【正文】 恒壓供水，兩種各有自己的特點，第一種價格便宜，通用性強，易于操作，不需專業(yè)人員就能操作，而后者價格高，對專業(yè)知識要求高，非專業(yè)人員不易操作，但是其抗干擾 能力強，在市場上也有很大的應用，但是大多數(shù)人需要一個即便宜又容易操作的恒壓供水系統(tǒng)，本設計就利用單片機和通用變頻器來設計此恒壓供水系統(tǒng)，并通過對系統(tǒng)的優(yōu)化來消除 第 頁 2 此系統(tǒng)的缺點，也就是來提高單片機系統(tǒng)的抗干擾能力，來體現(xiàn)其通用性強，易于操作的優(yōu)點。 設計目標 該系統(tǒng)主要以單片機為主控模塊，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節(jié)水泵電機的轉速，實現(xiàn)管網水壓的閉環(huán)調節(jié)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設定的壓力值，實現(xiàn)恒壓供水。即用水量增加時，頻率升高，水泵轉速加快，供水量相應增大；用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，供水量 相應減小。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱或水塔，水質無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。本次設計的預期目標是：完成系統(tǒng)硬件電路的設計，并繪制出相應的原理電路圖；完成所需控制軟件的流程設計和編程任務。 實施計劃 3月下旬至 4月初，查閱和收集文獻資料； 4月初至 4月中旬，提出設計方案，并對方案進行比較和論證，選出最佳方案； 4月中旬至 5 月初，完成硬件電路設計； 5月初月至五月中旬完成相關軟件編程； 5 月中旬至 5月底進行系統(tǒng)的模擬測試； 6月上旬撰寫設計報告，并準備畢業(yè)設計答辯。 第 頁 3 2 總體方案設計 通過查閱大量相 關技術資料，并結合自己的實際知識，我主要提出了三種技術方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對這三種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因。 方案比較 方案一 圖 21 方案一的原理框圖 方案一系統(tǒng)由泵機和可變頻網絡組成。如圖 21 所示，以 80C196 為核心構成控制器，將設定值與壓力反饋值進行 PID運算。系統(tǒng)通過壓力傳感器將電器部分與泵組聯(lián)系起來，構成閉環(huán)系統(tǒng)。 方案二 方案二系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感 器、主副兩個水泵電機及相關電氣控制設備集成而成，是一種具有變頻調速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化智能設備。它可同時對二臺三相 380/50Hz,異步電動機行變頻調速和閉環(huán)控制，其系統(tǒng)組成示意圖如圖 22所示。從下圖中我們可以看到，自動恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與供水控制器構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 單 片 機 開關 A/D 轉換 恒速泵壓機 變頻泵壓機 D/A 轉換 壓力傳感器 管網水壓 第 頁 4 圖 22 方 案二的原理框圖 方案三 圖 23 方案三的原理框圖 系統(tǒng)由專用變頻器、壓力傳感器、水泵等組成。如圖 23。專用變頻器就是指有內置 PID 功能的變頻器。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對變頻調速恒壓供水設備進行合理的設計。國外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品。如 ABB公司的 ACS600, ACS400 系列產品，富士公司的 G11S/P11S 系列產品。這些產品將 PID 調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。 4 位 LED 顯示 上位機通信 四位獨立式鍵盤 AT89C51 變頻器 M2（工頻） A/D 轉換 D/A輸出 壓力傳感器 M1（變頻） 調節(jié)水壓 專用變頻器 水泵電機 管道 壓力傳感器 壓力給定 第 頁 5 方案論證 方案一的工作流程是 80C196 為核心構成控制器，將設定值與壓力反饋值進行 PID運算。系統(tǒng)通過壓力傳感器將電器部分與泵組聯(lián)系起來，構成閉環(huán)系統(tǒng)。運算結果以010v 的電壓信號輸給變頻器，實現(xiàn)恒壓供水。 