基于单片机的高楼恒压供水系统设计-本科毕业设计（论文）Word文档下载推荐.docx

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第一章绪论 1

1.1论文选题背景及研究意义 1

1.1.1选题背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文研究的主要内容 3

第二章系统总体方案设计 5

2.1系统控制系统方案设计 5

2.1.1开环控制系统 5

2.1.2闭环控制系统 5

2.1.3控制方案选定 6

2.2系统总体方案设计 6

2.2.1系统控制器的选择 6

2.2.2检测元件的选择 8

2.2.3输入通道方案选择 10

2.2.4输出通道方案选择 10

2.2.5变频器控制方式选择 12

2.3外围接口设备的选择 13

2.3.1显示器的选择 13

2.3.2键盘的选择 14

2.4系统总体方案设计 14

第三章系统硬件设计 16

3.1控制系统单元电路设计 16

3.1.1引脚特性 16

3.1.2时钟电路的设计 18

3.1.3复位电路的设计 18

3.2信号检测电路设计 19

3.3前向通道电路设计 20

3.4外围设备接口电路设计 22

3.4.1键盘电路接口电路设计 22

3.4.2显示接口电路设计 22

3.4.3报警电路 24

3.5D/A转换电路 24

3.6接触器控制电路 26

3.7电源电路设计 27

第四章系统软件设计 28

4.1总体设计思想 28

4.1.1系统工作过程 28

4.1.2程序设计方法选择 28

4.1.3程序设计语言选择 29

4.2主程序设计 30

4.3数据采集及处理子程序设计 30

4.3.1数据采集子程序设计 31

4.3.2数字滤波子程序 31

4.3.3A/D转换模块子程序 32

4.4系统控制算法子程序设计 33

总结 36

致谢 37

参考文献 38

附录一程序清单 40

附录二硬件电路原理图 45

第一章绪论

1.1论文选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的一个重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策[1]。

另外，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、经济、稳定性等皆提出了越来越高的要求[2]。

供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和企业的生产效率[3]。

要安全、稳定、经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、先进的自动化供水控制系统[4]。

但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面的技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。

探究其原因，主要是由于受到了供水设备和供水方式的限制。

传统供水方式有恒速泵直接供水方式、水塔/水箱的供水方式、气压供水方式等几种，这些供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下，并且可靠性低，严重地影响了居民的用水和工业系统中的用水。

它们还有一个共同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。

所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。

为此，本文提出恒压调速供水系统。

与传统供水方式相比，恒压调速供水系统的自动化程度可以明显地看出来要优于传统的供水方式，该系统主要具有以下特点：

（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）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）利用通信技术进行控制，减少了人力物力过度投入。

1.1.2研究意义

变频调速技术的应用和推广，在工农业生产中无非是解决两大问题一是节能，二是改善生产过程。

我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。

据统计，目前我国电机的总装机容量己达到4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低20%，70%的电机只相当于国际20世纪50年代的技术水平，电机驱动系统能效比国外低20%左右，电能的浪费十分严重。

众所周知，水是生产、生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源不足和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，可靠性低。

饮水工程对于每个人来说都是至关重要的，供水系统也在现代工业中无处不在。

然而，作为饮水工程中最重要的供水这一环目前却存在着很多问题和弊端，传统的供水方式能耗高，自动化程度低，己经不能满足当前社会的发展和需求。

要解决生产过程中的能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性日益得到了国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。

变频调速式的供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.2国内外研究现状

变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看看交流变频调速技术的发展。

交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。

电力电子器件最初是普通晶闸管，它主要是电流控制型开关器件。

以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能自关断。

20世纪70年代电力电子器件开发的电力晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础。

20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管（IGBT），它是一种电压（场控）型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极（栅极、门极）信号控制导通或关断的功能从而使变频调速技术又向前迈进了一步。

电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来，出现了智能化功率集成电路（IGBT）。

模块和智能功率模块（IPM），它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能以及功率集成电路的大规模化，其中包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能，为交流变频调速技术开辟了新的天地。

电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中。

我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展，变频技术逐步应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们还要大力发展自己的电力电子技术。

