【正文】 ..................................................... 35 恒壓值的仿真 .............................................................................................. 37 6 結(jié)論 ................................................................ 39 7 總結(jié)與體會 .......................................................... 40 8 謝辭 ................................................................ 41 9 參考文獻 ............................................................ 42 附 1 系統(tǒng)的原理電路圖 ................................................... 43 附 2 系統(tǒng)的相關(guān)程序 ..................................................... 43 附 3 外文文獻翻譯 譯文 .................................................. 51 附 4 外文文獻翻譯 原文 ................................... 錯誤 !未定義書簽。用戶可以自行設(shè)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(shè)計在同類產(chǎn)品中脫穎而出?；趩纹瑱C的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 摘 要： 本設(shè)計是在深入研究當(dāng)前多種恒壓供水方案的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出“定頻副電機 +變頻 主電機 +低端 MCU”的低成本高效能恒壓供水方案。設(shè)計通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) (PID)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值。使用 Keil C 和 Proteus 等先進 EDA 軟件進行了高效率地設(shè)計實現(xiàn)和仿真驗證。 第 頁 1 1 前言 近年來，隨著居民區(qū)的不斷擴建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來水管網(wǎng)的壓力 出現(xiàn)不足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題，給生活帶來極大不便。 針對上述問題，本文研制了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) (PID)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值。也就是根據(jù)用水量的大 小，由供水控制器控制水泵數(shù)量以及變頻器對水泵的調(diào)速，來實現(xiàn)恒壓供水。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱，水塔 ,水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。這種用水難問題在大城市表現(xiàn)尤為突出。 設(shè)計目標(biāo) 該系統(tǒng)主要以單片機為主控模塊，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值，實現(xiàn)恒壓供水。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱或水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。 實施計劃 3月下旬至 4月初，查閱和收集文獻資料； 4月初至 4月中旬，提出設(shè)計方案，并對方案進行比較和論證，選出最佳方案； 4月中旬至 5月初，完成硬件電路設(shè)計； 5月初月至五月中旬完成相關(guān)軟件編程； 5月中旬至 5 月底 進行系統(tǒng)的模擬測試； 6月上旬撰寫設(shè)計報告，并準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯。下面我將首先對這三種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因。如圖 21 所示，以 80C196 為核心構(gòu)成控制器，將設(shè)定值與壓力反饋值進行 PID運算。 方案二 方案二系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副兩個水泵電機及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化智能設(shè)備。從下圖中我們可以看到，自動恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與供水控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定 供水壓力和節(jié)約電能的目的。如圖 23。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展變頻器的功能也越來越強。國外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。這 些產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。系統(tǒng)通過壓力傳感器將電器部分與泵組聯(lián)系起來，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。 方案二整個系統(tǒng)的具體工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器，將供水管網(wǎng)的非電量信號 (動態(tài)壓力 )轉(zhuǎn)變成電信號，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號經(jīng)單片機運算處理后與設(shè)定的信號進行比較運算，得出偏差 值，再經(jīng)過 PID處理得出最佳的運行工況參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號，由系統(tǒng)的輸出部分輸出變頻器的頻率設(shè)定值至變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)管網(wǎng)內(nèi)的實際壓力值趨向于設(shè)定壓力值，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。系統(tǒng)通過計算判定目前是否己達(dá)到設(shè)定壓力，決定是否增加 (投入 )或減少 (撤出 )水泵。反之，若管網(wǎng)水壓大于預(yù)設(shè)水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)頻率低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保待恒定。系統(tǒng)系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、主副兩個水泵電機及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成。單片機經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力進行比較，得出偏差值，再經(jīng) PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換變成0— 5V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管道壓力的目的。