单片机在高楼恒压供水系统中的应用设计.docx
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单片机在高楼恒压供水系统中的应用设计
毕业设计说明书
单片机在高楼恒压供水系统中的
应用设计
学生姓名：
王海萍学号：
0721910106
学院：
示范性软件职业技术学院
专业：
计算机控制技术
指导教师：
岳丹松
2009年6月
单片机在高楼恒压供水系统中的应用设计
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测的更新。
目前对高楼恒压供水控制的研究以及已开发的系统各有所长。
随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。
本文介绍了用AT89C51单片机控制的变频调速高楼恒压供水系统，给出了系统的硬件结构及单片机控制程序框图。
在系统中，AT89C51CPU产生三相交流调频控制信号，经驱动后，输送到逆变主桥路，实现恒压调速。
关键字:
单片机，变频器，压力传感器，恒压供水系统，硬件，软件
ApplicationofSingle-chipComputeronConstantPressureWaterSupplySystembyFrequencySpeedControl
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,One-chipcomputerhasbeenusedwidely,whichgreatlypromotestherenovationoftraditionalcontrolandsensortechnology.Currentresearchontheconstantpressurewatersupplycontrolanddevelopedsystemforhighbuildinghastheirownadvantages.Withthedevelopmentofmicrochipandfrequencyconversiontechnology,thenewgenerationofhighbuildingconstantpressurewatersupplysystemshouldhavetheexcellenceofsimpleequipment,lessinvestment,highreliabilityandstronganti-interferenceability.Energyefficientcontrolsystemwillbeconstantpressurewatersupplysystemofhigh-risedirection.
ThisarticleexplainstheconstantpressurewatersupplysystembyfrequencyspeedcontrolusingAT89C51chip,givethehardwarestructureandthediagramprogrammingframeusingsingle-chipmicrocomputercontrol.Inthesystem,thecontrolsignaloffrequencyregulationmadebyAT89C51CPUissenttothemainbridgecircuitbyamplifyingsoastovarythespeedtoremaintheconstantpressure.
Keywords:
single-chipcomputer，frequencyspeedregulation，pressuresensors，constantpressurewatersupplysystem，hardwareandsoftwareemulator
1绪论
供水系统的动力，通常优先选用结构简单、运行可靠、价格低廉的三相鼠笼式异步电动机。
系统中，水的流出量是随用户用水需求变化而变化的，传统的控制方法是调节风门。
随着电子技术、交流调速技术的不断完善和计算机技术的迅速发展，变频调速方法在高楼恒压供水控制系统得以应用，这不仅大大提高了系统的自动化程度，而且也有效地解决了这一问题，减少了能源浪费。
1.1课题背景
随着自动化程度的不断提高，运动控制系统可以采用以前很难实现的复杂算法，控制性能也有了很大提高。
运动控制系统中控制器的智能化，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制提供了有效的理论和方法。
运动控制方法较为成熟的有：
PID控制算法、人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、仿人智能控制等。
PID控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制方法之一，它是基于对象数学模型的方法，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
在城市建设的发展过程中，智能建筑已成为人们追求良好居住条件的一个标准，而高楼恒压供水是智能建筑群不可缺少的环节，合理选择水泵的控制方式，不仅可以降低工程造价，还能节能。
针对特定对象，用户用水最突出的特点是随机性，哪个用户用水、用多少水、什么时候用水等，都具有很大的不确定性。
从宏观角度考虑，供水系统特性主要表现在以下几个方面：
（1）系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；
（2）系统滞后的未知性和时变性；
（3）系统严重的非线性；
（4）系统各变量间的关联性；
（5）环境干扰的未知性、多样性和随机性。
上述特性，属于不确定性的复杂对象（或过程）的控制问题，传统控制已经无能为力，主要表现在：
（1）不确定性问题。
供水系统中的很多控制问题具有不确定性，用传统方法难以建模，因而也无法实现有效的控制。
（2）高度非线性。
在供水系统中有大量的非线性问题存在，传统控制理论中，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂而难以应用。
（3）半结构化与非结构化问题。
传统控制理论无法解决供水系统中的半结构化与非结构化问题。
（4）供水系统复杂性问题。
复杂系统中各子系统间关系错综复杂，各要素间高度耦合，互相制约，外部环境又极其复杂，传统控制缺乏有效的解决方法。
（5）可靠性问题。
常规的基于数学模型的控制问题倾向于是一个相互依赖的整体，对简单系统的控制的可靠性问题并不突出。
而对供水系统，如果采用上述文章综述了运动控制的主要方法，并针对供水系统的特性、控制中存在的问题，进行了供水泵站最佳控制策略的选取方法，则可能由于条件的改变使整个控制系统崩溃。
由此可见，用传统的方法不能对这类系统进行有效的控制，必须探索更有效的控制方法。
无论采用什么样的控制手段，都要满足用户用水需求（即维持一定的水压）、保护环境不受噪声污染，此外还要考虑节能。
因此，控制要求可以确定为在满足用户对供水要求的前提下，尽可能减少环境污染和节约能源。
控制策略选取与被控对象特性是紧密相关的，错误或不当的控制策略往往会导致控制效果极差，甚至导致系统失控。
目前，在现代的供水泵站中为了节能都普遍采用了变频器，为提高控制品质创造了良好条件。
变频器里一般都有PID控制模块，但对不确定性的供水复杂系统，用PID算法并不恰当。
人工神经网络，因方法的局限性，同样也难于对所讨论的对象实现有效的控制。
专家控制系统（ECS），由于特征信息的采集、特征信息的表达以及完备知识库的建立实现难度大，采用专家控制系统也不一定是一个好的选择。
以模糊控制理论为基础的模糊控制器（FC）能够实现对复杂工业过程的控制。
其控制品质和效果还是令人满意的，是一种可供选择的策略。
智能控制已广泛应用于工业、农业、军事等多个领域，已经解决了大量的传统控制无法解决的实际控制应用问题，呈现出强大的生命力和发展前景，随着基础理论研究和实际应用的扩展，智能控制将会实现控制领域的一个大的飞跃。
1.2单片机介绍
1.2.1单片机概述
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。
用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是用程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
1.2.2单片机的汇编语言
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
1.2.3单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
1.2.4单片机学习应用的6大重要部分
总线：
我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？
这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。
器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。
