第一篇：基于單片機的恒壓供水系統(tǒng)設計
摘要
摘要
建設節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據(jù)高校用水時間集中，用水量變化較大的特點，分析了校園原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出利用自來水恒壓供水和水泵提水相結合的方式，并配以變頻器、軟啟動器、單片機、微泄露補償器、壓力傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。
另外水泵耗電功率與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比關系，所以水泵調(diào)速運行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結合使用可編程控制器，可實現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機的使用壽命。
關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動
I
ABSTRACT
ABSTRACT Buiding the conservation-oriented society,the reasonable development,saves and the effective protecting water resources is an arduous task,according to the university water used time,the water consumption change major characteristic,analyzed the campsus original water supply system existence cost to be high,the reliability was low,the water resources waste,the pipe network system treated the consummation the question.Proposed that draws water the way which using the runing water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies,and matches by the inverter,the soft starter,SCM ,Micro reveals the compensator,the pressure transmitter,the fluid position sensor and so on.According to the network management pressure,controls water pump’s rotational speed through the inverter,causes in water pipe’spressure maintains at throughout the appropriate scope,thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery ratational speed is proportional three cubed the relations,therefore the water pump velocity madulation movement’s energy conservation effect is obvious,the sverage power consumption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller,mayrealize the main pump frequency conversion,the auxiliary pump soft start,has the short circuit protection,the overflow protection,function stably,the work reliable,lengthened electrical machinery greatly.Key words:Constant pressure frequency conversion watersupply, SCM, differential pressure water supply,automatic control
II
目 錄
目錄
第一章 引言..............................................................................................................1 1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點.............................................................................1 1.2 傳統(tǒng)定壓方式的弊病.............................................................................................1 1.3恒壓供水設備的主要應用場合..............................................................................2 1.4恒壓供水技術實現(xiàn)..................................................................................................2 1.5變頻節(jié)能理論..........................................................................................................3
1.5.1交流電機變頻調(diào)速原理...............................................................................3 1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇......................................................................3
1.6.1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成...............................................................................3 1.6.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取...................................................................4 1.7變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點......................................................................................4 第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理..........................................................6
2.1系統(tǒng)工作過程..........................................................................................................7 2.2變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理..............................................................................9 2.3變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析....................................................10
2.3.1管路水力損失及性能曲線.........................................................................10 2.3.2水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析.............................................................................11 2.3.3調(diào)速范圍的確定.........................................................................................12 2.4本章小結................................................................................................................13 第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計............................................................14
3.1硬件總體說明........................................................................................................14 3.2 555定時器復位電路.............................................................................................15 3.3 5V單片機供電電源電路......................................................................................17 3.4 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋...................................................17
3.4.1 LED數(shù)值顯示模塊....................................................................................17 3.4.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路...........................................................................19 第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計............................................................25
4.1 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計總體說明.......................................................25 4.2 8051系列單片的編程語言...................................................................................25 4.3 編程軟件...............................................................................................................26
4.3.1 C051編譯器介紹.......................................................................................26 4.3.2 KEIL編譯器..............................................................................................26
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目 錄
4.4 單片機資料...........................................................................................................27 4.5 軟件的設計...........................................................................................................30
4.5.1 程序設計圖................................................................................................30 結論..............................................................................................................................33 致謝..............................................................................................................................34 參考文獻......................................................................................................................35 附錄..............................................................................................................................36 附錄一：A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序..............................................................36 附錄二：PID控制子程序..........................................................................................39 外文資料原文.............................................................................................................44 Input/Output Accessing................................................................................................44 翻譯文稿......................................................................................................................49 輸入/輸出訪問............................................................................................................49
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第一章 引言
第一章 引言
隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用，使供水設計得到了新的發(fā)展機遇，當前住宅建筑的規(guī)劃趨向于更具有人性化的多層次住宅組合，人們不再僅僅追去立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經(jīng)濟的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、安全又經(jīng)濟合理的供水方式，對我們供水系統(tǒng)設計帶來了新的挑戰(zhàn)。
恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據(jù)用戶需求確定的，傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)，隨著變頻調(diào)速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機組合，構成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水。
1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點
1.節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。2.占地面積小，投資少，效率高。
3.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。
4.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。
5.由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。
6.通過通信控制，可以實現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。
1.2 傳統(tǒng)定壓方式的弊病
1.管理不便，因與大氣連通容易引起管道腐蝕。
2.由于水箱內(nèi)微生物，藻類寄生，還可能對系統(tǒng)造成二次污染，所以定壓水箱都需要定期維護，并由衛(wèi)生部門檢測。
3.定壓水箱需占用較大的空間，需要專門的地點來放置。
4.高位定壓水箱系統(tǒng)的控制靠投入泵的臺數(shù)來調(diào)節(jié)，但這種方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵長期在高效區(qū)工作，效率低下。
5.系統(tǒng)頻繁的啟停泵，造成水泵、電機及開關部件壽命縮短。
6.使用高位水箱供水，在系統(tǒng)流量較大時，管網(wǎng)壓力會有較大的變化，造成 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
部分用戶壓力不夠，出現(xiàn)諸如流量不足、冷熱不均等情況。
7.在供水泵的選型上，設計人員為了提高系統(tǒng)安全系數(shù)，電機選型都較大；在用水負荷較小時要采用減壓閥、節(jié)流孔板等來調(diào)節(jié)水流量，這樣大量的能量消耗在閥上，造成了電能的浪費。
1.3恒壓供水設備的主要應用場合
1.高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。
2.各類工業(yè)需要恒壓控制的用水場合，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補水等。
3.中央空調(diào)系統(tǒng)。4.自來水廠增壓系統(tǒng)。
5.農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。6.各種流體恒壓控制系統(tǒng)。
1.4恒壓供水技術實現(xiàn)
通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬信號，通過變頻器內(nèi)置的PID控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動機水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。
目前交流電機變頻調(diào)速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。
第一章 引言
1.5變頻節(jié)能理論
1.5.1交流電機變頻調(diào)速原理
交流電機轉(zhuǎn)速特性：n?60(1?s)/p，其中n為電機轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)，電機選定之后s、p為定值。電機轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現(xiàn)對電機變頻無級調(diào)速，各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補水等。流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q∝N 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：T∝N2 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：T∝N3
而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術供水時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關系；
P變= N3P額= Q3P額
其中，P為功率
N為轉(zhuǎn)速
Q為流量
例如設定當前流量為水泵額定流量60%，則采用變頻調(diào)速時P=Q3P=0.216P，而采用閥門控制時P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，節(jié)電=（P*P）/P*100=71.6% 由此可見從理論上計算結果可以看到技能效果非常顯著，而且在實際運行變頻恒壓供水技術比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。而且新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動控制一臺或多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量約1/6~1/8時，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節(jié)能。
1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇
1.6.1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成
變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、管網(wǎng)組成。工作流程是利用設置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)用水量的變化引起水壓變化，即使將信號反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或加減速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
1.6.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取
（1）合理選取壓力控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個目的的實現(xiàn)關鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網(wǎng)最不利點壓力恒壓控制。另一個就是泵出口壓力恒壓控制。
（2）變頻器在投入運行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達到最佳運行轉(zhuǎn)臺的必要手段。變頻器根據(jù)負載的轉(zhuǎn)動慣性的大小，在啟動和停止電機時所需的時間就不同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流，在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調(diào)速運行時使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應遲滯，應變應變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護，現(xiàn)場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常覆蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態(tài)，所以現(xiàn)場使用時要根據(jù)所驅(qū)動的負載性質(zhì)不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2~20秒之間。
1.7變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點
本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:
(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應.(2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。
{3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性，(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。
(5)當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。
第一章 引言
(6)水泵的電氣控制柜，有遠程和就地控制的功能，數(shù)據(jù)通訊接口能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。
(7)系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設備的使用壽命。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻調(diào)速來改變水泵的轉(zhuǎn)速從而改變水泵工作點來達到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化因此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關。
圖2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖
圖3-1就是一個典型的由8051單片機控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)。系統(tǒng)由微機控制器、交流變頻調(diào)速器、水泵機組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結構原理如圖3.2所示。8051單片計算機在這里主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用。
第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
圖2-2 單片機的變頻恒壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖
