机械设计与自动化专业毕业论文楼宇智能控制系统设计

1、前言单片机技术是现代机械、电子、自动化相结合的一门学科，而智能建筑是单片机智能控制技术在建筑领域应用的必然结果。随着智能化技术的日益成熟和广泛应用，建筑智能化程度也随科学技术的发展而逐步提高，近年来得到了迅速的发展和普及，也日益得到社会广泛的认同和重视。建筑智能化已经成为现代高档建筑的主要特征，智能建筑(Intelligent Building)是楼宇自动化系统(BAS：Building Management Automation System)、通信自动化系统(CAS：Communication Automation System)和办公自动化系统(OAS：Office Automation

2、 System)三者的有机结合，而楼宇自动化系统是智能建筑的主要组成部分之一。楼宇自控系统是用设备自动控制楼宇内各项参数的一套系统，它通过各种数据采集器件对楼宇采集现场数据，然后将信号送至智能设备和处理中心，对实际工况进行逻辑分析，最后驱动执行器完成自动控制调节。在现在的楼宇智能控制系统中，单片机起着核心作用，通过单片机对楼宇的各个系统进行控制，实现楼宇各项参数的自动化控制。楼宇内的单片机控制系统一般涉及室内温度控制系统、恒压供水系统、照明系统、供热系统及电梯系统等的计算机监控管理诸多方面。智能建筑通过以单片机为中心器件的楼宇自动化系统实现建筑物内的设备与建筑环境的全面监控与管理，为使用者营造

3、一个舒适、安全、经济、高效、便捷的工作和生活环境，为管理者提供方便的管理手段，为经营者减少能耗并降低管理成本，为物业管理现代化提供物质基础。在智能高层楼宇中，恒压供水自动化系统和温度自动检测调节控制系统是其不可缺少的两个重要系统，现在高层楼宇也在尝试着使用此种自动化控制。本文主要针对基于89C51单片机的恒压供水和温度自动控制两个系统进行硬件及其软件方面的详细设计，对89C51系列单片机在其中的重要作用进行了分析，并且用主从机多机通信系统进行统一控制。由于时间比较仓促，不能对整个楼宇的整个系统进行设计，只能以恒压供水和温度控制两系统为代表进行分析，不当之处希望得到老师的批评改正。1 绪论1.1

4、 课题研究的目的和意义随着科技的进步，社会的发展，人们的生活水平不断在提高，人们对自己的生活环境的要求也在不断的提高。在现代城市中，高层居住建筑已经是一种现实的需要，而随着居住建筑高度的增加，人们面临的问题也就越来越多。在较低层的居住建筑中人们可以随时人工控制建筑的各项居住参数，相比之下城市中高层楼宇的人们却不能象在低层建筑中那样得到充足的供水，不能得到理想的居住室内温度，不能方便的使用电力等资源。于是，需要一种比在低层小面积建筑中更加智能的设备系统来实现对整个高层楼宇各个系统的自动化控制，以满足高层楼宇人们居住的要求。本文所设计的各个系统都基于89C51单片机对各项参数进行控制，它的的整体功

5、能如下：1）对楼宇设备实现以最佳控制为中心的过程控制自动化；2）以运行状态监视和计算为中心的设备管理自动化；3）以安全监视为中心的防灾自动化；4）以节能运行为中心的能量管理自动化。采用基于单片机的楼宇智能控制自动化系统后，能达到以下良好的效果：1）确保建筑物内具有最佳的工作与生活环境。通过控制建筑物内的温度，湿度和空气质量，使人们工作和生活拥有高效率、舒适、温馨和便利的环境。2）有效节约电能。采用计算机程序对整个建筑物的设备进行监视，提供可靠的、经济的最佳能源供应方案管理时间内设备用电量大小，使设备永远处于最佳运行状态及最佳利用率，大量减少不必要的浪费，达到节约用电的目的。据统计采用该系统后大

