本科毕业设计单片机

1、 本 科 毕 业 设 计 第 21 页 共 22 页1 引言1.1 本课题的意义 水作为一种能源，是生活中必不可少的，水作为一种可再生资源，同时也是非常脆弱的，这时节约用水就显得非常重要。随着中国经济的飞速发展，大城市里房屋建筑的高度也在迅速的增加，但随之也出现了许多问题，高层住宅供水难就是其中尤为突出的问题。原因是通常，供水系统全天各时段用水量变化较大，如果不及时对供水水量及供水压力进行调节，会使整个供水管网的压力处在波动状态，严重的还会引起管网失压或爆管事故、恶化供水质量。传统供水方式主要有：高水塔，高位水箱或增压设备等。它们在不同程度上存在下列许多问题：其设备一次投资费用高，而且必须使水

2、塔高度高于最高层楼用水高度，用压力来提升水量，其结果往往缩短了水泵的使用寿命，还容易造成水的二次污染，造成水电资源的浪费。除此之外传统的供水系统还存在下列问题:1、用水负荷大幅度变化容易引起管网压力的巨幅变化极易造成供水管网的破裂；2、加大了工人的劳动及增加了生产设备维修费用；3、设备的频繁启动产生的大电流易使电网和设备均处于频繁的电流冲击状态，从而使电气设备和机械连接部件的寿命大幅度缩短。 在城市供水系统中, 泵的驱动电机绝大部分是交流异步电动机, 其年耗电量约占系统生产成本的80%。目前国内大部分供水企业仍采用传统供水工艺, 即手工操作, 人工监控,经验管理。一般采用调节阀门来满足和适应管

3、网供水压力和需水量的变化，但是用户需水量随时间变化的非常频繁。随着国民经济的迅速发展，能源紧缺问题愈加严重，寻求解决高层建筑供水难的办法迫在眉睫。对于泵类和风扇负载而言，其功耗与转轴速度的立方根呈正比。当转轴速度降低10%时，气流也减少10%，且能耗减少27%；如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工业中应用的离心泵、风扇和鼓风机中，通过使用单片机对电机进行变速控制，取代速度恒定的电机方法，可以节能25%-40%。以改善高层住宅用水难为目标，根据城市高层建筑供水系统的实际情况，本系统采用基于恒定管压力的PID 算法对交流电机进行交流变频调速，通过合理配置水泵的工况, 能保证水泵工作在最佳的特

4、性区, 满足小区需水量随季节、昼夜变化的需要, 同时达到良好的节能效果, 系统无需专人监控, 就能达到稳定、自动、高效的供水品质。所以研究设计基于变频调速的恒压供水系统，对于提高人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 本设计的基本研究方法 本设计的硬件电路部分包括压力传感器模块、AD转换模块、单片机模块、变频器模块、显示报警部分和键盘操作部分。在软件设计中使用单片机AD89S51对本供水系统进行程序编辑和对各硬件系统进行控制，实现所预期的要求。软件设计的功能为完成初始化的子程序，如键盘命令子程序、显示子程序、PID控制算法子程序、AD之间的转换子程序等。 本设计的具体工作

5、原理为：如果要稳定水压P，需要一个由单片机、变频器、压力传感器等器件构成的闭环系统。该系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器, 把出口处的水压变为0 一5V 的模拟信号, 经A/D转换后传送给单片机, 经单片机与给定水压进行比较, 得出误差信号,单片机对误差信号进行PID运算后输出控制信号, 经D/A转换后变成模拟信号送给变频器,调节变频器的频率控制电机水泵机组的转速和工频泵启停的转换，当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上，反之亦然。从而达到智能调压的目的。2 恒压供

6、水的基本原理2.1 变频调速的介绍 变频调速系统由电力半导体变流器、电动机、控制、检测四部分组成。这四部分相互依存, 共同作用, 实现变频调速的高精度、使用方便、低转矩脉动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。在变频调速系统中, 为了进行转矩、电流、磁通、电压、转速、位置等的控制, 需要对这些被控制量进行检测。利用现代控制理论、不采用传感器, 尤其是不采用机械传感器进行状态观测或估算, 可以为系统提供所需信息。超大规模集成电路技术的发展为变频调速提供所需微电脑和各种专用集成电路, 从而有可能利用现代控制理论实现全数字控制、智能化控制。变频调速技术是通过改变供电的频率从而改变电机的转速。变频器的

