【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力 (kg / cm2)一般可按計(jì)算所需總供水壓力 H總壓的 90%計(jì)算， ah為最小與最大壓力比值 (以絕對(duì)壓力計(jì)，壓力水罐工作壓力比 )，一般采用 0. ,Vc為壓力水罐的最大調(diào)節(jié)容積 (m3) VC =(VpVr)t （ 21） 其中 VP為所選水泵出水量 (m3/ h), Vr為某一時(shí)段內(nèi)供水管網(wǎng)實(shí)際用水量 (m3/ h)，一般可取設(shè)計(jì)用水量的 70%一 80%, t為壓力水罐由最小工作壓力到達(dá)最大工作壓力的時(shí)間 (h)，一般可取 。 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 8 由上述公式可以看出，壓力水罐容積大小與下述因素有關(guān)： (1)所選水泵流量與管網(wǎng)實(shí)際時(shí)用水量的差值； (2)確定的電接點(diǎn)壓力表的最小值和最大值； (3)擬定的從最小控制工作壓力上升至最大控制工作壓力所用的葉問(wèn)； (4)當(dāng)水泵流量與管網(wǎng)實(shí)際時(shí)用水量相等時(shí)，所需壓力水罐的容積為零，此時(shí)電接點(diǎn)壓力表的讀數(shù)不變化。 （ Hd）：水泵中心至水面的垂直 高度 （ Hs）：水泵中心至最高供水點(diǎn)垂直度 （ Ht）：吸程高度和揚(yáng)程高度之和 Ht=Hd+Hs （ Q）： 流量是泵在單位時(shí)間內(nèi)輸送出去的液體量。 分為體積流量：?jiǎn)挝唬?m3/h， L/min 質(zhì)量流量：?jiǎn)挝唬?t/h Ns（ RPM）： Ns=120*F/N F：頻率 N：電機(jī)級(jí)數(shù) 泵的功率通常指輸入功率，即原動(dòng)機(jī)傳到泵軸的功率，又稱軸功率，用 P表示泵的有效功率又稱輸出功率，它是單位時(shí)間從泵中輸出去的液體在泵中獲得的有效能量。 因?yàn)閾P(yáng)程是泵輸出的單位重量液體從泵中獲得的有效能量，所以揚(yáng)程和質(zhì)量流量及重力 加速度的乘積，就是單位時(shí)間內(nèi)從泵中輸 出液體的有效能量。用 Pe表示 Pe=ρgQH/1000 泵的效率用 η表示 : η=Pe/P 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 9 3 水泵 智能控制系統(tǒng) 的組成及工作原理 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 31 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 圖 32 主回路及控制回路 壓力水罐智能恒壓供水系統(tǒng)由壓力水罐、接點(diǎn)式壓力表、單片機(jī)控制單元、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元及水泵組等 5 部分構(gòu)成，如圖 3－ 1 示。 傳感器采用接點(diǎn)式壓力表，用于檢測(cè)水管道的壓力。控制部分由 MCS51 系列單片機(jī)為核心部件以及由固態(tài)繼電器、可控硅等基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 10 組成的信號(hào)轉(zhuǎn)換、變送功能和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)。根據(jù)傳感器檢測(cè)到的水壓信號(hào)完成水泵組的切換和啟?？刂?。本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)其水泵組部分包括三臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的三臺(tái)離心式水泵。 水泵組電動(dòng)機(jī)利用固態(tài)繼電器將單片機(jī)的 5V 直流電信號(hào)變換為 380V 交流信號(hào)，強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)交流接觸器作用于電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中電路中串接有缺相保護(hù)電路等。 系統(tǒng) 控制 原理 欲穩(wěn)定水壓，需要構(gòu)成一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)由單片機(jī)、以及由固態(tài)繼電器、可控硅等器件構(gòu)成。該自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在壓力罐上的電接點(diǎn)壓力表，把氣壓罐工作壓力變成開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳送到 單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)與給定參量進(jìn)行比較和邏輯控制算法，運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，作用到固態(tài)繼電器，控制電機(jī)水泵機(jī)組的啟停，按實(shí)際用水量供水并使供水壓力恒定。單片機(jī)控制調(diào)速供水系統(tǒng)控制原理如圖 33 示。 圖 33 控制原理結(jié)構(gòu)圖 電接點(diǎn)壓力表傳遞的是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，分別代表壓力水罐的最大工作壓力與最小工作壓力 2 個(gè)信號(hào)?？刂破骱诵臑?MCS－ 51 系列單片機(jī)，根據(jù)開(kāi)關(guān)量信號(hào)與泵組的工作狀態(tài)，給出啟停信號(hào)控制泵組的配套電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停機(jī)。泵組由多臺(tái)異步交流電機(jī)拖動(dòng)離心式水泵并聯(lián)組成。 