基于AT89C51的恒压供水控制器的设计

1、基于AT89C5啲恒压供水控制器的设计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

2、 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

3、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

4、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

5、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。252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

6、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。管网水压图2.1方案一的原理框图2.1.2 方案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

7、能的目的。图22 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, ACS40（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。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

8、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

9、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指令实施软系统由变频器、控制器、传感器、主副在水泵的出水管道上安装一个压力传感启动、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

10、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。 两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。0-5V 的模拟信号， 送到单片机系统的 A/D该变频恒压供水控制器以单片机为核心， 器，用于检测管道压力， 并把出口压力变成 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

11、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）一一控制器输出（上升）一一 变频器频率（上升）一一电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压。2）调试不方便，需要专业人事到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

12、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。 现场进行调试，这也增加了人力的投入资本。至变频器中央处理器（MCU）,经PIDMCI处理器控制，使电机的转速自方案二采用压力传感器反馈电压信号（ 0-5V） 控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作用 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，贝U MCH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

13、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ATME公司生产的低电压，高性能CMOS位单片

14、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 ATME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0HZH24MHZ32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、

15、 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

16、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

17、 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。

18、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3Hz50Hz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。fminn min P60空2 3Hz60式3.1maxnmax P60型乞上50Hz60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

19、.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（k

20、g）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

21、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ADC08083.1.4 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、

22、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（-20 85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

23、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

24、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3.1所示。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

25、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

26、作用，通常的取值范围 30 ± 10pF;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。C2图3.2时钟电路3.2.3复位电路的设计RST为了保RST保 持单片机的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勺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

27、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 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。 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R?C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。C3U ".亠.L111101r 1110k厂E；厂AI 1

28、0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/O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lOms， 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

29、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（8X10KQ）。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

30、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0325A/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。U-rVCLOCIO-I JL -H U U H U UU U oucoooo c'CLOCKE TnrNO rj -I NZN>N4Nfl NO

31、r-i 7¥- 卫.AH? A AE'D add t?OE图3.5 A/D转换电路326D/A转换模块D/A转换电路用我们比较熟悉的DAC0832来作，DAC0832S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。U2CP/sWPilh 1 A¥89hb-1J丨-.20i191311015141312TTU3VCCWRGWTO?DI?UI4LILDI5DllCISCIODI7VFEFIGUT；FFBICUT1CNLD.4C3a33'=;= .图3.6 D/A 转换电路3.2.

32、7显示模块设计单片机应用系统中，通常都需要进行人一机对话。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 成人机对话的人一机通道。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

33、驱动能力决定位的驱动能力。女口 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 MClU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3.9。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，

34、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GNffl成,它 的稳压值为+5V,它属于CW78X）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

35、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rI=Rt BP1plINOUTC113 ivkCT?0畑F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， 这时7805的输出电流为Ioxx，可表示loxx Ir夕/ 数，稳压扩展后的输出电流Io可表示为Io Ic Ioxx。Td为7805的静态工作电流,Id式中为VT的电流放大系因为

36、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

37、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

38、。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：开始主程序初始 化开始TO中 断，设置TO为1OMS的中断按键处理子程序压力的动态显示图4.1主程序流程图4.2.1TO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(

39、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。随着计以此来获得控制目标。m(k)。离散的PID表算机技术的发展，在控制工程中，

40、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， 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 达式为：k式 4.1u(k) KPe(k) KI e( j) KDe(k) e(k 1) j0当执行机构需要的是控

41、制量的增量(如驱动步进电机 )时，量的 PID 控制算法。根据递推原理可得k-1K I e( j) K De(k 1) e(k 2)j0u(k -1) K Pe(k -1)用式 4.1 减去式 4.2，可得KP e(k) KI e(k)KD e(k) e(k 1)可由式 (4-1)导出提供增式 4.27。27式 4.3K P e(k) K Ie(k) K D e(k) e(k 1)其中： e(k) e(k) - e(k - 1) ，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

42、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Au(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进入TO中断读A/D转换器PID调节是否为 最大值是否为最小值标志位M2是否 为1标志位M2是否 为1置标志位M2为1 ,（开M2电机）PID调节数 据送D/A转换器图4.2 TO中断服务程序流程图清标志位M2为0 （关M2电机）34422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

43、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。置无键按下（P0 FFH）标志是否有键按下（读P0 口值）调延时子程序Y是否有键按下（再、次读P0 口值）确认有键按下保存键值进入键盘处理程序图4.3 键盘扫描程序流程图4.2.3LED动态显示程序模块的设计它降低了 CPU 的CPU 并行工作，溢出中断功能实现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

44、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， 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 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 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

45、设置状态。I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COM+1位选COM端四位显示是否结束恢复现场，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莫块主要用来完成 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

46、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521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

47、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。-iR山-二图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。165。因为恒压力的需求不同，就要根据不同

48、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键置设键停启DZUQCDDL L<!4器感传力压管水拟lqjcON2N3N7qe 2 一4N5N7N6NADQCCDQCBDQCELANX15C6： otN PoCUQC键一键键键 停一设启减«br2l-uttRVCu邑 器咸律力水拟模uo属 彳 1D 4 _DZUQ? 7 -CA 0 OOOUUUUOABC EFNNNNNNNN AAA A EVarnocCCD2卩8兴15悄JrWhuriPP PP PPP P PP P

49、P P P PP ppipip PpppLLL L K KK K AA A AA AAA 淞ffiKH京目2郎2l8 .0UDfX A SSe 卡 PPPPPPPP5678EDipYC =0 C = = 0I图5.2恒压值显示|E 扉 PPPPPPPP4 4 5 16 7 u8CDEFGp图5.3调节后的恒压值显示2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

50、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。39参考文献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， 2003.5345卢京潮自动控制原理 M. 西安：西北工业大学出版社， 2004.2 吴忠智，吴加林变频器应用手册 M. 北京：

51、机械工业出版社， 1995.12 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一运动控制系统M.北京：机械工业出版社, 20037789 1011121314151617杨宁单片机与控制技术 M 北京：北京航空航天大学出版社， 2005.2 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， 2002.4胡汉才单片机原理及其接口技术 M. 北京: 清华大学出版社 ,2004.3罗志坤，徐植坚.串行可编程监控 EEPR0器件及其应用J.电子技 术,1998(3)23-25郭

52、凌.EEPR0芯片 X25045与MCS-51单片机的接口及应用J.电子与自动,1999(4)38-41郭观七.基于C语言的MCS-5係列单片机软件开发系统M.华中理工大学出 版社， 1996.11马淑华,高原.电子设计自动化 M. 北京邮电大学出版社， 2005.8 葛伟亮.自动控制元件M.北京：北京理工大学出版社，2004.6 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， 2005.4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， 2004.9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.

53、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系统的原理电路图阳rf:anAMH¥ip-亠匚士1L 1ITP U 呼； 窗 VC”A強1-isTlfc-rIH m M HM备；.iMBBEFPP苇J 咄3rT壽一丄"*|3可M ”鬲汇h 下 一 _J -rrr回！；_-l-理匚二H3#include "AT89x51.h"#define ulong unsigned long#define uint unsigned int#def