交流变频恒压供水控制器的设计

1、潍坊学院本科毕业设计（论文）目 录摘要IVABSTRACTV第一章 前言1.1交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义1.1.1课题提出的背景和意义1.1.2交流变频技术的发展1.2变频调速在恒压供水中的应用1.3恒压供水器的基本组成1.4 本文的主要工作第二章 变频调速技术概况2.1 变频调试技术的原理2.2 了解国内外交流变频调速系统技术发展情况2.3 变频器的控制方式2.4 变频节能调速理论2.5 变频调速系统的效率分析2.5.1 变频器的效率与损耗2.5.2 变频调速后电动机效率的变化2.5.3 变频器的PID组成部分2.6 变频器的基本组成第三章 基于AT89C51的变频恒压供水控制器

2、的总体设计3.1 控制系统的工作原理3.2 系统的控制原理3.3 控制器的硬件系统设计3.3.1 硬件总体说明3.3.2 系统的显示部分3.3.3按键接口电路的设计3.3.4 MC1413集成电路3.3.5 EEPROM93C46在供水控制器中的应用3.3.6 定时复位电路3.3.7 锁存电路3.3.8 数模（D/A）和模数（A/D）转换电路3.4软件系统设计3.4.1独立按键程序设计3.4.2 显示子程序3.4.3系统的主程序流程图3.5 系统抗干扰措施3.5.1 硬件抗干扰技术3.5.2 软件抗干扰技术3.6 变频恒压供水控制器的性能特点第五章 结束语参考文献附录致 谢交流变频恒压供水控制

3、器的设计摘要近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以AT89C51为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成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来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。针对供水系统难以为被控对象确定精确的数学模型、水压精度要求不太高的特征，本文提出的是一种基于模糊PID的恒压

4、供水控制方案。并利用MATLAB对其模型进行仿真，仿真结果说明了将模糊控制与PID控制相结合时，系统响应曲线没有超调，系统的建立时间比较短，抗干扰能力强，是一种鲁棒性很强的控制器。此外， 为了方便远程监控，我们还选用了北京亚控公司推出的组态软件Kingview6.00，来进行变频恒压供水控制器实验装置上位机监控系统的软件组态工作。基于King view开发环境下的工程组态，界面友好、易于操作，图形形象丰富.能以动画的形式实时显示现场设备的运行状态。综上所述 ，交流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实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。关

5、键词：恒压供水系统 交流变频VVVF CONSANT-PRESSURE WATER-SUPPLY CONTROLLERABSTRACTIn recent years, with the continuously building and rebuilding of residential areas, the problem of our inhabitant's using water is more and more serious, the old tap water's pressure appears deficient, the difficulty of usin

6、g water bring the big inconvenience to the inhabitant's daily life. In order to solve the above problem, this paper introduces a new style of VVVF constant-pressure water-supply controller. It can be used in water supply for daily life and use in case of fire and other case. The frequency-conver

7、sion pumps use cycling soft-starting and timing cutting. The software adopts the dynamic digital filter skills. It has completed protective functions.In the light of that the excise mathematical model of water supply system is difficult to find and no more request for the control precision, this pap

8、er put forwards a fuzzy-PID design for water supply under constant pressure. And also simulate the system with MATLAB, the simulation result shows that this compound control system has more significant robustness. Moreover, the configuration monitor software- -king view is also introduced. The data

9、acquisition and control scheme are analyzed.Sum up the above, the VVVF constant-pressure water supply controller is the development direction of modernization city and community's water supply, and it has the characteristics such as stable working, easily realizing and low price etc. So it is mo

10、re perfect controller.KEY WORDS: Water supply system under constant pressure, Fuzzy self-tuning PID King view 第一章 前言1.1交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义1.1.1课题提出的背景和意义近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，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,这种用水难问题在大城市表现尤为突出。针对上述问题，本文研制了变频

11、调速恒压供水控制器，该控制器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(PIU)，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。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

12、。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。1.1.2交流变频技术的发展交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术组成的一项先进技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域，是电气传动的发展方向。随着电力电子技术的飞速发展，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的发展，变频调速技术已日臻完善。进

