【正文】 落后，自動(dòng)化程度低。然而，作為飲水工程中最重要的供水這一環(huán)目前卻存在著很多問(wèn)題，傳統(tǒng)供水方式己經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展和需求。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。交流變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。以小電流控制大功率的變換，但其開(kāi)關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。20世紀(jì)80年代，又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場(chǎng)控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門極)信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。 模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)?；诉壿嬁刂?、功率、保護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開(kāi)辟了新的天地。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。我國(guó)的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵方面，但同國(guó)外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來(lái)高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。為了表述如何利用單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。第2章 單片機(jī)概述 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。 不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否 滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開(kāi)發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說(shuō)的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對(duì)電源的要求等等。要利用某型號(hào)單片機(jī)開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計(jì)思想。 單片機(jī)的發(fā)展史 1974 年,美國(guó)仙童(Firchild)公司研制出世界第一臺(tái)單片微型機(jī)F8。從此,單片機(jī)開(kāi)始迅速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。 第一代單片機(jī)(19741976):這是單片機(jī)發(fā)展的起步階段。典型的代表產(chǎn)品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。這個(gè)時(shí)代生產(chǎn)的單片機(jī)隨然已能在單塊芯片內(nèi)集成CPU,并行口,定時(shí)器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品種少,應(yīng)用范圍也不是很廣,典型的產(chǎn)品有Inrel公司的MCS48系列機(jī)。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設(shè)了乘除法和比較指令。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS51系列機(jī),Motorola公司的MC6801系列機(jī),TI公司的TMS7000系列機(jī),此外,Rockwell,NS,GI和松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機(jī)系列。代表產(chǎn)品有intel公司的MCS96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783系列和NS公司的HPC16040等。國(guó)內(nèi)的單片機(jī)發(fā)展在前幾年以51及其兼容系列為主。中國(guó)單片機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，及在國(guó)家的支持下，也產(chǎn)生了一些非常優(yōu)秀的單片機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理為主的工作仍然是巨型機(jī)在起作用，故而，巨型機(jī)在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來(lái)越多，但要求也越來(lái)越高，在這個(gè)刺激下，單片機(jī)技術(shù)在很多方面都有了進(jìn)步。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D /A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面。Philips公司的單片機(jī)P87LPC762是一個(gè)很典型的例子，在空閑時(shí)， mA，而在節(jié)電方式中。 擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。而一些廠家，～6V的條件下工作的單片機(jī)。 最后是工藝方面。這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性。這主要是出于對(duì)低功耗的要求，而且在單片機(jī)工作模式上，也有多種模式，如idel，sleep模式等。等機(jī)功耗非常低。 有些高檔單片機(jī)，如一些32位的單片機(jī)，出于一些特殊市場(chǎng)，還在內(nèi)部集成有音頻解碼和合成，圖片和視頻解碼電路，DMA通道，MMC等。因此國(guó)內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)類似于51系列的增強(qiáng)型的單片機(jī)，這些芯片，保留了8051單片機(jī)的功能特性的同時(shí)，增強(qiáng)了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機(jī)運(yùn)算速度提高十倍以上。 總之，單片機(jī)的發(fā)展將進(jìn)一步多元化，單片機(jī)產(chǎn)品將更加豐富，單片機(jī)的盡用場(chǎng)合將進(jìn)一步細(xì)化。 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用AT89C51作為控制。片內(nèi)帶有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于芯片中組合有多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器，ATMEL的AT89C51是一種功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的微控制器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 本章總結(jié)本章對(duì)單片機(jī)的“昨天”、“今天”和“明天”做了大體上的闡述，著重對(duì)本次設(shè)計(jì)中使用到的AT89C51單片機(jī)進(jìn)行了介紹。反應(yīng)水泵運(yùn)行工程的水泵工作點(diǎn)也稱為水泵工況點(diǎn)，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會(huì)引起水泵運(yùn)行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。 變頻調(diào)速的基本原理 系統(tǒng)中的水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。 