【導讀】壓力出現(xiàn)了不足，用水困難給生活帶來極大不便。為解決上述問題，本文研制了。該控制器是以AT89C51為核心，并與變頻器、壓力傳感器等。器件有機結合起來，構成了變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以管網水壓為設定參數(shù)，并利用單片機對其進行控制，實現(xiàn)了變頻調速控制相結合，抗干擾能力強，是一種很理想的控制器。在設計階段可以降低對供水壓力計算準確度的要求，因。但在選泵時應注意，泵的功率宜大一些，因。為變頻調速其最大壓力受水泵限制。最低使用壓力也不應太小，因為水泵不允。為了方便遠程監(jiān)控，用組太王進行了簡單的動畫連接，動畫的形。式實時顯示現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。[1]符錫理，“變頻調速供水泵原理和實踐”[J]．《變頻器世界》，1999，N010。析”[J]《變頻器世界》，2020，N012。[15]王柏林、李訓銘，變頻調速泵洪水系統(tǒng)分析，[J]河海大學學報，23C2),微型計算機原理與接口技術。年，清華大學出版社

　　

【正文】 增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能使管網水壓達到設定值， PID 回路調節(jié)器就發(fā)出控制信號，啟動一臺工頻泵，其他泵依次類推。反之，當用水量減少，變頻器的頻率達到最小值時，則發(fā)出減少一臺工頻泵的信號，其他泵依次類推。 由于變頻器的轉速控制信號是由 PID 回路調節(jié)器給出的，所以對系統(tǒng)來講，要有模擬量輸入接口。由于帶模擬量輸入 /輸出接口的可 編程控制器價格很高，這無形中畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 22頁 就增加了供水設備的成本。若采用帶模擬量輸入 /輸出接口技術，則要在數(shù)字量輸出口另接一塊 PWM 調制板，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入 /輸出接口的可編程控制器和一個 PID 回路調節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入 /輸出接口的可編程控制器差不多。所以，在變頻器調速恒壓給水控制設備中， PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)。 本設計具有以下特點： 恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節(jié)水泵轉速改變水泵出口壓 力，比靠調節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。 由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。 因實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。 水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。 由于變量泵工作在變頻工 作狀態(tài)，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。 控制系統(tǒng)的工作原理： 供水管網中的流量和壓力是隨著用戶用水量的改變而不斷變化的，而改變泵電機的轉速就可以提高供水壓力或減少供水壓力。所以，為了保持出口供水壓力恒定就必須根據(jù)用水量的大小不斷改變電機的轉速。三相交流電機的轉速公式為 : 式中 n 為電機轉速， f 為定子供電頻率， s 為轉差率， P 為電 機的極對數(shù)。由公式可見，水泵轉速 n 正比于供電頻率，因此，連續(xù)地改變電機定子的供電頻率就可以平滑改變電動機的轉速，從而達到調節(jié)速度的目的。 由流體力學知 :管網壓力 P，流量 Q 和功率 N 的關系為 N=PQ，而功率與 水泵電機轉速 n 成三次方的正比關系。圖 22 中的 n 族曲線為不同功率 (轉速 )一下水畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 23頁 泵的 P=F(Q)特性曲線上的不同點，其管阻是不同的。因為有公式 : 式中， K 為管阻系數(shù)，對某恒定管阻， K 為常數(shù)，圖 22 中 族曲線為不同管阻時的 p=F（ Q）曲線，同一曲線上的不同點，其功率是不 同的。 圖 22 水泵的特 性曲線 圖 23 恒壓過程分析圖 由圖 22 可見 :設定壓力值為 Po，初始用水量為 Q1恒壓過程分析圖，工作點位檢a1，可假定用戶需要用水量為 Q2，打開閥門 (可定打開時間 t)，管阻將突然變化，點a1將沿 n1線下降，在未下降至 a1之前，壓力傳感器己將檢測到的下降壓力 P 轉換成電信號輸往 PID 控制器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率升高的信號，從而水泵轉速升高，工作點不會降至 a1，而是沿著 Beita 曲線升至 a4，達到新的穩(wěn)態(tài)。實際上，用水量是不會突變的。管阻不會一下下降很多，實際工作情況如圖 23 所示，管阻 變化時間和系統(tǒng)的響應時間決定。 