全自动恒压供水系统.doc

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题 目：全自动恒压供水系统全自动恒压供水系统摘 要近年来随着科学技术的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测技术日新月益更新。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恒压供水系统研究的方向。作者根据目前单片机控制的恒压控制系统的研究现状，将变频调速技术和单片机技术融合到一起，设计全自动恒压供水系统。在设计中研究了单片机恒压供水系统的构成及工作原理。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。本文设计的全自动恒压供水系统可显示压力

2、、实现水泵的控制、若有超压标志，还可以自动打开蜂鸣器报警，并且具有可靠性高、抗干扰能力强、节能效率高的特点。综上所述，采用变频器实现的全自动恒压供水系统更能方便人们的生活，必将成为供水方式的发展趋势。关键词：单片机；变频器；恒压供水系统内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Constant Pressure Water Supply Based on Chip-microcomputerAbstractWith the development of science and technology，One-chip computer has been widely，which greatly p

3、romotes the renovation of traditional control and developed system has their own advantages .With the developed of microchip and frequency conversion technology，The generation of constant pressure water supply system should have the excellence of simple equipment，less investment，higher reliability，w

4、ithstand interaction ability，higher efficiency and energy saving.Basing the current research on one-chip computer constant pressure control system，basing on one-chip computer combine the frequency conversion speed-control technology，the author has designed the constant pressure water supply intellig

5、ent control system. In this chapter，the structure and the fundamental of the system have been researched. The former has concerned system diagram and control principle diagram，and main function of hardware and software has been also introduced here.In this design，the LED can display pressure，accompl

6、ish the control of pump，if there is signal which past the standard，the buzzer alarmed，and this system is higher reliability，withstand interaction ability，higher efficiency of energy saving.In conclusion，the constant pressure water supply system using transducer is more convenient for peoples daily l

7、ife，will become a new current of water supply.Key words: One-chip computer；transducer；Constant pressure water supply system内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 传统的供水方式11.2 供水方式的发展2第二章 全自动恒压供水系统简介42.1 系统概述42.2 工作原理52.3 全自动恒压供水系统优点82.4 全自动恒压供水系统的主要应用场合9第三章 全自动恒压供水系统硬件设计113.1 系统硬件电路设计

8、113.2 外接晶体振荡器113.3 复位电路113.4 AT89C51芯片133.4.1 主要特性133.4.2 引脚图及说明143.5 A/D转换器TLC0832163.5.1 TLC0832芯片的特点173.5.2 引脚图及说明173.5.3 TLC0832配置位说明183.5.4 TLC0832时序分析183.6 变频器193.6.1 变频器的组成193.6.2 变频器的分类方法203.6.3 变频器的控制方式203.6.4 变频器的应用213.6.5 本设计中变频器的选用233.7 传感器243.7.1 传感器的基本概念243.7.2 传感器的分类243.7.3 传感器的选用原则25

9、3.7.4 本设计中传感器的选用273.8 PC机与AT89C51间的通信283.8.1 异步串行通信的基本概念283.8.2 MAX485简介313.8.3 MAX485的通信原则323.9 LED数码管及显示电路34第四章 全自动恒压供水系统软件设计364.1 全自动恒压供水程序的设计364.2 主程序364.3 显示扫描子程序374.4 按键扫描处理子程序374.5 水泵控制子程序38结束语40参考文献41附录A 全自动恒压供水系统硬件图43附录B 全自动恒压供水程序44致谢54 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 传统的供水方式传统的水塔供水方式存在许多实际问

10、题。首先，在整个建筑的设计结构上要考虑顶层水箱的压力，建筑物的地基和承重墙都需要加强，既增加了建筑成本，又占用了较大空间。其次，水箱易对水造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性的维护投入较大，供水质量不高。再次，水塔供水经常造成水压不稳，水量不足，需要有专人在泵房值班,凭人为观测进行有级的调整压力，根本无法维持供水压力的恒定。由于水塔和水箱造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐被发展起来气压供水所取代。这种气压供水虽然可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积亦小，然而它亦存在着极明显的弱点，主要表现在：首先，气压供水设备笨重，且主要部件气压罐是采用压容器，其生产工艺

11、复杂，钢材耗用量大，投资成本高；其次，由于气压罐的调节容积较小，水泵启动频繁，这既影响了其电控装置中的电磁元件和水泵电机的寿命，同时大的供水泵电机功率又耗电和干扰电网；再次，气压供水压力变动较大，直接影响水网管、阀、水表等使用寿命。建筑给排水是与人民生活、生产活动、卫生安全有密切关系的学科。在日常生活中，如果供水系统的水压不稳定，会导致不良后果。例如对居民用水而言，水压过高，会导致管路泄露和水源流失严重；水压过低，用户用水会导致供水不足。对于消防用水而言，水压不稳定，会影响灭火质量。因此，保持供水压力的稳定是很有必要的。恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。这样，既可

