【正文】 ★ 水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b點(diǎn)上滑到 c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由 b點(diǎn)滑到 d點(diǎn)，這樣 c 點(diǎn)和 d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 ★ 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax下降時(shí)，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(diǎn)是在 H上平移。在水量到達(dá) Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)?nx。而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點(diǎn) e即為此時(shí)的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到 Q1 時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到 H0﹥ H1，則 H1 即為水泵的能量浪費(fèi)。 ★ 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax 下降到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線 n1，其工況點(diǎn)為 d 點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)式中沿著 A0 滑動，管網(wǎng)的 服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 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(diǎn)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(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技 術(shù)相結(jié)合，達(dá)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(fù)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(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的 轉(zhuǎn)速 n為 n=120(1s)/p 式中 s為電機(jī)的滑差（ s=）， p為電機(jī)極對數(shù)， f 為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后， p和 s 為定值，也就是說電機(jī)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(shí)是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速的。 由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q和功率 N的關(guān)系為 N=PQ 由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)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]。 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析 水泵運(yùn)行工況點(diǎn) A是水泵性能曲線 n1 和管道性能曲線 R1 的交點(diǎn)。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(shí)關(guān)小閥門，管路性能曲線有 R1變?yōu)?R2。 運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A點(diǎn)移到 D點(diǎn)，揚(yáng)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(shí)，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(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A點(diǎn)移到 C 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 下降到 H1，流量從 Q0 減少到 Q1。 在圖 中水泵運(yùn)行在 B點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運(yùn)行在 C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比，從圖 26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。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖 求出運(yùn)行在 B點(diǎn) 的泵的軸功率 B y yN kQ H? 運(yùn)行在 C點(diǎn)泵的軸功率 C y yN kQ H? 兩者之差 22222j j jhQg gA???? 也就是說，采用閥門控制流量時(shí)有Δ V 的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，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。 本章小結(jié) 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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論： a. 水泵的工作點(diǎn)就是在同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn) ， 水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn) ， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)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(diǎn)，使其符合要求。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 變頻恒壓調(diào)速供水系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體說明 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖 。 本系統(tǒng)以 8951單片機(jī)為核心，它有 4KEPROM,所以不用外擴(kuò) 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(jié)構(gòu)。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(jī)設(shè)定的原始參數(shù) [5]。 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 555 定時(shí)器復(fù)位電路 用 NE555 組成的硬件定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機(jī)現(xiàn)象。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 NE555 封裝 圖 NE555封裝圖 如圖 ， NE555 定時(shí)電路 V0 口輸出連續(xù)的脈沖信號至 RST，達(dá)到定時(shí)復(fù)位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生 RC 定時(shí)電路，用于設(shè)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(shí)間常數(shù) 。 脈沖寬度計(jì)算公式： TW =(R1+RW+R2)C 振蕩周期計(jì)算公式： T=(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(shí)時(shí)間。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 NE555內(nèi)部結(jié) 構(gòu) XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 NE555定時(shí)電路及工作波形 LED 數(shù)值顯示 D/A 數(shù)值采集 D/A 數(shù)值反饋 LED 數(shù)值顯示模塊 數(shù)碼管由 7 個(gè)發(fā)光二極管組成 ， 行成一個(gè)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(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字 ， 這就是它的工作原理 。基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由 7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管（ LED）按圖 1 所示排列而成的，可實(shí)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(diǎn)，增加了 1 個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由 8 個(gè) 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 。 圖 共陰數(shù)碼管引腳圖 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 數(shù)據(jù)采集 A/D 轉(zhuǎn)換電路 a. AD0809 的邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809 是 8位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成 ，如圖 。 多路開關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才 可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 圖 AD0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)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 ，主要由 AD 轉(zhuǎn)換器 AD0809，頻率發(fā)生器 SUN7474，單片機(jī) 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(shè)計(jì)程序時(shí)可以利用 EOC 信號來通知單片機(jī)（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(dāng)?shù)难訒r(shí)再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 AT89S51 的輸出XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 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(shí)鐘。 AD0809 的工作頻范圍為 10KHZ1280KHZ,當(dāng)頻率范圍為 500KHZ 時(shí)，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 A/D轉(zhuǎn)換電路 4 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 編程軟件 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(yù)處理選擇支持匯編語言。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 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 d. Dunfield Shareware：非專業(yè)的軟件包，不支持 floats， longs 或結(jié)構(gòu)等 e. KEIL： KEIL 在代碼生成方面處于領(lǐng)先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點(diǎn)或長整數(shù)、重入和遞推。使用單片機(jī)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(xiàng)很多。 編譯器的算法技術(shù)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(lǐng)先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)用 KEIL 編譯器 [7]。 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(biāo)文件及庫，創(chuàng)建 HEX 文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。 a. uVision2 for Windows： 是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。它將項(xiàng)目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個(gè)強(qiáng)大功能的環(huán)境中。 b. CX51 國際標(biāo)準(zhǔn)優(yōu) 化 C 交叉編譯器：從 C 源代碼產(chǎn)生可重定位的目標(biāo)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(biāo)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(biāo)模塊，生成絕對目標(biāo)模塊。 e. LIB51 庫管理器：從目標(biāo)模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。 f. OH51 目標(biāo)文件至 HEX 格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標(biāo)模塊生成 Intel HEX 文件。 g. RTX51 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：簡化了復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件項(xiàng)目的設(shè)計(jì) [8]。 單片機(jī)資料 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱為單片機(jī)，有稱為微型 控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。單片機(jī)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(jī)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(jī)種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領(lǐng)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(kuò)展時(shí)， 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(shí)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(dāng) CPU對外部進(jìn)行存取時(shí)，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(dāng) ALE是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號，當(dāng)訪問外部存儲XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 器時(shí)， ALE 信號負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將 P0 口上低 8位地址信號送入鎖存器。當(dāng) ALE是低電平時(shí)， 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(dāng)訪問外部存儲器以 1/