【正文】 基于單片機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)背景隨著居民區(qū)的不斷擴(kuò)建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)不足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題，給生活帶來極大不便。這種用水難問題在大城市表現(xiàn)尤為突出。由于能源的問題不得不改變以往的供水方案，來改變?cè)诠┧械哪茉蠢速M(fèi)問題，在國內(nèi)外已有很多關(guān)于很壓供水的研究，其中主要由兩種，一是基于單片機(jī)加通用變頻器的恒壓供水，一是基于PLC加專用變頻器的恒壓供水，兩種各有自己的特點(diǎn)，第一種價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，易于操作，不需專業(yè)人員就能操作，而后者價(jià)格高，對(duì)專業(yè)知識(shí)要求高，非專業(yè)人員不易操作，但是其抗干擾能力強(qiáng)，在市場(chǎng)上也有很大的應(yīng)用，但是大多數(shù)人需要一個(gè)即便宜又容易操作的恒壓供水系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)就利用單片機(jī)和通用變頻器來設(shè)計(jì)此恒壓供水系統(tǒng)，并通過對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化來消除此系統(tǒng)的缺點(diǎn)，也就是來提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，來體現(xiàn)其通用性強(qiáng)，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)目標(biāo)該系統(tǒng)主要以單片機(jī)為主控模塊，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。即用水量增加時(shí)，頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大；用水量減少時(shí)，頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量相應(yīng)減小。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱或水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。本次設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)是：完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，并繪制出相應(yīng)的原理電路圖；完成所需控制軟件的流程設(shè)計(jì)和編程任務(wù)。 實(shí)施計(jì)劃3月下旬至4月初，查閱和收集文獻(xiàn)資料；4月初至4月中旬，提出設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)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(shè)計(jì)；5月初月至五月中旬完成相關(guān)軟件編程；5月中旬至5月底進(jìn)行系統(tǒng)的模擬測(cè)試；6月上旬撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，并準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。2 總體方案設(shè)計(jì)通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實(shí)際知識(shí)，我主要提出了三種技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對(duì)這三種方案的組成框圖和實(shí)現(xiàn)原理分別進(jìn)行說明，并分析比較它們的特點(diǎn)，然后闡述我最終選擇方案的原因。 方案比較 方案一單片機(jī)開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換恒速泵壓機(jī)變頻泵壓機(jī)D/A轉(zhuǎn)換壓力傳感器管網(wǎng)水壓圖21 方案一的原理框圖方案一系統(tǒng)由泵機(jī)和可變頻網(wǎng)絡(luò)組成。如圖21所示，以80C196為核心構(gòu)成控制器，將設(shè)定值與壓力反饋值進(jìn)行PID運(yùn)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(gòu)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(gè)水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。它可同時(shí)對(duì)二臺(tái)三相380/50Hz,異步電動(dòng)機(jī)行變頻調(diào)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(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與供水控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。4位LED顯示上位機(jī)通信四位獨(dú)立式鍵盤AT89C51變頻器M2（工頻）A/D轉(zhuǎn)換D/A輸出壓力傳感器M1（變頻）圖22 方案二的原理框圖調(diào)節(jié)水壓專用變頻器水泵電機(jī)管道壓力傳感器壓力給定 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(nèi)置PID功能的變頻器。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。國外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。如ABB公司的ACS600, ACS400系列產(chǎn)品，富士公司的G11S/P11S系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。 方案論證方案一的工作流程是80C196為核心構(gòu)成控制器，將設(shè)定值與壓力反饋值進(jìn)行PID運(yùn)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(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。運(yùn)算結(jié)果以010v的電壓信號(hào)輸給變頻器，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。