控制器與泵組間加軟起 動(dòng)器，緩起緩?fù)Ｋ茫椒€(wěn)水壓，延長(zhǎng)水泵壽命 該系統(tǒng)根據(jù)供水系統(tǒng)工作環(huán)境最大需要用水量，先選取系統(tǒng)配套泵組數(shù)量，由單片機(jī)取電接點(diǎn)壓力表的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)軟啟動(dòng)器，應(yīng)用先起先停、先停先起原則，按需輪換啟停泵組的各臺(tái)泵機(jī)，最多全部泵投入工作，最少 0 臺(tái)泵工作，選取不同啟停輪詢時(shí)間參數(shù)，控制泵組在不同用水量情況下啟停，實(shí)現(xiàn)泵的循環(huán)平衡負(fù)載。 電接點(diǎn)壓力表測(cè)量信號(hào) P 共有四種分別表示壓力報(bào)警上限信號(hào) Pu壓力正常上限信號(hào) Pu壓力報(bào)警下限信號(hào) Ps壓力正常下限信號(hào) Ps1。這四個(gè)測(cè)量信號(hào) 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 11 將壓力水罐內(nèi)部壓力分為壓力上 限區(qū)： Pu1 P Pu2（ ） 壓力下限區(qū)： Ps1 P Ps2（ ） 為保證充足的水量供應(yīng)，本系統(tǒng)采用三臺(tái)水泵構(gòu)成的供水控制系統(tǒng)，具備同時(shí)控制三臺(tái)水泵的功能。根據(jù)不同場(chǎng)合、不同需要可以采取任意臺(tái)水泵組成水泵組。系統(tǒng)有管道漏水、水源狀態(tài)、消防信號(hào)、遠(yuǎn)傳表故障或欠壓超時(shí)和水位報(bào)警指示，可設(shè)定上限保護(hù)壓力，可設(shè)定泵的上電工作順序，并具有手 自動(dòng)切換功能。 系統(tǒng) 控制 設(shè)計(jì) 優(yōu)化 利用傳感器等設(shè)備， 對(duì) 水泵 站 3 臺(tái)水泵 的電流、電壓、壓力、溫度、壓 差等模擬信號(hào)、故障報(bào)警、啟停等開(kāi)關(guān)量 信號(hào)實(shí)施集中監(jiān)控，并對(duì)水泵 實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制。 每臺(tái)水泵 的運(yùn)行、停機(jī)時(shí)間在 LED 顯示器上實(shí)時(shí)顯示。 通過(guò)鍵盤的設(shè)置和編程，進(jìn)行三臺(tái)水泵 監(jiān)控時(shí)間的切換。為了使系統(tǒng)突然失電后，數(shù)據(jù)不丟失，在單片機(jī)上加裝了鎖存器。如圖 35 所示。 目前，已運(yùn)行的 設(shè)備水泵 大都采用繼電器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在現(xiàn)場(chǎng)事故發(fā)生時(shí)無(wú)法自動(dòng)采取緊急措施，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。 而我們所設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)控 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水泵 的智能控制，并且從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看， 3 臺(tái)水泵 的啟動(dòng)、停止時(shí)間基本一樣，避免了單臺(tái)機(jī) 器長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了機(jī)器的磨損程度 ，節(jié)約了能源，提高了水泵 的利用率和維修周期。 圖 35 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)外部連接框圖 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 12 4 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 80C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) MCS51 是指由美國(guó) INTEL 公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括8031， 8051， 8751， 8032， 8052， 8752 等，其中 8051 是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在 8051 的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減改變而來(lái)的，所以人們習(xí)慣于用 8051來(lái)稱呼 MCS51 系列單片機(jī)，而 8031 是前些年在我國(guó)最流行的單片機(jī)，所以很多場(chǎng)合會(huì)看到 8031 的名稱。 INTEL 公司將 MCS51 的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以 8051 為核心的單片機(jī)，當(dāng)然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中 80C51 就是這幾年在我國(guó)非常流行的單片機(jī)，它是由美國(guó) ATMEL 公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的。本文在單片機(jī)高樓供水系統(tǒng)中將用 80C51 來(lái)完成控制功能。 單片機(jī)的組成 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，它在一塊芯片上集成了各種功能部件：中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、和各種輸入 /輸出（ I/O）接口（ 如并行 I/O 口、串行 I/O 口和 A/D 轉(zhuǎn)換器）等。