【正文】 但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品、 ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond 系列單片機。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，以其價低質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一 定的市場份額。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，而不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補、相輔相成、共同發(fā)展的道路。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。 （ 2） 在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 3 （ 3） 在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音 響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 （ 5） 單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床 呼叫系統(tǒng)等等。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。 [5] 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。 [6] 在單片機的控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，需要把控制現(xiàn)場的各種狀態(tài)信息輸入到單片機， [18]由單片機按控制要求、對系統(tǒng)的各種狀態(tài)進行處理，并輸出相應(yīng)的控制命令到執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對機電系統(tǒng)的自動控制。 [7] 傳統(tǒng) 水泵在生活中 的應(yīng)用 在智能恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。 （ 1） 恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 4 但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開、停頻率等有關(guān)。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大 。而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。 （ 3）恒速泵加高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設(shè)計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。 （ 4）恒速泵 氣壓罐供水 方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的起停。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進入而被污染的可能性。但由于氣壓罐供水依賴于氣體的可壓縮性，同時氣壓罐也不能無限加大容積，所以水泵啟停頻繁，管網(wǎng)壓力波動較大，一般相差 0． 1MPa，約 10m 水柱。相對與傳統(tǒng)的高位水箱和供水水塔，壓力罐供水具有體積小、造價低、供水壓力大、自動化程度高和易于解決冬季保溫防凍等優(yōu)點，近年來應(yīng)用日益廣泛。在 水泵供水領(lǐng)域能否應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，在節(jié)能降耗的同時改善水泵性能，提高供水 品質(zhì)就成為研究方向。在水泵供水 領(lǐng)域能否應(yīng)用 智能控制 技術(shù)，在節(jié)能降耗的同時改善水泵性能，提高供水 品質(zhì)就成 為研究方向。 1．變頻調(diào)速供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備是一種在保持供水壓力不變（理想狀態(tài)）的情況下，按需供水的新型自動供水設(shè)備。變頻調(diào)速控制柜通過壓力傳感器采集用戶管網(wǎng)的供水壓力，進行 PID運算，使用戶管網(wǎng)的供水壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力的一定范圍內(nèi)，這就是變頻調(diào)速恒壓供水的原理。目前變頻器多為進口設(shè)備，所以初次投資費用一般稍高，但隨著技術(shù)進步，市場競爭，價格會逐新下降，運行費用可與水泵水箱聯(lián)合供水持平。由于變 頻供水是水泵通過變頻器調(diào)整泵轉(zhuǎn)速達到流量調(diào)節(jié)目的的，其流量設(shè)計每秒流量范圍為 0至系統(tǒng)最大流量。 變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種 :水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、供水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小的情況，整個供水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時，由于管路 能耗較大，在低峰用水時，最不利點的流出水頭高于設(shè)計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。是將每日 24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天 24小時分成的時段數(shù)及所需水泵出口壓力計算的精確程度。 (3)最不利點恒壓控制 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 6 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處，使系統(tǒng)在運行過 14程中保持最不利點的壓力恒定。 用戶在選購供水設(shè)備時，水泵的供水能力都是按用水峰值時段選型，否則無法滿足需要。要在保持供水壓力不變的情況下適應(yīng)這種變化，就必須調(diào)整水泵的供水量。 采用變頻調(diào)速恒壓供水控制柜改變水泵的供水量，自動適應(yīng)這種變化。即“多用水，多耗電”；“少用水，少耗電”。 變頻調(diào) 速恒壓供水設(shè)備是直供設(shè)備，水泵停機，用戶就停水，即便沒有用水，水泵也會低速運轉(zhuǎn)維持水壓。針對節(jié)能問題，供水設(shè)備內(nèi)含氣壓供水功能，需要小流量供水和維持管網(wǎng)水壓時，自動切換到氣壓自動供水程序，需要大流量供水時又自動切換到變頻調(diào)速恒壓供水程序。供水工程中水泵的流量及揚程，均是根據(jù)管網(wǎng)所需最大時供水量及供水壓力來選擇的。壓力水罐式供水既是將水泵輸入管網(wǎng)多余的水進入壓力水罐，使罐內(nèi)水位上升，壓力增大，當壓力升至電接點壓力表的控制上限時，觸點接通、電源接通、電源切斷、立即停泵；依靠罐內(nèi)的壓縮空氣將水壓入管網(wǎng)，水位降低壓力也隨之下降，當壓力降至電接點壓力表的控制下限時，觸點接通、電源接通、水泵啟動，輸入管網(wǎng)多余的水量又將進入壓力水罐，重復(fù)前述過程。 