方案二整個系統(tǒng)的具體工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器，將供水管網的非電量信號 (動態(tài)壓力 )轉變成電信號，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號經單片機運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出偏差值，再經過 PID 處理得出最佳的運行工況參數(shù)，并將其轉換成模擬信號，由系統(tǒng)的輸出部分輸出變頻器的頻率設 定值至變頻調速器，變頻調速器控制水泵的轉數(shù)來調節(jié)管網內的實際壓力值趨向于設定壓力值，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對于多臺泵調速的方式，控制器控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據 CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)通過計算判定目前是否己達到設定壓力，決定是否增加 (投入 )或減少 (撤出 )水泵。即：當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網水壓仍達不到預設水壓，則將啟動令一臺工頻泵運行，（此設計只用兩臺電機且功率達到設計要）此后，往復工作，直至滿足設定壓力要求為止。反之，若管網水壓大 于預設水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉速降低，當頻率低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網水壓保待恒定?？傊?，系統(tǒng)可根據用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循壞運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質量。系統(tǒng)系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副兩個水泵電機及相關電氣控制設備集成而成。 該變頻恒壓供水控制器以單片機為核心，在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成 05V的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的 A/D 轉換輸入端，再經 A/D轉換變成相應的數(shù)字信號，送入單片機進 行數(shù)據處理。單片機經運算后與設定的壓力進行比較，得出偏差值，再經 PID調節(jié)得出控制參數(shù)，經 D/A轉換變成0— 5V 的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機轉速，從而達到控制管道壓力的目的。當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機轉速加快，管道壓力升高；反之，頻率降低，電機轉速減小，管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測壓力（下降）――控制器輸出（上升）――變頻器頻率（上升）――電機轉速（上升），反之相反，最終達到恒壓。 方案三由專用變頻器與 PLC組成的恒壓供水系統(tǒng)， 這類變頻器的功能雖然強一些，但是價格比通用變頻器卻要高很多。此種類型供水設備的花費不光體現(xiàn)在變頻器上，還體現(xiàn)在 PLC 上，市場上 PLC的價格也要高于單片機的價格。使其工作時需要專業(yè)人員通過變頻器的控制面板，在變頻器的 PID 選項中選擇合適的 PID 參數(shù)，再經過現(xiàn)場調試校 第 頁 6 正，設備才可以正常運行。整個操作過程都必須有專業(yè)人員的界入。因此，通用性不好，這是這種變頻恒壓供水方案的另外一個缺點。綜上所述，其有下面兩個缺點。 1．價格比較昂貴，不適合小型用戶的使用。 2．調試不方便，需要專業(yè)人事到現(xiàn)場進行調試，這也增加了人力 的投入資本。 方案選擇 方案二 采用壓力 傳感 器反饋電 壓 信號（ 05V）至 變頻器 中央處理器 (MCU)， 經 PID控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸出頻率的大小由作用 MCU處理器控制，使電機的轉速自動增加或降低；當 變頻主 電機由 變頻器 拖動運行至 最大 頻率 ，壓力 如還 不能達到設定的壓力值 ，則 MCU自動 啟動 定頻副 電機， 以期 保持供水壓力恒定。這樣不但減小了電動機的無功功率，而且提高了水泵的工作效率，節(jié)約了能源。采用變頻控制方式；其操作方便，無須手動調節(jié)進水閥門；啟動噪音低，由于啟動電流很小，減小了對電網的沖擊，保護了用電設備。 而且其系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較簡單，并且系統(tǒng)價格相對來說也比較便宜，所以本次設計將采用方案二。 第 頁 7 3 單元模塊設計 本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關系；同時本節(jié)也會對相關電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。 各單元模塊功能介紹及電路設計 本系統(tǒng)主要分為 9個單元模塊，它們分別是：水管壓力測量模塊、時鐘模塊、復位模塊、按鍵接口模塊、 A/D 轉換模塊、 D/A 轉換模塊、顯示模塊、穩(wěn)壓電源模塊。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。 水管壓力測量模塊 3142U6傳感器R2D7D I O D ED8D I O D E R3 Q3R40. 