13、入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。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一场巨大的技术革命。交流变频调速装置不仅仅可以大幅度节能，而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。现代楼宇自控中，采用变频调速技术将会改善系统的品质，并产生巨大的经济效益。1.2变频调速在恒压供水中的应用作为交流变频调速装置的一个代表，变频器恒压供水装置技术已经成熟，在市场上得到良好反映，从节能运行到系统稳定可靠得到社会认可。该系统伴随着控制器和变频器的发展技术也不断更

14、新和发展。就控制器来说，其发展经历了从继电器逻辑，到单片机、PLC,再到专用控制器等几步。从变频器调速来说，其发展经历了多段速度控制、模拟量给定控制到专用控制器。每一步发展都意味着更新更好的器件代替传统方式。用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，压力低;用水少而供水多，压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。为了提高供水质量，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定

15、电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命还可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水系统实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率运行的目的。综上所述，变频调速给水在建筑给水中应用越来越广泛，其主要原因是：1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。2.目前，变频器技术己经成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速提供了充分的技术和物质基础。3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。1.3恒压供水器的基本组成系统有变频器、控制器、传感器、水泵电机及相

16、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。它可同时对一台或多台三相380/220V、50/60HZ异步电动机进行变频调速和闭环控制。 自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采样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，并自动调速整泵组的运行台数，完成供水压力的循环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。 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PI

17、D处理得出最佳的运行工作状况参数，并将其转化成模拟信号，由系统的输出模块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与设定压力值，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作状态，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已达到设定压力，决定是否增加（投入）或较少（撤除）水泵。即：当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压达不到预设水压，则将此台水泵切换到工频运行，变频器将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后，往复工作，直至满足设定压力要求为止。反之，

18、若管网压力大于预设压力，控制器控制变频器频率降低，使变频转速降低当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。进入消防运行时，按下消防按钮，以保证迅速切入工频状态。总之，系统可以根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。1.4 本文的主要工作具体来讲，本文的主要工作可以概括为以下几点:1.进行市场调查了解用户的需求，以及目前市场上流行的几种变频恒压供水控制系统。2.进行系统的总体设计根据用户需求和变频恒压供水控制器的基本原理对控制器进行总体设计，出系统整体框图。3.系统的详细设计根据系统整体框图对系统进行硬件电路的详细设计，选择

19、元器件，利用PROTEL软件绘制系统原理图，并依据系统原理图生成印刷电路板。4.电路板的调试选择合适的元器件焊在印刷电路板上，用单片机语言C51编制相应模块的子程序(包括自整定Pi。算法子程序)，利用wave仿真器逐一对各模块进行调试:5.供水控制器与PC上位机的通讯界面的设计利用组态软件-组态王(King view)根据应用的要求，来对上位机的监控界面进行设计。第二章 变频调速技术概况2.1 变频调试技术的原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： ，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转

20、速的目的。三相异步电动机转速公式为： 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串

21、级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。2.2 了解国内外交流变频调速系统技术发展情况变频器是20世纪中叶发展起来的一种交流调速设备，是为了解决传统的交流电动机调速困难，交变速设备结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电动机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电动机逐渐代替直流电动机出现在各个应用领域，甚至包括交流伺服系统控制领域。随着电力半导体的长足发展，

22、变频器也随之不断进步。如今变频器已经深入日常生活，随处可见其服务的影子。交流变频器的主要调速对象是交流电感电动机。变频器在对交流感应电动机实施调速的过程中，输出电压和输出频率的变化必须遵守一定的规则。这就是通常所说变压变频（vvvF）的基本原则。2.3 变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图21所示的基本结构。图21变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。1、V/F控制异步电动机的转速与定子电源

23、频率f和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2、转差频率控制 由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩M与气隙磁通、转差频率f2的关系为： (2-1)只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控

24、制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。2.4 变频节能调速理论1、水泵工况点的确定以及变化 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-2），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图2-2中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率hA。从图2-2中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流

25、量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水图2-2 水泵工作点的确定工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 为电机转速，f为交流电频率，s 为转差率，p为极对数。 电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图23所 图23水泵工况点的变化当P1、P

