1、1本科毕业论文（20 届）基于 AT89C51 的恒压供水控制器的设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期21 前言1.1 设计背景随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。尤其高层建筑越来越多，这为高层建筑的供水提出了挑战，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。传统高层供水通常是采用固定在建筑上的供水塔或楼顶高位水箱，以来自水局部加压的形式供水，但由于其造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐
2、被发展起来的气压供水所取代，这种气压供水虽然可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积小，然而它也存在着明显的弱点，首先气压供水设备笨重，且主要部件气压罐式采用电容器，其生产工艺复杂，钢材耗用量大，投资成本高，其次，由于气压罐的调节容积较小，水泵启动频繁，这既影响了其电控装置中的电磁元件和水泵电机的寿命，同时大的供水泵电机功率又耗电，气压供水压力变动较大，直接影响水管网、阀、水表等使用寿命。过去经常出现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供大于 求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能
3、造成水管爆裂和用水设备的损坏。针对上述问题，本文研制了变频恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水” 。采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔,水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案1
4、。此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产3过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.2 设计目标本设计以单片机 AT89C51 做为控制核心并协调整个系统工作，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值，实现恒压供水。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减
5、慢，供水量相应减小。采用该供水系统不需建造高位水箱或水塔，是一种理想的现代化建筑供水方案。本次设计的预期目标是：完成系统硬件电路的设计，并绘制出相应的原理电路图；完成所需控制软件的流程设计和编程任务，并在 proteus 上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。42 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较2.1.1 方案一方案一系统由泵机和可变频网络组成。如图 2.1 所示，以 80C196 为核心构成控制器，将设
6、定值与压力反馈值进行运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统。单片机开关A/D 转换恒速泵压机变频泵压机D/A 转换 压力传感器管网水压图 2.1 方案一的原理框图2.1.2 方案二方案二系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对二台三相 380/50Hz,异步电动机行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图 2.2 所示。从下图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运
7、行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳5定供水压力和节约电能的目的。4 位 LED 显示上位机通信四位独立式键盘AT89C51变频器M2A/D 转换D/A 输出压力传感器M1图 2.2 方案二的原理框图2.1.3 方案三系统由专用变频器、压力传感器、水泵等组成。如图 2.3。专用变频器就是指有内置 PID 功能的变频器。随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对变频调速恒压供水设备进行合理的设计。国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。如 ABB 公司的 ACS600, ACS400 系列产品，富士公司的 G11S/P11S 系列
8、产品。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。图 2.3 方案三的原理框图调节 水压专用变 频器水泵 电机管 道压力传感器压力给定62.2 方案论证及选择方案一的工作流程是 80C196 为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行PID 运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统。运算结果以 0-10v 的电压信号输给变频器，实现恒压供水。方案二整个系统的具体工作流程为：系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的
9、信号进行比较运算，得出偏差值，再经过 PID 处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据 CPU 指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力，决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。即：当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将启动令一台工频泵运行， （此设计只用两台电机且功率达到设计要求）此后，往复
10、工作，直至满足设定压力要求为止。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保待恒定。总之，系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循坏运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成 0-5V 的模拟信号，送到单片机系统的A/D 转换输入端，再经 A/D 转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经