6、约可节省电量达30%以上。3）大量节省管理人员。传统的仪表控制系统是通过建筑物物业管理人员楼上楼下来回奔走对各楼层的空调设备进行开关和调节，采用该系统后则可以通过计算机的键盘或鼠标在中央控制室完成。上述开关和调节控制工作，也可以由计算机内部的软件自动控制调节各设备的参数及开关状态，做到真正的管理自动化。因此可以减少管理人员的劳动强度，减少管理人员的数量。4）延长设备使用寿命。设备在计单片机的统一管理下始终处于最佳运行状态，按照设备的运行状况提示管理人员对设备进行维修和保养，避免超前或延误维修和保养，相应延长设备使用寿命，减免突发性设备损坏，也等于节省了资金。5）提高建筑物自身以及人员与设备的整

7、体安全水平。该系统对设备的运行状态进行实时监视 可使管理人员及时发现设备故障，消灭故障于隐患之中，保证设备与人身安全。一旦设备有故障发生，单片机可以报告故障发生的部位及故障发生的原因，以便维护人员快速排除故障，恢复设备正常运行。1.2 89C51系列单片机1.2.1 89C51单片机简介Intel公司继1976年推出MCS-48系列单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位机。至今20多年来，51系列单片机经久不衰，并得到了极其广泛的使用。近些年来，世界上很多大半导体公司都生产以8051为内核的单片机。其中51系列中的与80C51兼容的低能耗、高性能8位89C51单片机具有比80

8、C31更丰富的硬件资源，特别是内部增加的闪速可改写的存储器Flash ROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便。51系列单片机普通型的区别在：80C31片内没有程序存储器，80C51内部设有4KB的掩膜ROM程序存储器，87C51是将80C51片内的ROM换成EPROM，89C51则换成4KB的闪速。本文研究的楼宇智能控制系统主要选用89C51单片机作为控制核心，实现对楼宇各项参数的自动化控制。1.2.2 89C51单片机的组成89C51单片机与早期Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用FlashROM替代了ROM/EPROM而已。89C51单片机

9、芯片内包括以下几个部分：1） 一个8位的80C51微处理器（CPU）；2） 片内256字节数据存储器RAM/SFR，用于存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果及欲显示的数据；3） 片内4KB程序存储器Flash ROM，可以存放程序、一些原始数据和表格；4） 4个8位并行I/O端口P0P3，每个端口既可以用作输入，又可以用作输出；5） 两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；6） 具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；7） 一个全双工URAT（通用异步接受发送器

10、）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；8） 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHZ；9） 89C51与8051相比，具有节电方式，及休闲方式及掉电方式。1.2.3 89C51单片机引脚结构图1-1是89C51单片机的引脚结构图，有双列直差分装（DIP）和方行封装形式。图示采用的为DIP形式。图1-1 89C51引脚结构Fig.1-1 89C51 draws foot structure89C51单片机的引脚功能如下所述：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL

11、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FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH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TTL门电流，当P2口被写“1”

12、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（ILL）这是由于上拉的缘故。

13、 P3口也可作为一些特殊功能口，如下所示： 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地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在

14、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：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FF

15、FFH），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。 89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此，89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便的应用在各种控制领域。1.3

16、单片机应用系统设计的一般方法11.3.1 硬件设计及制作的一般方法硬件设计应按照系统设计方案确定的硬、软件功能的分工，对硬件进行技术设计和制作。由于单片机在我国得到广泛的应用，所以专门与单片机配套的A/D、D/A、I/O等功能模块在市场上随处可见。因此，在硬件设计中，尽可能的使用已有的功能模块，可节省大量的设计和调试时间，缩短开发研制周期。对较复杂的单片机系统，应尽量按某一工业标准进行设计，如按STD、PC和GFIB等总线标准进行设计，因此这些总线结构得到广泛的应用。尽可能选择功能强、集成度高、性能好、通用性强、市场供货充足的元器件，以利于大批量生产，提高系统的可靠性，便于今后的维修工作。采用

