恒壓供水變頻調速系統(tǒng)本科畢業(yè)設計

1、1 引言1.1 本課題的意義 水作為一種能源，是生活中必不可少的，水作為一種可再生資源，同時也是非常脆弱的，這時節(jié)約用水就顯得非常重要。隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大城市里房屋建筑的高度也在迅速的增加，但隨之也出現(xiàn)了許多問題，高層住宅供水難就是其中尤為突出的問題。原因是通常，供水系統(tǒng)全天各時段用水量變化較大，如果不及時對供水水量及供水壓力進行調節(jié)，會使整個供水管網(wǎng)的壓力處在波動狀態(tài)，嚴重的還會引起管網(wǎng)失壓或爆管事故、惡化供水質量。傳統(tǒng)供水方式主要有：高水塔，高位水箱或增壓設備等。它們在不同程度上存在下列許多問題：其設備一次投資費用高，而且必須使水塔高度高于最高層樓用水高度，用壓力來提升水量，其結果

2、往往縮短了水泵的使用壽命，還容易造成水的二次污染，造成水電資源的浪費。除此之外傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)還存在下列問題:1、用水負荷大幅度變化容易引起管網(wǎng)壓力的巨幅變化極易造成供水管網(wǎng)的破裂；2、加大了工人的勞動及增加了生產設備維修費用；3、設備的頻繁啟動產生的大電流易使電網(wǎng)和設備均處于頻繁的電流沖擊狀態(tài)，從而使電氣設備和機械連接部件的壽命大幅度縮短。 在城市供水系統(tǒng)中, 泵的驅動電機絕大部分是交流異步電動機, 其年耗電量約占系統(tǒng)生產成本的80%。目前國內大部分供水企業(yè)仍采用傳統(tǒng)供水工藝, 即手工操作, 人工監(jiān)控,經(jīng)驗管理。一般采用調節(jié)閥門來滿足和適應管網(wǎng)供水壓力和需水量的變化，但是用戶需水量隨時間變化的

3、非常頻繁。隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源緊缺問題愈加嚴重，尋求解決高層建筑供水難的辦法迫在眉睫。對于泵類和風扇負載而言，其功耗與轉軸速度的立方根呈正比。當轉軸速度降低10%時，氣流也減少10%，且能耗減少27%；如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工業(yè)中應用的離心泵、風扇和鼓風機中，通過使用單片機對電機進行變速控制，取代速度恒定的電機方法，可以節(jié)能25%-40%。以改善高層住宅用水難為目標，根據(jù)城市高層建筑供水系統(tǒng)的實際情況，本系統(tǒng)采用基于恒定管壓力的PID 算法對交流電機進行交流變頻調速，通過合理配置水泵的工況, 能保證水泵工作在最佳的特性區(qū), 滿足小區(qū)需水量隨季節(jié)、晝夜變化的需要, 同時

4、達到良好的節(jié)能效果, 系統(tǒng)無需專人監(jiān)控, 就能達到穩(wěn)定、自動、高效的供水品質。所以研究設計基于變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)，對于提高人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 本設計的基本研究方法 本設計的硬件電路部分包括壓力傳感器模塊、AD轉換模塊、單片機模塊、變頻器模塊、顯示報警部分和鍵盤操作部分。在軟件設計中使用單片機AD89S51對本供水系統(tǒng)進行程序編輯和對各硬件系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)所預期的要求。軟件設計的功能為完成初始化的子程序，如鍵盤命令子程序、顯示子程序、PID控制算法子程序、AD之間的轉換子程序等。 本設計的具體工作原理為：如果要穩(wěn)定水壓P，需要一個由單片機、變頻器、

5、壓力傳感器等器件構成的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安裝在水泵出口管上的壓力傳感器, 把出口處的水壓變?yōu)? 一5V 的模擬信號, 經(jīng)A/D轉換后傳送給單片機, 經(jīng)單片機與給定水壓進行比較, 得出誤差信號,單片機對誤差信號進行PID運算后輸出控制信號, 經(jīng)D/A轉換后變成模擬信號送給變頻器,調節(jié)變頻器的頻率控制電機水泵機組的轉速和工頻泵啟停的轉換，當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，變頻調速的輸出頻率將增大，水泵轉速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動機水泵的轉速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設定壓力上，反之亦然。從而達到智能調壓的目的。2 恒壓供水的基本原理2.1 變頻調速的介紹 變頻調速系統(tǒng)由電