為了保持電機在轉速時最大轉距不變，需要維持磁通恒定這就要求錠子供電電壓也作相應的調節(jié)，而 VVVF 變頻器可以滿足這個要求。根據(jù)上述分析和用戶要求設定供水壓力，并在供水出口處設置壓力傳感器，隨時檢測用戶用水情況，然后將檢測的壓力與設定壓力相比較，經控制器運算，輸出通過變頻器改變泵電機轉速，使輸出壓力始終保持恒定壓力，其閉環(huán)控制原理如下： 水 壓 給 定水 壓 調 節(jié)器 變 頻 器 水 泵 電 機 管 道水 壓 傳 感 器+參 考 點 圖 24 變頻恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 24頁 控制的硬件系統(tǒng)設 計 硬件總體說明 整個系統(tǒng)電控部分以 ATMEL 公司的 AT89C51 為核心芯片，這種芯片內置有 4K的 EPROM，具有控制信號采集、處理、輸出三個功能。因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用 8031 外置 EPROM 程序控制結構，則會造成控制線不夠 。而 AT89C51 卻可以利用 P0, P2 口作控制總線，大大簡化了硬件結構，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED 數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大地提高。其硬件結構框圖如圖 26 所示。硬件原理框圖如圖所示。 A T 8 9 C 5 1A D C 0 8 3 1E E E P R O M9 3 C 4 54 位 獨 立按 鍵光 隔報 警 輸入5 5 5 定 時器4 位 L E D光 隔 D / A 輸 出變 頻 器 VV V F2 7 3 鎖 存M C 1 4 1 3 驅動繼 電器 組強 電 電路傳 感 器P 2 口P 2 口P 0 口P 0 口R S TT X DR X DP 3 . 3外 部 報 警 圖 25 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件結構框圖 下面詳細介紹一下各部分硬件電路的組成和功能。 系統(tǒng)的顯示部分 在單片機應用系統(tǒng)中， LED 顯示常用兩種方法 :靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個 LED 都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/0 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中 CPU 的開銷小?？梢蕴峁﹩为氭i存的 I/0 接口電路很多，我們這里用到的是常用的串并轉換電路74HC164，來與 AT89C51 單片機和共陰極數(shù)碼管 LED 組成靜態(tài)顯示電路。 本恒壓供水系統(tǒng)的顯示部分就是采用 AT89C51 單片機與 74HC164 的靜態(tài)顯示接畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 25頁 口電路。具體電路如圖 27 所示。采用 4 片 74HC164 分別驅動 4 片 LED, LED 的顯示方式為靜態(tài)顯示方式， AT89C51 的串行口工作于方式 0，即移位寄存器方式。把AT89C51 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線， TXD 作為移位時鐘脈沖。 TA89C51 單片機芯片如下圖： 圖 2—6 AT89C51 單片機芯片 AT89C51 內部有 4K 閃爍存儲器，芯片本身就是一個最小系統(tǒng)。這重芯片構成的最小 系統(tǒng)，簡單可靠，與 8031 系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)省去了外擴展存儲器的工作。但本系統(tǒng)也有不足，就是該最小系統(tǒng)只能應用與一些數(shù)字量的檢測單元，如本設計。 本設計還用到一些其他組成部分： 74HC164 為 TTL 單向 8 位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中 A,B(第 1, 2 腳 )為串行數(shù)據(jù)輸入端， 2 個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，有一個輸入信號時可并接。 T(第 8 腳 )為時鐘輸入端，可連接到串行口的 TXD 端。每一個時鐘信號的上升沿加到 T 端時，移位寄存器移一位， 8 個時鐘脈沖過后， 8 位二進制數(shù)全部移入 74HC164 中。 R(第 9 腳 )為復位端，當 R=0時，移位寄存器各位復 0，只有當 R=1 時，時鐘脈沖才起作用。 Q1..Q8(第 36 和 1013引腳 )并行輸出端分別接 LED 顯示器的各段對應的引腳上。在給出了 8 個脈沖后，最先進入 74HC164 的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，然后再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出。