【文章內(nèi)容簡介】 或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。 如圖 12 所示，設(shè)用戶所需流量 QX為額定流量的 60%（ 即 QX=60%QN） ，當(dāng)通過關(guān)小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€ ③ ，而揚程特性仍為曲線 ① ，故供水系統(tǒng)的工作點移至 E 點，這時：流量減小為 QE（ =QX） ；揚程增加為 HE；由式 （ 11） 知，供水功率 PG與面積 0DEJ 成正比。 即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為最大開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。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，揚程特性為曲線 ④ ，管阻特性仍為為曲線 ② ，故工作點移至 C 點。這時，流量減小為 QE（ =QX） ，揚程減小為 HC，供水功率 PC與面積 0DCK 成正比 [8]。 比較上述兩種調(diào)節(jié)流 量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量 （ QX＜ 100%QN） 的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差 ΔP便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 KCEJ（圖中的陰影部分）成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。 4． 從水泵的工作效率看節(jié)能 圖 12 調(diào)節(jié)流量的方法與比較 Figure11 Methodb and parison of the regulation flow 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 5 (1)工作效率的定義水泵的供水功率 PG與軸功率 PP（輸入功率，即電動機的輸出功率）之比，即為水泵的工作效率，符號是 ηP： ηP=PG/PP （ 12） (2)水泵工作效率的近似計算據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對值 η*的近似計算公式如下： ηP*=C1（ Q*/n*）－ C2(Q*/n*)2 (13) 式中， ηP*、 Q*、 n*分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值； C C2 常數(shù)，由制造廠家提供， C1與 C2之間，通常遵循如下規(guī)律 :C1－ C2=1 (3)不同控制方式時的工作效率由式 （ 13） 可知，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時，由于轉(zhuǎn)速不變， n*=1，比值 Q*/n*=Q*，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯 [10]。 在 轉(zhuǎn)速控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量 Q*和轉(zhuǎn)速 n*是成正比的，比值 Q*/n*不變。就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài) [9]。 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。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個方面。 5． 從電動機的效率看節(jié)能 在設(shè)計供水系統(tǒng)時，由于： ① 對用戶的管路情況無法預(yù)測； ② 管阻特性難以準確計算； ③ 必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決 定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大 [10]。 所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高 峰期，電動機也常常處于輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。 采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠根據(jù)負載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面。 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) 。 研究意義 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無非是解決兩大問題一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過程。我國的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，目前我國電機的總裝機容 量己達 4 億千瓦，年耗電量約占全國用電量的 60%，但我國電機驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國外平均水平低 20%， 70%的電機只相當(dāng)于國際 20 世紀50 年代的技術(shù)水平電機驅(qū)動系統(tǒng)能效比國外低 20%左右，電能浪費十分嚴重 [11]。 眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。飲水工程對于每個人來說都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無處不在。然 而，作為飲水工程中最重要的供水這一環(huán)目前卻存在著很多問題，傳統(tǒng)供水方式己經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會的發(fā)展和吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 6 需求。 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家的重視，在國內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值及社會價值。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、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展 變頻恒壓供水是在交流 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的，所以談變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看看交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關(guān)器件。以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。 20 世紀70 年代電力電子器件開發(fā)的電力晶體管 (GTR)和門極關(guān)斷 (GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ) [12]。 20 世紀 80 年代，又進一步開發(fā)成功了絕 緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓 (場控 )型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時刻用基極 (柵極、門極 )信號控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動、保護等功能集成化起來，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)?；诉壿嬁刂?、功率、保護、傳感及測量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。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 推動了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中 [13]。 電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。這無疑將推動交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。我國的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機、水泵方面，但同國外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟效益 。尤其在水泵、風(fēng)機方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來高電壓大電流的 SCR、 GTO、 IGBT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要論述了變頻調(diào)速的基本原理及單片機在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了表述如何利用單片機完成對電機的變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個基于 AT89C51 單片機的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并設(shè)計了該系統(tǒng)的硬件控制吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 7 系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。 2 單片機概述 單片機簡介 單片機 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 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片機不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設(shè)備。