国外交流变频调速技术高速发展，随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。

尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高电压大电流的SCR、GTO、IGBT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

1.3论文研究的主要内容

本次设计就单片机通过控制变频器调节交流电机转速来实现水箱恒压进行概述，并且探讨单片机控制电机的原理及实现方法，进而分析单片机的环境应用及要求和它的发展方向，这些研究对于提高单片机的功能扩展都有利好作用。

随着单片机所应用的领域越来越广泛，它对电机控制越来越引起人们的广泛关注，因此，本研究主要探讨单片机控制交流电机的实现方法。

与此同时高楼恒压供水控制系统设计的方法。

其中，主要探讨单片机与压力传感器结合的方式的合理性与有效性。

本设计的具体任务是设计一个恒压无塔供水系统。

系统应该满足如下功能要求：

（1）供水压力正常设定值为0.5MPa，最大供水压力为0.6MPa，最小供水压力为0.1MPa，压力允许波动范围为1%；

（2）水泵流量、扬程和功率分别为6.3m3/h、8m和1.5kw；

（3）电机可以工作在两种工作状态即变频和工频；

（4）变频器控制电机的转速，且电机能够实现软启动；

（5）能够实时显示水管的压力值，保证水管压力稳定在设定值范围；

（6）系统具有较强的抗干扰能力。

本文各个章节安排如下：

（1）

第一章主要就本课题的研究意义与研究目的以及结合国内外对恒压调速供水系统的研究现状与发展概况阐述本课题主要内容

（2）第二章对恒压调速供水系统的总体方案设计进行论证，并对各个模块分析选择

（3）第三章结合要求并在第二章方案确定的基础上，做具体电路的设计与说明。

（4）第四章对该系统的软件进行分析与设计

（5）主要对论文的完成作总结，并感谢在完成论文的过程中帮助自己的老师与同学

第二章系统总体方案设计

2.1系统控制系统方案设计

本设计需要设计一个可以恒压供水的自动控制系统，根据该系统的设计要求，可以采用以下两种控制系统：

开环控制系统和闭环控制系统。

2.1.1开环控制系统

如果系统的输出端与输入端之间不存在将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，即反馈过程，也就是说控制系统的输出量不会对系统的控制产生任何影响，这样的系统称其为开环系统。

与闭环控制系统相对。

系统的控制输入不受输出影响的控制系统。

在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。

因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。

开环控制系统由控制器与被控对象组成。

控制器通常具有功率放大的功能。

同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。

但是无法克服扰动。

开环控制系统框图如图2-1所示。

图2-1开环控制系统框图

2.1.2闭环控制系统

闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。

闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。

当受控客体受干扰的影响，其实现状态与期望状态出现偏差时，控制主体将根据这种偏差发出新的指令，以纠正偏差，抵消干扰的作用。

在闭环控制中，由于控制主体能根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差，所以有较强的抗干扰能力，能进行有效的控制，从而保证预定目标的实现。

管理中所实行的控制大多是闭环控制，所用的控制原理主要是反馈原理。

闭环控制系统框图如图2-2所示。

图2-2闭环控制系统框图

2.1.3控制方案选定

开环控制系统由控制器与被控对象组成，控制器通常具有功率放大的功能。

而闭环系统可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的设计。

该恒压供水系统以51单片机控制器为核心，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，并把出口压力改成4--20mA的模拟信号，送到上位机系统的A/D转换输入端，再经过A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机机进行数据处理。

上位机经过运算过后，与设定的压力进行比较，进而得出偏差值，再经过PID调节得出控制参数，经D/A转换变成模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此来改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。

