基于单片机的恒压供水系统的设计方案

基于单片机的恒压供水系统的设计方案摘要近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以AT89C51为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数及变频器对的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。关键字：恒压变频供水、单片机、AT89C511.1本设计的背景：本设计为广州高级技工学院综合楼恒压供水的设计。1.2本设计的优点包括：（1）设备投资少，可靠性高，抗干扰能力强，占地面积小。(2)系统采用变频器对电机进行调速，调速范围宽，频率可以在低于或高于工频频率的范围内调节，从几赫兹到几百赫兹，具有很宽的调速范围。(3)由于调速过程中转差率很小，转差率小，损耗小，效率高，所以节约电能。水压的稳定还可减少对管网的冲击，提高供水的稳定性和质量。另外该系统还可以推广到管道输油等方面。(4)采用单片机控制，变频调速系统采用闭环控制，可得到很高的控制精度。1.3本设计的主要内容：本设计是关于基于单片机的恒压供水系统的设计，具体阐述了以下几个方面：1)系统方案阐述2）单片机选择；3）变频器的选择；4）控制方式的选择；5）硬件电路的设计，包括：A）看门狗复位电路，B）时钟电路C）A/D和D/A电路，D）供电电路E）LED显示电路F）反馈检测电路G)控制输入/输出电路2、本设计总体方案2.1.系统的组成：有传感器、变频器、控制器、三个水泵电机及相关电器电气控制设备集成而成。2.2系统的工作原理为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能，根据不同场合、不同需要可以采取三台水泵同时运行、二台水泵同时运行、一台运行一台备用、一台运行二台备用、定时换泵等多种工作方式。水泵电机全部软起动，以先起先停为原则；具有变频器频率显示和实时压力显示；变频器故障、远传表故障或欠压超时和水位报警指示：可设定上限保护压力；可设定PID上升和下降周期及跟踪周期；可设定泵的上电工作顺序。2.3控制方案本设计通过传感器检测水压信号，经A/D转换成数字量，输入给单片机，与给定压力值进行比较，按PID控制算法对差值进行运算，将运算结果输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。在实供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。2.4系统的控制原理：变频恒压供水控制器以单片机为核心，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，并把出口压力变成0--5V的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成0—5V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此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。其变过程可以表示如下：检测压力（下降）――控制器输出（上升）――变频器频率（上升）――电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压。2.5工作模式：供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。3.设备的介绍3.1单片机：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/计时器等功能（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，在工业控制领域的广泛应用。3.2单片机的选择根据初步设计方案的分析，设计这样一个应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。INTEL公司的8051和8751芯片均可选用。还有其他与MCS-51系列相兼容的芯片例如ATMEL公司生产的AT89CXX系列单片机。AT89CXX系列与MCS-51系列单片机相比具有片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便的优势。为此，我们选用AT89C51单片机。该芯片的功能与MCS-51系列单片机完全兼容，并且还有程序加密等功能，相比而言更加实用。AT89C51的最小系统电路如图2所示。3.3AT89C51单片机特性：·与MCS-51兼容·4K字节可编程FLASH存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路3.4变频器的选用：根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型V/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型V/F控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。3.5压力传感器：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。[2]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PTJ206压力传感器运用:广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、管道水压力,供水系统,供油系统空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水、恒压供水等压力测量与控制量程:0～0.6～150(MPa)综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号:4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)供电电压:24DCV(9～36DCV)介质温度:-20～85℃环境温度:常温(-20～85℃)负载电阻:电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ绝缘电阻:大于2000MΩ(100VDC密封等级:IP65长期稳定性能:0.1%FS/年振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口(信号接口):贺斯曼接头/防干扰接头机械连接(螺纹接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。4、系统硬件设计4.1系统设计的硬件框图如下：4.2本系统硬件主要由复位电路、时钟电路、A/D转换器、D/A转换器、显示电路、电源电路、运算放大电路、反馈检测电路、控制输入/输出电路九部分组成。各模块功能如下：4.3各电路功能简介A/D转换器的功能就是把水管的压力信号经压力传感器把0-5v的模拟信号转换成数字信号D/A转换器的功能是把实际水压与设定压力之差经过单片机处理后输出的数据转换成模拟的电压信号，用以控制变频器的输出功率，从而控制点击的转速，最终达到控制水压的母的。显示系统用于系统的工作状态。如设定的水压值、实际水压值、缺水和漏水报警等。供电电路就是为了控制系统的正常工作提供电能。看门狗电路用于提高系统的抗干扰能力，并对系统进行实时监测。运算放大电路将压力传感器输出的电流信号进行放大，提高其线性度。时钟电路为各电路提供时钟信号5.硬件电路的设计5.1复位电路：复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。复位电路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。目前常用的集成看门狗电路很多，如MAX705～708、MAX791、MAX813L、X5043/5045等。本系统采用MAX813L看门狗电路监控单片机的工作，如果单片机工作不正常，看门狗电路在规定时是内得不到刷新复位，就输出信号强制单片机复位重新启动工作，保证仪器正常工作。1.MAX813L芯片功能原理MAX813L主要有以下几个功能：(1)上电、掉电以及降压情况下具有RESET输出。(2)独立的。“看门狗”电路定时时间为1.6s。(3)1.25V门限检测器，用于低压报警，适时监视+5V以外的电源电压。(4)具有手工复位输入端。5.2时钟电路单片机运行需要时钟支持——就像计算机的CPU一样，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那单片机就不能执行程序。时钟电路的设计单片机工作的速度是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。ds1302引脚图电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围30±10pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。5.3A/D转换电路:本设计所用A/D模数转换电路采用通用的ADC0809模拟/数字转换芯片，它是一种8位数字输出的逐次逼近式A/D转换期间，转换时间约为100μs。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换