【文章內(nèi)容簡介】 dded 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。 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， mA，而在節(jié)電方式中。 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，～。而一些廠家，～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，～6V的工作電壓條件。 最后是工藝方面?，F(xiàn)在的單片機基本上采用CMOS技術(shù)，有個別的公司。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。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(yuǎn)的影響，其他單片機或多或少都會受到其加構(gòu)的影響。因此國內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)類似于51系列的增強型的單片機，這些芯片，保留了8051單片機的功能特性的同時，增強了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機運算速度提高十倍以上。 個性是指一些面向特殊領(lǐng)域、特殊設(shè)計的單片機，如用于特殊控制的簡單電路，有的單片機只有一個定時器，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，ROM只有1K的SOP8的單片機，價格在1元人民幣以下。 總之，單片機的發(fā)展將進一步多元化，單片機產(chǎn)品將更加豐富，單片機的盡用場合將進一步細(xì)化。單片機將更易用、性能更加穩(wěn)定、價格更低，而主流仍然是8位機。 AT89C51單片機簡介 本文設(shè)計的系統(tǒng)主要采用AT89C51作為控制。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機。片內(nèi)帶有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于芯片中組合有多功能8位CPU和閃爍存儲器，ATMEL的AT89C51是一種功能強大、性價比高的微控制器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51單片機的主要特性有：與MCS51兼容，4KB可編程閃爍存儲器，1000次的擦寫循環(huán)周期，10年數(shù)據(jù)保留時間，0Hz24MHz全靜態(tài)工作，三級程序存儲器鎖定， 1288位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 本章總結(jié)本章對單片機的“昨天”、“今天”和“明天”做了大體上的闡述，著重對本次設(shè)計中使用到的AT89C51單片機進行了介紹。第3章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，是通過變頻調(diào)速來改變水泵的轉(zhuǎn)速從而改變水泵工作點來達(dá)到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。反應(yīng)水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關(guān)鍵的問題。如果水泵工況點偏離設(shè)計工作點較遠(yuǎn)，不僅會引起水泵運行效率降低、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。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化因此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。 變頻調(diào)速的基本原理 系統(tǒng)中的水泵機組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。 由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式 (31) 式中，n為電動機轉(zhuǎn)速；為電動機定子的供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；np為電動機定子繞組極對數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。由式(31)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，ｎ基本上正比于，所以改變供電電源頻率即可調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法可以獲得很大的調(diào)速圍，很好的調(diào)速平滑性和相對穩(wěn)定性。 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進行設(shè)計，即把水泵1（220KW）和水泵2（160KW）為一組，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)見圖31。 圖31 供水控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 Figure 31 The structure diagram for the principle of Water Supply Control System 分析控制系統(tǒng)機組（水泵2機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：（1）水泵2變頻啟動；（2）水泵1變頻運行，水泵2工頻運行；（3）水泵1單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時，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)對應(yīng)著三個切換過程。 Ⅰ 水泵2變頻啟動，頻率達(dá)到50Hz，水泵1變頻運行，水泵2工頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機組運行， KM2得電，水泵2先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動水泵2的電動機采用軟啟動，水泵2啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，水泵2自變頻器輸出端斷開，KM1得電，水泵2切換至工頻運行，水泵2自變頻器輸出端斷開，KM1得電水泵2切換至工頻運行。水泵2工頻運行后，開啟水泵2閥門，水泵2工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，水泵1接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，水泵1開始軟啟動，運行一段時間后，開啟水泵1閥門，水泵1電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)水泵2由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，水泵1接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（Pi＜P＜Pm）為止。 Ⅱ 由水泵1變頻運行，水泵2工頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?單獨變頻運行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時，水壓增加，水泵1電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(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，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Pk時（f=fmin，P＜Pk），在系統(tǒng)控制下，水泵2電機在工頻斷開，2水泵1繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。 Ⅲ 由水泵1變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?變頻停止，水泵2變頻運行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時，水泵1電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限Pi時（水泵1電機f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，水泵1電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，水泵1電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。水泵1電機開始軟啟動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調(diào)速范圍 合理選取壓力控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個目的的實現(xiàn)關(guān)鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網(wǎng)最不利點壓力恒壓控制。另一個就是泵出口壓力恒壓控制。 變頻器在投入運行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣性的大小，在啟動和停止電機時所需的時間就不同，設(shè)定時間過短會導(dǎo)致變頻器在加速時過電流，在減速時過電壓保護；設(shè)定時間過長會導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運行時使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護，現(xiàn)場使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時間的設(shè)置過長，它所帶來的問題很容易被設(shè)備外表的正常覆蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運行狀態(tài)，所以現(xiàn)場使用時要根據(jù)所驅(qū)動的負(fù)載性質(zhì)不同，測試出負(fù)載的允許最短加減速時間，進行設(shè)定。對于水泵電機?？疾焖玫男是€，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍在根據(jù)用戶的揚程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動機的負(fù)載率在50%100內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 本章總結(jié)本章對變頻調(diào)速的基本原理進行了闡述，分析說明了系統(tǒng)中工頻泵、變頻泵的三個切換過程，系統(tǒng)是如何工作的及調(diào)速范圍的選取。第4章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 如前所述，本文設(shè)計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要采用Atmel 公司的AT89C51 單片機作為控制CPU (因為該單片機片內(nèi)具有4KB 可編程閃爍存儲器)其系統(tǒng)構(gòu)成如圖41所示 圖41 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 Figure 41 System structure diagram 系統(tǒng)的工作原理是: 控制器通過檢測實際水壓值, 比較設(shè)定水壓值和實際水壓值的差別, 按PID 控制規(guī)律運算后,輸出控制信號至變頻器, 變頻器則根據(jù)控制器的輸入信號調(diào)節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量增加時, 控制器控制變頻器使電動機的電壓和頻率加大, 水泵轉(zhuǎn)速升高, 出水量增加。 當(dāng)用水量減少時, 控制器控制變頻器使電動機的電壓和頻率降低, 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。 如前所述，系統(tǒng)的核心控制CPU為AT89C51單片機，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行, 采用MAX813 作為系統(tǒng)的電壓監(jiān)控及Watchdog 電路。 壓力變送器送來的4～20mA 的壓力信號經(jīng)IC7 轉(zhuǎn)換為0～5V 的電壓信號。 由A/ D 轉(zhuǎn)換電路ADC0809將壓力傳感器的檢測水壓值和設(shè)定電位器的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量, 供單片機使用。 D/ A 轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832 , 將單片機輸入的控制量轉(zhuǎn)換為4～20mA 電流環(huán), 控制變頻器的輸出頻率。變頻器采用常用于供水系統(tǒng)的TD2100由單片機到配電部分的控制信號及系統(tǒng)的一些控制開關(guān)命令, 均通過光電耦合電路進行隔離, 以減少強電回路對單片機的影響。 主控單片機引腳說明 本文所使用的AT89C51單片機引腳分布見圖42。具體說明如下： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收