【正文】 項(xiàng)目設(shè)計(jì) 主題：MSP430F5438單片機(jī)在自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用完成時(shí)間： 學(xué)生姓名： 劉天月 指導(dǎo)教師： 王廬山 【摘要】：（中英文）在自來水供水系統(tǒng)中,恒壓供水是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文通過MSP430系列單片機(jī)作為主控制器,組建并實(shí)現(xiàn)了恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)供水系統(tǒng),給出了系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)圖,闡述了各功能模塊的主要功能。該系統(tǒng)的成功之處在自來水公司供水控制系統(tǒng)中有一定的使用與推廣價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】：恒壓供水、MSP430F5438單片機(jī)、自來水【 abstract 】 : In the tap water supply system, constant pressure water supply system is considered an important part in design. As the main controller based on MSP430 series SCM(Single chip microputer), form and realize the constant pressure automatically adjust the water supply system, gives the system working principle and structure, expounds the main functions of each functionmodule. The success of the system in tap water pany water supply control system has a certain use and popularization value.【 key words 】 : Constant pressure water supply, MSP430F5438 microcontroller, Tap water MSP430F5438單片機(jī)恒壓供水設(shè)計(jì)19 2 2 3 3 4 4 自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4 核心板電路分析 5 IPM變頻驅(qū)動(dòng)水泵電路分析 5 AD采集水壓電路分析 5 壓力及流量檢測電路分析 6 6 主程序流程圖 7 編程思想 7四．結(jié)束語 7 8一. 引言 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中的自來水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。隨著城市化建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大以及生活水平的不斷提高,人們對(duì)自來水公司供水的可靠性要求越來越高,尤其是供水水壓方面的要求,人們通常都希望水壓能夠穩(wěn)定恒壓。由于人工方法不夠智能,很難做到實(shí)時(shí)性調(diào)節(jié)水壓,因此,在現(xiàn)今的供水系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)閥門的方法已經(jīng)逐漸被自動(dòng)化的設(shè)備所取代。如何保證恒壓供水，使供水時(shí)隨用戶需求量的變化，供水系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量保證水壓的恒定，成為重要的問題。本文通過MSP430F5438單片機(jī)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)自動(dòng)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)供水口的水壓始終保持在預(yù)訂的值上，從而達(dá)到恒壓供水的目的。二. MSP430F5438單片機(jī)簡介MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司研發(fā)的一款16位超低功耗單片機(jī)[3],因?yàn)槠渚哂芯喼噶罴幕旌闲盘?hào)處理器,所以稱之為混合信號(hào)處理器。該系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn):l 處理能力強(qiáng)MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。l 運(yùn)算速度快MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。l 超低功耗MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處?！　∈紫?，MSP430 電壓。因而可使其在1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在165μA左右，RAM ?！　∑浯危?dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制?！　∮捎谙到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下， ，在RAM 保持模式下， 。l 片內(nèi)資源豐富MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位ΣΔ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，P0、PP2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便?！　×硗?，MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需5μs。l 方便高效的開發(fā)環(huán)境　　MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。1. 工作原理：變頻調(diào)速恒壓供水與水塔或樓頂?shù)母呶凰涔┧啾?，具有投資省、節(jié)約能源、水質(zhì)遭二次污染的機(jī)會(huì)少等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的城市和生活小區(qū)已經(jīng)或正打算采用變頻調(diào)速恒壓供水。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成（如圖1）：圖一：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成Frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system其工作原理是：控制器通過檢測實(shí)際水壓值，比較設(shè)定水壓值和實(shí)際水壓值的差別，控制器按規(guī)律運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)至變頻器，變頻器則根據(jù)控制器的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量增加時(shí)，控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率加大，水泵轉(zhuǎn)速升高，出水量增加。當(dāng)用水量減少時(shí)，控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，出水量減少。通過這種控制方式，就可以使自來水管道壓力保持在設(shè)定值上。由于變頻器的價(jià)格較高，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通常采用多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，幾臺(tái)水泵共用一臺(tái)變頻器。工作時(shí)，控制器根據(jù)用水量的大小，控制配電系統(tǒng)自動(dòng)選擇所需投入運(yùn)行的水泵數(shù)量，一般方法是保持其中一臺(tái)水泵處于變頻器控制下，其它水泵則根據(jù)供水量的變化，在工頻下全速運(yùn)行或停機(jī)待命。2. 單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)： 核心板通過壓力和流量傳感器采集出水口水壓和流量的變化，然后再與與設(shè)定值比較，如果和設(shè)定值有偏差就通過IPM變頻模塊控制電機(jī)的電壓及頻率，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)水壓和流量的目的。 自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Automatic constant pressure water supply system structure diagram 核心板電路分析 核心板電路主要包括CPU（MSP430F5438）、電源電路、時(shí)鐘電路、LCD液晶顯示、按鍵部分、串口下載電路、復(fù)位電路。 IPM變頻驅(qū)動(dòng)水泵電路分析 通過MSP430F5438單片機(jī)數(shù)出脈沖改變水泵的驅(qū)動(dòng)電壓大小及頻率，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓和流量的控制。IPM驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下：IPM驅(qū)動(dòng)電路原理圖IPM drive circuit principle diagram AD采集水壓電路分析本設(shè)計(jì)采用ADS1118轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)水壓大小發(fā)聲變化時(shí)，信號(hào)采集部分根據(jù)水壓大小輸