由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 (31) 式中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；為電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；np為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法可以獲得很大的調(diào)速圍，很好的調(diào)速平滑性和相對(duì)穩(wěn)定性。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖31。 Ⅰ 水泵2變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到50Hz，水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組運(yùn)行， KM2得電，水泵2先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。水泵2工頻運(yùn)行后，開(kāi)啟水泵2閥門，水泵2工作在工頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)水泵2由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，水泵1接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（Pi＜P＜Pm）為止。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，水泵1電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Pk時(shí)（f=fmin，P＜Pk），在系統(tǒng)控制下，水泵2電機(jī)在工頻斷開(kāi)，2水泵1繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，水泵1電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限Pi時(shí)（水泵1電機(jī)f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開(kāi)，KM3斷開(kāi)，水泵1電機(jī)自變頻器輸出端斷開(kāi)；KM2得電，水泵1電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時(shí)變頻器BX端斷開(kāi)?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開(kāi)始新一輪循環(huán)。另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間就不同，設(shè)定時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過(guò)電流，在減速時(shí)過(guò)電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。對(duì)于水泵電機(jī)。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體降低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。 本章總結(jié)本章對(duì)變頻調(diào)速的基本原理進(jìn)行了闡述，分析說(shuō)明了系統(tǒng)中工頻泵、變頻泵的三個(gè)切換過(guò)程，系統(tǒng)是如何工作的及調(diào)速范圍的選取。當(dāng)用水量增加時(shí), 控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率加大, 水泵轉(zhuǎn)速升高, 出水量增加。通過(guò)這種控制方式, 就可以使自來(lái)水管道壓力保持在設(shè)定值上。 壓力變送器送來(lái)的4～20mA 的壓力信號(hào)經(jīng)IC7 轉(zhuǎn)換為0～5V 的電壓信號(hào)。 D/ A 轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832 , 將單片機(jī)輸入的控制量轉(zhuǎn)換為4～20mA 電流環(huán), 控制變頻器的輸出頻率。 主控單片機(jī)引腳說(shuō)明 本文所使用的AT89C51單片機(jī)引腳分布見(jiàn)圖42。 GND：接地。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。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。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 系統(tǒng)壓力檢測(cè)電路主要由壓力傳感器（或壓力變送器）、壓力設(shè)定電位器和0809A/D轉(zhuǎn)換器等組成。反饋壓力采集程序如下。5,UP EOC≠1未轉(zhuǎn)換完，等待 MOVX DPTR,A 轉(zhuǎn)換完讀回壓力值 MOVX 48H,A 結(jié)果存入48H 圖43 反饋壓力檢測(cè)電路 Figure 43 Detection circuit of feedback pressure 輸出控制電路 系統(tǒng)在運(yùn)行中，將壓力設(shè)定值和反饋值進(jìn)行比較后再按PID算法進(jìn)行計(jì)算，在將計(jì)算算結(jié)果u（k）經(jīng)0832D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬控制電壓信號(hào)，再作用于交流變頻調(diào)速器。輸出控制電路如圖44所示。為了減少?gòu)?qiáng)電回路的影響，電路需通過(guò)光電耦合電路進(jìn)行隔離。 圖45 控制輸入電路 Figure 45 Control circuit of input 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及Watchdog電路 Watchdog電路，又叫Watchdog timer，俗稱“看門狗”。在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,由于單片機(jī)的工作常常會(huì)受到來(lái)自外界電磁場(chǎng)的干擾,造成程序的跑飛,而陷入死循環(huán),程序的正常運(yùn)行被打斷,由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)工作,會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài),發(fā)生不可預(yù)料的后果,所以出于對(duì)單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的考慮,便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片，即Watchdog。 Watchdog有硬件和軟件兩種。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位[24]。軟件Watchdog技術(shù)的原理和硬件差不多，只不過(guò)是用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。 本文采用MAX813作為Watchdog電路主芯片。 圖46Watchdog電路Figure 46 Watchdog circuit 1N4148 本章總結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件部分，包括系統(tǒng)的構(gòu)成，主控單片機(jī)引腳的詳細(xì)介紹及部分外圍芯片電路。軟件設(shè)計(jì)如下: 單片機(jī)接口地址分配和控制端口功能A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 : 80XXH～87XXH。 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 : 08XXH。=1時(shí), 水泵1停。=1時(shí),水泵2停。 軟件程序設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的單片機(jī)控制器軟件包括主程序、控制量計(jì)算子程序、繼電器控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、演示子程序等。 圖51主程序框圖 Figure 51 Block diagram of main program T1中斷服務(wù)程序包括了除主程序以外的所有子程序的管理和應(yīng)用，如壓力檢測(cè)、繼電器控制等。 圖52 中斷服務(wù)程序框圖 Figure 52 Block