2.1系統(tǒng)工作過程
根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。
分析自動控制系統(tǒng)機組Ⅰ（1#、2#水泵機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：（1）1#電機變頻啟動；（2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；（3）2#電機單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應變換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。
1.切換過程Ⅰ
1#電機變頻啟動，頻率達到50Hz，1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設定壓力下限P。按下相應的按鈕，選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟啟動，1#電機啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自
變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。2.切換過程Ⅱ
由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Pk時（2#電機，f=fmin，P＜Pk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機在工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。3切換過程Ⅲ
由2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設定水壓上限Pi時（2#電機f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。1#電機開始軟啟動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。
圖2-3 1#和2#機組工作過程流程圖
第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
2.2變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理
水泵機組應用變頻調(diào)速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。
如圖2.4所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0.當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。
圖2-4節(jié)能分析曲線圖
(1)水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。
(2)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。
(3)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
下降到Q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網(wǎng)的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據(jù)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分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠。
采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的轉(zhuǎn)速n為：
n=120(1-s)/p
（2.3.1）
式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數(shù)，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。由流體力學知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關系為
N=PQ 由功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。
2.3變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析
2.3.1管路水力損失及性能曲線
管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種
（2.3.2）
沿程損失
（2.3.3）
第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
式中y-管路沿程摩擦損失系數(shù)；j-局部損失系數(shù)；L-管路長度（m）；A-過水 截面的面積。
將式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得
式中S被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應的y，j，L，A等參數(shù)都能去頂，S也就確定了。由式（2.3.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失
Hx=Hsj+Hs
(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線
圖2-5本泵工作點的確定
2.3.2水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析
水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2.運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正 比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。
圖2-6變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖
求出運行在B點的泵的軸功率
運行在C點泵的軸功率
兩者之差：
也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。
相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。2.3.3調(diào)速范圍的確定
考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定
第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%~100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。
2.4本章小結
本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手討論水泵工作點的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得到以下幾個結論：
1.水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點。水泵工作點是水泵運行的理想工作點。實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。
2.水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)單元設計主要包括CPU基本控制單元、電路定時復位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和相應的開關電路。
圖3-1 系統(tǒng)硬件結構框圖
3.1硬件總體說明
單片機系統(tǒng)的硬件結構框架圖如圖3-1所示。
本系統(tǒng)以8951單片機為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結構。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動LED，使用8951的串行通訊口TXD,DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數(shù)。采用NE555組成硬件定時復位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象。74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅(qū)動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳
第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
外接RC電路，用于開機時使74S273的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動作，對變頻器起到了保護作用。在報警輸入端與CPU
之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。系統(tǒng)A/D輸入采用8位TLC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A輸出采用了光耦離式D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅(qū)動電路。P3.3定時輸出占空比與頻率相對應的PWM調(diào)制信號，通過二極運算放大電路后，在LM358的第7引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，兩放大器之間的RC電路起到了濾波的作用。
3.2 555定時器復位電路
用NE555組成的硬件定時復位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機現(xiàn)象。NE555封裝和內(nèi)部結構圖
圖3-2 NE555封裝圖
如圖3-3和圖3-4上可知，NE555定時電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號至RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時電路，用于設定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié)RW或者電容C，可以得到不同的時間常數(shù)。
脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C
振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
圖3-3 NE555內(nèi)部結構
圖 3-4 NE555定時電路及工作波形
第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
3.3 5V單片機供電電源電路
如圖3-5所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。
圖3-5 LM7805穩(wěn)壓電源
3.4 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋
3.4.1 LED數(shù)值顯示模塊
數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極.通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字,這就是它的工作原理.基本的半導體數(shù)碼管是由7 個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字“0～9”及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順序如下圖3-6。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
圖3-6 共陰數(shù)碼管引腳圖
圖3-7 數(shù)碼管封裝
數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類
① 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種示
方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8 個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。
② 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD 碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。
圖3-8 共陰極4位8段數(shù)碼顯示
3.4.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路
1.AD0809的邏輯結構
ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關、一個地 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通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)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。
圖3-9 AD0809內(nèi)部結構
2.AD0809的工作原理
IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道
ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條。
ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0－IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如圖表3-10所示。
圖3-10 AD0809通道選擇表
第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
數(shù)字量輸出及控制線：11 條
ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結束；否則，表明正在進行A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0 為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。3.ADC0809應用說明（1）． ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機直接相連。（2）． 初始化時，使ST 和OE信號全為低電平。（3）． 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到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）． 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC 信號來判斷。
（6）． 當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。
4.AD0809轉(zhuǎn)換電路
電路見圖3.4.2.4，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機AT89S51 及顯示用數(shù)碼管組成。AD0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉(zhuǎn)換，EOC 信號在START 的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們在設計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動AD0809 后經(jīng)適當?shù)难訒r再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經(jīng)與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當頻率范圍為500KHZ 時，其轉(zhuǎn)換速度為128us。
AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
5． D/A轉(zhuǎn)換模塊
本系統(tǒng)采用的一個光耦隔離式串行D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅(qū)動電路，電路圖如圖3-12。
圖3-11 A/D轉(zhuǎn)換電路
圖3-12 光耦隔離式D/A
第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
這里運用到了脈寬調(diào)制(PWM)的方法來控制電壓模擬量，脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。6.PWM控制原理
PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。
圖3-13 PWM占空比
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圖3-13顯示了三種不同的PWM信號。（a）是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時間通，其余90％的時間斷。（b）和（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個幅度為0.9V的模擬信號。
第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
4.1 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計總體說明
系統(tǒng)軟件程序由主程序，定時中斷顯示和頻率輸出子程序組成。采用軟件模塊化設計，引入了先進的模糊邏輯控制技術，并增加了容錯技術和抗干擾算法。系統(tǒng)采用了定時復位軟件設計方案（1秒鐘復位一次），以消除程序運行時的死機現(xiàn)象。數(shù)字濾波采用平均值濾波方法，以消除干擾對輸入信號的影響。
4.2 8051系列單片的編程語言
51單片機在有四種語言支持，即匯編、PL/MC、C和BASIC。
C語言是一種源于編寫UNIX操作系統(tǒng)的語言，是一種結構化語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。C語言結構是以括號{}而不是以字和特殊符號表示的語言。C語言可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編語言相比，C語言有很多優(yōu)點。
（1）對單片機指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求了解對8051的存儲器結構有初步了解；
（2）寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可有編譯器管理； 程序規(guī)范的結構，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結構化
（3）具有將可變選擇和特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性； 關鍵字及運算函數(shù)可用于近似人的思維過程方式使用；
（4）編程和程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；
（5）提供的庫包括許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；（6）已編好的程序可以很容易地移植入新程序，因為C語言具有方便的模塊化編程技術；
雖然C語言有諸多優(yōu)點，但是并不是說匯編語言就要被拋棄，懂得匯編語言指令就可使用在片RAM作為變量的優(yōu)勢，因為片外變量需要幾條幾條指令才能設置累加器和數(shù)據(jù)指針進行存取。要求使用浮點和啟用函數(shù)時，只有具備匯編編程經(jīng)驗，才能避免生成龐大的、效率低的程序，所有現(xiàn)在所有的對速度要求高的內(nèi)核程序都是用匯編編寫完成的。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
4.3 編程軟件
4.3.1 C051編譯器介紹
現(xiàn)在比較流行的51系列編程軟件
（1）American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。
（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。
（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統(tǒng)的配套軟件工具
（4）Dunfield Shareware：非專業(yè)的軟件包，不支持floats，longs或結構等（5）KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點或長整數(shù)、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇
（6）Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執(zhí)行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。
編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用KEIL編譯器。4.3.2 KEIL編譯器
KEIL開發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標程序。
（1）uVision2 for Windows:是一個集成開發(fā)環(huán)境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個強大功能的環(huán)境中。
（2）CX51國際標準優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。
（3）AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。（4）BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產(chǎn)生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。
（5）LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。（6）OH51目標文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。
（7）RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計。
第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
4.4 單片機資料
單片微型計算機簡稱為單片機，有稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。引腳功能：
MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照----單片機引腳圖：
l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號端子）。
l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號端子）。
l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號端子）。
l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號端子）。
P0口有三個功能：
1、外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口）
2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口）
3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。
P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。
P2口有兩個功能：
1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用；
2、做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。
P3口有兩個功能：
除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。
有內(nèi)部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）
編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp）
接觸過工業(yè)設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護內(nèi)部RAM 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
中的信息不會丟失。
在介紹這四個I/O口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么呢？他起什么作用呢？當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態(tài)，只有外接一個上拉電阻才能有效。
ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。
在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當系統(tǒng)沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。
PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機內(nèi)部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，那么我們是怎樣把編寫好的程序存入進這個ROM中的呢？實際上是通過編程脈沖輸入才能寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。
PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。
1、內(nèi)部ROM讀取時，PSEN不動作；
2、外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；
3、外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；
4、外接ROM時，與ROM的OE腳相接。
（8051擴展2KB EEPROM電路，PSEN與擴展ROM的OE腳相接）
EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號
1、接高電平時：
CPU讀取內(nèi)部程序存儲器（ROM）
擴展外部ROM：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。
