4、y by transducer, which has no concussion to electricity net. Thus, the life of water pump is longer.Key words: single chip computer; frequency-varying; pressure-constant water supply; energy saving1绪论1.1选题背景 随着中国经济发展的大背景，城市化的近程越来越快。近些年房地产事业的蒸蒸日上，楼房越建越多，问题也就随之而来。高楼层住户用水往往因水压不够导致生活不便。常用的高层供水系统是水塔式1。水塔

5、，一般居民区里蓄水作用，有些还是水厂生产工艺的一个重要组成部分。用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。主要由水柜、基础和连接两者的支筒或支架组成。在工业与民用建筑中，水塔是一种比较常见而又特殊的建筑物。它的施工需要特别精心和讲究技艺，如果施工质量不好，轻则造成永久性渗漏水，重则报废不能使用。但是常用的水塔式供水系统因设备（尤其是电机）容易损坏而大大增加维护费用，且使用不方便。为此，需要设计一套利用现代电子技术，设计出一种智能变频供水系统。随着科学技术的进步以及大规模集成电路和微机技术的迅速发展,交流电机变频调速技术己日趋完善,变频调速器用于交流异步电动机调速,其性能超

6、过以往任何一种交流调速方式。单片机变频调速恒压供水系统,就是微机技术和变频调速技术最典型的应用,近几年在我国逐渐盛行起来,它具有节能、安全、保护设备、自动化程度高、造价低、供水压力稳定等优点,且非常适用于高层建筑、住宅小区锅炉的自动供水需要,同时安装调试方便,功能全面,可靠性高,抗干扰能力强,系统性能完全满足设计要求。本控制系统智能化程度较高，不需要水塔，操作比较方便，供水也比较稳定，而且该系统使得供水系统寿命大大延长，本系统经过工程技术人员改进后肯定会成为颇值得推广的城市高楼层供水系统2。本设计为一套变频恒压供水系统，通过压力传感器、供水控制器、变频调速器组成闭环回路自动调节电机的转速，从而

7、调节水泵的供水量，使供水量可根据用水量的大小变化而变化，确保供水压力能够保持在正常范围。如果能共采用取水直供方式，不仅可节约大量的能源，延长设备使用寿命，又能避免水源的二次污染问题。31.2本文的主要工作首先在绪论中介绍了此系统的课题背景以及控制系统中各种关键元器件的发展、性能等。在第二章介绍了单片机以及其他设备。在第三章中研究了单片机恒压供水系统的系统构成及工作原理。在系统构成部分，给出了系统框图、控制原理图，并对此系统中的硬件和软件的主要功能做了简要的介绍。在第四章论述了系统硬件设计过程，研究了控制系统的总体硬件结构，并确立了各部分硬件模块的功能，给出了一些典型电路;研究了机型及器件的选择

8、，对所使用各种芯片的功能与特性进行了详细介绍;研究了系统硬件设计电路，给出了系统硬件设计结构图和电动机的控制图。在第五章中重点剖析了软件设计开发的过程，详细研究了PDI控制算法以及程序总体设计思路，确立了模块化的设计思路，研究了主程序模块、Pm模块、报警检测模块、水泵控制等模块的功能，开发出了主程序、PD控制子程序等的工作流程。最后在第六章中具体论述了系统的软、硬件调试，介绍了系统调试所使用的工具及调试方法。2设备介绍2.1单片机单片机4诞生于20世纪70年代，所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片

9、上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算机系统。1982年以后，16位单片机问世，代表产品是Intel公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管

10、，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别的是它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从Intel的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化。由

11、于单片机具有价格低廉、功能灵活，近年来单片机的应用领域越来越广泛。单片机广泛应用于通信产品、仪器仪表、家用电器、智能仪器仪表、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。AT89C515是一种带4K字节存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机67。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼

12、容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.2其他设备介绍2.21 ADC0809模拟/数字转换芯片ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片 2.22 CYG115型高压传感器该系列产品均为扩散硅压阻式压力传感器。是各方面均已非常成