方案二整個(gè)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(wǎng)的非電量信號(hào)(動(dòng)態(tài)壓力)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出偏差值，再經(jīng)過PID處理得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由系統(tǒng)的輸出部分輸出變頻器的頻率設(shè)定值至變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)管網(wǎng)內(nèi)的實(shí)際壓力值趨向于設(shè)定壓力值，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對(duì)于多臺(tái)泵調(diào)速的方式，控制器控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)通過計(jì)算判定目前是否己達(dá)到設(shè)定壓力，決定是否增加(投入)或減少(撤出)水泵。即：當(dāng)一臺(tái)水泵工作頻率達(dá)到最高頻率時(shí)，若管網(wǎng)水壓仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則將啟動(dòng)令一臺(tái)工頻泵運(yùn)行，（此設(shè)計(jì)只用兩臺(tái)電機(jī)且功率達(dá)到設(shè)計(jì)要）此后，往復(fù)工作，直至滿足設(shè)定壓力要求為止。反之，若管網(wǎng)水壓大于預(yù)設(shè)水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)頻率低于下限時(shí)自動(dòng)切掉一臺(tái)工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保待恒定?？傊到y(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵的循壞運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。系統(tǒng)系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副兩個(gè)水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成。該變頻恒壓供水控制器以單片機(jī)為核心，在水泵的出水管道上安裝一個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)管道壓力，并把出口壓力變成05V的模擬信號(hào)，送到單片機(jī)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)經(jīng)運(yùn)算后與設(shè)定的壓力進(jìn)行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0—5V的模擬信號(hào)，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(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管道壓力的目的。當(dāng)實(shí)際管道壓力小于給定壓力時(shí)，變頻器輸出頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，管道壓力升高；反之，頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測(cè)壓力（下降）――控制器輸出（上升）――變頻器頻率（上升）――電機(jī)轉(zhuǎn)速（上升），反之相反，最終達(dá)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(qiáng)一些，但是價(jià)格比通用變頻器卻要高很多。此種類型供水設(shè)備的花費(fèi)不光體現(xiàn)在變頻器上，還體現(xiàn)在PLC上，市場(chǎng)上PLC的價(jià)格也要高于單片機(jī)的價(jià)格。使其工作時(shí)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(xiàng)中選擇合適的PID參數(shù)，再經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正，設(shè)備才可以正常運(yùn)行。整個(gè)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(gè)缺點(diǎn)。綜上所述，其有下面兩個(gè)缺點(diǎn)。1．價(jià)格比較昂貴，不適合小型用戶的使用。2．調(diào)試不方便，需要專業(yè)人事到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)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(hào)（05V）至變頻器中央處理器(MCU)，經(jīng)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(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)增加或降低；當(dāng)變頻主電機(jī)由變頻器拖動(dòng)運(yùn)行至最大頻率，壓力如還不能達(dá)到設(shè)定的壓力值，則MCU自動(dòng)啟動(dòng)定頻副電機(jī)，以期保持供水壓力恒定。這樣不但減小了電動(dòng)機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門；啟動(dòng)噪音低，由于啟動(dòng)電流很小，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保護(hù)了用電設(shè)備。而且其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，并且系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)來說也比較便宜，所以本次設(shè)計(jì)將采用方案二。3 單元模塊設(shè)計(jì)本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個(gè)單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時(shí)本節(jié)也會(huì)對(duì)相關(guān)電路中的參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要分為9個(gè)單元模塊，它們分別是：水管壓力測(cè)量模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、按鍵接口模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、穩(wěn)壓電源模塊。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。 水管壓力測(cè)量模塊圖31 水管壓力測(cè)量電路要測(cè)量出水管的電壓就需要壓力傳感器。本次設(shè)計(jì)采用壓電傳感器來測(cè)量水管壓力。壓阻式傳感器是利用晶體的壓阻效應(yīng)制成的傳感器。當(dāng)它受到壓力作用時(shí)，應(yīng)變?cè)碾娮璋l(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(gè)等值的電阻的應(yīng)變?cè)?，?gòu)成惠斯特電橋。