17、模块化结构设计，将来系统在扩展功能和改型时非常方便。对用于野外作业场所的应用开发系统，提高驱动能力、降低功耗非常重要，在元器件的选择和电路设计时要注意，如可选用CMOS工艺的单片机、CMOS系列的元器件等等。在硬件设计中必须考虑抗干扰的问题，既要考虑应用系统本身内部存在的干扰因素，也要考虑周围环境中存在的各种干扰因素，以便系统安全可靠运行。1.3.2 软件设计的一般方法软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件用于支持系统工作，协调系统中各模块和操作者之间的关系，应用软件用于完成各种实质性的功能，如检测、运算处理、显示、打印、控制输出等。系统对软件的要求通常包括针对性、通用性、实时性、可

18、靠性等。应用软件的一个最大特点是具有较强的针对性，没一个应用程序都是根据具体的系统要求来设计的。而一个好的应用程序不仅要具有针对性，而且还要有一定的灵活性和通用性，能适应不同系统的要求。为此，在软件设计时采用模块化结构，尽量把共同程序写成具有不同功能的子程序，如算术及逻辑运算、A/D和D/A转换程序、延时程序、控制算法程序等，简化程序的设计步骤和时间。大部分单片机应用与实时控制，要求软件具有实时性，能够字允许的时间内对系统进行控制、计算和处理。在应用系统中，可靠性是至关重要的，只有可靠性高，才能保证系统的正常运行，这要求系统的硬件和软件都具有良好的可靠性。尽管应用系统的种类繁多，程序编制人员风

19、格各异，但好的软件设计都存在一些共同的特点和规律。在软件设计时，可根据功能要求，将软件分为若干相对独立的部分。将完成一定功能、相对独立的整个程序实行模块化、子程序化，既便于察错、调试和链接，又便于移植和修改。划分模块的原则是：每个模块的程序不宜太长，按功能划分，要易于编写和调试；力求使各模块间界限分明，而且在逻辑上相互独立；对于一些简单的任务，不必要求模块化；对于一些常用的程序模块，如延时程序、显示程序、键盘处理程序、标准函数程序等可采用标准子程序。1.4 论文的主要研究内容1）对楼宇控制系统设计为主从机控制，以一PC机为主机，以恒压供水系统和温度控制系统为从机。2）对基于89C51单片机的楼

20、宇恒压供水系统的从机进行硬件及其软件的设计。3）对基于89C51单片机的楼宇温度控制系统的从机进行硬件及其软件的设计，并且对其系统模块的移植性进行分析2 楼宇主从机控制系统总体设计2.1 主从机多机通信原理在楼宇智能控制系统中，由单片机组成的控制系统非常之多，诸如恒压供水系统、温度控制系统、电梯控制系统、安全报警系统等等，单个单片机在这些应用场合往往仅负责某一点或某个子系统的控制，对于整个系统中各点监测或各个子系统的协调控制则由一个功能更强的中央处理器如PC机来完成。数据传输距离可能是近距离的，也可能是远距离的。在此楼宇智能控制系统中，需要多个单片机构成复杂系统，相互之间完成整个任务。这时设计

21、多单片机必须按照一定的连接方式组成网络，相互之间以规范的通信协议联络，完成各种要求。本文以一PC机作为主机，在主控室进行操作，楼宇控制系统的各个子系统作为从机，在此以恒压供水单片机和温度控制单片机为从机。利用多机通信原理，设计基于串行口全双工主从通信连接，其连接结构图如图2-1所示。图2-1基于串行口全双工主从通信2Fig.2-1 Communicate based on the serial whole principal and subordinate of duplex operation主机的发送端和各从机的接收端相连，主机的接受端和各从机的发送端相连，主机发送的信息可以传到各个从机或

22、指定的从机，而各从机发送的信息只能被主机接收，各从机之间不能直接通信。在多机通信中，为保证主机和所选择的从机可靠的通信，必须保证通信接口具有识别功能，89C51单片机串行接口控制寄存器SCON中的SM2（多机通信控制位）恰好能满足这一要求。在主机与各从机通信时，主机向从机发送的信息分为地址和数据两类，以第9位作为区分标志，当发送地址信息时，TB8（发送数据位8）=1，当发送数据信息时，TB8=0。从机接收时，当接收机的SM2=1时，只有接收到第9位数据为1，即RB8（接受数据位8）=1，才能将数据送到SBUE（串行接口数据缓冲器），并置位RI（接受中断标志），向CPU发出中断请求，否则接收的数

