【導讀】變頻調(diào)速技術概況················································································1. 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義········································1. 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析························································

　　

【正文】 。 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 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 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圖 41 系統(tǒng)構成原理圖 Figure 41 System structure diagram 圖 42 AT89C51引腳分布 Figure 42 Pin designation of AT89C51 吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 15 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 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編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個 TTL門電流。當 P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序 存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反 向振蕩器的輸出。 反饋壓力檢測電路 系統(tǒng)壓力檢測電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設定電位器和 0809A/D轉換器等組成。壓力檢測電路如圖 43 所示。反饋壓力采集程序如下。反饋壓力采集程序如下： MOV DPTR,5000H DPTR 指向 0809 通道 0 地址 MOVX @DPTR,A 啟動該通道 A/D 轉換 吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 16 UP: MOV A ,PI 讀轉換狀態(tài) EOC JNB ACC5,UP EOC≠ 1 未轉換完，等待 MOVX @DPTR,A 轉換完讀回壓力值 MOVX 48H,A 結果存入 48H 輸出控制電路 系統(tǒng)在運行中，將壓力設定值和反饋值進行比較后再按 PID 算法進行計算，在將計算算結果 u（ k） 經(jīng) 0832D/A 轉換后變成模擬控制電壓信號，再作用于交流變頻調(diào)速器。變頻調(diào)速器按其控制信號 u（ k） 的大小來調(diào)節(jié)水泵的速度，以達到恒壓的目的。輸出控制電路如圖 44 所示。 CPU訪問 0832D/AZ轉換器的輸出控制程序 如下 MOV DPTR,2021H DPTR 指向 0832 地址 MOV A ,25H 取控制信號 u（ k）送 A MOVX @DPTR,A 輸出該控制信號 圖 43反饋壓力檢測電路 Figure 43 Detection circuit of feedback pressure 圖 44 輸出控制電路 Figure 44 Control circuit of output I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b 2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10A D C 0 8 0 9R3R9R 1 0R8R4R5R 1 63264157C1V D 1V R 1V R 2V R 3壓力變送器輸入壓力設定電位器4 2 0 m A I NVcc20I o u t 111l s b D I 07I o u t 212D I 16D I 25R f b9D I 34D I 416V r e f8D I 515D I 614m s b D I 713I L E19W R 218CS1W R 12X f e r17D A C 0 8 3 2V R 5V R 4R 1 5R 1 712348K 9 A 56748K 9 B至變頻器4 2 0 m A O U TR E F C8V47E P I I6I05VI1G N D2A D M3D H F4吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 17 控制輸入電路 控制輸入電路主要負責整個系統(tǒng)的控制，包含一些控制信號及開關命令。為了 減少強電回路的影響，電路需通過光電耦合電路進行隔離。控制輸入電路如圖 45 所示。 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及 Watchdog 電路 Watchdog電路，又叫 Watchdog timer， 俗稱“看門狗”。 是一個定時器電路。在由單片機構成的微型計算機系統(tǒng)中 ,由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾 ,造成程序的跑飛 ,而陷入死循環(huán) ,程序的正常運行被打斷 ,由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作 ,會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài) ,發(fā)生不可預料的后果 ,所以出于對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮 ,便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片，即Watchdog。 Watchdog 電路電路的應用 ,使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作 ,其工作原理是 :Watchdog 芯片和單片機的一個 I/O 引腳相連 ,該 I/O 引 腳通過程序控制它定時地往Watchdog的這個引腳上送入高電平 (或低電平 ),這一程序語句是分散地放在 Watchdog其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段 進入死循環(huán)狀態(tài)時 ,寫 Watchdog引腳的程序便不能被執(zhí)行 ,這個時候 , Watchdog電路就會由于得不到單片機送來的信號 ,便在它和單片機復位引腳相連的引腳上送出一個復位信號 ,使單片機發(fā)生復位 ,即程序從程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行 ,這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復位[23]。 