他們之間相互連接圖如 26圖，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 圖 41 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 80C51 單片機(jī)的引腳描述 CHMOS 制造工藝的 80C51 單片機(jī)采用 40 引腳的雙列直插封裝（ DIP 方式），在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。 下面按 其引腳功能為四部分?jǐn)⑹鲞@ 40 條引腳功能。 基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 13 （ 1） 電源引腳 VCC 和 VSS。其中： VCC 接 +5V 電壓。 VSS 接地。 （ 2） 接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2。 XTAL1 接外部晶體的一個(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。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。 XTAL2 接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) CHMOS 單片機(jī)，該引腳懸浮。 （ 3） 控制或與其他電源復(fù)用引腳 RST/VPD、 ALE/PROG、 PSEN 和 EA/VPP。 ST/VPD：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與 VSS 引腳接一個(gè)約 5K 的下拉電阻，與 VCC 引腳之間連接一個(gè)約10uf 的電容，以保證可靠地復(fù)位。 （ 4） VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng) VCC 主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)， VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。 （ 5） ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 端仍以不變的頻 率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 8 個(gè) LS 型的 TTL輸入電路。對(duì)于 EPROM 型的單片機(jī)，在 EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（ PROG）。 （ 6） RSEN：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀寫選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PESN 有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)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)， PSEN 同樣可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出） 8個(gè) LS 型的 TTL 輸入。 （ 7） EA/VPP：當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在 PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過(guò) 0FFFH 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序， 當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，對(duì)于常用的 80C51 來(lái)說(shuō)，無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以 EA 腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于 EPROM型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳也用于施加 21 伏的編程電源（ VPP）。輸入 /輸出 I/O 引腳 P0、 P P P3 共 32 根。 a)P0 口 ：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 b)P1 口 ：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口由于這種接口輸出沒(méi)有高阻狀態(tài)，輸入也不能瑣存，故不是 真正的 I/O 口。門口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載，對(duì) 805 8032， 引腳的第二功能為 T2定時(shí) /計(jì)數(shù)器的外部輸入， 引腳的第二功能為 T2EX捕捉、基于單片機(jī)的水泵 智能控制系統(tǒng) 14 重裝觸發(fā)，即 T2 的外部控制端。對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它的接收低 8 位地址。 c)P2 口（ 21 腳～ 28 腳）：是 8 位準(zhǔn) 雙向 I/O 口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址，在對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證期間，它的接收高 8 位地址。 P2 可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 d)P3 口（ 10 腳～ 17 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，在 80c51 中，這 8 個(gè)引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口， P3 能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。作為第一功能用時(shí)，就作為普通的 I/O 口用，功能和操作方法與 P1 口相同。 表 41 P3 口各引腳第二功能 口線 引腳 第 二功能 10