23、据被舍弃，不置位RI，不发出中断请求；而当接收机SM2=0时，无论接收到的第9位数据位RB是0还是1，都不能把接受到的数据送至SBUF，并置位RI，向CPU发出中断请求。根据此，便可以实现单片机系统的多机串行通信。2.2 主从机多机通信协议为保证主机和从机之间通信的可靠性和有条不紊，相互通信时，必须事先达成和遵守严格的通信协议，如规定一些主机和从机识别的命令和状态字。一般通信协议有通用标准，协议比较完善。在此仅规定几条最基本的条款3。1）系统从机容量为255台，其地址分别为00H-FEH。2）地址FEH是对所有从机都起作用的控制命令，命令个从机恢复SM2=1的状态。3）制定主机发送的控制命令代

24、码，代码按00H、01H顺序设置，其他均为非法代码。4）数据块长度：16个字节。5）设置从机状态字，以表明从机的工作状态：ERR00000TRDYRRDY其中最高位D7：ERR=1，表示从机接受到非法指令；TRDY=1，表示从机发送准备就绪；RRDY=1，表示从机接受准备就绪。2.3 主从机通信过程在智能楼宇控制系统中，主从机的具体通信过程如下：1）所有从机初始化为方式2或方式3，置位SM2，允许中断，并使之处于准备接收地址帧的状态；2）主机置位TB8，发送要寻址的从机地址；3）所有从机接收到地址帧，并与本机地址相比较。对于地址相符的从机，使SM2=0以接收主机随后发来的所有信息；地址不符的从

25、机，仍保持SM2=1，对主机随后发来的数据不予理财，等待主机发来新的地址帧信息；4）主机向被寻址的从机发送控制指令与数据，数据帧的第9位置0，表示发送的是数据或控制指令；5）主从机之间进行数据传送。2.4 主从机通信流程图2.4.1 主机中断方式通信程序图2-2所示为中断方式主从机通信主机程序流程图。图2-2主从机通信主机程序流程图4Fig.2-2 The communication program flow chart of principal and subordinate of main computer2.4.2 从机中断方式通信程序从机串行通信采用中断控制启动方式。在串行通信启动后仍

26、采用查询方式接受或发送数据块。从机的主程序中应该包括定时器1波特率设定及初始化，开中断等程序段。图2-3所示为中断方式主从机通信从机程序流程图。图2-3主从机通信从机程序流程图Fig.2-3 The communication of principal and subordinate is from machine program flow chart3 从机一：变频调速恒压供水系统3.1 引言由于城市自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达高层住宅的较高楼层，一般需要用水泵再将水送至水塔或楼顶的高位水箱，再供给住户。但是，这种二次供水方式不可避免存在污染的可能性，灰尘、蚊虫、杂物等进入水箱或

27、水塔，使清洁的自来水受到了污染，影响居民的身体健康。变频调速恒压供水系统可以改变这一状况，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。变频调速恒压供水系统由于具有节约能源，减少污染的特点，已经越来越多的用于智能楼宇中。文章设计基于89C51单片机控制的变频恒压供水系统的系统，给出了系统的硬件电路的构成和软件设计。3.2 系统结构及控制原理3.2.1 系统结构变频调速供水系统由89C51单片机控制系统、电机水泵机组、变频器、压力传感器及继电器逻辑控制电路组成，其供水控制系统组成如图3-1所示。图3

28、-1变频调速恒压供水控制系统组成Fig.3-1 The control system of frequency control of constant voltage of water supply forms89C51单片机控制系统是供水系统的核心，它将压力传感器送来的模拟信号转换成相应的数字量，与系统设定的信号进行比较得到偏差信号，再通过预先设定的控制算法得出最佳控制参数，然后通过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，使供水系统的供水压力保持恒定，供水量按用户的实际需要自动变化。电机水泵机组是传送水或其他液体的机电装置，其作用是水以一定的压力和流量通过供水管道输送到用户