7、基本工作原理是：三相异步电动机转速为n =60f( 1 - S )P （其中n为电机的转速，f为电网的频率， S为电机的转差率，P为电机的极对数。）从式中得知, 改变电源效率f , 就可以改变转速n, 从而达到调速的目的。 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。变频器作为节能应用与转速工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速的发展和广泛的应用。他可以提高产品的质量、改善工艺的流程、节约资源、保护环境甚至可能会对推

8、动技术的进步做出巨大的贡献。2.2变频调速的基本原理 在变频调速恒压供水系统中，通过变频调速来改变水泵的转速从而改变供水流量的大小以满足供水需求。其外部表现为供水管网压力的恒定。水泵工作点反应了水泵的运行状态，它是指水泵在确定的管网压力中，实际工作当中所具有的扬程、流量、效率和功率等的参数。因为水泵转速的调节是一个动态过程，则恒压供水系统的一个核心工作就是做到水泵工况点的连续调节。水泵在实际工作中的工况点取决于三个方面的因素：管路阻力、水泵性能和所需要的实际扬程。这三者密切相关即这三种因素中的任意一项发生变化，水泵的工况就会随之发生变化。因此要从这三个因素出发来确定水泵的工况点和工况的调节。进

9、水 LED显示模块及报警电路键盘 出水 AT89S51 变频器 图2.1 变频恒压调速系统的原理图本系统的工作原理是：变频供水设备采用单片机控制变频调速装置，具有控制水泵恒压和变压的功能。该自动控制系统通过安装在水泵出水管上的压力传感器，把出口压力变成( 05) V 的模拟信号，经前置放大、多路切换、A/ D 变换成数字信号，送入单片机，经单片机内部PID运算并与给定参量进行比较，得出一调节参量。 经由D/ A 变换把这一调节参量送给变频器，控制其输出频率变化。用户需水量与频率的变化有关：用水多时，频率提高或者切换至工频状态，水泵电机转速加快； 反之，频率降低，水泵处于低速状态，出水量减少。这

10、样既可确保管网压力恒定, 又可大大节省电。由于变频器频率的变化几乎是连续的( 可以精确到0.IH z ) ，使水泵电机的转速可以在0到电机额定转速的范围内任意可变，使水泵转速方便地随水量的变化而变化，避免了水泵电机的频繁起动，从而实现恒压供水的目的。这样，不管用户端用水量大或小，总能保持管网中水压的基本恒定。因此，既可以满足各部位的用户对水的需求量又不使电机空转，造成不必要的电能浪费，从而达到恒压节能的效果。2.3变频调速在恒压供水中的节能原理所谓恒压供水, 就是在供水管网中由于用水量发生变化, 使管网压力随之变化, 为使管网供水压力基本恒定, 从而采取增减水泵供水流量及压力(即调节水泵转速和

11、运行台数)的措施, 跟踪、补偿这种变化的工作过程。目前水泵电机大部分是三相异步电机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：n=60f(1-s)/p式中p为电机的极对数，s为电机的转差率，f为电源的频率。当水泵电机选定后，上式中的电机转差率s和电机极对数p是固定的。则电机的转速只与电源频率f成正比，频率越低，转速越慢；频率越高，转速越快，变频调速的无极调速就是利用这一公式来体现的。 根据流体机械力学流量Q、压力P、功率N的关系:N=PQ可知: 流量与转速成正比; 压力与转速的平方成正比; 功率与转速的立方成正比。因此在满足工艺要求前提下, 利用变频调速器调节电动机交流电源的频率来改变电动机运行

12、转速, 使电动机实际消耗的功率随转速呈三次方关系下降, 节电效果就十分显著。 恒压供水系统使用最多的就是离心式水泵，离心式水泵属于平方律负载。水泵最主要的参数是流量和扬程，供水功率与流量和扬程的乘积成正比。我们先了解下扬程特性和管阻特性。扬程特性反应了用水流量的大小对扬程的影响，即用水量越大，则供水系统的扬程将越小；水泵的转速下降，其供水能力也会下降，扬程特性将下移。而管阻特性就是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程；管阻特性与管道粗细、长短及阀门开度有关。调节流量的方法主要有两种，第一种是阀门控制的方法，其实质是水泵自身的供水能力不变，而是通过改变管道中的阻力来改变供水的能力（即供水流量）

