【正文】 就更強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有特色的單片機(jī)芯片?，F(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的 許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中 SMD(表面封裝 )越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 3．主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品、 ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺(tái)灣的Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，中國臺(tái)灣的 HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，以其價(jià)低質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)一 定的市場(chǎng)份額。此外還有 MOTOROLA公司的產(chǎn)品和日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，而不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)、相輔相成、共同發(fā)展的道路。[3] 單片機(jī)的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇： （ 1） 在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、 頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 （ 2） 在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 3 （ 3） 在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音 響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 （ 4） 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和 通信 領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對(duì)講機(jī)等。 （ 5） 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床 呼叫系統(tǒng)等等。 （ 6） 在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(hào)（類似于聲卡）。 [5] 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。 （ 7） 單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在 汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于 CAN 總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器， GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等等。 [6] 在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，需要把控制現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)信息輸入到單片機(jī)， [18]由單片機(jī)按控制要求、對(duì)系統(tǒng)的各種狀態(tài)進(jìn)行處理，并輸出相應(yīng)的控制命令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 本課題就是通過對(duì)單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法和研制過程的研究，來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備（空壓機(jī)）運(yùn)行的監(jiān)控。 [7] 傳統(tǒng) 水泵在生活中 的應(yīng)用 在智能恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。以 下就其設(shè)備、運(yùn)行方式、安全性等方面逐一分析。 （ 1） 恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價(jià)最低，基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 4 但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。 （ 2）恒速泵加水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于 某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚(yáng)程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時(shí)間比、開、停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大 。水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要 。而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動(dòng)的開、停，這樣水 泵的開、停，將完全由人操作，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。 （ 3）恒速泵加高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。但這種供水方式供水壓力穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠。 （ 4）恒速泵 氣壓罐供水 方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來控制泵的起停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地面上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。由于該系統(tǒng)取消了設(shè)于樓宇頂部的高位水箱，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)安全有利。但由于氣壓罐供水依賴于氣體的可壓縮性，同時(shí)氣壓罐也不能無限加大容積，所以水泵啟停頻繁，管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大，一般相差 0． 1MPa，約 10m 水柱。為維持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定需在出水管上安裝調(diào)壓閥，綜合造價(jià)與水泵水箱聯(lián)合供水系統(tǒng)相近 ，但此種供水方式運(yùn)行費(fèi)用稍高。相對(duì)與傳統(tǒng)的高位水箱和供水水塔，壓力罐供水具有體積小、造價(jià)低、供水壓力大、自動(dòng)化程度高和易于解決冬季保溫防凍等優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用日益廣泛。 隨著資源的日益緊張，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用已愈來愈受到人們的關(guān)注。在 水泵供水領(lǐng)域能否應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，在節(jié)能降耗的同時(shí)改善水泵性能，提高供水 品質(zhì)就成為研究方向。 [9] 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 5 2 智能 水泵 節(jié)能降耗 水泵 的能耗分析 隨著地球資源的日益緊張，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用已愈來愈受到人們的關(guān)注。在水泵供水 領(lǐng)域能否應(yīng)用 智能控制 技術(shù)，在節(jié)能降耗的同時(shí)改善水泵性能，提高供水 品質(zhì)就成 為研究方向。 智能 恒壓 供水方式 目前，常見的智能恒壓供水方式有兩種，即變頻調(diào)速供水方式和壓力水罐智能恒壓供水控制方式。 1．變頻調(diào)速供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備是一種在保持供水壓力不變（理想狀態(tài)）的情況下，按需供水的新型自動(dòng)供水設(shè)備。電源的頻率與水泵的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的轉(zhuǎn)速與供水量成正比，變頻調(diào)速控制柜通過改變水泵電源 的頻率，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整水泵的供水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶按需供水的目的。變頻調(diào)速控制柜通過壓力傳感器采集用戶管網(wǎng)的供水壓力，進(jìn)行 PID運(yùn)算，使用戶管網(wǎng)的供水壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力的一定范圍內(nèi)，這就是變頻調(diào)速恒壓供水的原理。此系統(tǒng)由于無需設(shè)置高位水箱或壓力水罐，所以占地更少，可有效地增加建筑使用面積。目前變頻器多為進(jìn)口設(shè)備，所以初次投資費(fèi)用一般稍高，但隨著技術(shù)進(jìn)步，市場(chǎng)競爭，價(jià)格會(huì)逐新下降，運(yùn)行費(fèi)用可與水泵水箱聯(lián)合供水持平。 近年來，變頻供水系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)、無沖擊電流，有效地保護(hù)電網(wǎng)及水泵。由于變 頻供水是水泵通過變頻器調(diào)整泵轉(zhuǎn)速達(dá)到流量調(diào)節(jié)目的的，其流量設(shè)計(jì)每秒流量范圍為 0至系統(tǒng)最大流量。所需配置的貯水箱容積最大小時(shí)用水量減去平均小時(shí)用水量的 。 變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種 :水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、供水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。 (1)出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小的情況，整個(gè)供水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時(shí)，由于管路 能耗較大，在低峰用水時(shí)，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。 (2)出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。是將每日 24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天 24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越 節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。 (3)最不利點(diǎn)恒壓控制 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 6 最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過 14程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠(yuǎn)，壓力信號(hào)的傳輸在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。 用戶在選購供水設(shè)備時(shí)，水泵的供水能力都是按用水峰值時(shí)段選型，否則無法滿足需要。但不同時(shí)段用戶用水量變化較大，某居民小區(qū)采用的設(shè)備是沒有附加特別節(jié)能措施的普通變頻恒壓供水設(shè)備，需要水泵在額定狀態(tài)下工作的時(shí)間不到 1/10，絕大多數(shù)時(shí)間用水量 不到額定流量的 1/3。要在保持供水壓力不變的情況下適應(yīng)這種變化，就必須調(diào)整水泵的供水量。 方法有兩種： 水泵在額定狀態(tài)下工作，在供水主管道安裝瀉流閥門，當(dāng)用水量小于額定供水量時(shí)，把多余的水排放掉。 采用變頻調(diào)速恒壓供水控制柜改變水泵的供水量，自動(dòng)適應(yīng)這種變化?？刂七^程是：用水量增加－頻率上升－轉(zhuǎn)速上升－輸出功率增加；用水量減小－頻率下降－轉(zhuǎn)速下降－功率減小。即“多用水，多耗電”；“少用水，少耗電”。由此可以看出，采用變頻供水技術(shù)比水泵單純工作在額定狀態(tài)下節(jié)能，經(jīng)測(cè)算最大可以達(dá)到 40％的節(jié)能效果。 變頻調(diào) 速恒壓供水設(shè)備是直供設(shè)備，水泵停機(jī)，用戶就停水，即便沒有用水，水泵也會(huì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)維持水壓。在小流量供水和維持水壓時(shí)段，水泵的輸出功率接近額定功率的 1/2，這是一個(gè)很大的浪費(fèi)。針對(duì)節(jié)能問題，供水設(shè)備內(nèi)含氣壓供水功能，需要小流量供水和維持管網(wǎng)水壓時(shí)，自動(dòng)切換到氣壓自動(dòng)供水程序，需要大流量供水時(shí)又自動(dòng)切換到變頻調(diào)速恒壓供水程序。 2．壓力水罐智能恒壓供水系統(tǒng) 壓力水罐式供水工程安裝示意圖如圖 2－ 1所示。供水工程中水泵的流量及揚(yáng)程，均是根據(jù)管網(wǎng)所需最大時(shí)供水量及供水壓力來選擇的。而實(shí)際運(yùn)行中取用的水量，大部分時(shí)間低于 設(shè)計(jì)用水量，只有在用水高峰時(shí)才能與設(shè)計(jì)最大時(shí)供水量持平。壓力水罐式供水既是將水泵輸入管網(wǎng)多余的水進(jìn)入壓力水罐，使罐內(nèi)水位上升，壓力增大，當(dāng)壓力升至電接點(diǎn)壓力表的控制上限時(shí)，觸點(diǎn)接通、電源接通、電源切斷、立即停泵；依靠罐內(nèi)的壓縮空氣將水壓入管網(wǎng)，水位降低壓力也隨之下降，當(dāng)壓力降至電接點(diǎn)壓力表的控制下限時(shí)，觸點(diǎn)接通、電源接通、水泵啟動(dòng)，輸入管網(wǎng)多余的水量又將進(jìn)入壓力水罐，重復(fù)前述過程。壓力水罐在供水工程中的作用：一是用以臨時(shí)存儲(chǔ)管網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的富余水量；二是當(dāng)管網(wǎng)中產(chǎn)生很大的水錘沖擊力時(shí)，可起到保護(hù)管道的作用； 三是利用供水自動(dòng)控制，供水壓力大且易于調(diào)整。 本文就是要設(shè)計(jì)智能壓力水罐控制系統(tǒng)用以解決如上的總總問題。 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 7 壓力水罐的設(shè)計(jì)依據(jù) 壓力水罐容積的大小是根據(jù)水泵流量、管網(wǎng)用水量及水泵的啟停次數(shù)等因素 來確定的，一般可按下式選取 其中 U為壓力水罐的容積 (m3),Pm為管網(wǎng)所需的最小工作壓