2、接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
們已知道，8031單片機內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。3、8051寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。
RST 復位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數(shù)器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。
XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。
VCC：電源+5V輸入
VSS：GND接地。
AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區(qū)別于使用CISC指令集的8051,他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。另PIC的8位單片機前幾年是世界上出貨量最大的單片機，飛思卡爾的單片機緊隨其后。
ARM實際上就是32位的單片機，它的內(nèi)部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。
DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數(shù)字信號的。在某些公式運算上，它比現(xiàn)行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內(nèi)運算完一個32位數(shù)乘32位數(shù)積再加一個32位數(shù)。應用于某些對實時處理要求較高的場合。電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
4.5 軟件的設計
4.5.1 程序設計圖（1）主程序框圖
圖 4-1 主程序流程圖
第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
（2）繼電器控制子程序
圖4-2 繼電器控制流程圖
電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
（3）A/D子程序
（4）PID控制子程序
圖4-4 PID計算子程序流程圖
圖4-3 A/D子程序流程圖
第四章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
結論
本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎上，結合我國供水的現(xiàn)狀，設計了一套一拖多的控制系統(tǒng)，在這個畢業(yè)設計中有如下認識；
1.在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的，分析水泵工況點激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當轉(zhuǎn)速降低時。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。
2.通過對供水控制模式進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制模式是一種被動的控制方式，沒有對供水管網(wǎng)的水量平衡進行綜合考慮。針對傳統(tǒng)控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應平衡調(diào)節(jié)方法，為該供水控制系統(tǒng)的設計提供了依據(jù)。
電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
致謝
在即將畢業(yè)之際，畢業(yè)設計已近尾聲，我想借此機會對關心支持我的所有人表示感謝！
我在畢業(yè)設計期間，得到導師王冰峰的精心指導，王老師治學嚴謹，學識淵博，為我營造了一種良好的學習氛圍。在王老師的指導過程中，不僅我的思想觀念煥然一新，也改善了我的思考方式，解決了一個又一個難題。最終才得以完成此次畢業(yè)設計。在此祝福王老師合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位幫助我的師長。感謝老師在這半年的畢業(yè)設計中對我的幫助和鼓勵!同時感謝同組同學在我的畢業(yè)設計過程其中對我莫大的鼓勵與幫助。！
回顧這段時間的學習和生活，還有許多的老師和同學給予我各個方面的幫助和支持，讓我堅持到了最后，在此感謝所有關系和支持我的人，今后我會繼續(xù)努力，不辜負你們對我的期望！
致謝
參考文獻
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附錄
附錄一：A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序
#include
uchar codetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先擇數(shù)組 uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x[8];//八通道數(shù)據(jù)待存數(shù)組 void delaynms(uint x);//nms延時程序 void display();//顯示程序 void ad0809();//芯片啟動程序 void key();//鍵掃描程序 main(){ number=1;P1=0x00;while(1){ ad0809();//調(diào)AD0809 啟動子程序 key();//調(diào)按鍵子程序
ad_0809=x[number];//把相關通道數(shù)據(jù)給ad_0809 display();//調(diào)顯示 }} //nms 延時程序 void delaynms(uint x){
附錄
uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出個位
for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小數(shù)點后第二位顯示 P2=0x07;//選通第一個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小數(shù)點后第一位顯示 P2=0x0b;//選通第二個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整數(shù)顯示 P0_7=0;//點亮第三個數(shù)碼管小數(shù)點 P2=0x0d;// 選通第三個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道號顯示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//選通通道
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oe=0;//以下三條指令為起動AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待轉(zhuǎn)換結束 oe=1;//取出讀得的數(shù)據(jù) x[m]=P2;//送相關通道數(shù)組 oe=0;m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延時判誤
if(!P3_5)//再一次判斷P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 為高電平number++;//通道號顯示加一 if(number>8)number=1;//八通道 }}}
附錄
附錄二：PID控制子程序
#include
struct _pid {
int pv;/*integer that contains the process value*/
int sp;/*integer that contains the set point*/
float integral;
float pgain;
float igain;
float dgain;
int deadband;
int last_error;
};
struct _pid warm,*pid;
int process_point, set_point,dead_band;
float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;
/*----------
pid_init
DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure
to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are
integer pointers.----------*/
void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)
{
struct _pid *pid;
pid = warm;
pid->pv = process_point;
pid->sp = set_point;
}
/*----------
pid_tune
電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of
a pid control structure _pid.----------*/
void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)
{
pid->pgain = p_gain;
pid->igain = i_gain;
pid->dgain = d_gain;
pid->deadband = dead_band;
pid->integral= integral_val;
pid->last_error=0;
}
/*----------
pid_setinteg
DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the
pid controller at start up.----------*/
void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)
{
pid->integral = new_integ;
pid->last_error = 0;
}
/*----------
pid_bumpless
DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing
setpoints, or when restarting the PID equation after an
extended pause, the derivative of the equation can cause
a bump in the controller output.This function will help
smooth out that bump.The process value in *pv should
be the updated just before this function is used.----------*/
附錄
void pid_bumpless(struct _pid *pid)
{
pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);
}
/*----------
pid_calc
DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a.This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim.Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control.RETURN VALUE The new output value for the pid loop.USAGE #include “control.h”*/
float pid_calc(struct _pid *pid)
{
int err;
float pterm, dterm, result, ferror;
err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;
result = pterm + pid->integral + dterm;
}
else result = pid->integral;
pid->last_error = err;
return(result);
}
void main(void)
{
float display_value;
int count=0;
pid = &warm;
// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);
// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);
process_point = 30;
set_point = 40;
p_gain =(float)(5.2);
i_gain =(float)(0.77);
d_gain =(float)(0.18);
dead_band = 2;
integral_val =(float)(0.01);
printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);
printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);
printf(“Enter the values of Process pointn”);
while(count<=20)
{
scanf(“%d”,&process_point);
pid_init(&warm, process_point, set_point);
pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);
pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);
//Get input value for process point
pid_bumpless(&warm);
附錄
// how to display output
display_value = pid_calc(&warm);
printf(“%fn”, display_value);
//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);
count++;
}
}
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外文資料原文 Input/Output Accessing In this article, we will look at the three basic methods of I/O accessing － programmed I/O, interrupt-driven I/O, and direct memory access(DMA).The key issue that distinguishes these three methods is how deeply the processor is involved in I/O operations.The discussion emphasizes interrupt-driven I/O, because it is based on the concept of interrupt handling, which is a general problem that goes beyond Input/Output operations.The study of interrupt handling also aids in understanding the general concept of exception processing, which is an important issue not only for I/O, but also for interfacing a computer with other system control functions.Addressing I/O Registers
Input/Output devices communicate with a processor through Input/Output ports.Through the input ports, s processor receives data from the I/O devices.Through the output ports, a processor sends data to the I/O devices.Each I/O port consists of a small set of registers, such as data buffer registers(the input buffer and/or the output buffer), the status register, and the control register.The processor must have some means to address these registers while communicating with them.There are two common methods of addressing I/O register － memory-mapped I/O and direct I/O.1.Memory-Mapped I/O Memory-mapped I/O maps the I/O registers and main memory into a unified address space in the computer system.I/O registers share the same address space with main memory, but are mapped to a specific section that is reserved just for I/O.Thus, the I/O register can be addressed in ordinary memory reference instructions as if they are part of the main memory locations.There are no specially designed I/O instructions in the instruction set of the system.Any instruction that references a location in this areais an I/O instruction.Any instruction that can specify a memory address is capable of
外文資料原文
performing I/O operations.The Motorola MC68000 is an example of a computer system that uses this addressing method.2.Direct I/O The method of addressing I/O registers directly without sharing the address space with the main memory is called direct I/O or I/O-mapped I/O.In other words, I/O registers are not mapped to the same address space with the main memory.Each I/O register has an independent address space.As a result, instructions that reference the main memory space cannot be used for Input/Output.In the instruction set of the computer system, special I/O instructions must be designed for I/O operations.In these I/O instructions, distinct I.D.numbers must be used to address different I/O communication channels(i.e., I/O ports).They are called port numbers.The I/O registers of an I/O port are connected to the system I/O bus, through which the processor can reference the I/O registers directly to send/receive data to/from an I/O device.An I/O port number is not from the same address space as main memory.The Pentium is an example of a computer system that uses the direct I/O addressing method.It has a 64 GB memory address space(32 address bits)and, at the same time, a 64 KB I/O address space(16 bits I/O address/port number).Programmed I/O Programmed I/O requires that all data transfer operations be put under the complete control of the processor when executing programs.It is sometimes called polling, because the program repeatedly polls(checks)the status flag of an I/O device, so that its input/output operation can be synchronized with the processor.A general flowchart of such a program is shown in Figure 1.The program continuously polls the status of an I/O device to find out whether(1)data is available in the input buffer or(2)the output device is ready for receiving data from the processor.If the status shows “available” the program will execute a data transfer instruction to complete the I/O operation;otherwise, the busy status of the I/O device will force the program to circulate in a busy-waiting loop until the status becomes available.Such a busy-waiting loop, which continuously checks the status of data availability(for input)or device availability(for out-put), forms the typical program structure of programmed I/O.It is this time-consuming busy-waiting loop that wastes processor time and makes programmed I/O very inefficient.The processor must be involved
電子科技大學學士學位畢業(yè)論文
continuously in the entire I/O process.During this time interval, the processor cannot perform any useful computation, but only serve a single I/O device.For certain slow I/O devices, this busy-waiting loop interval may be long enough that the processor could execute millions of instructions before the I/O event occurs, e.g., a key stroke on a keyboard.The operational mode lf programmed I/O stated above is characterized by the busy waiting loop of the program, during which the processor spends time polling an I/O device.Because of the dedication of the processor to a single task, this mode of programmed I/O is called dedicated polling or spin polling.Although dedicated polling is highly inefficient, sometimes it is necessary and even unavoidable.In a particular case, if an urgent event needs an immediate response without delay, then dedicated polling by a dedicated processor may be the best way to handle it.Once the expected event happens, the processor can tract to it immediately.For example, certain real time systems(e.g., radar echo processing systems)require a reaction to incoming data that is so quick that even an interrupt response is too slow.Under such a circumstance, only a fast dedicated polling loop may suffice.Another mode of operation of programmed I/O is called intermittent polling or timed polling.In this mode, the processor may poll the device at a regular timed interval, which can be expected or prescheduled.Such a device can be found in many embedded systems where a special-purpose computer is used for process control, data acquisition, environmental monitoring, traffic counting, etc.these devices, which measure, collect, or record data, are usually polled periodically in a regular schedule determined by the needs of the application.Such a method of intermittent polling can help save time lost in spin polling and avoid the complexity of interrupt processing.However, it should be noted that intermittent polling may not be applicable in some special cases, in which there is only one device to be polled and the correct polling rate must be achieved with the assistance of an interrupt-driven clock.Using timed polling in this case would result in simply swapping one interrupt-driven clock.Using time polling in this case would result in simply swapping one interrupt requirement for another.Interrupt-Driven I/O