当实际的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；

反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。

恒压调速供水系统闭环控制系统框图如图2-3所示。

图2-3恒压调速供水系统闭环控制系统框图

2.2系统总体方案设计

2.2.1系统控制器的选择

根据控制系统结构图可知，控制器在测控系统中起到至关重要的作用，因此，必须合理选择系统的控制器。

目前，用作测控系统控制器的有：

单片机、嵌入式控制器等。

方案一：

采用单片机组成测控系统

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

根据其基本操作可处理的位数可分为：

1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机。

其中，8位单片机具有品种全、兼容性强、性价比高、软硬件设计资料齐全等特点，其功能也在不断完善的过程中。

16位单片机集成度高，寻址空间大，片内具有多通道的A/D转换器和输入输出部件，实时处理能力很强，32位单片机功能较16位更为强大，性能更优越，价格也水涨船高。

单片机具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、价格低廉、灵活性好、开发容易的优点，在工业控制领域、智能仪器仪表、消费类电子产品、通行方面等广泛应用。

方案二：

工控机（IndustrialPersonalComputer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。

工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。

工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。

工控机的主要类别有：

IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。

因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：

（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

（2）机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

（4）要求具有连续长时间工作能力。

（5）一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）。

工控机的日常使用维护，在很多场合使用工控机，但真正能把工控机转得很好的也不是很多。

经常看到有些人忙活了半天，还是不能把机器故障排除，而有些人用起来则得心应手。

这区别即源自用户对工控机的正确管理和维护。

工控机是为了适应特殊、恶劣环境下工作的一种工业计算机，它的电源、机箱、主板都是为了能适应长时间不间断运行而设计的。

为了更好地使用它，让它始终保持良好的工作性能，在日常使用中必须对它进行必要、合理的维护。

其特点：

（1）配置硬盘容量小；

（2）数据安全性低；

（3）存储选择性小；

（4）价格较高。

方案三：

采用ARM处理器组成测控系统

ARM处理器是一个32位元的精简指令集（RISC）处理器架构,理解方法很多，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

具有以下典型特点：

体积小、低功耗、低成本、高性能；

支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

大量使用寄存器，指令执行速度更快；

大多数数据操作都在寄存器中完成；

寻址方式灵活简单，执行效率高；

指令长度固定。

其广泛地使用在许多嵌入式系统设计，包括工业控制领域、无线通信领、网络应用、消费电子类产品及成像和安全产品。

对于以上各种处理器，都可以做到对室内空气品质进行实时监测的处理功能。

考虑到处理器片内资源，软硬件电路的复杂程度与产品的性价比，单片机完全可以实现处理功能，不会造成资源浪费，还具有设计简单，编程容易的优点。

其中，8位单片机完全就足以实现本课题的设计要求，因此选择方案一中的8位单片机。

2.2.2检测元件的选择

根据系统的设计要求及控制结构图，需要检测水箱压力。

所以需要压力传感器来测量。

压力检测原件有：

电阻应变片压力传感器、蓝宝石压力传感器、HM20通用型压力变送器等。

对以上类型的压力传感器进行方案论证如下：

电阻应变片压力传感器

电阻应变片压力传感器内部是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

电阻应变片压力传感器的价格便宜，原理简单，但由于其过于易受外部干扰，同时这种传感器发生滞后是常态，使用这种传感器必然需要较复杂的滤波算法和预估计补偿算法的支持，耽误系统处理速度。

电阻片压力传感器应对于精度不高的压力测量，适用于小型工业过程控制领域。

蓝宝石压力传感器

蓝宝石压力传感器核心的蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；

蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；

蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000°

C以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；

蓝宝石的抗辐射特性极强；

另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

蓝宝石压力传感器可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小，但是其成本过高，同时远远超过了本系统对压力测量的精度要求和工作温度要求。

蓝宝石压力传感器适用于工业现场过程控制压力的测量，工业现场压力控制等。

HM20通用型压力变送器

通用压力变送器为模拟型压力变送器，敏感元件部分采用进口压阻式扩散硅制作而成。

具有反向极性和限流保护；

激光调阻温度补偿；

过载及抗干扰能力强，灵敏度高，温漂小长期稳定性好。

为保证此系列压力变送器能适应各种恶劣的环境，除注重对传感器的选择外，部分有源器件均为军品级。

适用于工业现场过程控制压力的测量，工业现场压力控制，航空航天 

领域，石油化工行业以及城市供水、水利、电力、化工、气泵、实验室、液压等需要压力测量和控制的领