12、满足各部位的用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，造成电能的浪费。近年来，随着控制技术的不断进步，变频器得到了广泛的应用，利用变频器构成的恒压供水系统克服了传统供水方式的种种缺点，迅速得到了普及推广。1.2 供水方式的发展传统的供水方式有三种：泵组直接供水；水塔、高位水箱供水；气压罐（也称气压水箱）供水。长期以来，人们致力于更优越的供水系统的探索，变频调速水泵系统便是这理想系统之一，但由于技术水平的限制，这方面一直未有发展。近年来，电力电子技术、计算机技术的飞速发展，使得这一设想成为现实。新型的恒压供水系统具有占地少，节省原材料、节水、节电、省投资，易于集中控制，迅速得到了普及推广。随着电

13、力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗方向发展。作为应用现代电力电子器件与微型计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生了一场巨大的技术革命。目前，全自动恒压供水系统中的电动机调速装置均采用交流变频调速技术，系统的控制装置采用单片机控制器，因为单片机不仅可以实现泵组、阀门的逻辑控制，可对系统的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统的上位机联网，实现供水系统的优化控制。随着计算机技术的发展，无论

14、是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展的方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电在逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电在把交流电变成直流电。总之这一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化6。本文主要研究采用MCS51单片机控制的恒压供水系统的系统结构及供水原理，电路的构成和软件设计。通过传感器检测水压信号，经A/D转换

15、后，输入给单片机，与给定压力值比较，输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。第二章 全自动恒压供水系统简介2.1 系统概述恒压供水是指供水网系用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。 恒压供水控制系统的基本策略是：采用电动机调速装置与单片机构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到恒定供水压力和节约电能的目的。系统具有控制水泵出口压力恒定的供水功能，系统通过安装在出口总管上的压力传感器，实时将压力非电量信号转化为电信号，经A/D转换后，输入至单片机的输入模块，信号经CPU与设定值进行比较运算出最佳的运行工况参数，由系统的输

16、出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户水量的变化，自动确定泵组水泵的循环运行，以提高系统的性能及供水质量。变频调速控制是恒压供水的核心部分，水泵是输出环节，转速由变频器实现交流量恒压控制。变频器接受控制器的信号对水泵进行速度控制，控制器综合给定信号与反馈信号后，经过调节，向变频器输出运转频率指令。压力传感器检测出水压力，并将其转化为控制器可接受的数字信号，进行调节。即主要是通过改变变频器的频率来改变水泵的转速而达到恒压供水。全自动恒压供水系统的工艺图大体如下图： 图2.1

17、全自动恒压供水系统工艺图2.2 工作原理欲稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统。该系统由单片机、压力传感器、TLC0832等器件构成。该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器，把出口压力经A/D转换变换成数字信号送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量E，对E进行运算后输出控制信号，送到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水并使供水压力恒定。单片机控制变频调速供水系统控制原理如下图所示：图2.2 全自动恒压供水系统控制原理图若E0，则供水压力小于设定值，由水泵特性曲线如图2.3可知，用水量增加造成供水压力下降，单片机将通过计算提高变频器的输出频率

18、，从而使电机水泵机组转速增加(nf1)，使供水压力增加并恢复到设定值；如果E1000次）Flash ROM； 32个双向I/O口； 可编程UARL通道； 两个16位可编程定时/计数器； 全静态操作0-24MHz； 1个串行中断； 128x8bit内部RAM ； 两个外部中断源； 共6个中断源； 可直接驱动LED； 3级加密位； 低功耗空闲和掉电模式； 软件设置睡眠和唤醒功能；3.4.2 引脚图及说明下图是AT89C51单片机的引脚图：图3.1 AT89C51引脚图VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1

19、时，被定义为漏极开路双向口。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高

20、，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是带8个内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为一般的I/0口线

21、外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3.1 P3口引脚第二功能P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正

22、脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序

23、存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA引脚保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.5 A/D转换器TLC0832由于TLC0832性能比较高，市场售价较低，购买也很方便，是单片机控制系统中常用的A/D转换芯片，本设计中模数转换部件就是采用TLC0832。TLC0832是美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连接。TLC0832是广泛应用的8位A/D转换器，双