13、熟的传感器产品。它是利用压阻效应原理，半导体集成电路工艺及特殊工艺制成的一种用于力学量检测的传感器。其主要特点是高精度和高可靠性。 2.23 TD2100专用恒压供水变压器TD2100供水专用变频器不同于一般的供水控制器和PLC变频器，一般的供水控制器和PLC供水程序都是一些小公司开发出的产品，控制程序局限性很大，缺乏严格的测试设备和手段，系统往往存在不少隐患，功能和可靠性都难以得到保证。而TD2100供水专用变频器是一个非常成熟的产品，系统简单可靠，没有非常复杂的中间连线，连接线大大减少，所有的供水控制程序和变频调速程序全部由高速DSP完成，变频器的调速过程完全是按照供水的压力反馈自动完成的

14、，达到了空前的协调和统一，稳定性可靠性经过严格的系统测试并经过无数应用的检验。本系统能自动调节水泵的转速和运行台数，使供水管网的压力保持设定的压力和所需流量，从而达到提高供水品质和高效节能的目的。本系统可取代高水位水箱、水塔等设施及阀门调节等措施，提高供水自动化程度及居民饮用水质量，防止二次污染，是一种理想的现代化供水设备。 2.2 4 LM7805三端稳压器顾名思义，只有三条引脚输出，分别是输入端、输出端和接地端。它的样子像普通的三极管，05表示输出电压为5V。 2.2 5 7407逻辑门驱动芯片为单片机应用的逻辑门芯片 LED数码管等3整体设计方案恒压无塔供水系统以AT89C51单片机作为

15、整个系统的控制核心，应用其强大的接口功能，构成整个恒压供水控制的硬件系统。该系统具备同时控制多台水泵的功能，根据不同场合、不同需要可以采取多台水泵8同时运行、定时换泵等多种工作方式。在水泵的出水管道上安装一个压力传感器9，用于检测管道压力，并把其压力信号变成05V的模拟电压信号，送到单片机系统的A/D转换器输入端，经A/D转换后变成相应的数字信号，信号进入单片机进行数据处理。经过单片机本身的运算后的压力值与设定的压力值进行比较，得出偏差值，在经过PID调节得出控制参数，然后再经过D/A转换后变成010V的模拟信号，送入变频器控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目

16、的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力身高；反之，变频器频率降低，电机转速减小，管道压力降低。如此上下调整多次，直到偏差值为零的时候为止10。这样，实际的压力值围绕设定压力值上下波动，从而保持供水压力恒定。压力值通过远传压力表检测，再经过A/D转换，变成8位二进制数字，送入单片机进行PID运算，其结果以PWM方式转换成模拟电压，控制变频器的频率。单片机的变频调速恒压供水系统11的原理图如下图电机水泵机组变频器D/A单片机控制系统 Uu 出水量 + Uf - -压力传感器A/D本系统具有变频器频率显示和实时压力值显示。供水系统一般有多台水泵，各泵的投入的切换

17、即可自动控制，也可手动控制。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动且遵循“先进先出”原则12，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制3台水泵，其工作过程为：设3台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统开始工作时，先由变频器启动1号泵运行，当工作频率达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则将1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1变”的运行状态；当变频器工作频率又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工作频率运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（下限频率一般预置为35HZ左右），

18、而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又降到下限频率，而压力还是偏高时，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，使供水管网的压力保持恒定13。 本系统硬件主要由A/D转换器、D/A转换器、显示系统、电源、复位电路、看门狗电路、运算放大电路以及时钟系统几部分组成。各模块主要功能如下：（1） A/D转换器的功能是把水管的压力信号经传感器转换成05V的模拟电压信号转换成数字信号，然后送入单片机。（2） D/A转换器的功能是把实际水压与设定压力之差经过单片机处理后输出的数据（8位立即数）转换成模拟电压信号，用以控制变频器的输出功率，从而控制电机的转速，最终达到控制水压的目的。

19、（3） 显示系统用于显示系统的工作状态。如设定的水压值、实际水压值、缺水和漏水警报等。（4） 供电电路就是为了控制系统的正常工作提供电能。（5） 看门狗电路用于提高系统的抗干扰能力，并对系统进行实时监测。（6） 运算放大电路将压力传感器输出的电流信号进行放大，提高其线性度。系统的整体方案设计如图：AT89C51380V交流电显示电路电源时钟电路电机水泵变频器D/A转换复位电路水管压力传感器看门狗电路运算放大电路A/D转换电路4 系统硬件电路设计4.1时钟电路 单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作14。51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外界振荡器，即可为各部分提供时钟信号。微型计算机的C

