基于單片機的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方案摘要近年來，隨著城市居民區(qū)的不斷擴建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難的問題越來越突出，原有的自來水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)了不足，用水困難給活帶來極大不便。為解決上述問題，本文研制了溝通變頻恒壓供水限制器。該限制器是以AT89C51為核心，并與變頻器、壓力傳感器等器件有機結(jié)合起來，構(gòu)成了變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過限制變頻器的輸出頻率來自動調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，并依據(jù)用水量的大小由單片機限制水泵數(shù)及變頻器對的調(diào)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)整，即恒壓供水。關(guān)鍵字：恒壓變頻供水、單片機、AT89C511.1本設(shè)計的背景：本設(shè)計為廣州高級技工學(xué)院綜合樓恒壓供水的設(shè)計。1.2本設(shè)計的優(yōu)點包括：（1）設(shè)備投資少，牢靠性高，抗干擾實力強，占地面積小。(2)系統(tǒng)采納變頻器對電機進行調(diào)速，調(diào)速范圍寬，頻率可以在低于或高于工頻頻率的范圍內(nèi)調(diào)整，從幾赫茲到幾百赫茲，具有很寬的調(diào)速范圍。(3)由于調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)差率小，損耗小，效率高，所以節(jié)約電能。水壓的穩(wěn)定還可削減對管網(wǎng)的沖擊，提高供水的穩(wěn)定性和質(zhì)量。另外該系統(tǒng)還可以推廣到管道輸油等方面。(4)采納單片機限制，變頻調(diào)速系統(tǒng)采納閉環(huán)限制，可得到很高的限制精度。1.3本設(shè)計的主要內(nèi)容：本設(shè)計是關(guān)于基于單片機的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)闡述了以下幾個方面：1)系統(tǒng)方案闡述2）單片機選擇；3）變頻器的選擇；4）限制方式的選擇；5）硬件電路的設(shè)計，包括：A）看門狗復(fù)位電路，B）時鐘電路C）A/D和D/A電路，D）供電電路E）LED顯示電路F）反饋檢測電路G)限制輸入/輸出電路2、本設(shè)計總體方案2.1.系統(tǒng)的組成：有傳感器、變頻器、限制器、三個水泵電機及相關(guān)電器電氣限制設(shè)備集成而成。2.2系統(tǒng)的工作原理為保證足夠的水量供應(yīng)，本系統(tǒng)采納三臺水泵構(gòu)成的供水限制系統(tǒng)，具備同時限制三臺水泵的功能，依據(jù)不同場合、不同須要可以實行三臺水泵同時運行、二臺水泵同時運行、一臺運行一臺備用、一臺運行二臺備用、定時換泵等多種工作方式。水泵電機全部軟起動，以先起先停為原則；具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；變頻器故障、遠(yuǎn)傳表故障或欠壓超時和水位報警指示：可設(shè)定上限愛護壓力；可設(shè)定PID上升和下降周期及跟蹤周期；可設(shè)定泵的上電工作依次。2.3限制方案本設(shè)計通過傳感器檢測水壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入給單片機，與給定壓力值進行比較，按PID限制算法對差值進行運算，將運算結(jié)果輸出給變頻器，由變頻器變更水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到恒壓供水的目的。在實供水系統(tǒng)有三臺水泵，各水泵的投入的切換既可以自動限制，也可以手動種植。為延長水泵的運用壽命，水泵電機全部實行軟啟動切遵循“先進先出”原則，也就是先啟動者先停的原則。該系統(tǒng)以1臺變頻器限制三臺水泵，其工作過程：設(shè)三臺泵分別為1號泵、2號泵、3號泵，系統(tǒng)工作時，先由變頻器1號泵運行，當(dāng)工作達到50HZ，而壓力仍達不到要求時，則1號泵切換成工作頻率運行，接著變頻器啟動2號泵，供水系統(tǒng)處于“1工1邊”的運行狀態(tài)。當(dāng)變頻器又達到50HZ上限頻率而壓力仍不足時，將2號泵也切換成工頻運行，再由變頻器啟動3號泵，使供水系統(tǒng)處于“2工1變”的運行狀態(tài)。如變頻器的工作頻率已經(jīng)降到下限頻率（30HZ），而壓力仍偏高時，則切除1號泵；如變頻器的工作頻率又下降到下限頻率，而壓力還是品高，則令2號泵也停機，此時只有變頻器干脆帶動3號泵變頻工作，是供水管網(wǎng)壓力保持恒定。2.4系統(tǒng)的限制原理：變頻恒壓供水限制器以單片機為核心，在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成0--5V的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。