毕业设计（论文）-变频恒压供水系统设计.doc

太原工业学院毕业设计1 前言1.1 设计背景 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。尤其高层建筑越来越多，这为高层建筑的供水提出了挑战，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。传统高层供水通常是采用固定在建筑上的供水塔或楼顶高位水箱，以来自水局部加压的形式供水，但由于其造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐被发展起来的气压供水所取代，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，占地面积小，然而它也存在着明显的弱点，首先气压供水设备笨重，且主要部件气压罐式采用电容器，其生产工艺复杂，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，气压供水压力变动较大，直接影响水管网、阀、水表等使用寿命。 过去经常出现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供大于 求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。 针对上述问题，本文研制了变频恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔,水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案1。 此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.2 设计目标 本设计以单片机AT89C51做为控制核心并协调整个系统工作，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值，实现恒压供水。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。采用该供水系统不需建造高位水箱或水塔，是一种理想的现代化建筑供水方案。本次设计的预期目标是：完成系统硬件电路的设计，并绘制出相应的原理电路图；完成所需控制软件的流程设计和编程任务，并在proteus上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较2.1.1 方案一方案一系统由泵机和可变频网络组成。如图2.1所示，以80C196为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统。单片机开关A/D转换恒速泵压机变频泵压机D/A转换压力传感器管网水压图2.1 方案一的原理框图2.1.2 方案二 方案二系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对二台三相380/50Hz,异步电动机行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图2.2所示。从下图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。4位LED显示上位机通信四位独立式键盘AT89C51变频器M2A/D转换D/A输出压力传感器M1图2.2 方案二的原理框图2.1.3 方案三 系统由专用变频器、压力传感器、水泵等组成。如图2.3。专用变频器就是指有内置PID功能的变频器。随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对变频调速恒压供水设备进行合理的设计。国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。如ABB公司的ACS600, ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。调节 水压专用变 频器水泵 电机管 道压力传感器压力给定图2.3 方案三的原理框图2.2 方案论证及选择方案一的工作流程是80C196为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行PID运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统。运算结果以0-10v的电压信号输给变频器，实现恒压供水。方案二整个系统的具体工作流程为：系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，控制器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。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力，决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。即：当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将启动令一台工频泵运行，（此设计只用两台电机且功率达到设计要求）此后，往复工作，直至满足设定压力要求为止。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保待恒定。总之，系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循坏运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成0-5V的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成05V的模拟信号，送入变频器中，以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，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。