20、PU实质上就是一个复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号控制下进行的。每执行一条指令，CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号。51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部震荡方式和外部震荡方式。4.11内部震荡方式使用内部时钟电路时，只要在引脚XTAL1和XTAL2上外借定时反馈电路，振荡器OSC就能自己振荡，产生矩形时钟脉冲序列。定时反馈回路常由石英晶振和微调电容组成，其中石英晶振的频率是单片机的重要性能指标之一，时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。一般情况下，石英晶振的频率选为典型值12MHz，这样有利于得到没有误差的波特率。电容器C1、C2起稳定振

21、荡频率、快速其振的作用。内部时钟电路虽然对外接电容的值没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。电容C1和C2的典型值在20100pF之间选择，但在6070pF是振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右（这时对应的时钟频率为12MHz）。外接陶瓷振荡器时，C1和C2的典型值通常选择为47pF。在设计电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能较好的NPO高频电容。4.12外部震荡方式 外部时钟电路是利用外部振荡器信号源（

22、时钟源）直接接入XTAL1和XTAL2。通常XTAL1接地，XTAL2接外部时钟，由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，所以建议接一个4.710K的上拉电阻。4.2复位电路 为确保控制系统能够稳定可靠的工作，复位电路15是必不可少的一部分。它可以保证程序从指定处开始执行，即从程序存储器的0000H地质单元开始执行程序。另外，当程序运行出错或操作错误使系统处于“死机”状态时，需要复位以重新启动。单片机的复位是靠外部电路实现的，无论是HMOS型还是CHMOS型，在震荡器运行的情况下，RST引脚保持两个机器周期以上时间的高电平即可实现系统复位。在RST端出现高电平的第二个周期，执行内部复位，以后每个

23、周期复位一次，直至RST端遍变低。复位信号的产生有上电自动复位和按钮手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电实现的。通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容进行充电，RST端电压慢慢降下来，降到一定程度时变为低电平，单片机开始正常工作。按键手动复位电路是通过电阻接高电平实现的。 在现代工业控制中，根据实际需求，一般采用兼有上电外部复位与按钮复位的电路，这样复位电路能输出两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所需要的不同复位电平信号。 在实际的应用系统设计中，若有外部扩展的I/O接口电路也需要初始复位，如果他们的复位端和单片机的复

24、位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，这时复位电路中的R、C参数要统一的考虑以保证可靠的复位。如果单片机与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不一致，是单片机的初始化程序不能正常运行，外围I/O接口电路的复位也可以和单片机的复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。如RC上电复位电路接斯密特电路输入端，斯密特电路输出端接单片机和外围电路的复位端，则能使系统可靠的外部复位。一般来说，单片机的复位速度比外围I/O快些。为保证系统可靠复位，在初始化中应安排一定的延迟时间。 单片机复位器件不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=0.这表明单片机复位期间不会有任何取值操作。4.3模数转换

25、电路 本设计所用A/D模数转换16电路采用通用的ADC080917模拟/数字转换芯片，它是一种8位数字输出的逐次逼近式A/D转换期间，转换时间约为100s。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。它的主要性能有：（1）8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容。（2）带锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路05V模拟量进行分时转换。（3）输出

26、具有三态锁存/缓冲功能。（4）分辨率：8位。（5）转换时间：100s。（6）不可调误差：1LSB。（7）功耗：15mW。（8）工作电压：+5V，参考电压标准值+5V。（9）片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100kHz的时钟信号。4.31 ADC0809应用说明（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89C51单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）将要转换通道的地址送到A、B、C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）根据EOC信号来判断转换是否完毕。（6）当EOC变为高电平时，令OE为高电平，这样转换的数据就输出给

27、单片机了。4.32 ADC0809各引脚功能（1）IN0IN7：8路模拟量输入端。（2）2-12-8：8位数字量输出端。（3）ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。（4）ALE：地址锁存允许信号，输入、高电平有效。（5）START：A/D转换启动信号，输入高电平有效。（6）EOC：A/D转换结束信号。当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。（7）OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。（8）CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640kHz。（9）REF(+