6、力半導體變流器、電動機、控制、檢測四部分組成。這四部分相互依存, 共同作用, 實現(xiàn)變頻調速的高精度、使用方便、低轉矩脈動、低噪音、無傳感器、小型化等性能指標。在變頻調速系統(tǒng)中, 為了進行轉矩、電流、磁通、電壓、轉速、位置等的控制, 需要對這些被控制量進行檢測。利用現(xiàn)代控制理論、不采用傳感器, 尤其是不采用機械傳感器進行狀態(tài)觀測或估算, 可以為系統(tǒng)提供所需信息。超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展為變頻調速提供所需微電腦和各種專用集成電路, 從而有可能利用現(xiàn)代控制理論實現(xiàn)全數(shù)字控制、智能化控制。變頻調速技術是通過改變供電的頻率從而改變電機的轉速。變頻器的基本工作原理是：三相異步電動機轉速為n =60f(

7、1 - S )P （其中n為電機的轉速，f為電網(wǎng)的頻率， S為電機的轉差率，P為電機的極對數(shù)。）從式中得知, 改變電源效率f , 就可以改變轉速n, 從而達到調速的目的。 近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。變頻器作為節(jié)能應用與轉速工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用。他可以提高產品的質量、改善工藝的流程、節(jié)約資源、保護環(huán)境甚至可能會對推動技術的進步做出巨大的貢獻。2.2變頻調速的基本原理

8、 在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻調速來改變水泵的轉速從而改變供水流量的大小以滿足供水需求。其外部表現(xiàn)為供水管網(wǎng)壓力的恒定。水泵工作點反應了水泵的運行狀態(tài)，它是指水泵在確定的管網(wǎng)壓力中，實際工作當中所具有的揚程、流量、效率和功率等的參數(shù)。因為水泵轉速的調節(jié)是一個動態(tài)過程，則恒壓供水系統(tǒng)的一個核心工作就是做到水泵工況點的連續(xù)調節(jié)。水泵在實際工作中的工況點取決于三個方面的因素：管路阻力、水泵性能和所需要的實際揚程。這三者密切相關即這三種因素中的任意一項發(fā)生變化，水泵的工況就會隨之發(fā)生變化。因此要從這三個因素出發(fā)來確定水泵的工況點和工況的調節(jié)。進水 LED顯示模塊及報警電路鍵盤 出水 AT89S5

9、1 變頻器 圖2.1 變頻恒壓調速系統(tǒng)的原理圖本系統(tǒng)的工作原理是：變頻供水設備采用單片機控制變頻調速裝置，具有控制水泵恒壓和變壓的功能。該自動控制系統(tǒng)通過安裝在水泵出水管上的壓力傳感器，把出口壓力變成( 05) V 的模擬信號，經(jīng)前置放大、多路切換、A/ D 變換成數(shù)字信號，送入單片機，經(jīng)單片機內部PID運算并與給定參量進行比較，得出一調節(jié)參量。 經(jīng)由D/ A 變換把這一調節(jié)參量送給變頻器，控制其輸出頻率變化。用戶需水量與頻率的變化有關：用水多時，頻率提高或者切換至工頻狀態(tài)，水泵電機轉速加快； 反之，頻率降低，水泵處于低速狀態(tài)，出水量減少。這樣既可確保管網(wǎng)壓力恒定, 又可大大節(jié)省電。由于變頻器

10、頻率的變化幾乎是連續(xù)的( 可以精確到0.IH z ) ，使水泵電機的轉速可以在0到電機額定轉速的范圍內任意可變，使水泵轉速方便地隨水量的變化而變化，避免了水泵電機的頻繁起動，從而實現(xiàn)恒壓供水的目的。這樣，不管用戶端用水量大或小，總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。因此，既可以滿足各部位的用戶對水的需求量又不使電機空轉，造成不必要的電能浪費，從而達到恒壓節(jié)能的效果。2.3變頻調速在恒壓供水中的節(jié)能原理所謂恒壓供水, 就是在供水管網(wǎng)中由于用水量發(fā)生變化, 使管網(wǎng)壓力隨之變化, 為使管網(wǎng)供水壓力基本恒定, 從而采取增減水泵供水流量及壓力(即調節(jié)水泵轉速和運行臺數(shù))的措施, 跟蹤、補償這種變化的工作過程。目