29、，以满足用户用水需求。电机水泵机组既可在工频状态下运行，又可在变频状态下运行，具体工作在何种状态取决于用户用水量。变频器5是一高技术装置，主要有电力电子器件和微处理器组成，它能根据频率设定的输入信号输出相应频率的交流电。在供水系统中，其作用是在单片机控制系统控制下，输出相应的交流电给水泵机组，用以改变电机水泵机组的转速，即变频调速器，从而达到调节供水压力的目的。压力传感器是供水系统的测量元件，它安装在水泵出水管上，其作用是将出水管内水压变成05V的模拟信号送入单片机控制系统。继电器逻辑控制电路是由继电器和接触器按一定的逻辑关系组成的控制装置，它在单片机控制系统或手动操作系统作用下，使电机水泵机

30、组或在工频状态下运行或在变频状态下运行，即实现电机水泵机组工作状态的切换。3.2.2 系统的控制原理为了稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统。该系统由单片机、变频器等器件构成。该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的远传压力变送传感器，把出口压力变成(05V)的模拟信号，经过前置放大、A/D变换成数字信号传送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量E，对E进行PID运算后输出控制信号，经由D/A变换成模拟量作用到变频器，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图3-2所示。图3-2变频调速恒压供水系统控制原理图Fi

31、g.3-2 The control picture of frequency control of constant voltage of water supply system若E >0，则供水压力小于设定值，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，从而使电机水泵机组转速增加，使供水压力增加并恢复到设定值；如果E<0，则供水压力大于设定值，说明用水量减少导致供水压力上升，单片机通过计算控制变频器使其输出频率下降，电机水泵机组转速下降，使供水压力减小恢复到设定值。通过单片机控制水泵电机的状态，实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压达到节能、恒压之

32、目的。为保证充足的水量供应，本系统采用两台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制两台水泵的功能。根据不同场合、不同需要可以采取两台水泵同时运行、一台运行一台备用、定时换泵等多种工作方式。也可以根据实际要求设计采用多台水泵，如图3-3所示。此是由于变频器的价格较高，变频器调速恒压供水系统通常采用多台水泵并联运行方式，几台水泵共用一台变频器。在使用时，控制其中一台水泵处于变频器控制下，其他电动机则根据供水量，在工频全速运行或停机待命。图3-3变频调速恒压供水系统的构成原理Fig.3-3 The water supply system of frequency control of constant

33、voltage form principle3.3 系统硬件电路设计根据系统的设计要求和所要实现的功能，设计整个变频恒压供水系统硬件电路可以分为四个模块：信号采集模块、A/D转换模块6、D/A转换模块、单片机其他外围器件。图3-4恒压供水硬件电路图Fig.3-4 The hardware circuit picture of constant voltage of water supply设计系统具体的硬件电路图如图3-4所示。采用US5100压力传感器安装在自来水的入口处，将其所测定的压力值和设定的电位器值送入ADC0809转换为数字量，比较后送入89C51系列单片机进行处理。然后89C51

34、的输出值经过DAC08327转换为模拟电压值，控制变频器的输出电压。P1.1接口通过继电器控制变频泵1的运转，P1.2接口同样是通过继电器控制工频泵2的运转。由于单片机到配电部分的控制信号以及系统的一些控制开关的命令，均通过光电耦合电路进行隔离，减少强电回路对单片机的影响。3.4 系统控制方案的选择3.4.1 输入通道的设计在微型计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场测得的信息传给CPU。CPU经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，并转换为适合于对生产过程进行控制的量。一个生产过程有两种基本量:一是随时间连续变化的物理量;一是反映生产过程的两态开关或某物理量的数字信号。

