【正文】 本文所設(shè)計(jì)的 供水 系統(tǒng)采用單片機(jī)控制。 繼電器控制子程序框圖見圖 53。程序框圖圖見圖 52。 水泵 1 繼電器控制 :當(dāng) =0時(shí) 水泵 1開 。軟件 Watchdog 技術(shù)的原理和硬件差不多，只不過是用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及 Watchdog 電路 Watchdog 電路，又叫 Watchdog timer， 俗稱“看門狗”。反饋壓力采集程序如下。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O圖 41 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 Figure 41 System structure diagram 圖 42 AT89C51 引腳分布 Figure 42 Pin designation of AT89C51 XXXX 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。完整硬件設(shè)計(jì)圖見附錄。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 。 變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行 狀態(tài) 的必要手段。 Ⅱ 由水泵 1 變頻運(yùn)行，水泵 2 工頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?1 單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。 圖 32 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速 控制特性 Figure 32 The control characteristics of variable pressure and frequency control with asynchronous motor XXXX 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 分析控制系統(tǒng)機(jī)組（水泵 2 機(jī)組）工作過程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)： （ 1）水泵 2 變頻啟動(dòng)； （ 2） 水泵 1 變頻運(yùn)行，水泵 2 工頻運(yùn)行； （ 3） 水泵 1 單獨(dú)變頻運(yùn)行，一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)變換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過程。 2 基頻以上調(diào)速 基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 ?1n向上增高，但電壓 U1卻不能超過電機(jī)的額定電壓U1n，最多只能保持 U1=U1n。 變頻調(diào)速的基本控制方式 在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量 Φm為額定量不變。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用 AT89C51 作為控制。等機(jī)功耗非常低。這些單片機(jī)有 Fujitsu 公司的 MB89191～ 89195， MB89121～125A， MB89130 系列等，應(yīng)該說該公司的 F2MC8L 系列單片機(jī)絕大多數(shù)都滿足 ～6V 的工作 電壓條件。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。 我國(guó)開始使用單片機(jī)是在 1982 年，從那時(shí)到現(xiàn)在 20 多年的時(shí)間里，單片機(jī)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。 第二代單片機(jī) (19761978):這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。是控制技術(shù)的一次革命。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作的單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。為了表述如何利用單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個(gè)基于 AT89C51 單片機(jī)的變頻調(diào)速恒壓供水系 統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來，出現(xiàn)了智能化功率集成電路 (IGBT) 模塊和智能功率模塊 (IPM)，它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)模化，包括了邏輯控制、功率、保護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能 ，XXXX 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。 要解決生產(chǎn)過程中能耗高的問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，其重要性日益得到了國(guó)家的重視，在國(guó)內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài) [9]。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。揚(yáng)程特性是反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。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，靈活性大、建設(shè)快、不妨礙美觀，且可以通過 改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。 /水箱的供水方式 這種方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用戶供水。另外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生 活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求 [4]。我國(guó)現(xiàn)有的 100 萬 kw 以上 的大型電廠中，每套 30 萬 kw 的發(fā)電機(jī)一般都配備 3035 臺(tái)輔機(jī)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)。變頻技術(shù)在經(jīng)歷了早期電子管、晶閘管整流器（ 60 年代）和集成電路技術(shù)（ 70 年代）幾個(gè)階段后，從 80 年代至今一直沿用基于電力電子技術(shù)的功率集成電路技術(shù)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步繼續(xù)發(fā)展 [1]。本文論述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)速原理及節(jié)能分析。 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 論文題目 ： 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專業(yè)年級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職稱 年 月 日 目 錄 摘 要 1 傳統(tǒng)供水方式 2 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析 10 變頻調(diào)速的基本控制方式 13 主控單片機(jī)引腳說明 15 輸出控制電路 16 控制輸入電路 17 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及 Watchdog 電路 18 軟件程序設(shè)計(jì) 18 6 結(jié)論 22 附錄 描述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。而變頻調(diào)速技術(shù)就是在變頻的基礎(chǔ)上調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（ 1s）／ p，（式中 n、 f、 s、 p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 速的改變。一個(gè)大型電廠，其輔機(jī)電動(dòng)機(jī)多達(dá) 250 臺(tái)左右。供水質(zhì)量的好壞直接影響著人民的生活水平和 XXXX 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 企業(yè)的生產(chǎn)效率。這種供水壓力比較恒定，且有貯水。但缺點(diǎn)是需要壓力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運(yùn)行效率低，因此電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高 [6]。 2． 管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，全揚(yáng)程 HT與流量 Q 間關(guān)系的曲線 HT=f(Q)，稱為管阻特性曲線。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。仍以用戶所需流量等于 60%QN為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使 QX=60%QN時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線 ④ ，管阻特性仍為為曲線 ② ，故工作點(diǎn)移至 C 點(diǎn)。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。 綜上所述，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能顯而易見，所以要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù) 。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣 闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) （ SPWM） 的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中 [13]。 2 單片機(jī)概述 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī) 是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用 某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否 滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。 單片機(jī)的發(fā)展史 1974 年 ,美國(guó)仙童 (Firchild)公司研制出世界第一臺(tái)單片微型機(jī) F8。這個(gè)時(shí)代生產(chǎn)的單片機(jī)隨眼已能在單塊芯片內(nèi)集成 CPU,并行口 ,定時(shí)器 ,RAM和 ROM等功能部件 ,但性能低 ,品種少 ,應(yīng)用范圍也不是很廣 ,典型的產(chǎn)品有 Inrel 公司的 MCS48 系列 機(jī)。國(guó)內(nèi)的單片機(jī)發(fā) 展在前幾年以 51 及其兼容系列為主。目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來越多，但要求也越來越高，在這個(gè)刺激下，單片機(jī)技術(shù)在很多方面都有了進(jìn)步。 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作電壓也是低達(dá) 的 [15]。 2 資源豐富 盡管單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破?，?shí)現(xiàn)在單片化，但是出于成本和穩(wěn)定性的考慮，如 A/D(模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 )、 D/A(數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 )、 PWM(脈XXXX 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 沖產(chǎn)生器 )以及 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)器等也集成到內(nèi)部，出于開發(fā)和調(diào)試的方便，大多支持ISP 下載 、片上調(diào)試、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位電路、甚至集成有單運(yùn)放電路。 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會(huì)引起水泵運(yùn)行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機(jī)的加減速時(shí)的快速性；如果增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是 Eg= (32) 式中， ?1— 定子頻率； N1— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； KN1— 基波繞組系數(shù)； Φm— 每極氣隙磁通量。由式 （ 32） 可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況 [19]。 Ⅰ 水泵 2 變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到 50Hz，水泵 1 變頻運(yùn)行，水泵 2 工頻運(yùn)行。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，水泵 1 電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值 fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限 Pk 時(shí)（ f=fmin， P＜ Pk），在系統(tǒng) 控制下，水泵 2電機(jī)在工頻斷開， 2 水泵 1 繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。變頻器根據(jù)負(fù)載