11、前水泵電機大部分是三相異步電機，根據(jù)交流電機的轉速特性，電機的轉速n為：n=60f(1-s)/p式中p為電機的極對數(shù)，s為電機的轉差率，f為電源的頻率。當水泵電機選定后，上式中的電機轉差率s和電機極對數(shù)p是固定的。則電機的轉速只與電源頻率f成正比，頻率越低，轉速越慢；頻率越高，轉速越快，變頻調速的無極調速就是利用這一公式來體現(xiàn)的。 根據(jù)流體機械力學流量Q、壓力P、功率N的關系:N=PQ可知: 流量與轉速成正比; 壓力與轉速的平方成正比; 功率與轉速的立方成正比。因此在滿足工藝要求前提下, 利用變頻調速器調節(jié)電動機交流電源的頻率來改變電動機運行轉速, 使電動機實際消耗的功率隨轉速呈三次方關系下降

12、, 節(jié)電效果就十分顯著。 恒壓供水系統(tǒng)使用最多的就是離心式水泵，離心式水泵屬于平方律負載。水泵最主要的參數(shù)是流量和揚程，供水功率與流量和揚程的乘積成正比。我們先了解下?lián)P程特性和管阻特性。揚程特性反應了用水流量的大小對揚程的影響，即用水量越大，則供水系統(tǒng)的揚程將越?。凰玫霓D速下降，其供水能力也會下降，揚程特性將下移。而管阻特性就是為了在管路內得到一定的流量所需要的揚程；管阻特性與管道粗細、長短及閥門開度有關。調節(jié)流量的方法主要有兩種，第一種是閥門控制的方法，其實質是水泵自身的供水能力不變，而是通過改變管道中的阻力來改變供水的能力（即供水流量），以適應用戶對流量的需求。這時，管阻特性將隨閥門開度

13、的改變而改變，而揚程特性不變。如圖2.2所示： 圖2.2 轉速與流量的關系圖在圖2.2中，曲線表示水泵在額定功率狀態(tài)下的揚程特性曲線，曲線表示水泵在低功率狀態(tài)下的揚程特性曲線，曲線表示所有樓層中的閥門全打開時管阻特性，曲線表示管道中的閥門關小時的管阻特性。設用戶所需流量從減小為，當通過關小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚程特性則仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點由點移至 點。這時：流量減少了但揚程卻從增大為；由公式Pgpt 可知供水功率g與面積o 成正比。 第二種調節(jié)流量的方式就是轉速控制法。即通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度不變，保持為最大。當水泵的轉速改變時，揚程特性也隨之改變，

14、而管阻特性不變。仍以用戶所需流量從 減小為 為例，當轉速下降時，揚程特性下降為曲線，管阻特性則仍為曲線，故工作點移動至點。所以，在流量減小為的同時，揚程減小為；供水功率 與面積 成正比。 比較上述兩種調節(jié)流量的方法，可以看出：調節(jié)閥門控制流量的方法，只能調節(jié)水管中管阻特性，水泵的揚程特性不變，因此泵的工作點在圖中的曲線上；而采用變頻調節(jié)水泵速度的流量控制方法，管阻和水泵的揚程都會發(fā)生變化，因此采用變頻調節(jié)水泵速度的流量控制方法其水泵的工作點是在多邊形上。由圖2.2可以看出，多邊形是在曲線 的下方，因此可以得出變頻調節(jié)水泵流量的方法比調節(jié)閥門的方法節(jié)省能量。 圖 2.3效率與相對流量的關系圖從工