13、，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，而扬程特性不变。如图2.2所示： 图2.2 转速与流量的关系图在图2.2中，曲线表示水泵在额定功率状态下的扬程特性曲线，曲线表示水泵在低功率状态下的扬程特性曲线，曲线表示所有楼层中的阀门全打开时管阻特性，曲线表示管道中的阀门关小时的管阻特性。设用户所需流量从减小为，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点由点移至 点。这时：流量减少了但扬程却从增大为；由公式Pgpt 可知供水功率g与面积o 成正比。 第二种调节流量的方式就是转速控制法。即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度不变，

14、保持为最大。当水泵的转速改变时，扬程特性也随之改变，而管阻特性不变。仍以用户所需流量从 减小为 为例，当转速下降时，扬程特性下降为曲线，管阻特性则仍为曲线，故工作点移动至点。所以，在流量减小为的同时，扬程减小为；供水功率 与面积 成正比。 比较上述两种调节流量的方法，可以看出：调节阀门控制流量的方法，只能调节水管中管阻特性，水泵的扬程特性不变，因此泵的工作点在图中的曲线上；而采用变频调节水泵速度的流量控制方法，管阻和水泵的扬程都会发生变化，因此采用变频调节水泵速度的流量控制方法其水泵的工作点是在多边形上。由图2.2可以看出，多边形是在曲线 的下方，因此可以得出变频调节水泵流量的方法比调节阀门的

15、方法节省能量。 图 2.3效率与相对流量的关系图从工作效率上分析，当关小阀门来改变流量时，由于水泵转速不变，用户所需流量*降低为 时，水泵工作点降至 点，如图2.3所示。可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低是十分显著的。而在转速控制下，由于在阀门开度不变的情况下，实际流量*与实际转速*是成正比的，在* 和* 时效率是相等的，此时水泵的工作点在点。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率是处于最佳状态。 另外，由于厂家在生产水泵时对用户的管路情况无法预测，所以对用户的需求留有足够的余量，所以在实际运行过程中即使用水量很大，电动机也常常处于不满载的状态，其效率和功率因数都较低。采用了转速控制

16、方式后，由于电动机在低频运行时，变频器的输出电压也下降，从而提高了电动机的工作效率。综合起来水泵功率与流量间的关系如图2.4所示。 图变频与工频效率图 在图2.4中，曲线是调节阀门开度的功率曲线，当流量*100% 时，所消耗的功率由 点决定。曲线是调节转速的功率曲线，当*时，所消耗的功率由 点决定。由图2.4可知，与调节阀门开度相比，调节水泵转速所节约的功率是相当可观的。变量泵的实际功率1供水量*与泵转速*三者的关系如下式：1/ （*/）3*/ */式中： 为额定流量，*为实际流量，*； 为额定流量 时的轴功率； 为水泵的额定转速，*为实际转速。当* 时*，.，即可节电. 。当 时*，即可节电

17、. 。一般系统可节电 之间。通过以上的分析我们知道，控制参数应选择供水系统中最不利点所允许的最低压力值，利用压力传感器采集管网中的实际压力，反馈给单片机，进而对电机转速进行调节，组成单闭环系统，使水泵管网最不利点的压力与初始时所设定的控制压力值保持一致，实现变频调速和自动控制，最终达到正常供水和最佳节能效果。2.4供水系统的工作过程 根据生活的实际情况，本系统采用两个水泵联合供水。A机组，可变频；B机组，只能工频运行，并且A机组的容量约是B机组的三分之二。自动控制系统可以根据不同的用水情况来选择水泵的运行方式。 本系统水泵的工作方式有以下三种：一、A机组变频运行，二、B机组工频运行，三、B组工

18、频运行，A组变频运行。 水泵工作切换过程如下： 切换过程1、A组电机变频启动，频率接近50HZ时，当用水量增加时，B组电机频启动，A组电机频率降低，直至停止。 切换过程2、当在用水高峰期，B组电机工频运行时，仍不能满足供水需要时，A组电机变频运行。 切换过程3、B组电机工频运行即可满足用户需求。 切换过程4、A组电机变频启动，B组电机停止工作。 如此循环往复，即可满足恒压供水的需求。3电路设计3.1电路设计的整体思路该系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器PTJ206来探测管网的压力,其输出值经RCV420转化为0 一5V 的模拟信号, 经ADC0809转换后传送给单片机AT89S51后由数码