單片經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)整得出限制參數(shù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0—5V的模擬信號，送入變頻器中，以限制其輸出頻率的大小，以此變更水泵的電機轉(zhuǎn)速，從而達到限制管道壓力的目的。當(dāng)實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速加快，管道壓力上升；反之，頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測壓力（下降）――限制器輸出（上升）――變頻器頻率（上升）――電機轉(zhuǎn)速（上升），反之相反，最終達到恒壓。2.5工作模式：供水系統(tǒng)有三臺水泵，各水泵的投入的切換既可以自動限制，也可以手動種植。為延長水泵的運用壽命，水泵電機全部實行軟啟動切遵循“先進先出”原則，也就是先啟動者先停的原則。該系統(tǒng)以1臺變頻器限制三臺水泵，其工作過程：設(shè)三臺泵分別為1號泵、2號泵、3號泵，系統(tǒng)工作時，先由變頻器1號泵運行，當(dāng)工作達到50HZ，而壓力仍達不到要求時，則1號泵切換成工作頻率運行，接著變頻器啟動2號泵，供水系統(tǒng)處于“1工1邊”的運行狀態(tài)。當(dāng)變頻器又達到50HZ上限頻率而壓力仍不足時，將2號泵也切換成工頻運行，再由變頻器啟動3號泵，使供水系統(tǒng)處于“2工1變”的運行狀態(tài)。如變頻器的工作頻率已經(jīng)降到下限頻率（30HZ），而壓力仍偏高時，則切除1號泵；如變頻器的工作頻率又下降到下限頻率，而壓力還是品高，則令2號泵也停機，此時只有變頻器干脆帶動3號泵變頻工作，是供水管網(wǎng)壓力保持恒定。3.設(shè)備的介紹3.1單片機：單片機是一種集成電路芯片，是采納超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理實力的中心處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)限制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。3.2單片機的選擇依據(jù)初步設(shè)計方案的分析，設(shè)計這樣一個應(yīng)用系統(tǒng)，可以選擇帶有EPROM的單片機，應(yīng)用程序干脆存儲在片內(nèi)，不用在外部擴展程序存儲器，電路可以簡化。INTEL公司的8051和8751芯片均可選用。還有其他與MCS-51系列相兼容的芯片例如ATMEL公司生產(chǎn)的AT89CXX系列單片機。AT89CXX系列與MCS-51系列單片機相比具有片內(nèi)程序存儲器采納閃速存儲器，使程序的寫入更加便利的優(yōu)勢。為此，我們選用AT89C51單片機。該芯片的功能與MCS-51系列單片機完全兼容，并且還有程序加密等功能，相比而言更加好用。AT89C51的最小系統(tǒng)電路如圖2所示。3.3AT89C51單片機特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.4變頻器的選用：依據(jù)限制功能可將通用變頻器分為三種類型：一般功能型V/F限制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩限制功能的高性能型V/F限制變頻器（也稱無跳閘變頻器）和矢量限制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要依據(jù)負(fù)載的要求進行。對于風(fēng)機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇一般功能型的變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機械采納具有轉(zhuǎn)矩限制功能的高功能型變頻器則是比較志向的。因為這種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機特性。為了實現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采納加大變頻器容量的方法。對于要求精度高、動態(tài)性能好、響應(yīng)快的生產(chǎn)機械（如造紙機械、軋鋼機等），應(yīng)采納矢量限制高功能型通用變頻器。3.5壓力傳感器：壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，一般一般壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號?；蛟谝欢芜B續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在隨意瞬間呈現(xiàn)為隨意數(shù)值的信號。[2]而我們通常運用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器PTJ206壓力傳感器運用:廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、管道水壓力,供水系統(tǒng),供油系統(tǒng)空調(diào)、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水、恒壓供水等壓力測量與限制量程:0～0.6～150(MPa)