11、 PID 调节得出控制参数，经D/A 转换变成 05V 的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。其变过程可以表示如下：检测压力（下降）控制器输出（上升）变频器频率（上升）电机转速（上升） ，反之相反，最终达到恒压。7方案三由专用变频器与 PLC 组成的恒压供水系统，这类变频器的功能虽然强一些，但是价格比通用变频器却要高很多。此种类型供水设备的花费不光体现在变频器上，还体现在 PLC 上，市场上 PLC 的价格也要
12、高于单片机的价格。使其工作时需要专业人员通过变频器的控制面板，在变频器的 PID 选项中选择合适的 PID 参数，再经过现场调试校正，设备才可以正常运行。整个操作过程都必须有专业人员的界入。因此，通用性不好，这是这种变频恒压供水方案的另外一个缺点。综上所述，其有下面两个缺点：（1）价格比较昂贵，不适合小型用户的使用。 （2）调试不方便，需要专业人事到现场进行调试，这也增加了人力的投入资本。方案二采用压力传感器反馈电压信号（0-5V）至变频器中央处理器(MCU)，经PID 控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作用 MCU 处理器控制，使电机的转速自动增加或降低；当变频主电机由变频器拖动运行至
13、最大频率，压力如还不能达到设定的压力值，则 MCU 自动启动定频副电机，以期保持供水压力恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。采用变频控制方式；其操作方便，无须手动调节进水阀门；启动噪音低，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备。而且其系统实现起来比较简单，并且系统价格相对来说也比较便宜，所以本次设计将采用方案二。83 系统硬件设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 系统的选型本系统中主要使用了如下一些功能器
14、件：AT89C51，ADC0808, 变频器，压力传感器。下面就这些器件的功能特点、选型作相应说明。3.1.1 单片机 AT89C51AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含4Kbytes 的可反复察写的只读程序存储器和 128bytes 的随机存取数据存储（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储器技术生产，兼容 MCS-51 的指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大。主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容、4K 字节可重察写 Flash 闪速存储器、全静态操作0
15、HZ24MHZ、32 个可编程 I/O 口线、2 个 16 位定时/计数器、6 个中断源、低功耗空闲和掉电模式2。AT89C51 还可以进行 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件的工作直到下一个复位。3.1.2 变频器通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型 V/F 控制变频器、具有转
16、矩控制功能的高性能型 V/F 控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低9速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等） ，应采用矢量控制高功能型通用变频器。大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和
17、额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则：（1）负荷的调速范围。在调速范围不大的情况下，选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器。当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。 （2）恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用
18、无反馈的矢量控制方式。 （3）如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。在众多变频器中基于运行可靠性、价格适中我们选定三菱公司出品的 FR-500 系列。由式 3.1 和所要求的调速范围 901500r/min 我们可以计算出变频的范围，即频率的调节范围为 之间，另外，考虑到此前我们选用的 YVP100L1-4 Hz350型变频电机其标称功率 P=2.2KW，额定电流 IN=5.2A，对于三菱公司的 FR-500 系列变频器标准规格型号的查看，如表 3.1 所示，拟选用 FR-A540-2.2K-CH 型号
19、的变频器。式 3.1zPnf 36029mii 式 3.2Hf 51axa10表 3.1 三菱 FR-500 系列标准规格型号 FR-A540- K-CH 0.75 1.5 2.2 3.7 5.5适用电机容量（KW） （注 1） 0.75 1.5 2.2 3.7 5.5额定容量（KVA） （注2） 1.9 3 4.6 6.9 9.1额定电流（A） 2.5 4 6 9 12过载能力（注 2） 150% 60s 200% 0.5s（反时限特性）电压（注 4） 三相 380V 至 480V 50Hz/60Hz输出再生制动转矩最大值允许使用率 100%转矩2%ED额定输入交流电压、频率 三相 380V
20、 至 480V 50Hz/60Hz交流电压允许波动范围 323 至 528V 50Hz/60Hz允许频率波动范围 5%电源电源容量（KVA） （注5） 2.5 4.5 5.5 9 12保护结构（JEM 1030） 封闭型（IP20 NEMA1） （注 6）冷却方式 自冷 强制风冷大约重量（） 连同 DU 3.5 3.5 3.5 3.5 6.03.1.3 A/D 转换器A/D 转换器是一种能把输入模拟电压变成与它成正比的数字量的器件，即能把被控对象的各种模拟信息转变成计算机可以识别的数字信息。A/D 转换器的种类很多，例如：计数器式 A/D 转换器、双积分式 A/D 转换器、逐次逼近式 A/D 转换器、并行式A/D 转换器。一般来说，计数器 A/D 转换器、转换速度很慢，所以很少采用；双积分式 A/D 转换器抗干扰能力强，转换精度高，但转换速度不够理想，常应用于数字式测量仪表中；计算机中广泛采用逐次逼近式 A/D 转换器做为 A/D 转换接口电路，因为它结构不复杂，