28、)、REF（-）：基准电压。 (10)VCC：+5V电源。（11）GND：地。4.33ADC0809的工作原理 P1.4与写信号WR相或非，构成ADC0809的启动转换新号（START）和锁存信号（ALE），锁存信号首先首先将地址ADD-A,ADD-B,ADD-C锁存，选中8路模拟信号输入通道中的某一路，然后启动信号将A/D转换器的逐次逼近寄存器复位并开始转换，转换时ADC0809的EOC（转换结束信号）脚为低电平，转换结束后，EOC信号为高电平，EOC的引脚与单片机的P1.6相连，当检测到P1.6脚高电平后，单片机发出读信号RD，与译码器输出信号相或非，使ADC0809的OE（输出允许）信号

29、有效，转换后的数据就通过数据线送入单片机内，ADC0809的时钟CLK由单片机的ALE（地址锁存允许）用74LS74（D触发器）而分频后取得。 ADC0809的数据线D0D7直接与单片机总线相连，模拟信号通道地址A、B、C由74LS373（三态输出锁存器）的Q0、Q1、Q2提供，时钟CLK由单片机的ALE二分频后取得，用74LS74（D触发器）把时钟二分频，START和ALE，OE分别与单片机的WR、RD相连，这种安排主要是为了满足ADC0809的信号电平与时序的要求。4.34使用A/D转换器注意的问题首先，当模入通道不全部使用时，应将不适用的通道就近对地短接，不要使其悬空，以避免造成通道间串

30、扰和损坏通道。 其次，为保证安全及采集精度，应确保系统地线（计算机及外接仪器机壳）接地良好。特别是使用双端输入方式时，为防止外接较大的共模干扰，应注意对信号线进行屏蔽处理。 最后，为了提高抗干扰能力，尽可能选择单端输入方式。单端输入方式各路输入信号共用一个参考电位，即各路输入信号共地，这是最常用的接线方式。使用单端输入方式时，地线比较稳定，抗干扰能力较强。而双端输入方式的各路输入信号各自使用自己的参考电位，即各路输入信号不共地。如果输入信号来自不同的信号源，而这些信号源的参考电位（地线）略有差异，可考虑使用这种接线方式。使用双端输入方式时，输入信号易受干扰。 测量电路输出的模拟信号经过A/D转

31、换后，变成数字量，然后输入到单片机内，这样安排是因为单片机只能识别数字量，只有转换成数字量后单片机才能按照事先编写的程序对测得的值进行分析和处理。4.4压力传感器与ADC之间运算放大电路4.41 压力传感器的选定该控制系统选用CYG115型高压力传感器18来采集水管内水的压力值，CYG115型高压力传感器的技术指标为：（1） 压力范围：-100kPa100MPa。（2） 工作温度：（传感器）-40+120，（变送器）-25+85（3） 过载能力：200%FS或最大120MPa。（4） 用途：适用于强碱性之外的所有介质的压力测量。（5） 特点：动静态压力均可测量，有较优良的动态特性。4.42运算

32、放大电路 当采集模拟量时，一般的过程是：传感器信号调理ADCMCU。信号调理部分在这一环节中起着至关重要的作用，他必须承担电流、电压转换，信号滤波和抑制噪声信号以利于后续控制器进行A/D转换和控制，同时必须具有低温漂和低电压偏移。 由于CYG115输出的电流较低，且线性度不好，因此需要选用精密运算放大器来对其输出的电流进行放大，对于精密运算放大器本系统拟选用OP07，OP07的技术特点为：（1） 低的输入噪声电压幅度：0.35VP（0.110Hz）。（2） 基地的输入失调电压：10V。（3） 极低的输入失调电压温漂：0.2V（4） 低的输入偏置电流：1nA。（5） 高的共模抑制比：126dB。

33、（6） 宽的共模输入电压范围：14V。（7） 宽的电源电压范围：322V。4.5 D/A输出电路为了防止外界的干扰，D/A输出采用光耦隔离式，并采用LM35819双运放组成D/A输出及驱动电路。 P2.7定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二级运算放大器后，在LM358的第一引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调整输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到滤波的作用。4.6变频器的应用 随着科学技术的进步以及大规模集成电路和微机技术的迅速发展，交流电机变频调速技术已经日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能超过以往任何一种交流调速方式20。单片机变频调速