24、通道输入，并且可以软件配置成单端或差分输入。串行输出可以方便的和标准的移位寄存器及微处理器接口。TLC0832的基准输入在片内与VCC连接。应用领域：8位转换结果、数据采集系统、简单的微处理器接口、工业控制、单通道或多通道可配置单端及差分输入、工厂自动化系统。3.5.1 TLC0832芯片的特点 8位分辨率； 5V单电源供电，基准电压为5V； 输入模拟信号电压范围05V； 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容； 可直接和微处理器接口或独立使用； 在250Hz时钟频率时，转换时间是36s； 有两个可多路输入的模拟通道；3.5.2 引脚图及说明下图是TLC0832的引脚图：图3.2 TLC0832

25、引脚图：片选端，低电平有效。CH0、CH1：模拟信号输入端。DI：多路器地址选择输入端。DO：模数转换结果串行输出端。CLK：串行时钟输入端。GND：电源地。VCC/REF：正电源端和基准电压输入端。3.5.3 TLC0832配置位说明TLC0832工作时，选择哪个模拟通道，取决于输入时序中的配置位。同时，配置位也决定了输入是单端输入还是差分输入。当输入是差分时，要分配输入通道的极性；两个输入通道的任一个通道都可作为正极或负极。TLC0832的配置位逻辑表如表3.2所列。表3.2中：“+”表示输入通道的端点为正极性，“”表示输入通道的端点为负极性，H或L表示高、低电平。输入配置位时，高位在前，

26、低位在后。表3.2TLC0832的配置位逻辑表配置位选择通道号CH0CHILLLHHLHH3.5.4 TLC0832时序分析TLC0832的工作时序如图3.3所示。由时序可以看出，置为低电平时，选中TLC0832，使所有逻辑电路使能。在每个时钟CLK的上升跳变时，DI端的数据移入TLC0832内部的多路器地址移位寄存器。在第一个时钟期间，DI为高，表示启始位，紧接着要输入两位配置位。当输入启始位和配置位后，选通输入模拟通道转换开始。转换开始后，先提供一个时钟，以使选定的通道稳定。TLC0832接着输出转换的数据，数据输出时先输出最高位；输出完转换的数据后，又以最低位开始重新输出一遍数据。当片选

27、变高时，内部所有寄存器清零，输出变为高阻状态。如果要想再一次模数转换，片选必须再次要由从高变低的跳变，后面再输入启始位和配置位。由于DI端只在多路寻址时被检测，而此时DO端仍为高阻状态，因此DI端和DO端可以连在一起。图3.3 TLC0832工作时序图3.6 变频器3.6.1 变频器的组成变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的C

28、PU以及一些相应的电路。 1整流器：它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。它有两种基本类型：可控和不可控的。 2中间电路，有以下三种作用： 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。 通过开关电源为各个控制线路供电。 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。 3逆变器：将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。 4控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是： 利用信号来开关逆变器的半导体器件。 提供操作变频器的各种控制信号。 监视变频器的工作状态，提供保护功能。 其中整流器、中

29、间电路（滤波电路）和逆变器组成主回路。而控制电路的组成则取决于不同的变频器。通过变频器可将固定频率、固定电压的直流电转换为电压和频率均可以变化的交流电。3.6.2 变频器的分类方法1按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器。2按照开关分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。3按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。4按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。5按照交换频率的方法分类，可以分为交-直-交变频器和交-交变频器。3.6.3 变频器的控制方式变频

30、器的控制方式主要有压频比标量控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式三种控制方式。1压频比标量控制方式，它是根据异步电动机等效电路确定的线性U/f比进行变频调速。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制。为提高低频时电动机产生的转矩，通常采用提升电压以及随负荷变化补偿定子绕组电压降的办法。2矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。由于是控制励磁，所以又把矢量控制称为磁场定向控制。至于转矩的控制是间接的。它的主要缺点是需要把复杂的坐标变换运算以及需要检测转速信号。后来又进一步提出无速度传感器矢量控

31、制的方案，它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流以及定转子绕组参数推算出转速观测值，进而计算出转子磁链和转矩电流的观测值，以实现磁场定向的矢量控制。3直接控制方式，它是以异步电动机的转矩作为被控量，强调转矩的直接控制效果，并不刻意追求输出的电流为正弦波形。异步电动机的直接转矩控制是直接在定子坐标上计算磁链的幅值和转矩的大小，对其进行直接跟踪调节以获得变速是动态响应。从转矩调控要求看，磁链有点误差，并不会对转矩控制性能产生重大影响。这种控制方式的优点是对电动机参数变化不敏感。3.6.4 变频器的应用变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频器应用可以大大地提高工艺的高效性（变速不依赖于机械部分），同时可以比原来定速运行的电机更加节能。使用变频调速的好处如下：1控制电机的启动电流当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升）。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V用或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低