35、前者为模拟量，后者为数字量。对外界的模拟量只有转换成数字量才能为计算机所接受。对于本系统来说，只有两路入通道，即为水压的给定值和反馈值。当然也可设多路输入通道，测量各水压，然后取加权平均值。本系统先简化为两路通道。对于水压的检测和变送可用差压变送器完成。差压变送器主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位、比重等物理量，并把这些被测物理量转换成统一的420mA ADC的输出。3.4.2 输出通道的设计输出通道分为两大部分：模拟量输出通道，进行水泵的转速控制；数字量输出通道，进行水泵电机的起停控制。1）模拟量输出通道将经过运算处理后的数字量送往D/A转换器，经D/A转换变换成05V，4

36、20mA信号，作为变频器的频率给定，来控制水泵电机的运转。2）数字量输出通道有许多执行机构需要开关量控制信号。CPU可通过I/O接口电路直接对执行机构进行控制，也可以通过半导体开关的动作或机电式继电器接点的开闭进行控制。在本系统中，我们是控制继电器，经继电器放大后来达到控制电机起停的作用。3.4.3 压力传感器的选择压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之

37、内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在此恒压供水系统中采用US51007压力传感器。 US5100压力传感器采用不锈钢外壳，内置超稳定和高精度的传感器，US5100压力传感器压力腔采用100%的316L不锈钢材料，而且通过了最新的重工业产品CE认证，包括浪涌保护，以及承受在电源

38、正极和负极之间的过电压保护，满足了日益增加的环境要求而树立了新的性能价格比典范。US5100压力传感器可以适应大多数腐蚀性工作环境，并可以按照OEM客户的需要进行特殊材质，特殊压力接口及特殊输出信号等要求的产品定制。US5100压力传感器的主要技术参数如下：1）US5100电气连接：电缆、Packard、Bendix、特殊接口；2）压力类型：表压，绝压；3）特点：重工业产品CE认证、高精度、结构小巧；4）供电电源：530VDC（视输入而定）；5）标准输出：0.54.5V 、15V、420mA等；6）测量精度：±0.10%FS；7）工作温度范围：-4025；8）介质兼容性：与316L不

39、锈钢兼容的各种介质；9）量程：05至10000（Psi）；10）过载压力：可达3倍额定压力；11）典型应用：高级HVAC控制，制冷系统，自动检测系统，空压机，工业过程控制，泵和压缩机，液压/气动系统，农机设备，能源和水处理系统。3.4.4 PID控制器的设计PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图3-5所示。图3-5 PID控制原理图Fig.3-5 PID control schematics通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(压力设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式

40、。PID控制器根据目标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) （3-1）将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为： （3-2）式中：Kp：调节器的比例系数Ti：调节器的积分时间Td：调节器的微分时间e：调节器的偏差信号u：输出离散PID控制算法在用计算机、单片机、PLC等作为控制装置进行直接数字控制(DDC)时，各个被控制变量的处理在时间上是离散进行的。DDC控制方式的特点是采样控制，每个被控制变量的测量值隔一定时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常把它保留到下一采

41、样时刻。目前离散PID控制算法主要有两类，第一类叫做位置式算法，即对3-1式进行差分后直接给出u(k)，第二类叫做增量算法，给出 （3-3）在此恒压供水系统中使用增量算法： （3-4）上面的各式中：T： 采样周期e(k)：第k次采样时的误差值e(k-1)：第k-l次采样时的误差值Kp：比例系数Ki=KpT/Ti ：积分系数Kd=KpTd/T：微分系数为方便编程，将（3-4）整理为： （3-5）其中： （3-6） （3-7） （3-8）3.4.5 A/D转换器的选择在变频调速恒压供水系统中，压力信号是模拟信号，不能被单片机识别，这就需要A/D转换器将压力传感器的模拟信号转换成单片机能识别的数字信

42、号，这就涉及到A/D转换器的选择问题。在选择A/D转换器时，主要考虑其以下指标：1）精度A/D转换器的精度分为绝对精度和相对精度两种。(1)绝对精度：是指对应于一个给定量A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。例如，理论上5V模拟量输入电压应产生12位数字量的一半，但实际上4.997V到4.999V都能产生该数字量，这绝对误差为(4.997+4.999)/2-5=-0.002V=-2mV。(2)相对误差：是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数(%)来表示。对A/D转换器也常用PPM(百万分之一)或最低有效值的位数LSB来表示:ILSB=1/2满刻度值。2）转换时间