34、恒压供水系统，就是微机技术和变频调速技术最典型的应用，近几年在我国逐渐盛行起来，它具有节能、安全、保护设备、自动化程度高、供水压力稳定、造价低等优点，且非常适用于高层建筑、住宅小区锅炉的自动供水需要，同时安装调试方便，功能全面，可靠性高，抗干扰能力强。21 通过耗电比较，发现采用变频器的恒压控制系统比采用回流的恒压控制系统节能53%左右，电源频率下降40%，水泵出口压力降低57%。由于电机转速的普遍下降，电机和水泵的运行状况明显改善，延长了使用寿命，降低了设备的维修费用。同时，由于变频器启动和调速平稳，减少了对电网的冲击。 该控制系统的水泵电机全部实行软启动，以先启先停为原则。启动方式：为避免

35、启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压。4.61 变频调速原理交流异步电动机的转速表达式为： N=60f（1-s）/P （1）式中 N异步电动机转速； F电源频率； S为电动机转差率； P电动机定子绕阻极对数。 水泵生产时，P、S已经确定，异步电动机的转速随着频率增大而增加，随电源频率的减小而降低。交流变频器正式通过均匀地改变输入异步电动机定子的供电频率，来调节电动机的转速的。又根据水泵的比例定律，设水泵的流量为Q，扬程为H，功率为P，有以下关系式：Q/Q1=N/N1，H/H1=( N/N1)，P/P1=(N/N1) （2）式中 ：N1改变后的水泵转速

36、；Q1改变后的水泵流量；H1改变后的水泵扬程；P1改变后的水泵功率； 由式（2）可以看出，改变水泵的转速，可以改变扬程和流量等，从而满足供水要求。随着转速的降低，水泵消耗的功率与转速相比，是以立方根的方式下降的。 由式（1）可知，均匀地改变电动机定子绕组的电源频率f就可以平滑地改变电动机的转速。由式（2）可知，电动机转速变慢，轴功率相应减少，电动机输入功率也随之减少。可见，水泵变频调速的节能作用是显著的。4.62 采用变频调速控制的优点22（1）压力、流量、水位等容易控制。（2）由阀门关小引起的管阻损失可节约。（3）便于和上位微机连接。（4）容易实现反复多次的启动和停止。（5）启动平稳，简化了

37、启动设备，控制方便，系统组成简单，操作方便。（6）系统运行成本低。（7）安全可靠性高。（8）具有特殊的“休眠”功能，节约用水用电。4.63 变频器的选择 该控制系统选用艾默生推出的专用恒压供水变压器TD2100，TD2100变频器是供水专用变频器，其功率范围广，功能丰富。专用于城乡住宅小区供水、城市集中供热供水、无塔供水装置、工业企业供油、供水装置等。其主要特点为：（1） 采用最新的IPM智能功率模块。（2） 优化空间电压矢量控制技术。（3） 先进的硬件组合：电机控制专用芯片DSP+CPLD+MCU。（4） 低电感母线技术，极大提高了模块的安全性。（5） 瞬间停电再启动，实施对旋转中电机的平滑

38、无冲击启动。（6） 冷却风扇的启动，受内部温度控制，可以延长风扇寿命。（7） 符合国际标准的防护设计。（8） 自动设定最多6段压力运行。（9） 12种运行模式任意选择。（10） 内置PID，自整定PI参数。（11） 采用标准RS-485接口，开放的通信协议。TD2100具有多项供水专用控制功能，使得其应用相当方便：（1） 闭环设定方式。数字电压设定、数字压力设定、模拟电压设定、模拟电流设定和上位机串行通信设定。（2） 闭环控制选择。普通PI控制、UP/DOWN端子闭环控制、自学习PI控制和优化模式PI控制。（3） 供水模式选择。有变频泵固定/循环工作方式选择，可采用先启先停或先启后停模式，共8