26、2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2 向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。流量与转速成正比：􀁺 转矩与转速的平方成正比：􀁺 功率与转速的三次方成正比： 而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系： 变额额 采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：阀（.+.）额 其中，为功率 为转速

27、 为流量 根据2-4图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。2.5 变频调速系统的效率分析2.5.1 变频器的效率与损耗变频器效率是指其本身变换效率

28、。就变频器的两种形式而言。交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交-直-交型，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小，根据文献1提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%96%，随着变频器功率增大而

29、得到提高。 2.5.2 变频调速后电动机效率的变化变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗(包括磁滞损耗和涡流损耗)、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。铁芯中的磁滞损耗表达式为: （3-1）说明磁滞损耗Pn与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值Bm的次方成正比，对于一般硅钢片，当Bm=0.81.6W/m2时，=2，由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为: Qn; Pn3; PQ3变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少，速度慢，损耗所占比例有所提高。涡流损耗表达式为: Peaf2;

30、式中a=(Bm)2d2/rw; Bm磁通密度的幅值Bm; d铁心厚度; rw涡流回路等效电阻。轴承摩擦损耗: Pzf1.5风阻损耗: Pff3，定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。杂散损耗及附加损耗:不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都产生现谐波，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。2.5.3 变频器的

31、PID组成部分该给水设备系统采用2台水泵，一用一备，由可编程控制器定时切换。若用水量大，变频器也可以通过可编程接口向可编程控制器发出信号，由可编程控制器控制两台泵同时工作，一台变频运行，一台工频运行。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口I、5G，而压力设定既可以使用变频器的键盘以数字量的形式设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入VR、V1。这样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，并经过现场调试校正，设备就可以正常运行了。 由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常

32、容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。2.6 变频器的基本组成(1) 系统主控环节系统整体的控制信号，包括压力设定信号，工频和变频故障信号处理，水位故障检测处理均由主控PLC 或主控人机设定， 对于整个系统的运行信号进行综合，尤其是当出现故障状态的系统处理操作，是整个系统的核心控制部分。(2) 变频器内部控制环节变频器内部控制，主要是指

33、变频器内部PID 功能模块，内部PID 功能使现场工程师设置和调试方便，相对于原来的硬件PID 板控制，省去了硬件维护需要，节省了成本。主控环节的压力设定信号与系统压力信号反馈形成闭环以维持管网恒定压力。PID 的特性可由参数选择。图2-5 变频器PID闭环控制图(3) 电机控制环节当管网压力的变化要求增加或减少工作水泵时，通过供水附件基板的中间继电器，控制各个电机交流接触器。基板输出端口的状态决定外部各个水泵的运行状态。 (4) 执行环节执行环节为各水泵。第三章 基于AT89C51的变频恒压供水控制器的总体设计3.1 控制系统的工作

34、原理供水管网中的流量和压力是随着用户用水量的改变而不断变化的，而改变泵电机的转速就可以提高供水压力或较少供水压力。所以，为了保持出口供水压力恒定就必须根据用水量的大小不断改变电机的转速。三相交流电机的转速公式为： （2-1）由流体力学知：管网压力,流量和功率的关系为，而功率与水泵电机转速成三次方的正比关系。不同功率（转速）下水泵的特性曲线上的不同点，其管阻是不同的。因为有公式：式中，为管阻系数，对某恒定管阻，为常数，不同管族时的曲线，同一曲线上的不同点，其功率是不同的。设定压力值为,初始用水量为，工作点位检,可假定用户需要用水量为，打开阀门（可定打开时间）,管阻将突然变化，点将沿n1线下降，在

35、未下降至之前，压力传感器已将检测到的下降电压转换成电信号输往PID控制器，经比较处理后，输出一个令变频器频率升高的信号，从而水泵转速升高，工作点不会积降低至a1,而是沿着B曲线升至a4,达到新的稳态。实际上，用水量是不会突变的，管阻不会一下下降很多。由管阻变化时间和系统的响应时间决定。为了保持电机在调速时最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这就要求定子供电电压也作相应的调节，而VVVF变频器可以满足这个要求。根据上述分析和用户要求设定供水系统压力，并在供水出口处设置压力传感器，随时检测用户用水情况，然后将检测的压力与设定压力相比较，经控制器运算，输出通过变频器改变泵电机转速，使输出压力始终保持在恒