本文就是要設(shè)計智能壓力水罐控制系統(tǒng)用以解決如上的總總問題。 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 8 由上述公式可以看出，壓力水罐容積大小與下述因素有關(guān)： (1)所選水泵流量與管網(wǎng)實際時用水量的差值； (2)確定的電接點壓力表的最小值和最大值； (3)擬定的從最小控制工作壓力上升至最大控制工作壓力所用的葉問； (4)當水泵流量與管網(wǎng)實際時用水量相等時，所需壓力水罐的容積為零，此時電接點壓力表的讀數(shù)不變化。 分為體積流量：單位， m3/h， L/min 質(zhì)量流量：單位， t/h Ns（ RPM）： Ns=120*F/N F：頻率 N：電機級數(shù) 泵的功率通常指輸入功率，即原動機傳到泵軸的功率，又稱軸功率，用 P表示泵的有效功率又稱輸出功率，它是單位時間從泵中輸出去的液體在泵中獲得的有效能量。用 Pe表示 Pe=ρgQH/1000 泵的效率用 η表示 : η=Pe/P 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 9 3 水泵 智能控制系統(tǒng) 的組成及工作原理 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 31 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 圖 32 主回路及控制回路 壓力水罐智能恒壓供水系統(tǒng)由壓力水罐、接點式壓力表、單片機控制單元、信號轉(zhuǎn)換單元及水泵組等 5 部分構(gòu)成，如圖 3－ 1 示。控制部分由 MCS51 系列單片機為核心部件以及由固態(tài)繼電器、可控硅等基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 10 組成的信號轉(zhuǎn)換、變送功能和執(zhí)行 機構(gòu)。本文開發(fā)的系統(tǒng)其水泵組部分包括三臺交流異步電動機拖動的三臺離心式水泵。其中電路中串接有缺相保護電路等。該系統(tǒng)的控制單元和執(zhí)行機構(gòu)由單片機、以及由固態(tài)繼電器、可控硅等器件構(gòu)成。單片機控制調(diào)速供水系統(tǒng)控制原理如圖 33 示?？刂破骱诵臑?MCS－ 51 系列單片機，根據(jù)開關(guān)量信號與泵組的工作狀態(tài)，給出啟停信號控制泵組的配套電機的運轉(zhuǎn)與停機。 控制器與泵組間加軟起 動器，緩起緩?fù)Ｋ茫椒€(wěn)水壓，延長水泵壽命 該系統(tǒng)根據(jù)供水系統(tǒng)工作環(huán)境最大需要用水量，先選取系統(tǒng)配套泵組數(shù)量，由單片機取電接點壓力表的開關(guān)量信號，通過軟啟動器，應(yīng)用先起先停、先停先起原則，按需輪換啟停泵組的各臺泵機，最多全部泵投入工作，最少 0 臺泵工作，選取不同啟停輪詢時間參數(shù)，控制泵組在不同用水量情況下啟停，實現(xiàn)泵的循環(huán)平衡負載。這四個測量信號 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 11 將壓力水罐內(nèi)部壓力分為壓力上 限區(qū)： Pu1 P Pu2（ ） 壓力下限區(qū)： Ps1 P Ps2（ ） 為保證充足的水量供應(yīng)，本系統(tǒng)采用三臺水泵構(gòu)成的供水控制系統(tǒng)，具備同時控制三臺水泵的功能。系統(tǒng)有管道漏水、水源狀態(tài)、消防信號、遠傳表故障或欠壓超時和水位報警指示，可設(shè)定上限保護壓力，可設(shè)定泵的上電工作順序，并具有手 自動切換功能。 每臺水泵 的運行、停機時間在 LED 顯示器上實時顯示。為了使系統(tǒng)突然失電后，數(shù)據(jù)不丟失，在單片機上加裝了鎖存器。 目前，已運行的 設(shè)備水泵 大都采用繼電器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在現(xiàn)場事故發(fā)生時無法自動采取緊急措施，嚴重影響了設(shè)備的安全運行。 圖 35 空壓機智能控制系統(tǒng)外部連接框圖 基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng) 12 4 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點 80C51 單片機結(jié)構(gòu)特點 MCS51 是指由美國 INTEL 公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括8031， 8051， 8751， 8032， 8052， 8752 等，其中 8051 是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在 8051 的基礎(chǔ)上進行功能的增、減改變而來的，所以人們習慣于用 8051來稱呼 MCS51 系列單片機，而 8031 是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到 8031 的名稱。本文在單片機高樓供水系統(tǒng)中將用 80C51 來完成控制功能。他們之間相互連接圖如 26圖，構(gòu)成一個完整的微型計算機。 下面按 其引腳功能為四部分敘述這 40 條引腳功能。其中： VCC 接 +5V 電壓。 （ 2） 接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2。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。 XTAL2 接外部晶體的另一端。采用外部振蕩器時，對 CHMOS 單片機，該引腳懸浮。 ST/VPD：當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。 （ 4） VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 （ 5） ALE/PROG：當訪問外部存儲器時， ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。 ALE 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流） 8 個 LS 型的 TTL輸入電路。 （ 6） RSEN：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀寫選通信號。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)， PSEN 同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出） 8個 LS 型的 TTL 輸入。對于 EPROM型單片機，在 EPROM 編程期間，此引腳也用于施加 21 伏的編程電源（ VPP）。 a)P0 口 ：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，外接存儲器時，與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。門口能驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 LSTTL 負載，對 805 8032， 引腳的第二功能為 T2定時 /計數(shù)器的外部輸入， 引腳的第二功能為 T2EX捕捉、基于單片機的水泵 智能控制系統(tǒng)