1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的恒压供水系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 供水系统是 人们在 生活中不可缺少的重要一环 。 变频调速技术是一种新型成熟的交流电机调速技术 ， 它以其独特优良的控制性能被广泛应 用于速度控制领域 ， 特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高 。 本文是基于单片机的恒压供水系统设计 ， 采用 AT89S
2、51 单片机 ， 先由 CYG115型号的 压力传感器把压力变成模拟信号 ， 经过放大电路和 TLC0832 AD转换器变成数字信号传送单片机 ， 接着经过 DA 转换器把模拟信号作用到变频器控制三台电机水泵组。 系统由 1602 液晶模块 显示 水管的压力值、变频器的频率和 各水泵工作的时间及控制参数 ， 单片机可以由自带键盘模块输入任意设定值 ， 用 X25045芯片作为看门狗电路防干扰。 关键字： 恒压供水 ;单片机 ;变频技术 - 2 - Abstract Water supply system is that people in life important and indispen
3、sable part of. Frequency Control Technology is a new AC motor mature technology, with its unique control performance superior speed control is widely used in the field, particularly water supply industry. Production and water quality due to security the special needs of the constant water pressure h
4、as very strict requirements, so frequency control technology has been more in-depth application. Constant pressure water supply advanced technology, constant pressure, easy, reliable operation, saving energy, high degree of automation. This article is based on the design of microcontroller Water Sup
5、ply System, using AT89S51 microcontroller, first CYG115 models of pressure sensor to pressure into analog signals, after amplification circuit and the TLC0832 AD converter into a single chip digital signal transmission, and then through the DA role of an analog signal converter to drive three motor
6、pump control group. LCD module display system consists of 1602 pressure pipe, the drive frequency and the pump operating time and control parameters, the microcontroller can be arbitrarily set comes with the keyboard module input value as a watchdog circuit chip with X25045 anti-interference. Key wo
7、rds: Water Supply; SCM; Frequency technology - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 方案概述 . 2 2.1 方案选择 . 2 2.2 方案原理 . 2 2.3 变频调速的基本调速原理 . 3 2.4 水泵变频调速节能分析 . 5 3 系统硬件设计 . 7 3.1单片机最小系统 . 7 3.2 A/D和 D/A转换器 . 9 3.3 显示模块 . 10 3.4 压力传感器 . 12 3.5 电源模块 . 12 3.6 变频器 模块 . 13 3.7 X205045看门狗电路 . 13 4 系统软件设计 . 15 4.1 系统软件结构及所需功能 .
8、 15 4.2 系统的主程序流程图 . 15 4.3 系统的控制子程序流程图 . 16 4.3 系统的中断服务程序流程图 . 17 5 结论 . 19 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 20 附录 1 部分源程序 . 21 附录 2 系统原理图 . 24 - 1 - 1 引言 建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据居民用水时间集中，用水量变化较大的特点，因此居民原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资 源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用压力反馈，PID控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中
9、的压力始终保持在合适的范围 。 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期 时 ，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控 制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。1968 年， 丹 麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展
10、和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器 ， 像 ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水 用的 变频器。它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件 集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机 (泵 )的供水系统 1。 本设计 工作原理是控制器通过检测实际水压值，比较设定水压值和实际水压值的差别，按 PID 控
11、制规律运算后，输出控制信号至变频器，变额器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量增加时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大，水泵转速升高，出水量增加；当用水量减少时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低，水泵 转速下降，出水嚣减少。 通过这种控制方式 就可以使自来水管道压力保持在设定值上 。 - 2 - 2 方案概述 2.1 方案选择 在选择方案上有两种，一种是基于单片机供水系统，另一种是基于 PLC供水系统。先对这两种方案进行比较。 方案一： 基于单片机供水系统水泵开始工作时都是用变频器软启动，工作于工频的泵定时自动切换，这是延长水泵工作时间的有效措施。该系统