19、管显示。数码管由MAX7219驱动。同时单片机将输入压力值与给定水压进行比较, 得出误差信号,单片机对误差信号进行PID运算后输出控制信号, 经DAC0832转换放大后变成合适的模拟信号送给变频器DT2100。另外在最小系统中由蜂鸣器构成报警电路，电源由W7815提供15V和5V稳定电压。本系统的核心是单片机AT89S51，采用压力反馈的单闭环控制系统，采用压力传感器探测各个楼层管网最不利点的水压值并经过模数转换模块转换成数字量，输入单片机，再由单片机内部的PID程序算法给控制信号输出频率值，输入变频器，通过变频器对水泵转速的调节以实现管网供水压力的恒定。在程序内设定压力的上下限，当管网压力超

20、过或低于设定界限时，报警电路启动以便及时维修。系统的整体框图如图：单片机显示器D/A放大器压力传感器键盘D/A变频器水泵报警 图3.1 系统整体框图3.2基本硬件设计3.2.1AT89S51单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速

21、单片机。 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。AT8

22、9S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 主要性能特点1）4k Bytes Flash片内程序存储器；2）128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；3）32个外部双向输入/输出（I/O）口；4）2个中断优先级、2层中断嵌套中断；5）6个中断源；6）2个16位可编程定时器/计数器；7）2个全双工串行通信口；8）看门狗（WDT）电路；9）片内振荡器和时钟电路；10）与MCS-51兼容；11）全静态工作：0Hz-33MHz；12）三级程序存储器保密锁定；13）可编程串行通道；14）低功耗的闲置和掉电模式。管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双

23、向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。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口作为第八位地址接收。 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TT

24、L门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。P2口当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8个带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（

25、ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器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） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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

26、地位字节。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

27、：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存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，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。3.2.2 变频调速简介 变频器的选择 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u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能

28、型u/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(TLn2)，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。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的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动

29、机额定电流要大于普通鼠笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为: Pnv1.1Pn式中：Pnv变频器额定功率，kW； Pn一电动机额定功率，kW3.3硬件电路 硬件电路包括最小系统、传感器采集输入、数据采集A/D转换电路、变频输出电路、显示及其驱动电路、电源电路、报警电路。各个模块介绍如下

30、：1） 单片机最小系统的设计 由于AT89S51本身就是一个最小系统，且有内设的看门够电路，所以最小系统的设计只需要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。时钟电路：该系统使用AT89S51单片机内部振荡和时钟产生电路，外接微调电容和振荡晶体来产生时钟周期信号从而完成对时间周期的准确计时。电路中的电容通常为30pF,晶体振荡器的振荡频率的范围通常在1.2M-12M之间。晶体的频率越低，系统越稳定，但是晶体的频率越高，单片机的运行速度就越快。单片机的运行速度与越快对相应的存储器的要求也就越高。51系列的单片机常选择振荡频率为6M或12M的石英晶体。本设计采用的石英晶体振荡器的频率为12M。复位电路：

31、一个可靠的复位电路对于单片机应用系统而言是必不可少的。对于AT89S51而言，复位时不可屏蔽的外部中断，也是优先级最高的中断。AT89S51是高电平复位。复位电路既具有上电复位又具有外部复位的电路。只要让RST引脚保持足够高的高电平就能使单片机复位。2）报警电路的设计 蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。因此，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。所以，蜂鸣器的正极性的一端

32、联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.4管脚通过一个与非门来控制，当P1.4管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.4管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。在这里与非门是作为非门来用的，这里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，以为系统复位以后，I/O口输出的是高电平。3）压力采集变送输入 PTJ206压力传感器/变送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。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与

33、控制。PTJ206的压力采集范围是0-150MPa,输出值是4-20mA电流。 RCV420是美国RURRBROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4-20mA输入信号转换成为0-5V输出信号，具有很高的性能价格比。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准。其总转换精度为0.1，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达±40V。 当水压作用于压力传感器时，压力传感器将水压转换成电信号，输出与水的液位压力成线性关系的4-20mA的电流信号。此电流信号经过RCV420差分放大后，输出0-5V的标准电压信号。 4）数据采集A/D转换电路A/D转换电路以