其变过程可以表示如下：检测压力（下降）控制器输出（上升）变频器频率（上升）电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压。方案三由专用变频器与PLC组成的恒压供水系统，这类变频器的功能虽然强一些，但是价格比通用变频器却要高很多。此种类型供水设备的花费不光体现在变频器上，还体现在PLC上，市场上PLC的价格也要高于单片机的价格。使其工作时需要专业人员通过变频器的控制面板，在变频器的PID选项中选择合适的PID参数，再经过现场调试校正，设备才可以正常运行。整个操作过程都必须有专业人员的界入。因此，通用性不好，这是这种变频恒压供水方案的另外一个缺点。综上所述，其有下面两个缺点：（1）价格比较昂贵，不适合小型用户的使用。（2）调试不方便，需要专业人事到现场进行调试，这也增加了人力的投入资本。方案二采用压力传感器反馈电压信号（0-5V）至变频器中央处理器(MCU)，经PID控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作用MCU处理器控制，使电机的转速自动增加或降低；当变频主电机由变频器拖动运行至最大频率，压力如还不能达到设定的压力值，则MCU自动启动定频副电机，以期保持供水压力恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。采用变频控制方式；其操作方便，无须手动调节进水阀门；启动噪音低，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备。而且其系统实现起来比较简单，并且系统价格相对来说也比较便宜，所以本次设计将采用方案二。3 系统硬件设计 本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 系统的选型本系统中主要使用了如下一些功能器件：AT89C51，ADC0808, 变频器，压力传感器。下面就这些器件的功能特点、选型作相应说明。3.1.1 单片机AT89C51AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4Kbytes的可反复察写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术生产，兼容MCS-51的指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容、4K字节可重察写Flash闪速存储器、全静态操作0HZ24MHZ、32个可编程I/O口线、2个16位定时/计数器、6个中断源、低功耗空闲和掉电模式2。AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件的工作直到下一个复位。3.1.2 变频器通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型V/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型V/F控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则：（1）负荷的调速范围。在调速范围不大的情况下，选择较为简易的V/F控制方式的变频器。当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。（2）恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的V/F控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用无反馈的矢量控制方式。（3）如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的V/F控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。在众多变频器中基于运行可靠性、价格适中我们选定三菱公司出品的FR-500系列。由式3.1和所要求的调速范围901500r/min我们可以计算出变频的范围，即频率的调节范围为之间，另外，考虑到此前我们选用的YVP100L1-4 型变频电机其标称功率P=2.2KW，额定电流IN=5.2A，对于三菱公司的FR-500系列变频器标准规格型号的查看，如表3.1所示，拟选用FR-A540-2.2K-CH型号的变频器。 式3.1 式3.2 表3.1 三菱FR-500系列标准规格型号FR-A540- K-CH0.751.52.23.75.5适用电机容量（KW）（注1）0.751.52.23.75.5输出额定容量（KVA）（注2）1.934.66.99.1额定电流（A）2.546912过载能力（注2）150% 60s 200% 0.5s（反时限特性）电压（注4）三相 380V至480V 50Hz/60Hz再生制动转矩最大值允许使用率100%转矩2%ED电源额定输入交流电压、频率三相 380V至480V 50Hz/60Hz交流电压允许波动范围323至528V 50Hz/60Hz允许频率波动范围5%电源容量（KVA）（注5）2.54.55.5912保护结构（JEM 1030）封闭型（IP20 NEMA1）（注6）冷却方式自冷强制风冷大约重量（） 连同 DU3.53.53.53.56.03.1.3 A/D转换器A/D转换器是一种能把输入模拟电压变成与它成正比的数字量的器件，即能把被控对象的各种模拟信息转变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器的种类很多，例如：计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器、并行式A/D转换器。