15、作效率上分析，當關小閥門來改變流量時，由于水泵轉速不變，用戶所需流量*降低為 時，水泵工作點降至 點，如圖2.3所示。可見，隨著流量的減小，水泵工作效率的降低是十分顯著的。而在轉速控制下，由于在閥門開度不變的情況下，實際流量*與實際轉速*是成正比的，在* 和* 時效率是相等的，此時水泵的工作點在點。就是說，采用轉速控制方式時，水泵的工作效率是處于最佳狀態(tài)。 另外，由于廠家在生產水泵時對用戶的管路情況無法預測，所以對用戶的需求留有足夠的余量，所以在實際運行過程中即使用水量很大，電動機也常常處于不滿載的狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。采用了轉速控制方式后，由于電動機在低頻運行時，變頻器的輸出電壓也下

16、降，從而提高了電動機的工作效率。綜合起來水泵功率與流量間的關系如圖2.4所示。 圖變頻與工頻效率圖 在圖2.4中，曲線是調節(jié)閥門開度的功率曲線，當流量*100% 時，所消耗的功率由 點決定。曲線是調節(jié)轉速的功率曲線，當*時，所消耗的功率由 點決定。由圖2.4可知，與調節(jié)閥門開度相比，調節(jié)水泵轉速所節(jié)約的功率是相當可觀的。變量泵的實際功率1供水量*與泵轉速*三者的關系如下式：1/ （*/）3*/ */式中： 為額定流量，*為實際流量，*； 為額定流量 時的軸功率； 為水泵的額定轉速，*為實際轉速。當* 時*，.，即可節(jié)電. 。當 時*，即可節(jié)電. 。一般系統(tǒng)可節(jié)電 之間。通過以上的分析我們知道，

17、控制參數(shù)應選擇供水系統(tǒng)中最不利點所允許的最低壓力值，利用壓力傳感器采集管網(wǎng)中的實際壓力，反饋給單片機，進而對電機轉速進行調節(jié)，組成單閉環(huán)系統(tǒng)，使水泵管網(wǎng)最不利點的壓力與初始時所設定的控制壓力值保持一致，實現(xiàn)變頻調速和自動控制，最終達到正常供水和最佳節(jié)能效果。2.4供水系統(tǒng)的工作過程 根據(jù)生活的實際情況，本系統(tǒng)采用兩個水泵聯(lián)合供水。A機組，可變頻；B機組，只能工頻運行，并且A機組的容量約是B機組的三分之二。自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的用水情況來選擇水泵的運行方式。 本系統(tǒng)水泵的工作方式有以下三種：一、A機組變頻運行，二、B機組工頻運行，三、B組工頻運行，A組變頻運行。 水泵工作切換過程如下： 切換

18、過程1、A組電機變頻啟動，頻率接近50HZ時，當用水量增加時，B組電機頻啟動，A組電機頻率降低，直至停止。 切換過程2、當在用水高峰期，B組電機工頻運行時，仍不能滿足供水需要時，A組電機變頻運行。 切換過程3、B組電機工頻運行即可滿足用戶需求。 切換過程4、A組電機變頻啟動，B組電機停止工作。 如此循環(huán)往復，即可滿足恒壓供水的需求。3電路設計3.1電路設計的整體思路該系統(tǒng)通過安裝在水泵出口管上的壓力傳感器PTJ206來探測管網(wǎng)的壓力,其輸出值經(jīng)RCV420轉化為0 一5V 的模擬信號, 經(jīng)ADC0809轉換后傳送給單片機AT89S51后由數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管由MAX7219驅動。同時單片機將輸入

19、壓力值與給定水壓進行比較, 得出誤差信號,單片機對誤差信號進行PID運算后輸出控制信號, 經(jīng)DAC0832轉換放大后變成合適的模擬信號送給變頻器DT2100。另外在最小系統(tǒng)中由蜂鳴器構成報警電路，電源由W7815提供15V和5V穩(wěn)定電壓。本系統(tǒng)的核心是單片機AT89S51，采用壓力反饋的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用壓力傳感器探測各個樓層管網(wǎng)最不利點的水壓值并經(jīng)過模數(shù)轉換模塊轉換成數(shù)字量，輸入單片機，再由單片機內部的PID程序算法給控制信號輸出頻率值，輸入變頻器，通過變頻器對水泵轉速的調節(jié)以實現(xiàn)管網(wǎng)供水壓力的恒定。在程序內設定壓力的上下限，當管網(wǎng)壓力超過或低于設定界限時，報警電路啟動以便及時維修。系統(tǒng)的