綜合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

輸出信號:4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)

供電電壓:24DCV(9～36DCV)

介質(zhì)溫度:-20～85℃環(huán)境溫度:常溫(-20～85℃)

負(fù)載電阻:電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于50KΩ

絕緣電阻:大于2000MΩ(100VDC

密封等級:IP65

長期穩(wěn)定性能:0.1%FS/年

振動影響:在機械振動頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變更小于0.1%FS

電氣接口(信號接口):賀斯曼接頭/防干擾接頭機械連接(螺紋接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計。4、系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)設(shè)計的硬件框圖如下：4.2本系統(tǒng)硬件主要由復(fù)位電路、時鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、顯示電路、電源電路、運算放大電路、反饋檢測電路、限制輸入/輸出電路九部分組成。各模塊功能如下：4.3各電路功能簡介A/D轉(zhuǎn)換器的功能就是把水管的壓力信號經(jīng)壓力傳感器把0-5v的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號D/A轉(zhuǎn)換器的功能是把實際水壓與設(shè)定壓力之差經(jīng)過單片機處理后輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，用以限制變頻器的輸出功率，從而限制點擊的轉(zhuǎn)速，最終達到限制水壓的母的。顯示系統(tǒng)用于系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如設(shè)定的水壓值、實際水壓值、缺水和漏水報警等。供電電路就是為了限制系統(tǒng)的正常工作供應(yīng)電能?？撮T狗電路用于提高系統(tǒng)的抗干擾實力，并對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。運算放大電路將壓力傳感器輸出的電流信號進行放大，提高其線性度。時鐘電路為各電路供應(yīng)時鐘信號5.硬件電路的設(shè)計5.1復(fù)位電路：復(fù)位電路，就是利用它把電路復(fù)原到起始狀態(tài)。就像計算器的清零按鈕的作用一樣，當(dāng)你進行完了一個題目的計算后確定是要清零的是吧！或者你輸入錯誤，計算失誤時都要進行清零操作。以便回到原始狀態(tài)，重新進行計算。和計算器清零按鈕有所不同的是，復(fù)位電路啟動的手段有所不同。一是在給電路通電時立刻進行復(fù)位操作；二是在必要時可以由手動操作；三是依據(jù)程序或者電路運行的須要自動地進行。復(fù)位電路都是比較簡潔的大都是只有電阻和電容組合就可以辦到了。再困難點就有三極管等等協(xié)作程序來進行了目前為止，單片機復(fù)位電路主要有四種類型：（1）微分型復(fù)位電路；（2）積分型復(fù)位電路；（3）比較器型復(fù)位電路；（4）看門狗型復(fù)位電路。目前常用的集成看門狗電路許多，如MAX705～708、MAX791、MAX813L、X5043/5045等。本系統(tǒng)采納MAX813L看門狗電路監(jiān)控單片機的工作，假如單片機工作不正常，看門狗電路在規(guī)定時是內(nèi)得不到刷新復(fù)位，就輸出信號強制單片機復(fù)位重新啟動工作，保證儀器正常工作。1.MAX813L芯片功能原理MAX813L主要有以下幾個功能：(1)上電、掉電以及降壓狀況下具有RESET輸出。(2)獨立的?！翱撮T狗”電路定時時間為1.6s。(3)1.25V門限檢測器，用于低壓報警，適時監(jiān)視+5V以外的電源電壓。(4)具有手工復(fù)位輸入端。5.2時鐘電路單片機運行須要時鐘支持——就像計算機的CPU一樣，假如沒有時鐘電路來產(chǎn)生時鐘驅(qū)動單片機，那單片機就不能執(zhí)行程序。時鐘電路的設(shè)計單片機工作的速度是由時鐘電路供應(yīng)的。在單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳間，接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機的時鐘電路。

ds1302引腳圖電路中的器件選擇可以通過計算和試驗確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)。電路中電容C1和C2對振蕩頻率有微調(diào)作用，通常的