一般来说，计数器A/D转换器、转换速度很慢，所以很少采用；双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度高，但转换速度不够理想，常应用于数字式测量仪表中；计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器做为A/D转换接口电路，因为它结构不复杂，转换速度也高；并行式A/D转换器的转换速度最快，但因其结构复杂而造价很高，故只用于转换速度极高的场合。故本设计选用的A/D转换器是ADC0808。3.1.4 压力传感器 传感器的主要作用是感受和相应规定的被测量，并按一定规律将其抓换成有用输出，特别是完成非电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般来说，可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成。 传感器的分类：（1）按输入量分类，以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、气敏传感器等。（2）按输出信号形式分类，以模拟量输出的为模拟式传感器，以数字量输出的为数字式 传感器。（3）按工作原理分类，以工作原理命名，如应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热释电传感器、压电式传感器、光电传感器等。(4）按能量关系分类，分为有源传感器和无源传感器。有缘传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器；无源程序传感器不起能量转换作用。只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。本设计中选用PTJ206压力传感器。PTJ206压力传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。适于与楼宇供水等压力测量与控制。PTJ206量程；0-150（MPa）;介质温度：常温（-2085摄氏度）；负载电阻大于50千瓦；绝缘电阻；大于20000兆瓦；密封等级：IP65。3.2 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为9个单元模块，它们分别是：水管压力测量模块、时钟模块、复位模块、按键接口模块、A/D转换模块、D/A转换模块、显示模块、稳压电源模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.2.1 水管压力测量模块要测量出水管的电压就需要压力传感器。本次设计采用压力传感器来测量水管压力。压力传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压发生变化。一般压阻式传感器是在硅膜片上做成四个等值的电阻的应变元件，构成惠斯特电桥。当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大，而另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压。由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大50100倍，故硅压阻式压力传感器的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏，有时不需要放大就可直接测量。另外压阻式传感器还有易于微型化，测量范围宽，频率响应好（可测几千赫兹的脉动压力）和精度高等特点。但在使用过程中，要注意硅压阻式压力传感器对温度很敏感，在具体的应用电路中要采用温度补偿。目前大多数硅压阻式传感器已将温度补充电路做在传感器中，从而使得这类传感器的温度系数小于0.3%的量程。如图3.1所示。图3.1 水管压力测量电路3.2.2 时钟模块设计时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。单片机工作的速度是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图3.2所示。电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围3010pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。图3.2 时钟电路3.2.3 复位电路的设计单片机的RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。复位后，单片机内部各部件恢复到初试状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多人在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。本次设计采用上电自动复位电路。由于RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。图3.3复位电路3.2.4 按键接口模块设计本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合。在此电路中，按键输入部分采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/0口线有确定的电平。