12、根据供水量的大小，可通过键盘设置泵的台数，可设置恒定压力。也可设置 PID控制方法的比例、积分、微分参数、软启动的快慢、自动切换工频泵的时间等以上数据都保存在 X25045的 串行 E2PROM里，就算停电也不会丢失，来电后系统不必人工干预即自动恢复工作。若设备用于生活小区和高层建筑供水场合，当深夜用水很少时变频器工作自动停止，只用一只小功率“维持泵”来维持管道 水压这样可延长变频器的使用寿命。 用 LED显示运行状态，报警时显示故障信息，以利于有的放矢地维修设备。强电部分的配电柜可脱离单片机系统独立地完成手动操作。采用机械互锁的交流接触器，使控制同台泵的变频和工频电源的信号互锁，绝对不会同时
13、送出，以保护变频器 2。 方案二： 基于 PLC供水系统的 PLC和变频器的可靠性高、使用简单、编 程灵活，确保恒压供水。系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水。系统实现了计算机和 PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，具有先进性。系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能效果明显 3。 综上所述，在同样能够完成功能的前提下考虑到性价比与设计的便利性本系统选择采用方案一，并且使用 AT89S51，因为它 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机 且价格便宜，使用于各种仪器与工业控制。 2.2 方案原理 欲稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统
14、。该系统由单片机、压力 传感器、变频器等单元构成。本系统通过安装在水泵出水管道上的压力传感器 ,把压力变- 3 - 成 (0 5)V 的模拟电压信号 ,经过前置放大、 A/D 转换器输入端转换成数字信号传送到单片机，经单片机与设定的压力值进行比较，得出偏差值，对其进行 PID运算后输出控制信号，经由 D/A 转换器变换成模拟电压信号作用到变频器，控制其输出频率大小，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水并使供水量恒定 4。 图 2-1 单片机的变频恒压调速系统原理框图 2.3 变频调速的基本调速 原理 水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的改变水泵
15、转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能的效果。 如图 2-2所示， n 为水泵特性曲线， A 管路特性曲线， H0 为管网末端的服务压力， H1 为泵出口压力。当用水量达到最大 Qmax 时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性 n0 和用水管特性曲线 A0 汇交于 b点，此时，水泵输出口压力为 H，末端服务压力刚好为 H0.当用水量从 Qmax 减少到 Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水 泵的能耗也会不同 3。 水压 运算放大器 A/D 转换器 单片机 D/A 转换器 变频器 电动机 水泵组 压力传感器 - 4 - 图 2-
16、2 节能分析曲线图 水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（ A2），水泵的工况点由 b 点上滑到 c 点，而管路所需的扬程将由 b点滑到 d 点，这样 c点和 d点扬程的差值即为全速水泵的能量的浪费。 水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax 下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在 H上平移。在水量到达 Q1 时，相应的水泵特性趋向为 nx。而管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交点 e即为此时 的工况点，这样，在水量减少到 Q1 时，而将导致管网不利点水压升高到 H0 H1，则 H1
17、 即为水泵的能量浪费 6。 水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax下降到 Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线 n1，其工况点为 d点，正好落在管网特性曲线 A0 上，这样可以使水泵的工作点式中沿着 A0滑动，管网的服务压力 H0 恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了 h1。根据水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 (2-1) - 5 - 式 (2-1)中， Q、 H、 P、 n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根
18、据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳的节能效果 7。 采用变频恒压供水系统 除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。 目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机 ,根据交流电机的转速特性则 电机的转速 n为 n=120(1-s)/p (2-2) 式 (2-2)中 s为电机的滑差（ s=
19、0.02）， p 为电机极对数， f为定子供电频率。当水泵电机选定后， p和 s 为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高， 转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级 调速的。 由流体力学知：管网压力 P、流量 Q和功率 N 的关系为 N=PQ (2-3) 由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。 2.4 水泵变频调速节能分析 水泵运行的工况点 A是水泵性能曲线 n1 和管道性能曲线 R1 的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为 R2。运行工况点沿着水泵性能曲
20、线从 A点移到 D 点，扬程从 H0 上升到H1，流量从 Q0 减少到 Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线 R1 保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从 n0 降到 n1，水泵性能曲线从 n0平移到 n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C点，扬程从 H0 下降到 H1，流量从 Q0 减少到 Q1。在图 2-3中水泵运行在 B 点时消耗的轴功率与 H1BQ1O 的面积成正比，运行在 C点时消耗的轴功率与 H2CQ1O 的面积成正比，从图 2-3 上可- 6 - 以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果很明 显8。 图 2-3 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图 运行在 B点的泵的轴功率 B y yN kQ H 运行在 C点泵的轴功率 C y yN kQ H 两者之差 22222j j jhQg gA（ 2-4） 也就是说，采用阀门控制流量时有 V的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转 速的三次方下降，即在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著 9。