取值范圍30±10pF；石英晶體選擇6MHz或12MHz都可以。其結(jié)果只是機器周期時間不同，影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運算速度。5.3A/D轉(zhuǎn)換電路:本設(shè)計所用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采納通用的ADC0809模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，它是一種8位數(shù)字輸出的逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換時間約為100μs。ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平常，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：主要性能有：（1）8位逐次靠近型A/D轉(zhuǎn)換器，全部引腳的邏輯電平與TTL兼容。（2）帶鎖存功能的8路模擬量轉(zhuǎn)換開關(guān)，可對8路0~5V模擬量進行分時轉(zhuǎn)換。（3）輸出具有三態(tài)鎖存/緩沖功能。（4）辨別率：8位。（5）轉(zhuǎn)換時間：100μs。（6）不行調(diào)誤差：±1LSB。（7）功耗：15mW。（8）工作電壓：+5V，參考電壓標(biāo)準(zhǔn)值+5V。（9）片內(nèi)無時鐘，一般需外加640KHz以下且不低于100kHz的時鐘信號。ADC0809應(yīng)用說明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機干脆相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）將要轉(zhuǎn)換通道的地址送到A、B、C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）依據(jù)EOC信號來推斷轉(zhuǎn)換是否完畢。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖匠?，令OE為高電平，這樣轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。運用A/D轉(zhuǎn)換器留意的問題首先，當(dāng)模入通道不全部運用時，應(yīng)將不適用的通道就近對地短接，不要使其懸空，以避開造成通道間串?dāng)_和損壞通道。其次，為保證平安及采集精度，應(yīng)確保系統(tǒng)地線（計算機及外接儀器機殼）接地良好。特殊是運用雙端輸入方式時，為防止外接較大的共模干擾，應(yīng)留意對信號線進行屏蔽處理。5.4D/A轉(zhuǎn)換電路DAC0832是8辨別率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡潔、轉(zhuǎn)換限制簡潔等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換限制電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如下主要性能有：（1）辨別率為8位；

（2）電流穩(wěn)定時間1us；

（3）可單緩沖、雙緩沖或干脆數(shù)字輸入；

（4）只需在滿量程下調(diào)整其線性度；

（5）單一電源供電（+5V～+15V）；

（6）低功耗，200mW。5.5供電電路系統(tǒng)將220v的市電轉(zhuǎn)換成5v的直流電。系統(tǒng)首先通過變壓器將220v的溝通電降壓為9v溝通，再通過整流橋變?yōu)?v直流。電容才c1、c2起濾波作用。LM7805為穩(wěn)壓模塊。將電壓穩(wěn)定在5v。下圖為供電電路圖。5.6顯示電路本次設(shè)計中要求作到4組LED顯示，LED顯示器的限制方式為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩

種，因此在選擇LED驅(qū)動時，確定要先確定顯示方式。若選擇靜態(tài)顯示，則LED驅(qū)動器的選擇較為簡潔，只要驅(qū)動器的驅(qū)動實力與顯示器電流相匹配即可。而且只須要考慮段的驅(qū)動因為共陽極接+5V，而共陰接地，所以位的驅(qū)動不要考慮。動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段選和位選信號共同協(xié)作完成的，因此，要同時考慮和位的驅(qū)動實力，而且段的驅(qū)動實力確定位的驅(qū)動實力。我們用的是動態(tài)的顯示用74LS164移位寄存器來移位顯示要顯示的數(shù)據(jù)，并用三

極管來驅(qū)動，這樣可以節(jié)約單片機的I/O口，四個數(shù)碼管用四個COM位選端和一個

數(shù)據(jù)傳送端及和其他器件共用的時鐘端來實現(xiàn)。節(jié)約了硬件資源，也使電路簡潔。5.7反饋壓力檢測電路系統(tǒng)壓力檢測電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設(shè)定電位器和0809A/D轉(zhuǎn)換器等組成。壓力檢測電路。5.8輸出限制電路系統(tǒng)在運行中，將壓力設(shè)定值和反饋值進行比較后再按PID算法進行計算，在將計算算結(jié)果u（k）經(jīng)0832D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬限制電壓信號，再作用于溝通變頻調(diào)速器。變頻調(diào)速器按其限制信號u（k）的大小來調(diào)整水泵的速度，以達到恒壓的目的。輸出限制電路如圖4-4所示。5.9限制輸入電路限制輸入電路主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的限制，包含一些限制信號及開關(guān)吩咐。為了削減強電回路的影響，電路需通過光電耦合電路進行隔離。限制輸入電路如圖4-5所示。6.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計假設(shè)供水系統(tǒng)共有2臺水泵,其中水泵1為變頻運行,水泵2為工頻運行,由接觸器分別啟動或停止,單片機通過繼電器限制接觸器的工作。.1單片機接口地址安排和限制端口功能A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809:80XXH～87XXH