O P T O I S O 11 N 4 1 4 8R1R 1 3R 1 1R212 34D C S S R12 34D C S S R控制輸入圖 45 控制輸入電路 Figure 45 Control circuit of input 吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 18 Watchdog有硬件和軟件兩種。硬件 Watchdog是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說 PC 指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復位 [24]。常用的 WDT 芯片如 MAX813 ,5045, IMP 813 等。軟件 Watchdog技術的原理和硬件差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn)。本文所用為硬件 Watchdog，所以對軟件的原理及設計思路不作表述。 本文采用 MAX813 作為 Watchdog電路主芯片。 MAX813 是具有監(jiān)控電路的微處理芯片，它具有獨立的 Watchdog計時器，如果輸入在 內(nèi)無變化就會產(chǎn)生輸出； 當 掉電或電源電壓低于 ，產(chǎn)生掉電輸出 . 基于 MAX813 的具體電路設計如圖 45 所示。 5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計 假設供水系統(tǒng)共有 2 臺水泵 , 其中水泵 1 為變頻運行 ,水泵 2 為工頻運行 , 由接觸器分別啟動或停止 , 單片機通過繼電器控制接觸器的工作。軟件設計如下 : 單片機接口地址分配和控制端口功能 A/D轉換器 ADC0809 : 80XXH～ 87XXH。 壓力傳感器為 IN0 通道 , 設定電位器為IN1 通道。 D/A轉換 器 DAC0832 : 08XXH。 水泵 1 繼電器控制 :當 =0時 水泵 1開 。當 =1時 , 水泵 1停。 水泵 2 繼電器控制 :當 =0時，水 泵 2開 。當 =1時 ,水泵 2停。 開機命令 :當 =0時 ,系統(tǒng)開始工作 , 當 =1時 ,系統(tǒng)停止工作 。 軟件程序設計 變頻調(diào)速 恒壓供水系統(tǒng)的單片機控制器軟件包括主程序、控制量計算子程序、繼電器控制子程序、 A/D 轉換子程序、演示子程序等。 主程序包括系統(tǒng)初始化，開機命令的檢測等，程序框圖見圖 51。 圖 46 Watchdog電路 Figure 45 Watchdog circuit 1 N 4 1 4 8R 1 2R7R6W D O8R S T7W D I6PFO5MR1V C C2G N D3PFI4M A X 8 1 3吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 19 T1 中斷服務程序包括了除主程序以外的所有子程序的管理和應用，如壓力檢測、繼電器控制等。程序框圖圖見圖 52。 圖 51主程序框圖 Figure 51 Block diagram of main program 圖 52 中斷服務程序框圖 Figure 52 Block diagram of interrupt service routine 吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 20 A/D轉換采用定時轉換方式 ,啟動 A/D后 ,用軟件延時 150μs,再讀出轉換結果。 繼電器控制子程序完成水泵 2的運轉和停止控制。由于變頻器的控制量與水泵 1的運轉速度直接相關 ,因此程序根據(jù)變頻器的控制量大小就可判斷水泵 1的工作狀態(tài)。如控制量為零 ,說明系統(tǒng)壓力過高 ,水泵 1已經(jīng)調(diào)至最低轉速 ,這時需要水泵 2停止工作 。如果控制量為最大值 ,說明系統(tǒng)壓力過低 ,水泵 1已經(jīng)調(diào) 至最高轉速 ,這時需要水泵 2投入運行。由于供水系統(tǒng)壓力的變化慣性較大 ,所以當控制量出現(xiàn)最大值或最小值后 ,需延時一段時間 ,在延時階段經(jīng)過反復測量 ,如果控制量一直不變 ,再進行切換。系統(tǒng)多于 2臺水泵時 , 切換原理相同 , 但需增加判斷多臺水泵開、停狀態(tài)的循環(huán)判斷程序。 繼電器控制子程序框圖見圖 53。 控制量計算子程序包括變頻器控制量的計算和控制量的輸出 ,其中控制規(guī)律采用PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。 控制量計算子程序框圖見圖 54。 圖 53 繼電器控制子程序框圖 Figure 53 Block diagram of relay control subroutine 圖 54 控制量計算子程序框圖 Figure 54 Block diagram of control variable calculation subroutine 吉林農(nóng)業(yè)大學學士學位論文（設計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計 21 6 結論 本文在分析變頻調(diào)速原理及變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的節(jié) 能情 況的基礎上，結合我國供水的現(xiàn)狀，提出了一個 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設計方案 。 與傳統(tǒng)供水方式相比，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)最大的特點就是采用改變電源供電頻率的方式調(diào)節(jié)水泵轉速，從而改變供水量。由對電機特性的分析可知，通過改變轉速節(jié)流調(diào)壓，比傳統(tǒng)方式 用閘閥增加阻力節(jié)流 消耗功率更小，節(jié)能效果明顯。 由電子系統(tǒng)控制 供水 壓力 恒定 比傳統(tǒng)的人工控制更加穩(wěn)定準確，同時系統(tǒng)為自適應平衡調(diào)節(jié)，比之傳統(tǒng)方式對水壓變化的反應也更迅速，所以 大大提高 了 供水質(zhì)量。 另外系統(tǒng) 供水壓力可根據(jù)需要自行隨意調(diào)節(jié)， 因而對不同 工作環(huán)境 的適應性也非常出色 。 本文所設計的 供水 系統(tǒng)采用單片機控制。與大多數(shù)基于 PLC 的同類系統(tǒng)相比，雖然 在 功能 上 不夠強大 ， 穩(wěn)定性 也 欠佳，但 是 單片機成本低廉，體積小重量輕 ，系統(tǒng) 硬件設計中又加入了 Watchdog電路 及控制電路的 光電耦合隔離 ，提高了穩(wěn)定性 ，所以仍然有很高的應用價值。 整個 系統(tǒng)結構簡單，易于大規(guī)模使用和維護 ，可廣泛應用于 對供水質(zhì)量沒有 復雜要求的一般供水系統(tǒng)，應用前景十分廣闊。 參考文獻 [1] 李華 .變頻調(diào)速應用手冊 ,機械工業(yè)出版社， 2021. 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