36、定压力。其闭环控制原理如图2-1所示。 图3-1 变频恒压供水系统闭环控制系统框图3.2 系统的控制原理 该变频恒压供水控制器以单片极为核心，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05V或420MA的模拟信号，送到单片机系统的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或010V的模拟信号，送入变频器中，以控制器输出频率的大小。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

37、；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。最终达到恒压。3.3 控制器的硬件系统设计3.3.1 硬件总体说明整个系统电控部分以AT89C51为核心芯片，这种芯片内置有4K的EPROM,具有控制信号采集、处理、输出的功能。因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则会造成控制线不够；而AT89C51却可以利用P0、P2口作为控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入。LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大地提高。其硬件结构框图如图32所示，图3-2 变频恒压供水控制系统的硬件结构框图3.3.2 系统的显示部分 在单片机

38、应用系统中，LED显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个LED都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它啦，直到显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，我们这里用到的是常用的串并转换电路74HC164,来与AT89C51单片机和共阴极数码管LED组成静态显示电路。 本恒压供水系统的显示部分就是采用AT89C51单片机与74HC164的静态显示接口电路。采用4片74HC164分别驱动4片LED,LED的显示方式为静态显示方式

39、，AT89C51的串行口工作方式0，既移位寄存器方式。把AT89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74HC164为TTL单向8位移位寄存器，可实现穿行输入，并行输入。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号有一个输入信号时刻并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端，每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位；8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74HC164中。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8(第36和1013引脚)并行输出端分别接LED显示器的hga

40、各段对应的引脚上，在给出了8个脉冲后。最先进入74HC164的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出。从图23的电路图中我们可以看到，4片74HC164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机RXD端输出的数据就进入到了第一片74HC164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74HC164，而新的数据则进入了第一片74HC164，这样，当第六个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最左边的74HC164中，其他数据依次出现在第一、二、三片74HC164中。这样就完成了LED的显示功能。3.3.3按键接口电路的设计 本系统采用

41、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。独立按键与单片机接口电路如图23所示。图3-3 按键与单片机接口电路 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口的低四位，若某电平为低电平，应先延时10ms,然后再读取该位，如果读的值仍为低电平，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。3.3.4 MC1413集成电路MC1413为七达林顿结构非门，具有集成度高、性能可靠、静态功耗电流低矮、抗干扰能力强

42、等特点，其工作电压范围318V，输出电流200mA，由于输入阻抗高，故输入电流在1uA以下，最高时钟频率可达10 Hz。利用MC1413和继电器组形成简单的“01”装置，来控制水泵电机的起停和报警信号。3.3.5 EEPROM93C46在供水控制器中的应用93C46提供1024位串行EEPROM，它有省空间的8脚PDIP、8脚JEOE和EIAJSOIC封装形式，其8脚PDIP封装如图24所示。 93C46是一个有128字节的串行EEPROM，可以是8位或16位的存储模式。当6管脚与8管脚（Vcc）相连时，内部组态为64*16位的存储模式。当6管脚与5管脚（GND）相连时，内部组态为128*8位

43、。用来保存开机设定时的原始参数，这样当系统掉电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定参数，既可以运行与掉电的状态。如果我们不使用Plug and Play方式，那么从12h到7fh地址空间可以用来储存用户自己的数据，用户可以在12-7f里写入任何数据。3.3.6 定时复位电路图34 EEPROM93C46图35 定时复位电路采用NE555组成的硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象，提高了系统的抗干扰性能。（如图25所示）复位电路每一秒钟向AT89C51的RESET端发出复位信号。根据程序的需要，通过AT89C51的P0.4可以随时控制复位电路的启动和停止，当P0.4=0时N