在扫描时，先读取P0口的四位，若某位为低电平，应先延时l0ms，然后再读取该位，如果读得的值仍为低电平，可确认此键已按下，然后调用该键的键处理子程序，各键的优先级别由软件安排。依据本次的设计要求我们大体分析在自动部分需要4个按键，因此我们选择独立式键盘。在电路仿真当中，为了体现效果，把最小步进临时改成了5。按下启停键后，系统将压力传感器传过来的信号进行转换后进入单片机，显示出当前的水压。按下设置键后，系统显示出设定的压力值，如果对设置的水压进行调整，通过增减键，可以进行单位为5的调整。如图3.4所示，电路由4个按键和4个电阻组成，按键分别命名为增一键、减一键、设置键和启停键，共四个键，电阻可以采用9脚排阻（810K）。启停键功能：启动/停止，执行开始自动运行和停止功能；设置键功能：设置，与加一键和减一键配合对压力进行调整，开始设置。增一键键功能：+1，与设置键键配合对压力进行调整，加一键键每按下一次则进行数据进行+1操作。减一键键功能：-1，与设置键键配合对压力进行调整，减一键键每按下一次则进行数据进行-1操作。图3.4按键接口电路3.2.5 A/D转换模块计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。由于压力传感器传过来的信号为模拟信号，在接入前要加A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，本次设计采用常用的A/D转换芯片ADC0808. 如图3.5所示。图3.5A/D转换电路3.2.6 D/A转换模块D/A转换电路用我们比较熟悉的DAC0832来作，DAC0832采用了二次缓冲输入数据方式（输入寄存器及DAC寄存器）。这样可以在输出的同时，采集下一个数字量，以提高转换速度。如图3.6所示。图3.6 D/A转换电路3.2.7 显示模块设计单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行结果等。显示器、键盘电路就是用来完成人机对话的人机通道。本次设计中要求作到4组LED显示，LED显示器的控制方式为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动时，一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可。而且只须要考虑段的驱动因为共阳极接+5V，而共阴接地，所以位的驱动不要考虑。动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。如图3.7所示。图3.7 显示模块电路3.2.8 电机控制设计压力传感器将压力信号经过A/D转换后输入到单片机，如果压力和设定压力有偏差，单片机将控制变频器调频使压力值稳定，当变频主电机由变频器拖动运行至最大频率，压力如还不能达到设定的压力值，则MCU自动启动定频副电机，以期保持供水压力恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。图3.8 电机控制电路3.2.9 稳压电源模块大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好。由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3.9。图3.9 稳压电源电路采用外接PNP型大功率管的方法，这是一种最基本的扩展电流电路，扩展的输出电流取决于外接功率管的电流负载量，电路中的R1是VT的偏置电阻，为VT1提压导通时的基极偏压，VT与集成稳压器内电路中的NPN型调整管组成复合管，设Ir为流过电阻R1中的电流，Ic为流过外接调整管的集电极电流，Td为7805的静态工作电流，这时7805的输出电流为Ioxx，可表示式中为VT的电流放大系数，稳压扩展后的输出电流Io可表示为。因为7805的的最大输出电流为1.5A，当Io取1.5A时，则稳压器的扩展后的输出电流为3A，加一只二极管VD与R1并联，把外接整流管的VT1的发射结电阻限制在0.7V以内，当输出电流超过额定值时，保护电阻R2上的压降增大，必然会使VT1的Vbe减小，从而使VT1的输出电流减小，以至不导通，这样便达到了保护外接管的目的。电路中的VT1可选用3CD6等PNP型硅低频大功率管。4 系统软件设计4.1 软件设计原理及设计所用工具软件的主要功能是根据系统的工作原理，框图，先制定各部分程序的流程图，然后再根据流程图编写各部分程序，通过调试各部分程序运行正确无误后，再进行主程序的调试，看是否能实现预期的功能。系统能否完全正常工作，最主要的也是最关键的是看软件程序是否正确，它关系到系统功能的实现，可以说，软件是一个系统的灵魂。本设计所使用的软件工具如下：(1)开发平台KeilC51；(2)编写语言C/C+;Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，是目前最流行开发80C51系列单片机的软件，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。4.2 主程序流程图恒压供水控制器对生活供水、消防供水系统进行监控，要求软件具有高可靠性、高稳定性、高抗干扰能力，检测信号准确，有良好的动静态性能，该软件按结构化流水设计，分为若干功能部分，采用C语言编写。本设计的软件主程序用来动态显示系统的压力，压力的采样和系统的控制环节都在中断处理程序中, 主流程图如图4.1：主程序初始化开始T0中断，设置T0为10MS的中断开始是否键按下按键处理子程序YN压力的动态显示图4.1 主程序流程图4.2.1 T0中断服务程序程序流程图如下：如图4.2示，变频器控制M1电机，M2电动机由单片机控制，其标志位为M2。(1)A/D转换子程序其主要任务是把压力传感器检测的压力转换成数字量，并送入单片机处理(2) D/A转换子程序 其主要任务是把经PID处理过的数据转换成模拟量，来控制变频器输出电压的频率，来控制水泵的转速，以达到控制供水压力的目的。 （3）PID调节程序本设计就是通过单片机实现的PID调节器来实现水压的恒定，并自动调节水泵的数量。PID有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作用可以消除稳态误差：通过微分作用预测将来。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。随着计算机技术的发展，在控制工程中，用计算机PID控制算法来实现数字PID控制器，组成计算机控制系统。可以灵活的改变PID参数，同时可以改变控制策略来达到控制目的。这是模拟PID控制器中所无法实现的。这里所说的控制策略是数字PID的改进算法，如积分分离PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。在各个控制阶段采取各种控制方法，以此来获得控制目标。本设计采用增量式PID控制，所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。离散的PID表达式为： 式4.1当执行机构需要的是控制量的增量(如驱动步进电机)时，可由式(4-1)导出提供增量的PID控制算法。根据递推原理可得 式4.2用式4.1减去式4.2 ，可得 式4.3其中： ，式4.3称为增量式PID控制算法。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP，KI，KD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可有式4.3求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量。对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用如上算式并通过执行软件来完成7。清标志位M2为0（关M2电机）标志位M2是否为1置标志位M2为1，（开M2电机）标志位M2是否为1是否为最小值是否为最大值PID调节读A/D转换器进入T0中断NNYYNNYPID调节数据送D/A转换器返回 图4.2 T0中断服务程序流程图4.2.2 独立按键程序设计按键接收子程序主要是实现对当前设定压力的调整。根据按键电路的设计可知，当设置键按下时可以产生中断请求，CPU响应中断请求时，则进入该中断服务程序。在程序中，将对当前设定的压力进行调整，利用增一键和减一键键配合使用，每次对增一键键的按下则进行累加；同样对减一键键按下则进行减1操作。开始 置无键按下（P0 FFH）标志是否有键按下(读P0口值)N调延时子程序Y是否有键按下（再次读P0口值）确认有键按下N保存键值进入键盘处理程序Y 图4.3 键盘扫描程序流程图4.2.3 LED动态显示程序模块的设计在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。当扫描频率在70Hz左右时，能够产生足够的图形和较好的显示效果。一般可以采用时间间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。在单片机中，定时器功能既可以由硬件（定时/记数器）实现，也可以通过软件定时程序实现。软件延时程序占用CPU的时间，因此，它降低了CPU的利用率；硬件定时是利用单片机片内定时器，启动以后定时器可与CPU并行工作，不占用CPU的时间，使得CPU有较高的工作效率。本设计采用硬件定时和软件定时并用的方式，即用定时器1溢出中断功能实现10ms定时，通过软件延时程序实现1ms的定时。T1定时器中断服务程序的功能，从显示缓冲区分别取出4位LED显示数据的位码和段码，送P0口，依次显示每一位，显示4位需要4ms的时间。在设定时间时候，对当前需要调整的设定值应具有闪烁功能，用来提醒当前处于设置状态。进入T1中断保护现场关T1中断把DATA1中数据写到DATA中根据CLK，送位选COM端COM+1四位显示是否结束N Y恢复现场，开T1中断，恢复T1初值返回 图4.5 LED动态显示程序程序流程图5 系统调试本章对系统的各模块进行了仿真调试。5.1 Proteus仿真软件介绍Proteus软件是Labcenter Electronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室17。软件仿真有很多特点和优势，如：可以随意方便的更换和改变电路中的器件及线路，仿真的过程中不会损坏器件，从而降低了产品开发的成本。本文中由于我们主要使用Proteus软件在单片机方面的仿真功能，所以我们重点研究ISIS模块的用法，在下面的内容中，如不特别说明，我们所说的Proteus软件特指其ISIS模块。5.2 软件调试5.2.1 水管压力显示的仿真为了能够实现仿真，在仿真时用滑动变阻器来模拟水管水压。通过调节电阻的大小来改变水管的水压值。在调节电阻值的时候，显示管上所显示的值随之变化。合上按键电路中的启停键系统工作。用户通过开闭启停键来控制系统的开关，当开关启停键未合上时，系统不工作，显示管显示FREE.如图5.1所示。当开关启停键合上时，系统开始工作，显示出当前水压。图5.1 显示仿真5.2.2 恒压值的仿真合上设置键后，系统显示出恒定压力值，通过增减键可以调节其大小。单片机把信息输入DAC0832后将数字信号转换为模拟信号，通过变频器后调节水泵的转速，用来保持恒定的水压。如图5.2所示，为开始设定的恒压值。系统设定的开始恒压值是150。因为恒压力的需求不同，就要根据不同用户的需要来调整恒压值。合上设置键后，按增一键一下，数值增加5，减一键一下，数值减少5。这样就可以调节所需要的压力。如图5.3所示，按可三下增一键后显示165。 图5.2 恒压值显示 图5.3 调节后的恒压值显示结论本论文的研究主要完成了以下内容：通过对变频恒压供水控制系统的工作原理和控制原理的分析，用单片机汇编语言结合硬件电路，设计出以AT89C51为核心的恒压供水控制器。