基于51单片机的恒压供水系统.docx

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基于51单片机的恒压供水系统

第一章引言

1.1变频恒压供水系统主要特点

1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。

2.占地面积小，投资少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.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。

6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。

1.2恒压供水设备的主要应用场合

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。

4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

6.各种流体恒压控制系统。

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要，因此可以采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。

分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：

（1）1#电机变频启动；

（2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；（3）2#电机单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。

1.切换过程Ⅰ

1#电机变频启动，频率达到50Hz，1#电机工频运行，2#电机变频运行。

系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限P。

按下相应的按钮，选择机组Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端。

变频器对拖动1#泵的电动机采用软启动，1#电机启动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f0可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自

变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。

1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。

接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。

从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。

2.切换过程Ⅱ

由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。

当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Pk时（2#电机，f=fmin，P＜Pk），在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机在工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。

3切换过程Ⅲ

由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。

当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fi（即50Hz），水管水压低于设定水压上限Pi时（2#电机f=fi，P≦Pi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端，于此同时变频器BX端断开。

1#电机开始软启动。

控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。

1#和2#机组工作过程流程图

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

系统单元设计主要包括CPU基本控制单元、电路定时复位电路、A/D转换电路、D/A转换电路、显示电路和相应的开关电路。

图3-1系统硬件结构框图

3.1硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3-1所示。

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口，简化了硬件结构。

系统的显示采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD,DXD。

93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定的原始参数。

采用NE555组成硬件定时复位电路，

可以有效防止程序死机现象。

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。

ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚外接RC电路，用于开机时使74S273的输出端清零，用于防止继电器的误动作，对变频器起到了保护作用。

在报警输入端与CPU之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。

系统A/D输入采用8位TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光耦离式D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路。

P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大电路后，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节输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到了滤波的作用。

3.2.5V单片机供电电源电路

它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地搭成的。

220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。

此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

图3-5LM7805稳压电源

第四章变频恒压调速供水系统软件设计

3.3555定时器复位电路

NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。

电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周期和脉冲的宽度。

调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。

脉冲宽度计算公式：

TW=0.7（R1+RW+R2）C

振荡周期计算公式：

T=0.7（R1+RW+2*R2）C

从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。

NE555定时电路及工作波形

第四章单片机资料

单片微型计算机简称为单片机，有称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。

单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。

80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。

引脚功能：

　　MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

　　lP0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

　　lP1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

　　lP2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

lP3.0~P3.7P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：

　　1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

　　2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

　　3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

　　P1口只做I/O口使用：

其内部有上拉电阻。

　　P2口有两个功能：

　　1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用；

　　2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

　　P3口有两个功能：

　　除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

　　有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，

　　即：

编程脉冲：

30脚（ALE/PROG）

　　编程电压（25V）：

31脚（EA/Vpp）

　　接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？

这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。

　　在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？

他起什么作用呢？

当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

ALE/PROG地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。

ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。

当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

　　PORG为编程脉冲的输入端：

在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？

实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

　　PSEN外部程序存储器读选通信号：

在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

　　1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

　　2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

　　3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

　　4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

　（8051扩展2KBEEPROM电路，PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

　　EA/VPP访问和序存储器控制信号

　　1、接高电平时：

　　CPU读取内部程序存储器（ROM）

　　扩展外部ROM：

当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

　　2、接低电平时：

CPU读取外部程序存储器（ROM）。

在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

　　3、8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

　　RST复位信号：

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

　　XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。

当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

　　VCC：

电源+5V输入

　　VSS：

GND接地。

　　AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。

另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。

　　ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。

常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。

它是专门用来计算数字信号的。

在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。

比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。

应用于某些对实时处理要求较高的场合。

附录一：

程序

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitst=P3^2;

sbitoe=P3^1;

sbiteoc=P3^0;

ucharcodetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//数码管显示段码

ucharcodetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先择数组

uintad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;

ucharm,number;

ucharx[8];//八通道数据待存数组

voiddelaynms（uintx）;//nms延时程序

voiddisplay（）;//显示程序

voidad0809（）;//芯片启动程序

voidkey（）;//键扫描程序

main（）

{

number=1;

P1=0x00;

while

（1）

{

ad0809（）;//调AD0809启动子程序

key（）;//调按键子程序

ad_0809=x[number];//把相关通道数据给ad_0809

display（）;//调显示

}}

//nms延时程序

voiddelaynms（uintx）

{

uchari;

while（x-->0）

{

for（i=0;i<125;i++）

{;}}}

voiddisplay（）

{

uchara;

ad_data1=（ad_0809*49/25）/100;//读得的数据乘以2再乘以98%除以100得百位

ad_data2=（（ad_0809*49/25）%100）/10;//读得的数据乘以2再乘以98%再分出十位

ad_data3=（（（ad_0809*49/25）%100）%10）;//读得的数据乘以2再乘以98%再分出个位

for（a=0;a<10;a++）

{

P0=tab[ad_data3];//送小数点后第二位显示

P2=0x07;//选通第一个数码管

delaynms（3）;

P0=tab[ad_data2];//送小数点后第一位显示

P2=0x0b;//选通第二个数码管

delaynms（3）;

P0=tab[ad_data1];//送整数显示

P0_7=0;//点亮第三个数码管小数点

P2=0x0d;//选通第三个数码管

delaynms（3）;

P0=tab[number];//送通道号显示

P2=0x0e;

delaynms（3）;

}}

voidad0809（）

{

uchari,m=1;

for（i=0;i<8;i++）

{

P0=td[i];//选通通道

oe=0;//以下三条指令为起动AD0809

st=0;

st=1;

st=0;

delaynms

（1）;

while（!

eoc）;//等待转换结束

oe=1;//取出读得的数据

x[m]=P2;//送相关通道数组

oe=0;

m++;

}}

voidkey（）

{

if（!

P3_5）//P3.5是否按下

{

delaynms（20）;//延时判误

if（!

P3_5）//再一次判断P3。

5是否按下

{

while（!

P3_5）;//等待P3。

5为高电平

number++;//通道号显示加一

if（number>8）number=1;//八通道

}}}

附录二：

参考文献

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