從電路圖中我們可以看到， 4 片 74HC164 首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當輸入 8 個脈沖時，從單片機 RXD 端輸出的數(shù)據(jù)就進入到了第一片 74HC164 中了，而當?shù)诙€ 8 個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進入了第二片 74HC164，畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 26頁 而新的數(shù) 據(jù)則進入了第一片 74HC164，這樣，當?shù)诹鶄€ 8 個脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最左面的 74HC164 中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一、二、三片 74HC164中。這樣就完成了 LED 的顯示功能。 按鍵接口電路的設計 本系統(tǒng)采用獨立式按鍵，獨立式按鍵的各按鍵相互獨立，每個按鍵都有一個輸入線，各按鍵的狀態(tài)互不影響， CPU 需對按鍵狀態(tài)分別檢測，只適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立按鍵與單片機接口電路如圖 28 所示。 在此電路中，按鍵輸入部分采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時， I/O口線有確定的電平。 在掃描 時，先讀取 PO 口的低四位，若某位為低電平，應先延時 10ms，然后再讀取該位，如果讀得的值仍為低電平，可確認此鍵已按下，然后調用該鍵的按鍵處理子程序，各鍵的優(yōu)先級別由軟件安排。 單片機借口電路與 MC1413 集成電路 + 5 vA T 8 9 C 5 1P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 0 圖 27 按鍵與單片機接口電路圖 MC1413 為七達林頓結構非門，具有集成度高、性能可靠、靜態(tài)功耗電流低、抗干擾能力強等特點，其工作電壓范圍 318V，輸出電流 200mA，由于輸入阻抗高，故輸入電流在 1 uA 以下，最高時鐘頻率可 達 l0MHz 。利用 MC1413 和繼電器組形成簡單的 “01”裝置來控制水泵電機的起停和報警信號。 EEPROM93C46 在供水控制器中的應用 畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 27頁 93C46提供 1024位串行 EEPROM，它有省空間的 8腳 PDIP,8腳 JEOE和 EIAJSOIC封裝形式，其 8 腳 PDIP 封裝。 93C46 是一個有 128 字節(jié)的串行 EEPROM，可以是 8 位或 16 位的存儲模式。當6 管腳與 8 管腳（ Vcc)相連時，內部組態(tài)為 64*16 位，當 6 管腳與 5 管腳 (GND )相連時，內部組態(tài)為 128*8 位。用來保存開機設定時的原始參數(shù)，這樣 當系統(tǒng)掉電時，設定的數(shù)據(jù)能永久保存，再開機上電時無需再重新設定參數(shù)，即可以運行于掉電前的狀態(tài)。如果我們不使用 Plug and Play 方式，那么從 12h 到 7fh 地址空間可以用來存儲用戶自己的數(shù)據(jù) .用戶可以在 127f 里寫入任何的數(shù)據(jù) .這樣就可以節(jié)省用戶自己的EEPROM。 定時復位電路 C SS KD 0D 1V C CG N D1234 5678 V C C G N DD I S C T R I GT H R E O U TC V R E S E T 圖 28 EEPROM93C46 圖 29 定時復位電路 采用 NE555 組成的硬件定時復位電路，可以有效 防止程序死機現(xiàn)象提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。 (如圖 211 所示 )復位電路每一秒鐘向 AT89C51 的 RESET 端發(fā)出復位信號。根據(jù)程序的需要，通過 AT89C51 的 可以隨時控制復位電路的起動和停止，當 =0 時 NE555 的 2 引腳為低電平，停止復位 :當 =1 時 NE555 的 2 引腳為高電平，起動復位。 鎖存電路 74LS273 用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存， (如圖 210 所示 )同時在 74LS273 的CLEAR 管腳外接了 RC 電路，用于開機上電時清零以防止輸出狀態(tài)被干擾。 74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)硬 件鎖存， (如圖 210 所示 )同時在 74LS273 的 CLEAR 管腳外接了 RC 電路，用于開機上電時清零以防止輸出狀態(tài)被干擾。 數(shù)模 (D/A)和模數(shù) (A/D)轉換電路 由于系統(tǒng)要求的響應速度并不快，因此系統(tǒng) A/D 輸入采用 8 位串行 TLC0831 逐畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院