【導讀】副電機+變頻主電機+低端MCU”的低成本高效能恒壓供水方案。設計通過控制變頻器的輸出。用戶可以自行設定水管中的水壓，低功耗低噪音高性能高壽命的特點使得本。設計在同類產(chǎn)品中脫穎而出。使用KeilC和Proteus等先進EDA軟件進行了高效率地設計。實現(xiàn)和仿真驗證。

　　

【正文】 要求外接上拉電阻。 P1口： P1 口是一個帶上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4個 TTL邏輯門電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 Flsah 編程和程序校驗期間， P1 就收低 8 位地址。 P2口： P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2的輸出緩沖級可驅(qū)動 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸 入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口線上的內(nèi)容，在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時， P2亦就收高位地址和其它控制信號。 P3口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動 4個 TTL 邏輯門電路。對 P3口寫入 1 是，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并作為輸入口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 表 33 P3 口第二功能 端口引腳 第二功能 串行輸入口 串行輸出口 外中斷 0 外中斷 1 定時 /計數(shù)器 0 定時 /計數(shù)器 1 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3口還接受一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST:復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 EA/VPP：外部訪問允許。 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器， EA端必須保持低電平。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 第 23 頁 Flash 存儲器編程是，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 . 各單元模塊的聯(lián)接 完成各模塊的設計后，模塊按照功能的不同連接成整體的電路圖。各模塊的具體聯(lián)接圖見附錄一。 第 24 頁 4 軟件設計 軟件設計原理及設計所用工具 軟件的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，框圖，先制定各部分程序的流程圖，然后再根據(jù)流程圖編寫各部分程序，通過調(diào)試各部分程序運行正確無誤后，再進行主程序的調(diào)試，看是否能實現(xiàn)預期的功能。 系統(tǒng)能否完全正常工作，最主要的也是最關鍵的是看軟件程序是否正確，它關系到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，可以說，軟件是一個系統(tǒng)的靈魂。 本設計所使用的軟件工具如下： ： KeilC51； ： C/C++。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出 品的 51系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)， 是目前最流行開發(fā) 80C51 系列單片機的軟件，提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ micro。Vision）將這些部份組合在一起。 與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編 代碼，就能體會到 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Keil C51 語言編譯工具都是以 ANSLC 作為基礎進行開發(fā)的，因此，一種 C 語言環(huán)境下所編寫的 C 語言程序，只需將部分與硬件相關的地方和編譯連接的參數(shù)進行適當修改 ,就可方便移植到另外一種系列上。也就是說，基于 C 語言環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)能基本達到平臺的無關性。 用 C 語言開發(fā)的代碼便于開發(fā)小組計劃項目 ,靈活管理 ,分工合作以及后期維護，基本上可以杜絕因開發(fā)人員變化而給項目 進度 ,后期維護或升級所帶來的影響。從而保證整個系統(tǒng)的品質(zhì)，可靠性以及可升級性。 主程序流程圖 恒壓供水控制器對生活供水、消防供水系統(tǒng)進行監(jiān)控，要求軟件具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，檢測信號準確，有良好的動靜態(tài)性能，該軟件按結構化流水設計，分為若干功能部分，采用 C 語言編寫。本設計的軟件主程序用來動態(tài)顯示系統(tǒng)的壓 第 25 頁 力，壓力的采樣和系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)都在中斷處理程序中 , 主流程圖如圖 41： 圖 41 主程序流程圖 T0中斷服務程序 主要包括： A/D 轉(zhuǎn) 換程序； D/A 轉(zhuǎn)換程序；控制程序。 程序流程圖如下：如圖 42示，變頻器控制 M1 電機， M2 電動機由單片機控制，其標志位為 M2。 1． A/D 轉(zhuǎn)換子程序 其主要任務是把壓力傳感器檢測的壓力轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并送入單片機處理，程序見附錄。 2． D/A 轉(zhuǎn)換子程序 其主要任務是把經(jīng) PID 處理過的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，來控制變頻器輸出電壓的頻率，來控制水泵的轉(zhuǎn)速，以達到控制供水壓力的目的。 主程序初始化 ,開 T0中斷 ,設置 T0 為 10ms 的中斷 壓力的動態(tài)顯示 按鍵處理子程序 Y N 是否鍵按下 開始 第 26 頁 圖 42 T0 中斷服務程序流程圖 讀 A/D 轉(zhuǎn)換器 返回 Y 進入 T0中斷 PID 調(diào)節(jié) 是否為最大值 標志位 M2 是否為 1 是否為最小值 標志位 M2 是否為 1 N Y Y 置標志位 M2 為1， (開 M2 電機 )。 