其變過程可以表示如下：檢測壓力（下降）――控制器輸出（上升）――變頻器頻率（ 上升）――電機轉(zhuǎn)速（上升），反之相反，最終達(dá)到恒壓。此種類型供水設(shè)備的花費不光體現(xiàn)在變頻器上，還體現(xiàn)在 PLC上，市場上 PLC的價格也要高于單片機的價格。整個操作過程都必須有專業(yè)人員的界入。綜上所述，其有下面兩個缺點。 2．調(diào)試不方便，需要專業(yè)人事到現(xiàn)場進行調(diào)試，這也增加了人力的投入資本。其輸出頻率的大小由作用 MCU處理器控制，使電機的轉(zhuǎn)速自動增加或降低；當(dāng) 變頻主 電機由 變頻器 拖動運行至 最大頻率 ，壓力 如還 不能達(dá)到設(shè)定的壓力值 ，則 MCU自動 啟動 定頻副 電機， 以期 保持供水壓力恒定。采用變頻控制方式；其操作方便，無須手動調(diào)節(jié)進水閥門；啟動噪音低，由于啟動電流很小，減小了對電網(wǎng)的沖擊，保護了用電設(shè)備 。 第 頁 7 3 單元模塊設(shè)計 本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具 體說明如下。本次設(shè)計采用壓電傳感器來測量水管壓力。當(dāng)它受到壓力作用時，應(yīng)變元件的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。當(dāng)受到壓力作用時，一對橋臂的電阻變大，而另一對橋臂電阻變小，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電壓。另外壓阻式傳感器還有易于微型化，測量范圍寬，頻率響應(yīng)好（可測幾千赫茲的脈動壓力）和精度高等特點。目前大多數(shù)硅壓阻式傳感器已將溫度補充電路做在傳感器中，從而使得這類傳感器的溫度系數(shù)小于177。如圖 31所示。該時鐘電路由兩個電容和一個晶體振蕩器組成。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。單片機工作的速度是由時鐘電路提供的。電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定 ，也可以參考一些典型電路的參數(shù)。 10pF；石英晶體選擇 6MHz或 12MHz都可以。 復(fù)位電路的設(shè)計 單片機的 RST引腳為主機提供一個外部復(fù)位信號輸入端口。復(fù)位后，單片機內(nèi)部各部件恢復(fù)到初試狀態(tài)，單片機從 ROM的 0000H開始執(zhí)行程序。許多人在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功 后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使 RST保持高電平。本次設(shè)計采用上電自動復(fù)位電路。 按鍵接口模塊設(shè)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。在掃描時，先讀取 P0口的四位，若某位為低電平，應(yīng)先延時 l0ms，然后再讀取該位，如果讀得的值仍為低電平，可確認(rèn)此 鍵已按下，然后調(diào)用該鍵的鍵處理子程序，各鍵的優(yōu)先級別由軟件安排。在電路仿真當(dāng)中，為了體現(xiàn)效果，把最小步進臨時改成了 5。按下設(shè)置鍵后，系統(tǒng)顯示出設(shè)定的壓力值，如果對設(shè)置的水壓進行調(diào)整，通過增減鍵，可以進行單位為 5的調(diào)整。 【啟停鍵】功能：啟動 /停止，執(zhí)行開始自動運行和停止功能； 第 頁 10 【設(shè)置鍵】功能：設(shè)置，與【加一鍵】和【減一鍵】鍵配合對壓力進行調(diào)整，開始設(shè)置。 【減一鍵】鍵功能： 1，與【設(shè)置鍵】鍵配合對壓力進行調(diào)整，【減一鍵】 鍵每 按下一次則進行數(shù)據(jù)進行 1操作。然而，在實際應(yīng)用中，遇到的大都是連續(xù)變 化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 由于壓力傳感器傳過來的信號為模擬信號，在接入前要加 A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本次設(shè)計采用常用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809. 如圖 35所示。這樣可以在輸出的同時，采集下一個數(shù)字量，以提高轉(zhuǎn)換速度 。 第 頁 12 顯示模塊設(shè)計 但片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進行人 — 機對話。顯示器、鍵盤電路就是用來完成人機對話的人 — 機通道。若選擇靜態(tài)顯示，則 LED驅(qū)動器的選擇較為簡單，只要驅(qū)動器的驅(qū)動能力與顯示器電流相匹配即可。動態(tài)顯示則不同， 由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段選和位選信號共同配合完成的，因此，要同時考慮段和位的驅(qū)動能力，而且段的驅(qū)動能力決定位的驅(qū)動能力。 L1L2L3L4LALBLCLDLELFLFLGLDPA02B018A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711CE19AB/BA1U47 4 L S 2 4 5 圖 37 顯示模塊電路 電機控制設(shè)計 壓力傳感器將壓力信號經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，如果壓力和設(shè)定壓力有偏差，單片機將控制變頻器調(diào)頻使壓力值穩(wěn)定， 當(dāng) 變頻主 電機由 變頻器 拖動運行至 最大頻率 ，壓力 如還 不能達(dá)到設(shè)定的壓力值 ，則 MCU自動 啟動 定頻副 電機， 以期 保持供水壓力恒定。 第 頁 13 M2M1R L ?5VQ12 N22 2 265412U3O P T O CO UP L E R NP ND5DI O DE副電機繼電器R L 6 65VQ 6 62 N22 2 265412U 6 6O P T O CO UP L E R NP ND 5 5DI O DE主電機繼電器 圖 38 電機控制電路 穩(wěn)壓電源模塊 大部分的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個穩(wěn)定的直流電源提供能量，而且對于我們通常所接觸的控制器而言，一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動、干擾成分，提供一個穩(wěn)定的直流電壓，來使 電子電路與電子設(shè)備保持正常的工作。固定式三端穩(wěn)壓電源 (7805)是由輸出腳 Vo,輸入腳 Vi和接地腳 GND組成 ,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于 CW78xx系列的穩(wěn)壓器 ,輸入端接電容可以進一步的濾波 ,輸出端也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響 ,此電路的穩(wěn)定性也比較好 。故本次設(shè)計電源電路需要采用擴流電路，如圖 39。因為 7805的的最大輸出電流為 ，當(dāng) Io取 ，則穩(wěn)壓器的擴展后的輸出電流為 3A，加一只二極管 VD與 R1并聯(lián)，把外接整流管的 VT1的發(fā)射結(jié)電阻限制在 ，當(dāng)輸出電流超過額定植時，保護電阻 R2上的壓降增大，必然會使 VT1的 Vbe減小，從而使 VT1的輸出電流減小，以至不導(dǎo)通，這樣便達(dá)到了保護外接管的目的。 特殊器件的介紹 本系統(tǒng)中主要使用了如下一些功能器件： DAC0832,ADC0809, 變頻器。 變頻器介紹 通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。