當(dāng)受到壓力作用時(shí)，一對(duì)橋臂的電阻變大，而另一對(duì)橋臂電阻變小，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成正比的電壓。由于硅壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)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(dá)幾十毫伏至二百多毫伏，有時(shí)不需要放大就可直接測(cè)量。另外壓阻式傳感器還有易于微型化，測(cè)量范圍寬，頻率響應(yīng)好（可測(cè)幾千赫茲的脈動(dòng)壓力）和精度高等特點(diǎn)。但在使用過程中，要注意硅壓阻式壓力傳感器對(duì)溫度很敏感，在具體的應(yīng)用電路中要采用溫度補(bǔ)償。目前大多數(shù)硅壓阻式傳感器已將溫度補(bǔ)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(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)及與器件選擇圖32 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作 。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機(jī)工作的速度是由時(shí)鐘電路提供的。在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳間，接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，如圖32所示。電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(duì)振蕩頻率有微調(diào)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(jié)果只是機(jī)器周期時(shí)間不同，影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運(yùn)算速度。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的RST引腳為主機(jī)提供一個(gè)外部復(fù)位信號(hào)輸入端口。復(fù)位信號(hào)是高電平有效的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為2個(gè)機(jī)器周期以上。復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部各部件恢復(fù)到初試狀態(tài)，單片機(jī)從ROM的0000H開始執(zhí)行程序。單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多人在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。圖33 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)采用上電自動(dòng)復(fù)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(jī)復(fù)位。 按鍵接口模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵，獨(dú)立式按鍵的各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵都有一個(gè)輸入線，各按鍵的狀態(tài)互不影響，CPU需對(duì)按鍵狀態(tài)分別檢測(cè)，只適用于按鍵數(shù)量較少的場(chǎng)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(shí)，I/0口線有確定的電平。在掃描時(shí)，先讀取P0口的四位，若某位為低電平，應(yīng)先延時(shí)l0ms，然后再讀取該位，如果讀得的值仍為低電平，可確認(rèn)此鍵已按下，然后調(diào)用該鍵的鍵處理子程序，各鍵的優(yōu)先級(jí)別由軟件安排。依據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求我們大體分析在自動(dòng)部分需要4個(gè)按鍵，因此我們選擇獨(dú)立式鍵盤。在電路仿真當(dāng)中，為了體現(xiàn)效果，把最小步進(jìn)臨時(shí)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，顯示出當(dāng)前的水壓。按下設(shè)置鍵后，系統(tǒng)顯示出設(shè)定的壓力值，如果對(duì)設(shè)置的水壓進(jìn)行調(diào)整，通過增減鍵，可以進(jìn)行單位為5的調(diào)整。如圖34所示，電路由4個(gè)按鍵和4個(gè)電阻組成，按鍵分別命名為【啟停鍵】、【設(shè)置鍵】、【增一鍵】和【減一鍵】，共四個(gè)鍵，電阻可以采用9腳排阻（810KΩ）?！締⑼ｆI】功能：啟動(dòng)/停止，執(zhí)行開始自動(dòng)運(yùn)行和停止功能；【設(shè)置鍵】功能：設(shè)置，與【加一鍵】和【減一鍵】鍵配合對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)整，開始設(shè)置?！驹鲆绘I】鍵功能：+1，與【設(shè)置鍵】鍵配合對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)整，【加一鍵】鍵每按下一次則進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行+1操作?！緶p一鍵】鍵功能：1，與【設(shè)置鍵】鍵配合對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)整，【減一鍵】鍵每按下一次則進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行1操作。圖34 按鍵接口電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等數(shù)字系統(tǒng)是處理數(shù)字信號(hào)的電路系統(tǒng)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生的。由于壓力傳感器傳過來的信號(hào)為模擬信號(hào)，在接入前要加A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，本次設(shè)計(jì)采用常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809. 如圖35所示。圖35 A/D轉(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換模塊圖36 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路用我們比較熟悉的DAC0832來作，DAC0832采用了二次緩沖輸入數(shù)據(jù)方式（輸入寄存器及DAC寄存器）。這樣可以在輸出的同時(shí)，采集下一個(gè)數(shù)字量，以提高轉(zhuǎn)換速度。如圖36所示。 顯示模塊設(shè)計(jì)但片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進(jìn)行人—機(jī)對(duì)話。這