20、整體框圖如圖：單片機顯示器D/A放大器壓力傳感器鍵盤D/A變頻器水泵報警 圖3.1 系統(tǒng)整體框圖3.2基本硬件設計3.2.1AT89S51單片機簡介 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機。 AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS

21、 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 主

22、要性能特點1）4k Bytes Flash片內程序存儲器；2）128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；3）32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；4）2個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；5）6個中斷源；6）2個16位可編程定時器/計數(shù)器；7）2個全雙工串行通信口；8）看門狗（WDT）電路；9）片內振蕩器和時鐘電路；10）與MCS-51兼容；11）全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12）三級程序存儲器保密鎖定；13）可編程串行通道；14）低功耗的閑置和掉電模式。管腳說明： 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

23、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口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O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，其管腳被內部上拉電阻

24、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。P3口也可作為AT89C

25、51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。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

26、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（0

27、000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2.2 變頻調速簡介 變頻器的選擇 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。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性

28、能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩(TLn2)，低速下負載轉矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠籠異步電動機額定電流，冶金工業(yè)

29、常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多數(shù)是多電動機傳動。應保持在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為: Pnv1.1Pn式中：Pnv變頻器額定功率，kW； Pn一電動機額定功率，kW3.3硬件電路 硬件電路包括最小系統(tǒng)、傳感器采集輸入、數(shù)據(jù)采集A/D轉換電路、變頻輸出電路、顯示及其驅動電路、電源電路、報警電路。各個模塊介紹如下：1） 單片機最小系統(tǒng)的設計 由于AT89S51本身

30、就是一個最小系統(tǒng)，且有內設的看門夠電路，所以最小系統(tǒng)的設計只需要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可。時鐘電路：該系統(tǒng)使用AT89S51單片機內部振蕩和時鐘產生電路，外接微調電容和振蕩晶體來產生時鐘周期信號從而完成對時間周期的準確計時。電路中的電容通常為30pF,晶體振蕩器的振蕩頻率的范圍通常在1.2M-12M之間。晶體的頻率越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但是晶體的頻率越高，單片機的運行速度就越快。單片機的運行速度與越快對相應的存儲器的要求也就越高。51系列的單片機常選擇振蕩頻率為6M或12M的石英晶體。本設計采用的石英晶體振蕩器的頻率為12M。復位電路：一個可靠的復位電路對于單片機應用系統(tǒng)而言是必不可少的

31、。對于AT89S51而言，復位時不可屏蔽的外部中斷，也是優(yōu)先級最高的中斷。AT89S51是高電平復位。復位電路既具有上電復位又具有外部復位的電路。只要讓RST引腳保持足夠高的高電平就能使單片機復位。2）報警電路的設計 蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應用場合。通常工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，這一點與家用電器中的功放有相似之處。因此，一個管腳很難驅動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。所以，蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5V電源上面，另一端聯(lián)接到三極管的集電極，三極

32、管的基級由單片機的P1.4管腳通過一個與非門來控制，當P1.4管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當P1.4管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音。在這里與非門是作為非門來用的，這里采用一個非門的作用是為了防止系統(tǒng)上電時峰鳴器發(fā)出聲音，以為系統(tǒng)復位以后，I/O口輸出的是高電平。3）壓力采集變送輸入 PTJ206壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結構，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質兼容性。廣泛用于工業(yè)設備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。PTJ206的壓力采集范圍是0-150MPa,

33、輸出值是4-20mA電流。 RCV420是美國RURRBROWN公司生產的精密電流環(huán)接收器芯片，用于將4-20mA輸入信號轉換成為0-5V輸出信號，具有很高的性能價格比。它包含一個高級運算放大器、一個片內精密電阻網(wǎng)絡和一個精密10V電壓基準。其總轉換精度為0.1，共模抑制比CMR達86dB，共模輸入范圍達40V。 當水壓作用于壓力傳感器時，壓力傳感器將水壓轉換成電信號，輸出與水的液位壓力成線性關系的4-20mA的電流信號。此電流信號經(jīng)過RCV420差分放大后，輸出0-5V的標準電壓信號。 4）數(shù)據(jù)采集A/D轉換電路A/D轉換電路以ADC0809為核心。通過ADC0809的模擬量輸入口IINT0