Interrupt-driven I/O is a means to avoid the inefficient busy-waiting loops, which characterize programmed I/O.Instead of waiting while the I/O device is busy doing
第二篇：基于51單片機恒壓供水系統(tǒng)設計
基于51單片機恒壓供水系統(tǒng)設計
摘要
建設節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據(jù)高校用水時間集中，用水量變化較大的特點，分析了校園原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出利用自來水恒壓供水和水泵提水相結合的方式，并配以變頻器、軟啟動器、單片機、微泄露補償器、壓力傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。
另外水泵耗電功率與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比關系，所以水泵調(diào)速運行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結合使用可編程控制器，可實現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機的使用壽命。
關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動
引言
隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用，使供水設計得到了新的發(fā)展機遇，當前住宅建筑的規(guī)劃趨向于更具有人性化的多層次住宅組合，人們不再僅僅追去立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經(jīng)濟的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、安全又經(jīng)濟合理的供水方式，對我們供水系統(tǒng)設計帶來了新的挑戰(zhàn)。
恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據(jù)用戶需求確定的，傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)，隨著變頻調(diào)速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機組合，構成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點 1.節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。
2.占地面積小，投資少，效率高。
3.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。
4.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。
5.由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。
6.通過通信控制，可以實現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。1.2 傳統(tǒng)定壓方式的弊病
1.管理不便，因與大氣連通容易引起管道腐蝕。
2.由于水箱內(nèi)微生物，藻類寄生，還可能對系統(tǒng)造成二次污染，所以定壓水箱都需要定期維護，并由衛(wèi)生部門檢測。
3.定壓水箱需占用較大的空間，需要專門的地點來放置。
4.高位定壓水箱系統(tǒng)的控制靠投入泵的臺數(shù)來調(diào)節(jié)，但這種方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵長期在高效區(qū)工作，效率低下。
5.系統(tǒng)頻繁的啟停泵，造成水泵、電機及開關部件壽命縮短。
6.使用高位水箱供水，在系統(tǒng)流量較大時，管網(wǎng)壓力會有較大的變化，造成部分用戶壓力不夠，出現(xiàn)諸如流量不足、冷熱不均等情況。
7.在供水泵的選型上，設計人員為了提高系統(tǒng)安全系數(shù)，電機選型都較大；在用水負荷較小時要采用減壓閥、節(jié)流孔板等來調(diào)節(jié)水流量，這樣大量的能量消耗在閥上，造成了電能的浪費。
1.3恒壓供水設備的主要應用場合
1.高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。
2.各類工業(yè)需要恒壓控制的用水場合，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補水等。
3.中央空調(diào)系統(tǒng)。4.自來水廠增壓系統(tǒng)。
5.農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。
6.各種流體恒壓控制系統(tǒng)。1.4恒壓供水技術實現(xiàn)
通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬信號，通過變頻器內(nèi)置的PID控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動機水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。
目前交流電機變頻調(diào)速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。
長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。1.5變頻節(jié)能理論
1.5.1交流電機變頻調(diào)速原理
交流電機轉(zhuǎn)速特性：，其中n為電機轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)，電機選定之后s、p為定值。電機轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現(xiàn)對電機變頻無級調(diào)速，各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補水等。流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q∝N 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：T∝ 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：T∝N
而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術供水時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關系；
P變= NP額= QP額
其中，P為功率
N為轉(zhuǎn)速
Q為流量
例如設定當前流量為水泵額定流量60%，則采用變頻調(diào)速時P=QP=0.216P，而采用閥門控制時P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，節(jié)電=（P*P）/P*100=71.6% 由此可見從理論上計算結果可以看到技能效果非常顯著，而且在實際運行變頻恒壓供水技術比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。而且新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動控制一臺或多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量約1/6~1/8時，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節(jié)能。1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇 1.6.1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成
變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、管網(wǎng)組成。工作流程是利用設置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)用水量的變化引起水壓變化，即使將信號反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或加減速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。1.6.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取
（1）合理選取壓力控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個目的的實現(xiàn)關鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網(wǎng)最不利點壓力恒壓控制。另一個就是泵出口壓力恒壓控制。
（2）變頻器在投入運行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達到最佳運行轉(zhuǎn)臺的必要手段。變頻器根據(jù)負載的轉(zhuǎn)動慣性的大小，在啟動和停止電機時所需的時間就不同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流，在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調(diào)速運行時使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應遲滯，應變應變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護，現(xiàn)場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常覆蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態(tài)，所以現(xiàn)場使用時要根據(jù)所驅(qū)動的負載性質(zhì)不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2~20秒之間。1.7變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點
本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應.(2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。
{3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性，(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。
(5)當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。(6)水泵的電氣控制柜，有遠程和就地控制的功能，數(shù)據(jù)通訊接口能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。
(7)系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設備的使用壽命。
變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻調(diào)速來改變水泵的轉(zhuǎn)速從而改變水泵工作點來達到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化因此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關。
圖2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖
圖3-1就是一個典型的由8051單片機控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)。系統(tǒng)由微機控制器、交流變頻調(diào)速器、水泵機組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結構原理如圖3.2所示。8051單片計算機在這里主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用。
圖2-2 單片機的變頻恒壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖
2.1系統(tǒng)工作過程
根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。
分析自動控制系統(tǒng)機組Ⅰ（1#、2#水泵機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：（1）1#電機變頻啟動；（2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；（3）2#電機單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應變換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。切換過程Ⅰ
1#電機變頻啟動，頻率達到50Hz，1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設定壓力下限P。按下相應的按鈕，選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟啟動，1#電機啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自
變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。切換過程Ⅱ
由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Pk時（2#電機，f=fmin，P＜Pk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機在工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。3切換過程Ⅲ
由2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設定水壓上限Pi時（2#電機f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。1#電機開始軟啟動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。
圖2-3 1#和2#機組工作過程流程圖 2.2變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理
水泵機組應用變頻調(diào)速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。
如圖2.4所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0.當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。
圖2-4節(jié)能分析曲線圖
(1)水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。
(2)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。
(3)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網(wǎng)的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據(jù)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分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠。
采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的轉(zhuǎn)速n為：
n=120(1-s)/p
（2.3.1）
式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數(shù)，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。由流體力學知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關系為 N=PQ 由功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。
2.3變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析 2.3.1管路水力損失及性能曲線
管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種
（2.3.2）沿程損失
（2.3.3）
式中y-管路沿程摩擦損失系數(shù)；j-局部損失系數(shù)；L-管路長度（m）；A-過水 截面的面積。
將式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得
式中S被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應的y，j，L，A等參數(shù)都能去頂，S也就確定了。由式（2.3.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失
Hx=Hsj+Hs
(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線
圖2-5本泵工作點的確定
2.3.2水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析
水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2.運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正
比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。
圖2-6變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖
求出運行在B點的泵的軸功率
運行在C點泵的軸功率
兩者之差：
也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。
相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。
2.3.3調(diào)速范圍的確定
考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%~100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。2.4本章小結
本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手討論水泵工作點的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得到以下幾個結論：
1.水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點。水泵工作點是水泵運行的理想工作點。實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。
2.水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。
變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)單元設計主要包括CPU基本控制單元、電路定時復位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和相應的開關電路。
圖3-1 系統(tǒng)硬件結構框圖
3.1硬件總體說明
單片機系統(tǒng)的硬件結構框架圖如圖3-1所示。
本系統(tǒng)以8951單片機為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結構。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動LED，使用8951的串行通訊口TXD,DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數(shù)。采用NE555組成硬件定時復位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象。74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅(qū)動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳外接RC電路，用于開機時使74S273的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動作，對變頻器起到了保護作用。在報警輸入端與CPU 之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。系統(tǒng)A/D輸入采用8位TLC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A輸出采用了光耦離式D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅(qū)動電路。P3.3定時輸出占空比與頻率相對應的PWM調(diào)制信號，通過二極運算放大電路后，在LM358的第7引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，兩放大器之間的RC電路起到了濾波的作用。3.2 555定時器復位電路
用NE555組成的硬件定時復位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機現(xiàn)象。NE555封裝和內(nèi)部結構圖
圖3-2 NE555封裝圖
如圖3-3和圖3-4上可知，NE555定時電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號至RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時電路，用于設定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié)RW或者電容C，可以得到不同的時間常數(shù)。
脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C
振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。
圖3-3 NE555內(nèi)部結構
圖 3-4 NE555定時電路及工作波形 3.3 5V單片機供電電源電路
如圖3-5所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。
圖3-5 LM7805穩(wěn)壓電源
3.4 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋 3.4.1 LED數(shù)值顯示模塊
數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極.通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字,這就是它的工作原理.基本的半導體數(shù)碼管是由7 個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字“0～9”及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順序如下圖3-6。
圖3-6 共陰數(shù)碼管引腳圖
圖3-7 數(shù)碼管封裝
數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類
① 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種示 方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8 個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。
② 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD 碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。
圖3-8 共陰極4位8段數(shù)碼顯示 3.4.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路 1.AD0809的邏輯結構
ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通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)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。
圖3-9 AD0809內(nèi)部結構 2.AD0809的工作原理
IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道
ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。
地址輸入和控制線：4條。
ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0－IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如圖表3-10所示。
圖3-10 AD0809通道選擇表
數(shù)字量輸出及控制線：11 條
ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結束；否則，表明正在進行A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0 為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。
3.ADC0809應用說明