并将数值PID算法应用到变频恒压供水控制器中，使得用户在使用时更加方便快捷。变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向，采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。当然由于自己能力所限和时间的紧迫，这个设计还有很多缺陷，无法应用于实际，在电路设计方面也有考虑不足，由于没能做出实物，还无法对电路进行调试。只有在以后的工作中去完善。 参考文献1 王晓明.电动机的单片机控制M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.62 王晓君，安国臣MCS-51及兼容单片机原理与选型M北京：电子工业出版社，2003.53 卢京潮自动控制原理M.西安：西北工业大学出版社，2004.24 吴忠智，吴加林变频器应用手册M.北京：机械工业出版社，1995.125 何立民MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，1996.96 陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京：机械工业出版社，200377 杨宁单片机与控制技术M北京：北京航空航天大学出版社，2005.28 杨振江流行单片机实用子程序及应用实例M西安：西安电子科技大学出版社，2002.49 胡汉才单片机原理及其接口技术M.北京:清华大学出版社,2004.310 罗志坤，徐植坚串行可编程监控EEPROM器件及其应用J电子技术,1998(3)23-2511 郭凌EEPROM芯片X25045与MCS-51单片机的接口及应用J电子与自动,1999(4)38-4112 郭观七.基于C语言的MCS-51系列单片机软件开发系统M.华中理工大学出版社，1996.1113 马淑华,高原.电子设计自动化M.北京邮电大学出版社，2005.814 葛伟亮.自动控制元件M北京：北京理工大学出版社，2004.615 韩志军，沈晋源，王振波单片机应用系统设计入门向导与设计实例接M.北京：机械工业出版社，2005.416 梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，张军单片机原理及接口技术M北京：北京交通大学出版社，2004.917 潘永雄新编单片机原理与应用M西安：西安电子科技大学出版社，2003.5 致谢在本次毕业设计过程中我的指导教师张焕梅老师给予了我无私的帮助与耐心的指导，期间解决了我在设计过程中的许许多多的疑问，同时对于自己设计过程中的某些知识盲点也耐心地给予讲述，从而使得自己的毕业设计能顺利完成。在此，对于张焕梅老师的无私帮助表示最真诚的感谢。当然，设计的评阅也花费了老师们很大的精力，并且对于自己整个设计的不足之处，也给予了热心的指正。对此，表示衷心地感谢。附录1 系统的原理电路图附录2 系统的相关程序#include AT89x51.h#define ulong unsigned long#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define OFF 0x00#define ON 0xff#define Hi 0xff#define Lo 0x00#define Free 0xff /空闲，#define AutoRun 0x40 /自动运行状态标志#define SetWp 0x49 /设置水管水压值状态标志#define KeyCodeUP 0xff#define KeyCodeDW 0xa0#define KeyCodeFree 0xf3#define KeyCodeRun 0x02#define KeyCodeNONE 0x02sbit KeyUP =P04; /各按键sbit KeyDW =P05;sbit KeySet =P06;sbit KeyRunStop=P07;sbit EnDACout =P33; /低有效，为低表示DAC0832可以接收数据sbit EnADCin =P32; /高有效，为高表示ADC0809可以输出数据sbit StartADC=P35; /负脉冲启动sbit ADCcomp=P34; /高有效，为低表示转换没完成sbit Motor1EN=P36; /主电机使能sbit Motor2EN=P37; /副电机使能sbit WorkLED=P04;static char LEDCodeTable=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共阳极LED字型码static char LEDCodeTable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /共阴极LED字型码static char LEDSelTable=0xf8,0xf1,0xf2,0xf4;/0x08,0x01,0x02,0x04; /LED高低位选择 0x0E,0x0C,0x0A,0x07void Init_Device(void);/void LEDisplay();void BCDtoLED(void);void IntDataToLED(uint dat);uint SampleADC (void);void OutDAC(uint dat);void delay(uint time);void KeyPro(void); /按键处理void PIDpro(void);uchar KeyCodeNew=KeyCodeNONE; /按键输入值uchar KeyCodeOld=KeyCodeNONE; /按键输入值/bit NewKeyIn=0; /新按键值输入标志uchar LEDValue4=6,1,2,3; /放置各个LED原值码uchar LEDC