44、E555的2引脚为低电平，停止复位；当P0.4=1时NE555的2引脚为高电平，起动复位。3.3.7 锁存电路74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。（如图26所示）同时在74LS273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零74LS273的输出端，可以防止继电器的误动作，对变频器起到保护作用。图36 锁存电路74LS273图3-7 数模转换电路TLC08313.3.8 数模（D/A）和模数（A/D）转换电路由于系统要求的响应速度并不快，因此系统A/ D输入采用8位串行TLC0831逐次逼近模数转换器（如图3-7所示），这样一来可以节省AT89C51的I/O

45、口，并可降低成本。D/A输出电路采用了光藕隔离式D/A输出，并采用了LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，具体D/A电路如图3-8所示。图3-8 光耦隔离式DA输出P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调试信号,通过二极运算放大器后,在LM358的第7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。3.4软件系统设计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，分为若干功能模块，采用C51语言编写，并利用wave仿真器

46、同时结合硬件电路对其3来进行测试。该控制系统的软件主要由以下的子程序构成。3.4.1独立按键程序设计键盘的设计要求是：能检测是否有键按下，并判断是哪个键：键按下或松开操作都应等到键抖动消失后再执行;有两个键或者更多键同时按下时，都不执行。键盘程序难点在于，在软件中必须妥善解决键盘扫描、去抖动、多键同时按下等问题。1.按键连击的处理连击食指操作者按下某一键但没有释放该键，则该键对应的功能将反复被执行，好像操作者在连续操作该键一样。由于单片机的速度较快，这种情况很容易发生。连击在很多情况下是不允许的，它使操作者很难准确地进行操作。解决连击的关键是一次按键只让它相应一次，该间不释放那就不执行第二次。

47、2.软件去抖动处理按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。我们采用软件延时的方法来避开抖动阶段，在延时开始和结束时读取线状态，如果一致，则判断有键按下。延时时间为10ms。3.4.2 显示子程序其功能是显示系统的倒计时数，以及各功能参数。利用查询方式编制的部分显示子程序如附录1所示。其中，timer(100)为延时1s子程序。该程序的功能是：在数码管上依次显示CC20，CC19CC00（也就是显示开机倒计时数），时间间隔为1s。3.4.3系统的主程序流程图图39主程序流程图3.5 系统抗干扰措施因系统工作的电源环境

48、比较恶劣，同时变频器也辐射电磁波，因此需采用多种抗干扰措施，是系统的运行可靠性得到保证。3.5.1 硬件抗干扰技术干扰是单片机应用系统故障的主要原因之一。工业应用环境干扰纷杂。因此采用抗干扰措施也能有效抑制干扰源，阻断干扰传输渠道。只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。常用的硬件抗干扰措施有:滤波技术、去藕技术、隔离技术及接地技术。其中光电隔离技术是指：是有光电藕合器来完成的，以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器。因而输入和输出在电气上是完全隔离的。此外，它还能起到很好的安全保障作用。由于光电耦合器是以光为媒介进行间接耦合，所以具

49、有较高的电气割礼和抗干扰能力。本控制系统中我们用到的抗干扰技术有：（1）采用效率高、抗干扰能力强的开关电源供电；（2）输入输出均经光电隔离，不与CPU电源共地;（3）印刷电路板的设计采用特定规则，并覆盖屏蔽层；（4）控制信号连接采用屏蔽线，屏蔽层良好接地；传输线采用双绞线，对对线电阻、电压产生的干扰有很强的抑制作用；（5）在继电器输入断增加了续流二极管，增加了硬件锁定及电源滤波电路。3.5.2 软件抗干扰技术窜入单片机测控系统中的干扰，其频谱往往很宽，而且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，因此，因此还需要采用软件抗干扰措施。叠加在系统被测模拟输入

50、信号上的噪声干扰回导致系统较大的测量误差，可以通过软件滤波来抑制干扰量，是程序自恢复。此外，当系统受到干扰后，往往使可编程的输出端口状态发生变化，因此可以通过反复向这些端口定期重写控制字和输出状态字，来维持既定的输出端口状态不变，如果窜入系统的干扰作用于CPU部位时，其后果更加严重，将使系统失控，最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳到另一个区域，或者程序在地址空间内乱飞，或者陷入死循环。工业应用中，因PC受干扰而引起程序失控的后果是十分严重的。本系统采用的定时复位软件设计方案，可以消除程序运行时的死机现象。3.6 变频恒压供水控制器的性能特点1.高效节能优化的节能控制软