（1）． ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機直接相連。（2）． 初始化時，使ST 和OE信號全為低電平。（3）． 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到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）． 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC 信號來判斷。
（6）． 當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。4.AD0809轉(zhuǎn)換電路
電路見圖3.4.2.4，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機AT89S51 及顯示用數(shù)碼管組成。AD0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉(zhuǎn)換，EOC 信號在START 的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們在設計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動AD0809 后經(jīng)適當?shù)难訒r再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經(jīng)與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當頻率范圍為500KHZ 時，其轉(zhuǎn)換速度為128us。
AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。
圖3-11 A/D轉(zhuǎn)換電路 5． D/A轉(zhuǎn)換模塊
本系統(tǒng)采用的一個光耦隔離式串行D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅(qū)動電路，電路圖如圖3-12。
圖3-12 光耦隔離式D/A 這里運用到了脈寬調(diào)制(PWM)的方法來控制電壓模擬量，脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。6.PWM控制原理
PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。
圖3-13 PWM占空比
圖3-13顯示了三種不同的PWM信號。（a）是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時間通，其余90％的時間斷。（b）和（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個幅度為0.9V的模擬信號。
變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
4.1 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計總體說明
系統(tǒng)軟件程序由主程序，定時中斷顯示和頻率輸出子程序組成。采用軟件模塊化設計，引入了先進的模糊邏輯控制技術，并增加了容錯技術和抗干擾算法。系統(tǒng)采用了定時復位軟件設計方案（1秒鐘復位一次），以消除程序運行時的死機現(xiàn)象。數(shù)字濾波采用平均值濾波方法，以消除干擾對輸入信號的影響。4.2 8051系列單片的編程語言
51單片機在有四種語言支持，即匯編、PL/MC、C和BASIC。
C語言是一種源于編寫UNIX操作系統(tǒng)的語言，是一種結構化語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。C語言結構是以括號{}而不是以字和特殊符號表示的語言。C語言可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編語言相比，C語言有很多優(yōu)點。
（1）對單片機指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求了解對8051的存儲器結構有初步了解；
（2）寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可有編譯器管理； 程序規(guī)范的結構，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結構化
（3）具有將可變選擇和特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性； 關鍵字及運算函數(shù)可用于近似人的思維過程方式使用；
（4）編程和程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；
（5）提供的庫包括許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；
（6）已編好的程序可以很容易地移植入新程序，因為C語言具有方便的模塊化編程技術；
雖然C語言有諸多優(yōu)點，但是并不是說匯編語言就要被拋棄，懂得匯編語言指令就可使用在片RAM作為變量的優(yōu)勢，因為片外變量需要幾條幾條指令才能設置累加器和數(shù)據(jù)指針進行存取。要求使用浮點和啟用函數(shù)時，只有具備匯編編程經(jīng)驗，才能避免生成龐大的、效率低的程序，所有現(xiàn)在所有的對速度要求高的內(nèi)核程序都是用匯編編寫完成的。4.3 編程軟件
4.3.1 C051編譯器介紹
現(xiàn)在比較流行的51系列編程軟件
（1）American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。
（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。
（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統(tǒng)的配套軟件工具
（4）Dunfield Shareware：非專業(yè)的軟件包，不支持floats，longs或結構等
（5）KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點或長整數(shù)、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇
（6）Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執(zhí)行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。
編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用KEIL編譯器。4.3.2 KEIL編譯器 KEIL開發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標程序。
（1）uVision2 for Windows:是一個集成開發(fā)環(huán)境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個強大功能的環(huán)境中。
（2）CX51國際標準優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。
（3）AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。
（4）BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產(chǎn)生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。
（5）LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。
（6）OH51目標文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。
（7）RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計。4.4 單片機資料
單片微型計算機簡稱為單片機，有稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。引腳功能：
MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照----單片機引腳圖：
l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號端子）。
l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號端子）。
l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號端子）。
l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號端子）。
P0口有三個功能：
1、外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口）
2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口）
3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。
P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。
P2口有兩個功能：
1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用；
2、做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。
P3口有兩個功能：
除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。
有內(nèi)部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）
編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp）
接觸過工業(yè)設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護內(nèi)部RAM中的信息不會丟失。
在介紹這四個I/O口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么呢？他起什么作用呢？當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態(tài)，只有外接一個上拉電阻才能有效。ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當系統(tǒng)沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。
PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機內(nèi)部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，那么我們是怎樣把編寫好的程序存入進這個ROM中的呢？實際上是通過編程脈沖輸入才能寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。
PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。
1、內(nèi)部ROM讀取時，PSEN不動作；
2、外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；
3、外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；
4、外接ROM時，與ROM的OE腳相接。
（8051擴展2KB EEPROM電路，PSEN與擴展ROM的OE腳相接）
EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號
1、接高電平時：
CPU讀取內(nèi)部程序存儲器（ROM）
擴展外部ROM：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。
2、接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我們已知道，8031單片機內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。
3、8051寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。
RST 復位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數(shù)器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。
XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。
VCC：電源+5V輸入
VSS：GND接地。
AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區(qū)別于使用CISC指令集的8051,他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。另PIC的8位單片機前幾年是世界上出貨量最大的單片機，飛思卡爾的單片機緊隨其后。
ARM實際上就是32位的單片機，它的內(nèi)部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。
DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數(shù)字信號的。在某些公式運算上，它比現(xiàn)行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內(nèi)運算完一個32位數(shù)乘32位數(shù)積再加一個32位數(shù)。應用于某些對實時處理要求較高的場合。
4.5 軟件的設計 4.5.1 程序設計圖（1）主程序框圖
圖 4-1 主程序流程圖
（2）繼電器控制子程序
圖4-2 繼電器控制流程圖
（3）A/D子程序
圖4-3 A/D子程序流程圖
（4）PID控制子程序
圖4-4 PID計算子程序流程圖 結論
本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎上，結合我國供水的現(xiàn)狀，設計了一套一拖多的控制系統(tǒng)，在這個畢業(yè)設計中有如下認識；
1.在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的，分析水泵工況點激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當轉(zhuǎn)速降低時。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。
2.通過對供水控制模式進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制模式是一種被動的控制方式，沒有對供水管網(wǎng)的水量平衡進行綜合考慮。針對傳統(tǒng)控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應平衡調(diào)節(jié)方法，為該供水控制系統(tǒng)的設計提供了依據(jù)。
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第三篇：基于單片機恒壓供水系統(tǒng)的設計(本科畢業(yè)論文)
目 錄
中文摘要...............................................................................................................................1 中文摘要...............................................................................................................................2 1 緒論...................................................................................................................................3 1.1 課題研究的目的與意義..........................................................................................3 1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況..................................................................................................3 1.3 變頻供水系統(tǒng)應用范圍..........................................................................................5 1.4 恒壓供水的實現(xiàn)......................................................................................................5 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)能耗分析...................................................................................................7 2.1 供水系統(tǒng)分析..........................................................................................................7 2.2 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機理分析..............................................................8 3 系統(tǒng)結構與設備選型.....................................................................................................11 3.1 系統(tǒng)總體設計........................................................................................................11 3.2 變頻調(diào)速................................................................................................................11 3.3 單片機....................................................................................................................16 3.4 控制算法................................................................................................................17 4 系統(tǒng)硬件設計.................................................................................................................20
4.1 系統(tǒng)工作過程說明................................................................................................20 4.2 變頻器部分硬件設計............................................................................................21 4.3 單片機部分硬件設計............................................................................................23 5 系統(tǒng)軟件設計.................................................................................................................29 5.1 主程序流程............................................................................................................29 5.2 繼電器動作控制流程............................................................................................30 5.3 PID控制流程..........................................................................................................31 結論.....................................................................................................................................33 致謝.....................................................................................................................................34 參考文獻.............................................................................................................................35 附錄1..................................................................................................................................36 附錄2..................................................................................................................................37 單片機恒壓供水系統(tǒng)的設計
摘要：建設節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據(jù)居民用水時間集中，用水量變化較大的特點，因此居民原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出利用壓力反饋，PID控制，配以變頻器、單片機、壓力傳感器等，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。
另外水泵耗電功率與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比關系，所以水泵調(diào)速運行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結合使用可編程控制器，可實現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，電機的使用壽命大大延長。
關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動控制
The Design base on MCU for pressure water
supply system Abstract：Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task.According to the users water used time and the water consumption changing characteristic, so the resident original water supply system has many problems.E.g.the existence cost to be high, the reliability is low, the water resources waste, and the pipe network system need consummation.Through the way of using pressure feedback, PID control, together with the converter, microcontroller, pressure sensors, etc, according to the network management pressure, control water pump rotational speed through the inverter.So that the pressure in the pipe network is always maintained at a appropriate scope.Through this way, we solve the problem that the high floor case inadequate pressure and energy consumption high when the flow is low.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, therefore the water pump velocity modulation gets an obvious energy conservation effect.The average power consumption saves 40% than usual water supply method.Combination of relays, it can achieve the main pump frequency adjust, the deputy pump soft start, with the function of short circuit protection and over current protection.It is stable and reliable further more greatly extend the life of the motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM, differential pressure water supply, automatic control 緒 論
1.1 課題研究的目的與意義
隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調(diào)速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網(wǎng)水壓為設定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動穩(wěn)定于設定的壓力值。傳統(tǒng)的蓄水加壓辦法有：高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水的方式，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產(chǎn)用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不利與維護和抗震。將增加房屋強度設計要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是將產(chǎn)生二次污染。1982年以后開始出現(xiàn)氣壓供水設備，雖比前者有所改進，但仍有很多不足之處，如占地面積大，水罐和泵房投資高，電機頻繁啟動，耗電量大且供水壓力不穩(wěn)。[1]究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據(jù)流體力學的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電機軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比。由此可見，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)即可做到用水量和供水量的統(tǒng)一，又極大地降低了電耗。近幾年隨著交流變頻調(diào)速技術的發(fā)展和微型計算機的推廣應用，上述想法已成為現(xiàn)實。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況
變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)
和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調(diào)節(jié)器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。[2] 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器及相應的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2k-30w)，無需外接PLC和PID可完成。最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。
可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究遷是不夠的。
采用變頻調(diào)速恒壓供水，利用反饋控制來進行恒壓供水設計時還存在的問題有：由于供水系統(tǒng)的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統(tǒng)的數(shù)學模型;且該系統(tǒng)具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點。
變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點：
（1）節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。（2）占地面積小，投資少，效率高。
（3）配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。
（4）運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。
（5）由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。
（6）通過通信控制，可以實現(xiàn)無人職守，節(jié)約了人力物力。[2] 1.3 變頻供水系統(tǒng)應用范圍
變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)
這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。
(2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)
這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在135kw~320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。
(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)
這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大、機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器
1.4 恒壓供水的實現(xiàn)
系統(tǒng)結構的設計：系統(tǒng)為壓力反饋的單閉環(huán)控制。利用浩捷PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數(shù)字量。STC89C52單片機獲得測量值后通過算法計算出頻率值。作為變頻器（ABB ACS510）的給定，通過變頻器輸出調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)水壓，從而達到恒壓控制的目的。
控制算法的設計：由于供水系統(tǒng)難于確定系統(tǒng)的數(shù)學模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點。[3]而在本科所學的方法中都要求控制對象明確才能計算控制器參數(shù)。用湊試法確定PID參數(shù)不需要知道系統(tǒng)模型。因此擬用單片機來完成人工參數(shù)試湊的過程來整定參數(shù)。
目前交流電機變頻調(diào)速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。
長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題[4]。變頻調(diào)速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。變調(diào)速系統(tǒng)能耗分析
2.1 供水系統(tǒng)分析
水泵機組應用變頻調(diào)速技術。即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)壓力恒定，達到節(jié)能效果。
如圖2.1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0。當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。
圖2.1 節(jié)能分析曲線圖
(1)水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。
(2)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管
路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。
(3)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網(wǎng)的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據(jù)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分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠[5]。
采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的轉(zhuǎn)速n為：
n=120(1-s)/p
（2.1）
式中s為電機的轉(zhuǎn)差率（s=0.02），p為電機極對數(shù)，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。
由流體力學知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關系為：N=PQ 由功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。
2.2 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機理分析
管路水力損失分為揚程損失和局部損失兩種
hs=hy+hj
（2.2）
沿程損失
hy= LQ2
（2.3）
式中y-管路沿程摩擦損失系數(shù)；j-局部損失系數(shù)；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。
（2.4）
式中S被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應的y，j，L，A等參數(shù)都能去頂，S也就確定了。由式（2.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失
Hx=Hsj+Hs
（2.5）
由式（2.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線
圖2.2 水泵工作點的確定
水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2.運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2.3上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯[5]。
圖2.3 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖
求出運行在B點的泵的軸功率
運行在C點泵的軸功率
兩者之差：
也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。
相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。
考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%~100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。系統(tǒng)結構與設備選型
3.1 系統(tǒng)總體設計
該系統(tǒng)以AT8052單片機為核心，由單片機、變頻器、測量與轉(zhuǎn)換、顯示及用戶設定等幾個主要部分組成。如圖3.1所示。
圖3.1 系統(tǒng)總體設計框圖
該系統(tǒng)采用壓力反饋的單閉環(huán)控制，通過對出水口壓力采樣反饋與壓力給定值做比較，計算出e（k）。通過控制算法輸出給定給變頻器來驅(qū)動泵來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而達到恒壓控制的目的。系統(tǒng)控制原理如圖3.2所示。
圖3.2 系統(tǒng)控制原理圖
3.2 變頻調(diào)速
3.2.1 變頻器簡介
直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅(qū)動裝置。但是，由于技術上的原因，在很長一段時
期內(nèi)，占整個電力拖動系統(tǒng)80％左右的不變速拖動系統(tǒng)中采用的是交流電動機（包括異步電動機和同步電動機），而在需要進行調(diào)速控制的拖動系統(tǒng)中則基本上采用的是直流電動機。
但是，由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點：（1）需要定期更換電刷和換向器，維護保養(yǎng)困難，壽命較短；
（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；（3）結構復雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動機。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優(yōu)點：（1）結構堅固，工作可靠，易于維護保養(yǎng)；
（2）不存在換向火花，可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；（3）容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動機。
與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點。在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對于在工業(yè)中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進行調(diào)速控制可以代替利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的傳統(tǒng)控制，所以節(jié)能效果非常明顯。
對電動機的調(diào)速范圍和精度要求不高，通常采用在價格方面比較經(jīng)濟的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個頻率可調(diào)的交流電源，對于現(xiàn)有的進行恒速運轉(zhuǎn)的異步電動機來說，只需在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動機之間接入變頻器和相應設備，就可以利用變頻器實現(xiàn)調(diào)速控制，而無需對電動機和系統(tǒng)本身進行大的設備改造。
在采用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)的。因此，在進行調(diào)速控制時，可以通過控制頻器的輸出頻率使電動機工作在轉(zhuǎn)差較小的范圍，電動機的調(diào)速范圍較寬，并可以達到提高運行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達到1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可以達到1:1000。此外，當采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進行調(diào)速控制時，還可以直接控制電動機的輸出轉(zhuǎn)短。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。
3.2.2 電動機的機械特性
當定子電壓Us和電源角頻率?1恒定時，可以改寫成如下形式：
?Us?s?1Rr'Te?3np?????(sR?R')2?s2?2(L?L')2
sr1lslr?1?2當s很小時，忽略分母中含s各項，則
?UsTe?3np????1?s?1，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，??R'?s?r2機械特性Te?f(s)是一段直線，見圖3.1。當s接近于1時，可忽略分母中的Rr'，則?Us??1Rr'1?Te?3np?????s[R2??2(L?L')2]s，s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時，?1?s1lslrTe?f(s)是對稱于原點的一段雙曲線。當s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直2線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖3.3所示。[6]
nsn00smTemaxTe10TemaxTe
圖3.3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性
3.2.3 變頻器的控制方式
目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為：V/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、智能控制等。前四種已獲得成功應用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前2種控制方式。
1)V/f恒定控制簡介。V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓,使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓（Voltage）與頻率(Frequency)的比，稱為V/f恒定控制。
此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風機、泵類機械的節(jié)能運轉(zhuǎn)及生產(chǎn)流水線的工作臺傳動等。另外，空調(diào)等家用電器也多采用此控制方式的變頻器。
控制原理如下：
異步電動機的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動機極數(shù)決定，在改變頻率時，電動機
的同步轉(zhuǎn)速隨著改變。當電動機帶負載運行時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，即存在轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差的大小和電動機的負載大小有關。
保持V/f恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。
電動機定子的感應電動勢：
E1＝4.44Kw1Фm f 1 N(3-1)式中
Kwl——電動機繞組系數(shù)；
f1 ——電源頻率；
N1 ——電動機繞組匝數(shù)；
Фm——每極磁通。
電動機端電壓和感應電動勢的關系式為：
Ul＝E1+(r1+jx1)I1，(3-2)在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等。由式(2-1)可以看出，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。例如當電動機的頻率降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機感應電動勢E不變，那么，電動機的磁通Фm將增大。由于電動機設計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電動機出現(xiàn)飽和。磁通出現(xiàn)飽和后將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。[7]在變頻控制時，保持E / f恒定，可以維持磁通恒定。
2）矢量控制簡介。矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學模型，分別控制電動機的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。
直流電動機具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差90°；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。當進行閉
環(huán)控制時，可以很方便地構成速度、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。
根據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制[7]。
矢量控制技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，在異步電動機變頻調(diào)速中已經(jīng)獲得廣泛應用。但是，矢量控制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，如何提高參數(shù)的準確性是一直研究的課題。如果能對電動機參數(shù)(主要是轉(zhuǎn)子電阻R2)進行實時辨識，則可隨時修改系統(tǒng)參數(shù)。另外一種思路是設計新的控制方法，降低性能參數(shù)的敏感性。近年發(fā)展起來的直接轉(zhuǎn)矩控制采用滯環(huán)比較控制電壓矢量，使得磁通、轉(zhuǎn)矩跟蹤給定值，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，在電氣機車、交流伺服系統(tǒng)中展現(xiàn)良好的應用前景[8]。
3.2.4 變頻器的選擇
通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。
根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性 能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩(TL∝n2)，低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。[9] 大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出 電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流 是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機額定電流要大于普通鼠 籠異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多數(shù)是多電動機傳動。應保持在無故障 狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。
變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為:
Pnv≥1.1Pn
(3-3)式中： Pnv—變頻器額定功率，kW；
Pn—電動機額定功率，kW 3.3 單片機
3.3.1 單片機簡介
單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機.它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別[10]。
早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。
單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板，但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別。只因為單片機通過編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。
3.3.2單片機的選擇
1.單片機的基本參數(shù)例如速度，程序存儲器容量，I/O引腳數(shù)量
2.單片機的增強功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。
3.Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。
4.封裝IP（雙列直插），PLCC（PLCC有對應插座）還是貼片。DIP封裝在做實驗時可能方便一點。
5.工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機。如果設計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。6.功耗，比如設計并口加密狗，信號線取電只能提供幾個mA,。
7.工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節(jié)干電池供電，至少應該能在1.8-3.6V電壓范圍內(nèi)工作。[10] 3.4 控制算法
該系統(tǒng)采用PID控制方法，將PID算法編入單片機自動運行。其算法程序流程如圖3.4所示：
圖3.4 PID算法流程
3.4.1 PID控制介紹
在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量
手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。其控制規(guī)律為：
(3-4)1.比例（P）控制
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
2.積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
3.微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
3.4.2 數(shù)字PID控制算法實現(xiàn) 1.數(shù)字PID位置型控制算法：
把式(3-4)變換為差分方程，為此可作如下近似
式中：T為采樣周期，k為采樣序號。
可得數(shù)字PID位置型控制算式為：
(3-5)
式(3-5)的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置u（k），如閥的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。[11] 2.數(shù)字PID增量型算法
由式(3-5)可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e（i），不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，對此可將式(3-5)進行如下改進：
其中
稱為比例增益；
稱為積分系數(shù)；
稱為微分系數(shù)。
(3-6)
為編程方便，可將式（3-6）改寫成如下形式
(3-7)
其中 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)的硬件設計分為兩部分：
1）以單片機為核心的硬件部分設計。主要包括：A/D轉(zhuǎn)換采樣及PID控制，用戶按鍵輸入及顯示屏顯示，單片機與變頻器通信。
2）變頻器部分的硬件電路設計。主要包括：主電路和控制電路。系統(tǒng)硬件結構如圖4.1所示。
圖4.1 系統(tǒng)硬件結構示意圖
圖4.2 實際供水系統(tǒng)示意圖
實際供水系統(tǒng)如圖4.2電機M1工作工頻直接接入電網(wǎng)，M2作變頻調(diào)速電機。其中氣壓供水罐根據(jù)情況選配，不一定必須配置，其作用是增加系統(tǒng)阻尼。除了氣壓供水罐外，其它設備是必需的。
4.1 系統(tǒng)工作過程說明
1）兩個泵的供水方式
結合圖4.3，這個恒壓供水系統(tǒng)由兩個泵，其中一臺泵(M1)工作在工頻，在系統(tǒng)處于低用水量時，由它供水。這時變頻器不工作，電機M2不工作。當用水量上升，水壓下降超過設定，這時變頻器工作，動態(tài)的調(diào)節(jié)水壓。當用水量回到低用水量帶時，變頻器又停止工作，只由泵M1供水。在低用水量區(qū)水壓在容許范圍了波動，只有當水壓低于一定程度，變頻器才工作。依靠水壓在容許范圍，必要時配合氣壓罐來增大系統(tǒng)阻尼。這樣變頻器就不需要在低頻率下長期運行，同時本系統(tǒng)采用V/F控制不能在過低頻率下運行的問題也得到解決。
圖4.3 泵啟停與用水量關系圖
2）系統(tǒng)的啟動與運行
系統(tǒng)啟動將首先將電機M1投入運行。這時如圖4.4，繼電器KM1吸合，KM2與KM3斷開，直到電機M1啟動結束。電機M1的起動過程，變頻器相當于軟啟動器的作用。電機M1起動結束后，變頻器停止輸出同時KM1斷開，KM3吸合，再經(jīng)過一個軟件延時后KM2吸合。這時電機M1直接接入電網(wǎng)，電機M2直接接到變頻器。當壓力偏差超過設定時變頻器工作輸出電機M2運行。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區(qū)，但用戶需要的用水量難以測量。故通過單片機對變頻器的頻率輸出（u(k)）與壓力偏差e(k)，來判斷用戶用水量。顯然在u(k), e(k)都小于設定值的
情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區(qū)，這時讓單片機控制變頻器停止工作。
4.2 變頻器部分硬件設計
4.2.1主電路
圖4.4 變頻器部分電路接線圖
