基于单片机的恒压供水系统的设计与实现Word文件下载.docx
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长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。
在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。
由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
变频调速技术在给水泵站上的应用，成功解决了能耗和污染两大难题[1]。
2变频恒压调速供水系统的工作原理
在变频调速供水系统中，是通过变频调速来改变水泵的转速从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。
反应水泵运行工程的水泵工作点也称为水泵工况点，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。
调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。
如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。
水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。
图2-1变频恒压供水系统组成框图
图2-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统。
系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2-2所示。
8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用[2]。
图2-2单片机的变频恒压调速系统原理框图
2.1系统工作过程
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满足供水需要，因此可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：
a.1#电机变频启动；
b.1#电机工频运行，2#电机变频运行；
c.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。
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。
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。
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。
图2.1-11#和2#机组工作过程流程图
2.2变频调速的基本调速原理
水泵机组应用变频调速技术。
即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。
如图2.2-1所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。
当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0.当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同[3]。
图2.2-1节能分析曲线图
★水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；
此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。
★水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；
此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。
但由于采用泵出口压力恒量方式工作。
所以其工况点是在H上平移。
在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。
而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。
★水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；
此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。
此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。
根据水泵相似原理：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）*2
P1/P2=（n1/n2）*3
式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。
即通过控制转速可以减少轴功率。
根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。
采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。
另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。
目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的
转速n为n=120（1-s）/p
式中s为电机的滑差（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。
当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。
由流体力学知：
管网压力P、流量Q和功率N的关系为
N=PQ
由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率[4]。
2.3水泵变频调速节能分析
水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。
在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2。
运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。
采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1。
在图2.3-1中水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2-6上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显。
图2.3-1变频调速恒压供水单台水泵工况调节图
求出运行在B点的泵的轴功率
运行在C点泵的轴功率
两者之差
也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。
相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。
2.4本章小结
本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手讨论水泵工作点的确定方法。
接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。
在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。
本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得到以下几个结论：
a.水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，水泵工作点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不变的。
b.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。
3变频恒压调速供水系统硬件设计
3.1硬件总体说明
单片机系统的硬件结构框架图如图3.1-1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[5]。
图3.1-1系统硬件结构框图
3.2555定时器复位电路
用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。
NE555封装
图3.2-1NE555封装图
如图3.2-1和图3.2-2可知，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。
内部结构图
图3.2-2NE555内部结构
图3.2-3NE555定时电路及工作波形
3.3LED数值显示D/A数值采集D/A数值反馈
3.3.1LED数值显示模块
数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。
通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字，这就是它的工作原理。
基本的半导体数码管是由7个条状的发光二极管（LED）按图1所示排列而成的，可实现数字"
0～9"
及少量字符的显示。
另外为了显示小数点，增加了1个点状的发光二极管，因此数码管就由8个LED组成，我们分别把这些发光二极管命名为"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
，排列顺序如下图3.3.1-1。
图3.3.1-1共阴数码管引脚图
3.3.2数据采集A/D转换电路
a.AD0809的逻辑结构
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，如图3.3.2-1。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图3.3.2-1AD0809内部结构
b.AD0809的工作原理
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路[6]。
c.AD0809转换电路
电路见图3.3.2-2，主要由AD转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51及显示用数码管组成。
AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC信号在START的下降沿10us后才变为无效的低电平。
这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC输出高电平，再由OE变为高电平来输出转换数据。
我们在设计程序时可以利用EOC信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809后经适当的延时再读入已转换的数据。
AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89S1与SUN7474连接经与7474的ST脚提供AD0809的工作时钟。
AD0809的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ时，其转换速度为128us。
AD0809的数据输出公式为：
Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。
图3.3.2-2A/D转换电路
4变频恒压调速供水系统软件设计
4.1编程软件
4.1.1C051编译器介绍
现在比较流行的51系列编程软件
a.AmericanAutomation：
编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。
b.IAR:
瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。
c.Bso/Tasking：
是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和TexasInstruments嵌入式系统的配套软件工具
d.DunfieldShareware：
非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等
e.KEIL：
KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。
它支持浮点或长整数、重入和递推。
使用单片机模式，KEIL是最好的选择
f.Intermetrics：
使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。
编译器的算法技术支持（float和long）很重要。
生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统用KEIL编译器[7]。
4.1.2KEIL编译器
KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。
a.uVision2forWindows：
是一个集成开发环境。
它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。
b.CX51国际标准优化C交叉编译器：
从C源代码产生可重定位的目标模块。
c.AX51宏汇编器：
从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。
d.BL51链接器/定位器：
组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。
e.LIB51库管理器：
从目标模块生成链接器可以使用的库文件。
f.OH51目标文件至HEX格式的转换器：
从绝对目标模块生成IntelHEX文件。
g.RTX-51实时操作系统：
简化了复杂的实时应用软件项目的设计[8]。
4.2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。
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。
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，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。
EA/VPP访问和序存储器控制信号
a.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。
b.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。
c.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。
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[9]。
4.3软件的程序设计图
a.主程序框图
图4.3-1主程序流程图
b.继电器控制子程序
图4.3-2继电器控制流程图
c.A/D子程序
图4.3-3A/D子程序流程图
d.PID控制子程序
图4.3-4PID计算子程序流程图
5结论
本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一拖多的控制系统，在这个毕业设计中有如下认识；
a.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。
流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。
b.通过对供水控制模式进行分析，发现传统的生产控制模式是一种被动的控制方式，没有对供水管网的水量平衡进行综合考虑。
针对传统控制模式的缺陷，提出了综合考虑水压和水量平衡的自适应平衡调节方法，为该供水控制系统的设计提供了依据。
附录1：
A/D数据采集转化及显示子程序
#include<
at89x51.h>
#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
ui
升级会员 