事實上，單片機是世界上數(shù)量最多的 計算機 。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成 有單片機。手機、電話、 計算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12 部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作的單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 不同的單片機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芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機，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)。這里的技術(shù)特征包括功能 特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說的單片機的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件 (包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源 )及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。 單片機控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強大等特點，正逐漸取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制過程可以以軟件控制來實現(xiàn)， 并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。是控制技術(shù)的一次革命。 單片機的發(fā)展史 1974 年 ,美國仙童 (Firchild)公司研制出世界第一臺單片微型機 F8。該機有兩塊集成電路芯片組成 ,結(jié)構(gòu)奇特 ,具有與眾不同的指令系統(tǒng) ,深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此 ,單片機開始迅速發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大?，F(xiàn)已成為微型計算機的重要分支 ,單片機的發(fā)展過程通?？梢苑譃橐幌聨讉€發(fā)展過程。 第一代單片機 (19741976):這是單 片機發(fā)展的起步階段。在這個時期生產(chǎn)的單片機特點是 ,制造工藝落后和集成度低 ,而且采用了雙片形。典型的代表產(chǎn)品有 Fairchild 公司吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 8 的 F8 和 Mostek387 公司的 3870 等。 第二代單片機 (19761978):這是單片機的第二發(fā)展階段。這個時代生產(chǎn)的單片機隨眼已能在單塊芯片內(nèi)集成 CPU,并行口 ,定時器 ,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。 第三代單片機 (19791982):這是八位單片機成熟的階段 .這一代單片機和前兩代相比 ,不僅 存儲容量和尋址范圍大 ,而且中斷源 ,并行 I/O 口和定時器 /計數(shù)器個數(shù)都有了不同程度的增加 ,更有甚者是新集成了全雙工穿行通信接口電路。在指令系統(tǒng)方面 ,普遍增設(shè)了懲處法和比較指令。這一時期生產(chǎn)的單片機品種齊全 ,可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。代表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS51 系列機 ,Motorola 公司的 MC6801 系列機 ,TI 公司的TMS7000系列機 ,此外 ,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機系列 [14]。 第四代單片機 (1983 年以后 ):這是十六位單片機和八位高性能單片機并行 發(fā)展的時代 ,十六位機的特點是 ,工藝先進 ,集成度高和內(nèi)部功能強 ,加法運算速度可達到 1us 以上 ,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語言 ,如 PL/MPLUS C 和 Forth 語言等。代表產(chǎn)品有 intel 公司的 MCS96 系列 ,TI 公司的 TMS9900,NEC 公司的 783系列和 NS 公司的 HPC16040 等。 我國開始使用單片機是在 1982 年，從那時到現(xiàn)在 20 多年的時間里，單片機領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。國內(nèi)的單片機發(fā)展在前幾年以 51 及其兼容系列為主。直到現(xiàn)在 51 系列的芯片還在中國市場占有相當(dāng)大的比重。中國單片機 市場經(jīng)過近三十年的發(fā)展，及在國家的支持下，也產(chǎn)生了一些非常優(yōu)秀的單片機設(shè)計生產(chǎn)廠家。 單片機的發(fā)展趨勢 計算機系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個方向發(fā)展；這三個方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計算和高速數(shù)據(jù)處理為主的工作仍然是巨型機在起作用，故而，巨型機在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機在出現(xiàn)時， Intel 公司就給其單片機取名為嵌入式微控制器 （ embedded microcontroller） 。單片機的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點是巨型機和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。目前 ，用戶對單片機的需要越來越多，但要求也越來越高，在這個刺激下，單片機技術(shù)在很多方面都有了進步。 首先，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機已集成了越來越多的部件。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， D /A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口， Watchdog電路， LCD 控制器等。 有的單片機為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊 CAN。例如， Infineon 公司的 C 505C， C515C， C167CR， C167CS32FM，81C90； Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特別是 在單片機 C167CS32FM 中，內(nèi)部還含有 2 個 CAN。因此，這類單片機十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 9 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面。 現(xiàn)在新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作方式。 Philips 公司的單片機 P87LPC762 是一個很典型的例子，在空閑時，其功耗為 mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有 。 現(xiàn)在單片機的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機也大量采用 了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。 擴大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機都可以在 ～ 的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在 ～6V 的條件下工作的單片機。這些單片機有 Fujitsu 公司的 MB89191～ 89195， MB89121～125A， MB89130 系列等，應(yīng)該說該公司的 F2MC8L 系列單片機絕大多數(shù)都滿足 ～6V 的工作電壓條件。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作電壓也是低達 的 [15]。 最后是工藝 方面。現(xiàn)在的單片機基本上采用 CMOS 技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了，有個別的公司，如 Motorola公司則已采用 技術(shù)。這些技術(shù)的進步大大地提高了單片機的內(nèi)部密度和可靠性。 綜上所述，單片機的發(fā)展趨勢主要有以下幾個特點 1 低功耗 制作工藝全部 CMOS 化。這主要是出于對低功耗的要求，而且在單片機工作模式上，也有多種模式，如 idel， sleep 模式等。有的還使用雙晶振設(shè)計，在空閑時候關(guān)閉高速晶振，使用片內(nèi)或外部低速晶振。等機功耗非常低。 2 資源豐富 盡管單片 機內(nèi)部已經(jīng)由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破?，實現(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(脈沖產(chǎn)生器 )以及 LCD(液晶 )驅(qū)動器等也集成到內(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、定時器 /計數(shù)器、上電復(fù)位電路、甚至集成有單運放電路。 有些高檔單片機，如一些 32 位的單片機，出于一些特殊市場，還在內(nèi)部集成有音頻解碼和合成，圖片和視頻解碼電路， DMA 通道， MMC 等 [16]。 3 共性和個性 共性，是指單片機的共同特性， 8051 為代表的單片機架 構(gòu)和指令對整個單片機領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠的影