如圖4.4。電機M1的作用是在供水系統(tǒng)用水量最小的情況時，維持管道水壓。在這種情況下M2可以停機休息。當負載增加，水壓減少到一值時再將M2投入運行。M2采用變頻器V/F恒壓頻比控制，根據(jù)負載動態(tài)的調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。
4.2.2控制電路
圖4.5 控制電路梯形圖
如圖4.5，圖中A部分為當失控時，通過變頻器設置且斷開QF2、閉合QF3，QF4設置為手動控制。此時為一開環(huán)控制的方式。可以通過按鍵控制電機正反轉(zhuǎn)，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統(tǒng)水壓。
B部分為自動運行情況下的控制圖。其中KM11，KM22為單片機控制的接觸器的觸點。自動運行過程如下：首先單片機發(fā)出指令讓KM11閉合，這時KM1工作，電機M1與變頻器接通，變頻器起軟啟動器的作用。當時間繼電器延時到，M1啟動到工頻，M1與變頻器斷開直接接到電網(wǎng)運行。之后單片機根據(jù)需要控制KM22使之投入運行，根據(jù)負載的不同，通過V/F控制改變M2轉(zhuǎn)速。
4.3 單片機部分硬件設計
4.3.1 主要部分電路
圖4.6 單片機硬件結構圖
如圖4.6圖中包括了以單片機為核心的五個部分。其總體硬件圖見附錄1。1）系統(tǒng)供電電路
圖4.7 電源模塊
如圖4.7，系統(tǒng)供電將220V的市電轉(zhuǎn)換成5V直流電。系統(tǒng)首先通過變壓器將220V的交流電降壓為9V交流，再通過整流橋變?yōu)橹绷?。電容C1、C2起濾波作用。LM7805為穩(wěn)壓模塊。將電壓穩(wěn)定在5V。
2）單片機的晶振電路
圖4.8 晶振電路
如圖4.8，該電路為單片機提供穩(wěn)定的12MHz的外部時鐘頻率。其中以一塊12MHz的晶震為核心。
3）單片機繼電器電路
圖4.9 單片機控制的繼電器電路
系統(tǒng)有兩套這樣的繼電器電路與單片機相連，該繼電器的作用相當于輔助繼電器。通過它來控制圖4.5中的KM11和KM22的打開或吸合，進而控制主繼電器KM1和KM2來控制電機的接入或斷開。
4）單片機的外部通信電路
圖4.10 通信模塊
單片機與變頻器的通信，單片機通過MAX232芯片進行串行通信。在變頻器端，再通過一個RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換卡，將信號轉(zhuǎn)換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。
5）A/D轉(zhuǎn)換采樣電路
圖4.11 A/D轉(zhuǎn)換模塊
A/D轉(zhuǎn)換電路以ADC0809為核心，將采集的壓力傳感器的信號（4~20mA信號），加以電阻網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號。通過ADC0809的模擬量輸入口（IN-0~IN-7）進行AD采樣。模擬信號通道地址A、B、C由74LS373（三態(tài)輸出鎖存器）的Q0、Q1、Q2提供。時鐘通過單片機ALE用74LS74（D觸發(fā)器）進行二分頻得到。當轉(zhuǎn)換結束后EOC為高電頻，作為中斷，單片機調(diào)用中斷程序，讀采樣數(shù)據(jù)。
4.3.2 其它部分電路 1）顯示電路
圖4.12 顯示模塊
顯示部分采用循環(huán)掃描的方式，P0口傳輸顯示的內(nèi)容，P2.0至P2.3的作用是選擇對應的LED工作。
2）看門狗電路
圖4.13 看門狗電路
X25045芯片包含一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。時間到后由RESET輸出一個高電平信號?？撮T狗定時器的預置時間通過X25045的狀態(tài)寄存器相應的位來設定：
WD1=0，WD0=0，預置時間為1.4s WD1=0，WD0=1，預置時間為0.6s WD1=0，WD0=0，預置時間為0.2s WD1=0，WD0=0，禁止看門狗工作
看門狗的定時時間長短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長。編程時在適當?shù)奈恢眉右粭l喂狗指令即可。當系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時到，迫使系統(tǒng)復位。系統(tǒng)軟件設計
5.1 主程序流程
開始 系統(tǒng)初始化 固定參數(shù)設置 可變參數(shù)設置 N A/D壓力數(shù)據(jù)采集 Y 有參數(shù)修改？ 計算壓力偏差e（k）并顯示采樣植 繼電器動作判斷及輸出 延時PID控制 控制信號輸出
圖5.1 主程序流程圖
單片機上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進入主循環(huán)；最后進入PID計算及各種控制信號的輸出部分。
5.2 繼電器動作控制流程
開始 讀取標志位，判斷M1是否停止狀態(tài)？ N Y 從I/O口輸出控制信號，使繼電器KM11閉合 KM11標志位置位；并進行延時KM22_0標志位置零 延時 輸出e(k)與u（k）是否超過預設值 其它情況 u(k)<設定e(k)<設定輸出控制信號使變頻器停止工作 KM22標志位是否置位 N Y 位 KM22_0標志位置 從I/O口輸出控制信號，使繼電器KM22閉合 KM22標志位置位
圖5.2 繼電器控制程序流程圖
判斷M1是否啟動，M1未啟動則系統(tǒng)處于停機狀態(tài)。這時KM11閉合控制，變頻器起到軟啟動器的作用，帶動電機到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動將電機切換到電網(wǎng)。
經(jīng)過延時之后通過e（k），判斷是否需要電機M2投入運行若需要就KM22繼電器輸出，同時標志位KM22_0置位，使M2電機接到變頻器。
5.3 PID控制流程
開始 KM22、KM220，判斷電機M2是從停止到運行？ 讀取標志位Y；KM22=1，KM220=0 N；KM22=1，KM220=1 u(k-1)=e(k-1)=e(k-2)=0 3.4節(jié)中式（3-7）PID增量算法計算△u(k)輸出u(k)=△u(k)+ u(k-1)e(k-1)；u(k)→u(k-1)存儲e(k-1)→e(k-2)；e(k)→采樣時刻到？ Y N
圖5.3 PID算法流程圖
該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)采用PID控制算法。在工業(yè)中，由于對象的精確數(shù)學型難以確定，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，人們常常采用PID控制算法。這里采用的PID增量式算法。
這里讀取標志位KM22，KM220來判斷電機M2是否是從停機狀態(tài)到運行狀態(tài)，作用是保證控制的各種初狀態(tài)為0。因為前一狀態(tài)若為停止，則前一個輸出和e（k）都應為零，而單片機記錄的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停機前一個狀態(tài)的參數(shù)，應該要歸零處理。其具體程序參見附錄2。
結 論
本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎上，結合我國供水的現(xiàn)狀，設計了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺調(diào)速的控制系統(tǒng)。隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調(diào)速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網(wǎng)水壓為設定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動穩(wěn)定于設定的壓力值。
在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，方案中采用Ｖ/Ｆ控制。來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的，分析水泵工況點激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當轉(zhuǎn)速降低時。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在很大程度上減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。
致 謝
畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在合肥工業(yè)大學的四年的學習生活既將結束。回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。
恒壓供水是變頻調(diào)速應用的比較成熟領域，老師的諄諄誘導、同學的出謀劃策及支持鼓勵，是我堅持完成論文的動力源泉。在此，我特別要感謝我的導師林勇老師。從論文的選題、文獻的采集、框架的設計、結構的布局到最終的論文定稿，從內(nèi)容到格式，從標題到標點，他都費盡心血。沒有林勇老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成。
回顧這段時間的學習和生活，許多的老師和同學給予我各個方面的幫助和支持，讓我堅持到了最后，在此感謝所有幫助和支持我的人。
甘
恒
二○一○年六月十日
參考文獻
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附錄1 以單片機為主的主要硬件圖
附錄2 主要程序
1）A/D轉(zhuǎn)換程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE
START: CALL INIT_ADDR CALL INITTIME1 JMP $
intserve: CLI MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL STI RET INIT_ADDR: MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI
IRET INITTIME1: MOV AL,01110111B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL MOV DX,0F041H MOV AL,00H MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX DX,AL RET
2）PID控制程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H A0 EQU 4FH A1 EQU 61H A2 EQU 13H
data segment uk1 DW 0H ek2 DB 0H ek1 DB 0H ek DB 0H DATA ENDS STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT
ASSUME CS:CODE,DS:DATA
START: CALL INITTIME2 CALL INIT_ADDR JMP $ MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX SUB AL,80H MOV BX,OFFSET ek MOV [BX],AL MOV DL,A0 IMUL DL;A0*ek MOV DX,AX PUSH DX MOV BX,OFFSET ek1 MOV AL,[BX] MOV DL,A1 IMUL DL;A1*ek1 POP DX ADD AX,0H SUB DX,AX;-A1*ek1 JNO NOVER2 JS NG2 MOV DH,80H JMP NOVER2
NG2: MOV DH,7FH
intserve: CLI
NOVER2: NG3: MOV DH,7FH
NOVER3: MOV BX,OFFSET uk1
NG: MOV DH,7FH NOVER: PUSH DX MOV BX,OFFSET ek2 MOV AL,[BX] MOV DL,A2 IMUL DL;A2*ek2 POP DX ADD DX,AX;+A2*ek2 JNO NOVER3 JS NG3 MOV DH,80H JMP NOVER3 MOV AX,[BX] ADD DX,AX;uk1+A0*ek JNO NOVER JS NG MOV DH,80H JMP NOVER MOV AX,DX MOV AL,AH MOV BX,OFFSET uk1 MOV [BX],DX ADD AL,80H
MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV BX,OFFSET ek1 PUSH BX MOV DX,[BX] MOV BX,OFFSET ek2 MOV [BX],DX MOV BX,OFFSET ek MOV DX,[BX] POP BX MOV [BX],DX STI IRET MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI RET MOV AL,01110110B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL
INIT_ADDR: INITTIME2:
MOV DX,0F041H MOV AL,10H MOVX DX,AL MOV AL,0B7H MOVX DX,AL RET
第四篇：基于單片機的恒壓供水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
題目 作者 學院 專業(yè) 學號 指導教師
二〇一一年四月八日
單片機構成的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 李鐵雄 信息與電氣工程 自動化
0704020117 沈宏遠老師
IV 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
目錄
前言.................................................................1 1 緒論...............................................................1 1.1 恒壓供水系統(tǒng)的概念..............................................1 1.2變頻器的基本概念
1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點.........................................2 1.4 恒壓供水技術實現(xiàn)................................................2 2 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理.....................................3
2.1 系統(tǒng)工作過程..................................................4 2.2 變頻調(diào)速的基本調(diào)速原理........................................6 2.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析..........................................7 2.4 本章小結......................................................8 3 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計.......................................8
3.1 硬件總體說明..................................................9 3.2 555定時器復位電路............................................9 3.3 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋........................11
3.3.1 LED數(shù)值顯示模塊........................................11 3.3.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路...................................12 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計......................................13
4.1 編程軟件.....................................................13
4.1.1 C051編譯器介紹.........................................13 4.1.2 KEIL編譯器.............................................14 4.2 單片機資料...................................................14 4.3 軟件的程序設計圖.............................................15 5 結論..............................................................17 附錄................................................................19 參考文獻............................................................26
V 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
基于單片機恒壓供水系統(tǒng)設計
前言
隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水的質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術等應用到供水領域，成為對供水企業(yè)新的要求。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)。所以，對于某些用水區(qū)提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據(jù)用戶需求確定的，傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)，隨著變頻調(diào)速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機組合，構成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水。緒論
1.1 恒壓供水系統(tǒng)的提出
采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號（4~20ｍＡ）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。
供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應大于實際供水高度。水泵流量總和應大于實際最大供水量。
變頻調(diào)速恒壓供水技術其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻器調(diào)速恒壓供水設備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。
變頻器的基本概念
1、基本概念
（1）VVVF
改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）的縮寫。
（2）CVCF 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
恒電壓、恒頻率（Constant Voltage and Constant Frequency）的縮寫。各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。
變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。
1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點
a.節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。b.占地面積小，投資少，效率高。
c.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。
d.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。
e.由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。
f.通過通信控制，可以實現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。
1.3 恒壓供水技術實現(xiàn)
通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬信號，通過變頻器內(nèi)置的PID控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動機水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。
目前交流電機變頻調(diào)速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。
長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術在給水泵站上的應用，成功解決了能耗和污染兩大難題[1]。湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理
在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻調(diào)速來改變水泵的轉(zhuǎn)速從而改變水泵工作點來達到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化因此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關。
圖2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖2-1就是一個典型的由8051單片機控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)。系統(tǒng)由微機控制器、交流變頻調(diào)速器、水泵機組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結構原理如圖2-2所示。8051單片計算機在這里主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用[2]。
圖2-2 單片機的變頻恒壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖
2.1 系統(tǒng)工作過程
根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就滿足供水需要，因此可采用一大一小搭配進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。
分析自動控制系統(tǒng)機組Ⅰ（1#、2#水泵機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：a.1#電機變頻啟動；b.1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；c.2#電機單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應變換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。
切換過程Ⅰ
1#電機變頻啟動，頻率達到50Hz，1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設定壓力下限P。按下相應的按鈕，選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟啟動，1#電機啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
直到管網(wǎng)水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。
切換過程Ⅱ
由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Pk時（2#電機，f=fmin，P＜Pk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機在工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。
切換過程Ⅲ
由2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設定水壓上限Pi時（2#電機f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。1#電機開始軟啟動。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。
圖2.1-1 1#和2#機組工作過程流程圖 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
2.2 變頻調(diào)速的基本調(diào)速原理
水泵機組應用變頻調(diào)速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。
如圖2.2-1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0.當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同[3]。
圖2.2-1 節(jié)能分析曲線圖
★ 水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。
★ 水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
管網(wǎng)不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。
★ 水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網(wǎng)的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1。
根據(jù)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分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。
采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的 轉(zhuǎn)速n為
n=120(1-s)/p 式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數(shù)，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。
由流體力學知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關系為 N=PQ 由功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率[4]。
2.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析