51、件，使水泵实现最大限度的节能运行。由电机学公式可知，系统电机功耗与电机转速成立方关系，在压力不变时，水泵出水量与电机转速成正比。本设计采用恒压量工作方式，当用水量减小时，系统保持管网恒压，通过降低水泵转速来减少供水量，好电量按立方特性降低，根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。2.设备投资省、站地面积小本系统与其它供水方式比较，由于主要设备是控制柜及水泵，省去了大量的设备占地面积，从而大幅度节省领土建投资，而且就设备本身而言，供水量越大。采用变频恒压供水设备的价格优势就越显著。3.设备运行合理、可靠性高、配置灵活采用闭环调节控制技术，达到了恒压供水，避免了由于

52、超压供水造成的电能浪费。变频器采用软起动工作方式，消除了直接起动对电网的冲击和干扰，彻底避免了水泵启动时大电流和水压突增的情况，减少对供电电网的冲击，降低了电机及电气元件的故障率。由于系统自身检测及保护功能完备，延长机泵和阀门管网的使用寿命。改设备可控制1-3台泵。从而使变频容量得以降低。由于是软起和软停，电机轴上的平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。模拟和数字信号全部采用光隔离，全面提高电磁兼容性。4.自我保护功能完善该系统性能可靠。而且对输入电源欠压、过压、缺相，对水泵电机的过电流、短路均有保护功能。如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时起动备用泵

53、，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。5.操作维护简便按键操作，数字显示，非专业人员也可以方便地操作本装置，专业人员可以本说明书为指南，方便地对设备进行性能测试和简单维护。6.联网功能采用全中文工控组态软件-King view，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网电压及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。7.减少污染由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。第五章 结束语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

54、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。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，用单片机语言C51结合硬件电路，设计出以AT89C51为核心的恒压供水控制器。并将模糊自整定P工D算法应用到变频恒压供水控制器甲，使得用户在使用时更加方便快捷。同时，还用组态软件-King view对上位机监控界面进行了设计，实现了系统的远程监控。该监控系统界面友好、易于操作，图形象丰富，能以动画的形式实时显示现场设备的运行状态。虽然研究工作取得了一些成果，但由于本人的时间和能力有限，所以目前还有很多不足之处，有待进一步的完善

55、与发现:在日常生活中，深夜的用水量很小，采用单纯变频调速供水设备容易使水泵频繁启停，影响水泵的寿命。针对这种情况，我们可以考虑再在原有供水设备的基础上，附加一个小气压罐和一台稳压水泵组成一个副系统。这样在用水量很小时，主系统(由变频器控制的主供水泵)自动切断，而由副系统供水从而防止了主供水泵的频繁启动。我们还可以进一步考虑将变频恒压供水用于船舶供水方面，由于在船舶系统中，使用环境较为恶劣，适当的保护和抗干扰措施是必不可少的。此外，本文设计的上位机监控界面图形比较单一，功能还有待于进一步的完善。参考文献1李长军，变频调速在恒压供水的应用，煤矿机械，2004，第11期P122-1242王松等，变频

56、器内置P工D功能在恒压供水设备中的应用，广州汇尼克机电设备有限公司 ，2002年3秦海洋，专用变频器在恒压供水控制系统中的应用，通用机械，2004，第10期P37-384组态王用户手册，北京亚控科技发展有限公司，2003年5李旭霞等，工业自动化通用组态软件“组态王”的功能分析及应用，仪器仪表用户 ，2001, 8 (04)P29-316朱有辉，变频调速技术应用于恒压供水，电气时代，2004, 10期P89-927蒋岚，住宅小区变频调速供水方式浅谈，大众科技，2004, 09期P56-578王柏林、李训铭，变频调速泵供水系统分析，河海大学学报，23 (2), 19P1041069李素玲，刘军营，恒压供水自动测控系统的设计与实现，中国给水排水，2004,P74-7610全自动变频恒压供水系统的设计，西北轻工业学院学报，1997, 15 (4)P747811解宏基、