39、种供水组合控制模式。可实现最多4台变频循环泵或7台变频固定泵方式控制。（4） 常规日定时控制。实现每日6个时间段的压力数字设定。（5） 指定日定时控制。可指定周日或选择年/周循环方式下的3个指定日期段，并能实现每日6个时间段压力数字设定。（6） 定时轮换控制。09999小时可设。（7） 消防控制。有4种消防模式可供选择：恒压消防、所有泵切换到工频运行、生活供水照常启动消防泵、关闭生活用水启动消防泵。（8） 排污泵控制。可设定1台排污泵，能自动检测污水池液位或根据液位开关信号实现自动排污。（9） 夜间休眠泵控制。可设定1台休眠水泵，其中休眠起止时间，休眠压力及偏差容限可设。3.64变频器在使用时

40、的注意事项（1）变频器应装在干燥且通风条件好的场所。（2）电源电压的不平衡度要小。（3）控制器的电源端采用过压保护措施，以防雷电破坏控制系统。（4）启动前变频器要复位。4.7 抗干扰措施 因变频器有较强的电磁波辐射，电源环境比较恶劣，因此必须采用多种抗干扰措施，使系统可靠运行得到保证。常用的抗干扰措施有：（1） 使用计算机专用电源滤波器和超屏蔽电源变压器。（2） 输入输出均经光电隔离，不与CUP共地。（3） 控制信号连接选用屏蔽线，屏蔽层良好接地。传输线选用双绞合线，对线电阻、电磁干扰有较强的抑制效果。（4） 采用数字滤波软件技术。（5） 利用看门狗电路，防止程序跑飞。 工控系统23在运行时，

41、通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗电路是自行检测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。24 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谢振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。 基于以上考虑，本系统采用X25045芯片设计一种新的看门狗电路，它具有体积小、占用I/O口线少和

42、编程方便等特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中。 X25045是美国Xicor公司生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统消耗，是一种理想的单片机外围芯片。 X25045其引脚功能如下：（1） CS：片选。（2） SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出。（3） SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045。（4） SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出。（5） WP：写保护输入。当它为高电平时写操作被禁止。（6） V

43、SS:地。（7） VCC：电源电压。（8） RESET：复位输出。 由X25045组成的看门狗电路如图。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。如图，CPU的复位信号共有3个：上电复位（C8、R5）、人工复位（S、R5、R6）和看门狗复位（C7、R4），通过或门综合后加到RESET端。C7、R4的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。 看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应

44、位来设定的。X24045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。WD1=0，WD0=0，预置时间为1.4s。WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6s。WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2s。WD1=1, WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复

45、位。 4.8 显示电路 该控制系统选用4只共阳极的LED数码管来组成显示电路。LED数码管可以显示管内水压、变频器的输出频率、工作水泵的数量、各水泵的累计工作时间及控制参数等。显示电路采用动态扫描显示方式，其中AT89C51单片机的P0口用来向数码管传送需要显示的数据；P2.0P2.3四个I/O接口用作数码管的片选位来控制数码管的公共极，当P2.0P2.3的接口为高电平时，对应的三极管导通，三极管在电路中起到驱动的作用，从而增加LED数码管的亮度，便于观察。4.9 系统供电电路 控制系统的工作电压为5V，因此，必须为系统设计一个供电电路，将220V的市电转化为5V直流电，从而为系统的正常工作提

46、供源源不断的电能。首先，通过变压器T1，将220V交流电降压为6V交流电；然后通过由四个二极管构成的整流桥，将6V的交流电整流成直流电；再通过电阻R1，电容C1、C3进行滤波，消除干扰，电容C2用来防止自激振荡；在固定式三关稳压器LM7805的VIN和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而产生变化）。此直流电压经过LM7805的稳定和电容C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定性好的直流输出电压，进而为系统进行供电。在使用LM7805稳压芯片时应注意，如果芯片输出电流的较大时应配上散热板。4.10 继电器控制电路 在恒压无塔供水系统中，管内水压的恒定，必须依靠电机水泵的启停来维持，而电机水泵的启停又由继电气控制。 在继电气控制电路中，当P1.5输出低电平时，KM1导通，继电器吸合；当P1.5输出高电平时，KM1截止，继电器不吸合。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受很高电压，有可能损坏驱动三极管VT1，为此在继电器线圈两端并接一个续流二极管VD1，使线圈两端的感应电压被嵌位在0.7V左右。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管VD1截止，对电路没有影