在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。
数据、地址、指令：
之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的——数字，或者说都是一串“0”和“1”组成的序列。
换言之，地址、指令也都是数据。
指令是由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。
地址是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的。
数据是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：
（1）地址（如MOVDPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。
（2）方式字或控制字（如MOVTMOD，#3），3即是控制字。
（3）常数（如MOVTH0，#10H）10H即定时常数。
（4）实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：
MOVP1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：
MOVP1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。
又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。
理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来执行了。
程序的执行过程：
单片机在通电复位后AT89C51内的程序计数器（PC）中的值为“0000”，所以程序总是从“0000”单元开始执行，也就是说：
在系统的ROM中一定要存在“0000”这个单元，并且在“0000”单元中存放的一定是一条指令。
堆栈：
堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的“先进后出，后进先出”，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即“PUSH”和“POP”，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就自动加1，每当执行一次POP指令，SP就自动减1。
由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOVSP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。
一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的混乱。
1.2.5单片机引脚
以AT89C51单片机为例讲解单片机的引脚及相关功能：
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
（1）电源:
VCC-芯片电源，接+5V；
VSS-接地端；
注：
用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平。
但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这是万用表的响应速度没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。
（2）时钟：
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
（3）控制线：
控制线共有4根。
ALE/PROG：
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN：
外ROM读选通信号。
RST/VPD：
复位/备用电源。
RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
VPD功能：
在VCC掉电情况下，接备用电源。
EA/VPP：
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：
内外ROM选择端。
VPP功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。
（4）I/O线
AT89C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
1.3传感器介绍
1.3.1传感器定义
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.3.2传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理、它们的用途、它们的输出信号类型以及制作它们的工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类；
按照其用途传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器、数字传感器、开关传感器。
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。
1.3.3传感器的特性
（1）传感器静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
（2）传感器动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
（3）传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
（4）传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输入输出特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
（5）传感器的分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。
（6）传感器的迟滞特性
迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输入输出特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。
迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
1.4变频器介绍
1.4.1变频器概述
变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。
此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。
过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。
随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。
变频器通常包含3个组成部分：
整流器和逆变器,还有直流部分。
其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。
除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。
其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。
不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的。
1.4.2变频器构成
变频器主要是由主电路、控制电路组成。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
（1）整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路：
以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
1.4.3变频器的应用
变频器除了可以用来改变交流电源的频率之外，还可以用来改变交流电动机的转速和扭矩。
在该应用环境下，最典型的变频器结构是三相二级电压源变频器。
该变频器通过半导体开关和脉冲宽度调节（PWM）来控制各相电压。
另外，变频器还可以在航空航天业中。
例如：
飞机上的电力设备通常需要400Hz的交流电，而地面上使用的交流电一般为50Hz或60Hz。
因此，当飞机停在地面上时，需要使用变频器将地面上的50Hz或60Hz的交流电变为400Hz的交流电供飞机使用。
1.5仿真机介绍
计算机仿真技术，利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。
它具有高效、
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