8 2 kD9D I O D ER5R6R7R85. 1 kR95. 1 kR 1 051 kR 1 12kR 1 2R 1 310 k 圖 31 水管壓力測量電路 要測量出水管的電壓就需要壓力傳感器 。本次設計采用壓電傳感器來測量水管壓力。壓阻式傳感器是利用晶體的壓阻效應制成的傳感器。當它受到壓力作用時，應變元件的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。一般壓阻式傳感器是在硅膜片上做成四個等值的電阻的應變元件，構成惠斯特電橋。當受到壓力作用時，一對橋臂的電阻變大，而另一對橋臂電阻變小，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電壓。由于硅壓阻式壓 第 頁 8 力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應變的靈敏系數(shù)大 50~100 倍，故硅壓阻式壓力傳感器的滿量程輸出可達幾十毫伏至二百多毫伏，有時不需要放大就可直接測量。另外壓阻式傳感器還有易于微 型化，測量范圍寬，頻率響應好（可測幾千赫茲的脈動壓力）和精度高等特點。但在使用過程中，要注意硅壓阻式壓力傳感器對溫度很敏感，在具體的應用電路中要采用溫度補償。目前大多數(shù)硅壓阻式傳感器已將溫度補充電路做在傳感器中，從而使得這類傳感器的溫度系數(shù)小于177。 %的量程。如圖 31所示。 時鐘模塊設計及與器件選擇 X1CRY S T A LC12 0 p FC22 0 p F 圖 32 時鐘電路 時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在惟一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作 。該時鐘電路由兩個電 容和一個晶體振蕩器組成。 X1 是接外部晶體管的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。輸出端為引腳 X2，在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機工作的速度是由時鐘電路提供的。在單片機的XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳間，接一只晶振及兩只電容就構成了單片機的時鐘電路，如圖32所示。電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)。電路中電容 C1 和 C2 對振蕩頻率有微調作用，通常的取值范圍 30177。 10pF；石英晶體選擇 6MHz 或 12MHz 都可以。其結果只是機器周期時間不同，影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運算速度。 復位電路的設計 單片機的 RST引腳為主機提供一個外部復位信號輸入端口。復位信號是高電平有效的持續(xù)時間應為 2個機器周期以上。復位后，單片機內部各部件恢復到初試狀態(tài)，單片機從 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行程序。單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工 第 頁 9 作的可靠性。許多人在設計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。在單片機應用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。所以，系統(tǒng)的復位電路必須準確、可靠地工作。 RESETR110 kC310 p F 圖 33 復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的 RST 引腳上出現(xiàn) 24個時鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。為了保證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，通常使 RST 保持高電平。只要 RST 保持高電平，則單片機就循環(huán)復位。本次設計采用上電自動復位電路。由于 R?C 電路充電過程中， RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復位。 按鍵接口模塊設計 本系統(tǒng)采用獨立式按鍵，獨立式按鍵的各按鍵相互獨立，每個按鍵都有一個輸入線，各按鍵的狀態(tài)互不影響， CPU 需對按鍵狀態(tài)分別檢測，只適用于按鍵數(shù)量較少的場合。在此電路中，按鍵輸入部分采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時， I/0 口線有確定的電平。在掃描時，先讀取 P0口的四位，若某位為低電平，應先延時 l0ms，然后再讀取該位，如果讀得的值仍為低電平，可確認此鍵已按下，然后調用該鍵的鍵處理子程序，各鍵的優(yōu)先級別由軟件安排。依據本次的設計要求我們大體分析在自動 部分需要4個按鍵，因此我們選擇獨立式鍵盤。在電路仿真當中，為了體現(xiàn)效果，把最小步進臨時改成了 5。按下啟停鍵后，系統(tǒng)將壓力傳感器傳過來的信號進行轉換后進入單片機，顯示出當前的水壓。按下設