水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2。運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1。在圖2.3-1中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖2.3-1 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖
求出運行在B點的泵的軸功率 NB?kQyHy 運行在C點泵的軸功率 NC?kQyHy 兩者之差 hj??j2j2??Q 2g2gA2也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。
2.4 本章小結
本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手討論水泵工作點的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得到以下幾個結論：
a.水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點，水泵工作點是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。
b.水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設計 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
3.1 硬件總體說明
單片機系統(tǒng)的硬件結構框架圖如圖3.1-1所示。
本系統(tǒng)以8951單片機為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結構。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動LED，使用8951的串行通訊口TXD，DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數(shù)[5]。
圖3.1-1 系統(tǒng)硬件結構框圖
3.2 555定時器復位電路
用NE555組成的硬件定時復位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機現(xiàn)象。
NE555封裝 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖3.2-1 NE555封裝圖
如圖3.2-1和圖3.2-2可知，NE555定時電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號至RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時電路，用于設定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié)RW或者電容C，可以得到不同的時間常數(shù)。
脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C 振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。內(nèi)部結構圖
圖3.2-2 NE555內(nèi)部結構 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖 3.2-3 NE555定時電路及工作波形
3.3 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋
3.3.1 LED數(shù)值顯示模塊
數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極。通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字，這就是它的工作原理?；镜陌雽w數(shù)碼管是由7 個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字“0～9”及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順序如下圖3.3.1-1。
圖3.3.1-1 共陰數(shù)碼管引腳圖 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
3.3.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路
a.AD0809的邏輯結構
ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，如圖3.3.2-1。多路開關可選通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)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。
圖3.3.2-1 AD0809內(nèi)部結構
b.AD0809的工作原理
IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道
ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路[6]。
c.AD0809轉(zhuǎn)換電路
電路見圖3.3.2-2，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機AT89S51及顯示用數(shù)碼管組成。AD0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉(zhuǎn)換，EOC 信號在START 的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們在設計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動AD0809 后經(jīng)適當?shù)难訒r再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經(jīng)與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當頻率范圍為500KHZ 時，其轉(zhuǎn)換速度為128us。湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。
圖3.3.2-2 A/D轉(zhuǎn)換電路 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設計
4.1 編程軟件
4.1.1 C051編譯器介紹 現(xiàn)在比較流行的51系列編程軟件
a.American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。b.IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。
c.Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統(tǒng)的配套軟件工具 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
d.Dunfield Shareware：非專業(yè)的軟件包，不支持floats，longs或結構等
e.KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點或長整數(shù)、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇
f.Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執(zhí)行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。
編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)用KEIL編譯器[7]。
4.1.2 KEIL編譯器
KEIL開發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標程序。
a.uVision2 for Windows：是一個集成開發(fā)環(huán)境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個強大功能的環(huán)境中。
b.CX51國際標準優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。c.AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊。
d.BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產(chǎn)生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。
e.LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。
f.OH51目標文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。g.RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計[8]。
4.2 單片機資料
單片微型計算機簡稱為單片機，有稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。
ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。
在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當系統(tǒng)沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。
PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機內(nèi)部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，通過編程脈沖輸入才能湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。
EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號
a.接高電平時： CPU讀取內(nèi)部程序存儲器（ROM）。
擴展外部ROM：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。
b.接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我們已知道，8031單片機內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。
c.8051寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。
RST 復位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數(shù)器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。
XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。
VCC：電源+5V輸入
VSS：GND接地。
AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區(qū)別于使用CISC指令集的8051，他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。
ARM實際上就是32位的單片機，它的內(nèi)部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了[9]。
4.3 軟件的程序設計圖
a.主程序框圖 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖 4.3-1 主程序流程圖
b.繼電器控制子程序
圖4.3-2 繼電器控制流程圖
c.A/D子程序 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
圖4.3-3 A/D子程序流程圖
d.PID控制子程序
圖4.3-4 PID計算子程序流程圖 結論 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎上，結合我國供水的現(xiàn)狀，設計了一套一拖多的控制系統(tǒng)，在這個畢業(yè)設計中有如下認識；
a.在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的，分析水泵工況點激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當轉(zhuǎn)速降低時。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。
b.通過對供水控制模式進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制模式是一種被動的控制方式，沒有對供水管網(wǎng)的水量平衡進行綜合考慮。針對傳統(tǒng)控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應平衡調(diào)節(jié)方法，為該供水控制系統(tǒng)的設計提供了依據(jù)。湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
附錄1： A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序
#include
uchar codetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先擇數(shù)組 uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x[8];//八通道數(shù)據(jù)待存數(shù)組 void delaynms(uint x);//nms延時程序 void display();//顯示程序 void ad0809();//芯片啟動程序 void key();//鍵掃描程序 main(){ number=1;P1=0x00;while(1){ ad0809();//調(diào)AD0809 啟動子程序 key();//調(diào)按鍵子程序
ad_0809=x[number];//把相關通道數(shù)據(jù)給ad_0809 display();//調(diào)顯示 }} //nms 延時程序 void delaynms(uint x){ uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//讀得的數(shù)據(jù)乘以2 再乘以98%再分出個位 for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小數(shù)點后第二位顯示 P2=0x07;//選通第一個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小數(shù)點后第一位顯示 P2=0x0b;//選通第二個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整數(shù)顯示 P0_7=0;//點亮第三個數(shù)碼管小數(shù)點 P2=0x0d;// 選通第三個數(shù)碼管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道號顯示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//選通通道
oe=0;//以下三條指令為起動AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待轉(zhuǎn)換結束 oe=1;//取出讀得的數(shù)據(jù) x[m]=P2;//送相關通道數(shù)組 oe=0;湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延時判誤
if(!P3_5)//再一次判斷P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 為高電平number++;//通道號顯示加一 if(number>8)number=1;//八通道 } } }
附錄2： PID控制子程序
#include
struct _pid {
int pv;/*integer that contains the process value*/
int sp;/*integer that contains the set point*/
float integral;
float pgain;
float igain;
float dgain;
int deadband;
int last_error;
};
struct _pid warm,*pid;
int process_point, set_point,dead_band;
float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;
/*----------湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
pid_init
DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure
to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are
integer pointers.----------*/
void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)
{
struct _pid *pid;
pid = warm;
pid->pv = process_point;
pid->sp = set_point;
}
/*----------
pid_tune
DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of
a pid control structure _pid.----------*/
void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)
{
pid->pgain = p_gain;
pid->igain = i_gain;
pid->dgain = d_gain;
pid->deadband = dead_band;
pid->integral= integral_val;
pid->last_error=0;
}
/*----------
pid_setinteg
DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the
pid controller at start up.----------*/
void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)
{
pid->integral = new_integ;湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
pid->last_error = 0;
}
/*----------
pid_bumpless
DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing
setpoints, or when restarting the PID equation after an
extended pause, the derivative of the equation can cause
a bump in the controller output.This function will help
smooth out that bump.The process value in *pv should
be the updated just before this function is used.----------*/
void pid_bumpless(struct _pid *pid)
{
pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);
}
/*----------
pid_calc
DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a.This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim.Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control.RETURN VALUE The new output value for the pid loop.USAGE #include “control.h”*/
float pid_calc(struct _pid *pid)
{
int err;
float pterm, dterm, result, ferror;
err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;
result = pterm + pid->integral + dterm;
}
else result = pid->integral;
pid->last_error = err;
return(result);
}
void main(void)
{
float display_value;
int count=0;
pid = &warm;
// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);
// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);
process_point = 30;
set_point = 40;
p_gain =(float)(5.2);
i_gain =(float)(0.77);d_gain =(float)(0.18);
dead_band = 2;
integral_val =(float)(0.01);
printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);
printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);
printf(“Enter the values of Process pointn”);
while(count<=20)
{
Scanf(“%d”,&process_point);湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
pid_init(&warm, process_point, set_point);
pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);
pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);
//Get input value for process point
pid_bumpless(&warm);
// how to display output
display_value = pid_calc(&warm);
printf(“%fn”, display_value);
//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);
count++;
}
} 湖南科技大學畢業(yè)設計（論文）
參考文獻：
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第五篇：變頻器恒壓供水教學演示系統(tǒng)設計
變頻器恒壓供水教學演示系統(tǒng)設計.txt31巖石下的小草教我們堅強，峭壁上的野百合教我們執(zhí)著，山頂上的松樹教我們拼搏風雨，嚴寒中的臘梅教我們笑迎冰雪。本文由shinyqb123貢獻
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第 31 卷第 2 期 2010 年 2 月
通化師范學院學報 JOURNAL OF TONGHUA TEACHERS COLLEGE Vol 31 №2.Feb.2010 變頻器恒壓供水教學演示系統(tǒng)設計
王立忠 ,王廣德 ,劉洪波 ,韓 ,孟昭暉 ,叢
強 琳(吉林師范大學 信息技術學院 ,吉林 四平136000)摘 : 為了鍛練學生的職業(yè)技能 ,在分析和比較國內(nèi)外供水自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎上 , 結合城市供水的現(xiàn) 要 狀 ,設計了一套以變頻調(diào)速技術為基礎的恒壓供水控制系統(tǒng).該系統(tǒng)綜合運用繼電控制技術、變頻調(diào)速技術以及自動控制技術 , 實 現(xiàn)了恒壓供水的參數(shù)整定 ,保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運行狀況 ,同時培養(yǎng)了學生的系統(tǒng)設計能力和對專業(yè)的學習興趣.關鍵詞 : 恒壓供水;變頻調(diào)速;節(jié)能 中圖分類號 : T M301.2 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1008002310),男 ,吉林公主嶺人 ,碩士 ,吉林師范大學信息技術學院副教授.傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有恒速泵加壓供水、水塔 高位水箱供水、氣壓罐供水等.這些傳統(tǒng)的供水方式 不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高 等缺點 ,難以適應當前人們生活中供水的需要.目前 的供水方式正朝著高效節(jié)能、自動可靠方向發(fā)展.因 此開發(fā)自動的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) , 越來越受到 人們的重視.為滿足供水質(zhì)量的要求 , 降低能耗 , 實 現(xiàn)全自動、可靠穩(wěn)定的供水 ,利用變頻恒壓供水具有 全自動恒壓運行、自動工頻運行、遠程手動控制和現(xiàn) 場手動控制等功能.結合學生職業(yè)技能訓練 , 在教師指導下學生設 計并安裝調(diào)試變頻恒壓供水系統(tǒng) , 可以鍛煉學生的 綜合設計能力和工程意識.作為教學演示系統(tǒng)也可 以通過演示效果激發(fā)學生對專業(yè)知識興趣 , 了解變 頻器的應用方法.系統(tǒng)通過對變頻器內(nèi)置 P I 模塊參數(shù)的預置 , D 利用遠程壓力表的水壓反饋量 ,構成閉環(huán)系統(tǒng) ,根據(jù) 用水量的變化 ,在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù) 調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒壓供水.1 變頻恒壓供水演示系統(tǒng)的構成 [14] 成.系統(tǒng)構成如圖 1 所示.變頻恒壓供水系統(tǒng)能 夠?qū)崿F(xiàn)水泵的軟啟動 , 進而減小水泵啟動時的沖擊
系統(tǒng)啟動時首先閉合空氣開關 , 把轉(zhuǎn)換開關達 到變頻位置 ,三相交流電通過開關送到交流接觸器 和熱繼電器加載到變頻器上 , 變頻器輸出驅(qū)動變頻 電機啟動運行 ,把蓄水池的水抽到上水池中 ,在此過 ?23? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://004km.cnki.net 1
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