PID 調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)送 D/A 轉(zhuǎn)換器 清標志位 M2 為 0 ,(關 M2 電機 ) N N N N Y 第 27 頁 3． PID 調(diào)節(jié)程序 本設計就是通過單片機實 現(xiàn)的 PID 調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)水壓的恒定，并自動調(diào)節(jié)水泵的數(shù)量。 在工業(yè)控制過程中，目前采用最多的控制方式仍然是 PID 方式。 PID 有幾個重要的功能：提供反饋控制；通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差：通過微分作用預測將來。由于PID 控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)，另一方面是因為 PID 控制器允許工程技術人員以一種簡單而直接的方式來調(diào) 節(jié)系統(tǒng)性能 ，其程序見附錄。 數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。隨著計算機技術的發(fā)展，在控制工程中，用計算機 PID 控制算法來實現(xiàn)數(shù)字 PID 控制器 ，組成計算機控制系統(tǒng)?？梢造`活的改變 PID 參數(shù)，同時可以改變控制策略來達到控制目的。這是模擬 PID 控制器中所無法實現(xiàn)的。這里所說的控制策略是數(shù)字 PID 的改進算法，如積分分離 PID 控制算法、不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和帶死區(qū)的 PID 控制算法等。在各個控制階段采取各種控制方法，以此來獲得控制目標。本設計采用 增量式 PID 控制，下面把增量式 PID 控制算法介紹一下： 1) 增量式 PID 控制算法 所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 Δu(k)。離散的 PID 表達式為： ?? ????? kj DIP kekeKjeKkeKku 0 )]1()([)()()( （ 41） 當執(zhí)行機構需要的是控制量的增量 (如驅(qū)動步進電機 )時，可由式 (41)導出提供增量的 PID 控制算法。根據(jù)遞推原理可得 )]2()1([)(K1)e ( kK1)u ( k 1k 0jIP ?????? ?? kekeKje D （ 42） 用式 (41 )減去 (42 )，可得 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku DIP )]1()([)()( ???????? kekeKkeKkeK DIP （ 43） 其中： 1)e(ke(k ) e(k ) ?? 式 (43)稱為增量式 PID 控制算法。 可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了 KP， KI，KD，只要使用前后三次測量值的偏差，即可有 (43)求出控制增量。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量 Δu(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量。對應閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用如上算式并通過執(zhí)行軟件來完成。 第 28 頁 獨立按鍵程序設計 1） 程序設計思路 按鍵接收子程序主要是實現(xiàn)對當前設定壓力的調(diào)整。根據(jù)按鍵電路的設計可知，當【 SET】鍵按下時可以產(chǎn)生中斷請求， CPU 響應中斷請求時，則進 入該中斷服務程序。在程序中，將對當前設定的壓力進行調(diào)整，利用【 SET】、【 +1】和【 1】鍵配合使用，每次對【 +1】鍵的按下則進行累加；同樣對【 1】鍵按下則進行減 1 操作。 圖 43 鍵盤掃描程序流程圖 開 始 置無鍵按下（ P0 口 FFH）標志 進入鍵盤處理程 是否有鍵按下？ （讀 P0 口值） 調(diào)延時子程序 是否有鍵按下？ （再次讀 P0 口值） 確認有鍵按下 保存鍵值 Y Y N N 第 29 頁 2） 按鍵去抖動的處理 圖 44 按鍵處理程序流程圖 開始 為 F7H 否？ 為 EFH 否 為 FBH 否？ 為 DFH 否？ 讀鍵值（ P0 口） 置標志位 執(zhí)行 RUN 置標志位 執(zhí)行 SET 執(zhí)行 +1 執(zhí)行－ 1 返 回 Y N Y Y Y N N N N N 第 30 頁 由于機械觸點的彈性作用，在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為 5～ 10ms。而按鍵穩(wěn)定閉合 時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次，為了確保 CPU 對鍵的一次閉合僅作一次處理，按鍵的抖動可以用硬件或者軟件方法來消除。本次設計中采用軟件方法來消除按鍵抖動，具體的鍵盤掃描程序框圖如圖 43 所示。而按鍵處理的程序框圖如圖 44 所示。讀取 P0 口的值于（ 11000011）二進制數(shù)或運算再到鍵盤處理程序中處理，以屏蔽高兩位和低兩位對程序的影響。 LED 動態(tài)顯示程序模塊的設計 在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得 LED 顯示比較均勻，又有足夠的亮度，需要設置適 當?shù)膾呙桀l率。當掃描頻率在 70Hz 左右時，能夠產(chǎn)生足夠的圖形和較好的顯示效果。一般可以采用時間間隔 10ms 對 LED 進行動態(tài)掃描一次，每一位 LED 的顯示時間為 1ms。在單片機中，定時器功能既可以由硬件（定時 /記數(shù)器）實現(xiàn)，也可以通過軟件定時程序?qū)崿F(xiàn)。軟件延時程序占用 CPU 的時間，因此，它降低了 CPU 的利用率；硬件定時是利用單片機片內(nèi)定時器，啟動以后定時器可與 CPU 并行工作，不占用 CPU 的時間，使得 CPU 有較高的工作效率。 本設計采用硬件定時和軟件定時并用的方式，即用定時器 1溢出中斷功能實現(xiàn) 10ms定時，通過軟 件延時程序?qū)崿F(xiàn) 1ms 的定時。 T1 定時器中斷服務程序的功能，從顯示緩沖區(qū)分別取出 4 位 LED 顯示數(shù)據(jù)的位碼和段碼，送 P0 口，依次顯示每一位，顯示 4 位需要 4ms 的時間。在設定時間時候，對當前需要調(diào)整的設定值應具有閃爍功能，用來提醒當前處于設置狀態(tài)。 第 31 頁 5 系統(tǒng)調(diào)試 本章對系統(tǒng)的各模塊進行了仿真調(diào)試。 保護現(xiàn)場關 T1 中斷 把 DATA1 中數(shù)據(jù)寫到 DATA 中 根據(jù) CLK，送位選 COM 端 恢復現(xiàn)場，開 T1 中斷，恢復 T1 初值 返回 四位顯示是否結束 Y N COM＋ 1 圖 45 LED 動態(tài)顯示程序程序流程圖 進入 T1 中斷 第 32 頁 Proteus 仿真軟件介紹 Proteus 軟件是 Labcenter Electronics 公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、 ARES 等軟件 模塊， ARES 模塊主要用來完成 PCB 的設計，而 ISIS 模塊用來完成電