34、ADC0809为核心。通过ADC0809的模拟量输入口IINT0进行AD采集。当转换结束后EOC为高电平，作为中断，单片机调用中断程序，读采样数据。a. AD0809的逻辑结构ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成，如图3.3.2-1。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。其内部结构如图3.3所示。 图3.3 AD0809内部结构 b. AD0809的工作

35、原理 IN0IN7：8 条模拟量输入通道ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输数字量输出及控制线：11条。ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁

36、存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。5）显示示及驱动电路 MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操

37、作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。MAX7219的内部结构如图2所示。 图2 MAX7219的内部引脚分配各引脚的功能为：DIN：串行数据输入端DOUT：串行数据输出端，用于级连扩展LOAD：装载数据输入CLK：串行时钟输入DIG0DIG7：8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流SEG ASEG G DP 7段驱动和小数点驱动ISET： 通过一个10k电阻和Vc

38、c相连，设置段电流。内部寄存器数据格式 片内共有8个位寄存器和6个控制寄存器，8个位寄存器存放点亮LED的段码，6个控制寄存器决定LED的工作方式，他们是：译码方式寄存器，亮度调节寄存器，扫描个数寄存器，关闭寄存器，显示测试寄存器，不工作方式寄存器。对14个寄存器的寻址和数据修改用一组16位串行数据来完成，数据格式如下：D15 D14 D13 D12D11 D10 D9 D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X X X 地 址数 据数据输入的时序见图2。 5） 变频输出电路 单片机的输出信号经过DAC0832数模转换后，在经过LM358双运算放大后，传送给变频器DT2100。

39、其输出值4-20mA电流信号控制变频器的输出频率，进而使得水泵的转速发生相应的变化。a. DAC0832介绍如下：DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。 主要参数：* 分辨率为8位；* 电流稳定时间1us；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；* 只需在满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（+5V+15V）；* 低功耗，20mW。引脚功能：* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大

40、于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变

41、化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地；* DGND：数字信号地。b.LM358介绍如下：LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的

42、工 作条件下，电源电流与 电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358可将DAC0832输出的小电流值经过双运算放大输出4-20mA的电流值。c.变频器TD2100介绍如下： 变频器恒压供水设备是一种新型的节能供水设备。变频器恒压供水设备系统运用当今先进的微电脑控制技术，将变频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。变频恒压供水设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机自动控制变频器的输出频率从而调节水泵电机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒

43、稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。这样就保证了整个用户管网随时都有充足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况而定）。 TD2100系列供水专用变频器具备了一般的供水控制系统中通用变频器和PLC两者的功能，用更加经济和简单的方式实现了整个系统包括常规泵、休眠泵、消防泵和排污泵等多台泵的智能化管理。实用的供水功能l. 无需配置PLC或供水控制器,即可实现多种常用供水专用功能; 2. 内置PI调节器,只需外配一只压力传感器,即可方便地组成闭环控制系统; 3. UP/DWN端子控制功能,使用电接点压力表也可方便地组成闭环控制

44、系统; 4. 多种工作模式选择,可灵活配置常规泵休眠泵排污泵消防泵,最多可实现7台泵的控制; 5.零流量停机节能功能,在用户不用水的情况下可自动停机; 6. 内置自带电池的实时时钟芯片,方便实现各种泵的定时开启和停止; 7. 每日可设定最多6段压力运行,以适应供水压力的变化需求; 8. 可实现周末/节假日等各种特定日供水压力控制; 9. 定时轮换控制,使各泵工作时间均衡,并可防止泵的锈死; 10.内置多种模式消防功能,火警时系统自动启动消防泵; 11. 优化休眠泵控制,特别适合宾馆、写字楼夜间供水,最大限度节能; 12. 手动软启动功能,可实现循环方式时各泵的手动变频软启动,方便调试; l3.管网超/欠压,火警/水池缺水等多种输入与检测保护,可保障供水系统安全; 14. 存取7台电机参数,自动实施保护; l5.多种变频器故障处理模式,即使变频器故障,仍能保证生活和消防供水; l6. 实时故障参数记录,便于用户分析故障原因; 17.工作小时自动累计功能,方便节能分析或设备维护故障;