43、A/D转换器完成一次转换所需时间叫做转换时间。产品资料给出的一指标是最长转换时间的典型值。在选择器件时，要根据应用的需要和价格来考虑这一指标，有时还要同时考虑数据传输过程中转换期间的工作特点。3）分辨率8分辨率是A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度。即二进制数的末位变化1所需要的最小输入电压对满量程之比称为分辨率。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数表示。如8位、10位等。分辨率为8位，表示它可以对满刻度值的1/2=1/256的变化量做出反应。图3-6 ADC0809引脚及其接口电路结构图Fig.3-6 ADC0809 draws foot and its in

44、terface circuit structural picture本系统转换的是压力信号，精度要求不太高，选8位A/D就可以。由于要对给定和反馈的压力信号采样，应选用多通道A/D转换器。而逐次比较式A/D转换器速度比较快，价格又便宜，比较适合对水压的采样工作。因此，考虑采用ADC0809。ADC0809是含8位的A/D转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个

45、单边的模拟信号。其结构引脚及其接口电路如图3-6所示。ADC0809的引脚功能9如下所述：IN0-IN7：8个模拟量输入端。START：启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始。EOC：转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕。信号可用做A/D转换是否结束的检测信号，或向CPU申请中断的号。OE：输出允许信号。当此信号有效时，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。此信号可作为ADC0809的片选信号，高电平有效。CLOCK：实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C，B，A所示的通道被选中，并把该

46、通道的模拟量接入A/D转换器。A，B，C：通道号选择端子。C为最高位，A为最低位。D0-D7：数字量输出端。VREN（+）、VREF（-）：参考电压端。用以提供A/D转换器权电阻的标准电平。对于一般单极性模拟量输入信号VREN（+）=+5V， VREF（-）=0V。VCC：电源端子，接15V。GND：接地端。3.4.6 D/A转换器的选择在变频调速恒压供水系统中，要控制变频器的输出频率，变频器的控制信号是05V的电压信号，而单片机只能输出数字信号，所以需要D/A转换器将单片机的数字信号转换成05V的电压信号，所以需要选择D/A转换器，以下是选择D/A转换器时，主要考虑的性能指标和特征：1）分辨

47、率。D/A转换器的分辨率定义为:当输入数字发生单位数码变化时，即LSB位产生一次变化时，所对应输出量(电压或电流)的变化量。2）精度。D/A转换器的转换精度与D/A转换集成芯片的结构和接口配置的电路有关。一般说来，不考虑其它D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。但是D/A转换精度还与外电路的配置有关，当外电路的器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，会使增加D/A转换位数失去意义。3）锁存特性10及转换特性。D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。如果D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时

48、，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O口给D/A送入数字量。本系统D/A的输出信号控制变频器的频率给定，信号05V，420mA的标准信号。本系统无须极高的精度，选8位D/A转换器就可以。因此，考虑选择DAC0832。DAC0832是美国数据公司的8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。器件采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较小，而其间的特殊的电路结构可与TTL逻辑输入电平兼容。其结构引脚如图3-7所示。图3-7 DAC0832引脚结构图Fig.3-7 DAC0832 draws foot structural pictureDAC0832各引脚作用如下所述：CS：

49、片选信号(低电平有效)。ILE：输入锁存允许信号(高电平有效)。WR1：输入锁存器写选通信号(低电平有效)。当WR1为低电平时，将输入数据传送到输入锁存器；当WR1为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存;只有当ILE为高电平，且CS和WR1同时为低电平时，方能将锁存器的数据进行更新。以上3个控制信号联合构成第一级输入锁存控制。WR2：DAC寄存器写选通信号(低电平有效)。该信号与XFER信号配合，可使锁存器中的数据传送到DAC寄存器中进行转换。XFER：数据传送控制信号(低电平有效)。该信号与WR2联合使用，构成第二级锁存控制。DI0-DI7：数字量输入线。DI7是最高位，DI0是最低位。IOU

50、T1：DAC电流输出1。当输入的数字量为全1时，IOUT1为最大值；输入为全0时，IOUT1为最小值(近似为0)。IOUT2：DAC电流输出2。在数值上，IOUT2=常数-IOUT1。换言之，IOUT2+ IOUT1=常数。采用单极件输出时，IOUT2常常接地。Rfb：反馈信号输入线。为外部运算放大器提供一个反馈电压。Rfb可由芯片内部提供，也可以采用外接电阻的方式。VREF：参考电压输入线。要求外接一精密电源。当VREF为±10V(或±5V)时，可获得满量程四象限的可乘操作。VCC：数字电路供电电压，一般为+5V+15V。AGND：模拟地；DGND：数字地。这是两种不同性

51、质的地，应单独连接。但在一般情况下，这两种地最后总有一点接在一起，以提高抗干扰的能力。3.4.7 变频器的选择变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频的主要意义是指使马达转速能够根据不同的需求而改变，以达到最适应需求的目的。它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30至130Hz的变化频率，同时还使电源电压范围达到142V至270V，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。该系统采用SPWM11（SinPulse Width Module，正弦脉冲宽度调制）方法，即三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直

52、流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件，按一定规律控制其导通和断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；改变调制周期即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频，图3-8为SPWM原理框图。随着变频器快速性、精确度及可靠性的不断提高，对功率开关器件要求越来越高，即开关频率要求在几十千赫兹，导电损耗低，在各种应用领域的可靠性高。图3-8 SPWM原理框图Fig.3-8 SPWM principle block diagram3.4.8 光电耦合器的设计光电隔离方法被广泛地应用在单片机系统中，它是行之有效的一种抗干扰措施。光电

53、耦合器是利用光传递信息的器件，它常用来隔离单片机和外部电路，以消除外部干扰信号对单片机的影响，提高系统的安全性和可靠性。光电耦合器12是用光把输入电路和输出电路耦合起来，从而隔断了输入电路与输出电路之间的电气联系器件。光电耦合器的结构如下图3-9所示，一只发光元件和一只光敏元件封装在一起，二者没有接触，他们之间的绝缘电阻可以达到欧，也没有电磁感应现象。当输入电路有电流通过发光元件时，它将发出一定波长的光线，射到光敏器件上，使光敏器件导通，接通输出电路。这样，就由光传递实现了输入电路和输出电路之间的信号传递，而隔断了它们之间的电气联系。图3-9光电耦合结构Fig.3-9 Photoelectri

54、c couple structure由多种形式和规格的光电耦合器，其发光元件一般都采取发光二极管。光敏元件根据应用的要求不同而由多种不同的形式，包括光敏二极管、光敏三极管、光敏达林顿管、光敏施密特触发器、光敏可控硅等。此恒压供水控制系统中的光电耦合器采用的使最常用的一种光电耦合器，其内部结构如下图3-10所示，它的光敏元件使光敏三极管。如果发光二极管发光，光敏三极管处于导通状态；如果发光二极管不发光，光敏三极管将处于截止状态。这种关系符合开关量输入/输出的要求，因此，大多数的光电耦合器被用来传递开关信号。图3-10光电耦合器的内部结构Fig.3-10 The internal structure of photoelectric coupler单片机通过光电耦合器的开光量输出接口有多种形式，图3-11是故态继电器与光电耦合电路的接口电路。由于单片机的输出驱动能力较小，单片机引脚需通过放大电路，为光电耦合器提供发光二极管放的驱动电流（约10mA）。由于光电耦合器的光敏三极管的输出电流也比较小（10mA20mA)，对于在此系统中的较大功率电动机，需要在光电耦合器的后面增添放大电路。图3-11光电耦合电路的接口电路Fig.3-11 The interface circuit of photoelectric couple circuit3