34、進行AD采集。當轉換結束后EOC為高電平，作為中斷，單片機調用中斷程序，讀采樣數(shù)據(jù)。a. AD0809的邏輯結構ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，如圖3.3.2-1。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。其內部結構如圖3.3所示。 圖3.3 AD0809內部結構 b. AD0809的工作原理 IN0IN7：8 條模擬量輸入通道ADC0809 對輸入模

35、擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A， B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸數(shù)字量輸出及控制線：11條。ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE

36、0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。5）顯示示及驅動電路 MAX7219是MAXIM公司生產的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅動芯片，一片MAX7219可驅動8個7段（包括小數(shù)點共8段）數(shù)字LED、LED條線圖形顯示器、或64個分立的LED發(fā)光二級管。該芯片具有10MHz傳輸率的三線串行接口可與任何微處理器相連，只需一個外接電阻即可設置所有LED的段電流。它的操作很簡單，MCU只需通過模擬SPI三線接口就可以將相關的指令寫入

37、MAX7219的內部指令和數(shù)據(jù)寄存器，同時它還允許用戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外它還支持多片7219串聯(lián)方式，這樣MCU就可以通過3根線（即串行數(shù)據(jù)線、串行時鐘線和芯片選通線）控制更多的數(shù)碼管顯示。MAX7219的內部結構如圖2所示。 圖2 MAX7219的內部引腳分配各引腳的功能為：DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級連擴展LOAD：裝載數(shù)據(jù)輸入CLK：串行時鐘輸入DIG0DIG7：8位LED位選線，從共陰極LED中吸入電流SEG ASEG G DP 7段驅動和小數(shù)點驅動ISET： 通過一個10k電阻和Vcc相連，設置段電流。內部寄存器數(shù)據(jù)格式 片內共有8個位寄存器和6

38、個控制寄存器，8個位寄存器存放點亮LED的段碼，6個控制寄存器決定LED的工作方式，他們是：譯碼方式寄存器，亮度調節(jié)寄存器，掃描個數(shù)寄存器，關閉寄存器，顯示測試寄存器，不工作方式寄存器。對14個寄存器的尋址和數(shù)據(jù)修改用一組16位串行數(shù)據(jù)來完成，數(shù)據(jù)格式如下：D15 D14 D13 D12D11 D10 D9 D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X X X 地 址數(shù) 據(jù)數(shù)據(jù)輸入的時序見圖2。 5） 變頻輸出電路 單片機的輸出信號經(jīng)過DAC0832數(shù)模轉換后，在經(jīng)過LM358雙運算放大后，傳送給變頻器DT2100。其輸出值4-20mA電流信號控制變頻器的輸出頻率，進而使得水泵的

39、轉速發(fā)生相應的變化。a. DAC0832介紹如下：DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片，與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。 主要參數(shù)：* 分辨率為8位；* 電流穩(wěn)定時間1us；* 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；* 只需在滿量程下調整其線性度；* 單一電源供電（+5V+15V）；* 低功耗，20mW。引腳功能：* D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；* ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控

40、制信號輸入線，高電平有效；* CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；* WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；* XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/

41、A轉換。* IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化；* IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；* Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調整轉換滿量程精度；* Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；* VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；* AGND：模擬信號地；* DGND：數(shù)字信號地。b.LM358介紹如下：LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工 作條件下，電源電流與 電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大

42、器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358可將DAC0832輸出的小電流值經(jīng)過雙運算放大輸出4-20mA的電流值。c.變頻器TD2100介紹如下： 變頻器恒壓供水設備是一種新型的節(jié)能供水設備。變頻器恒壓供水設備系統(tǒng)運用當今先進的微電腦控制技術，將變頻調速器與電機水泵組合而成的機電一體化高科技節(jié)能供水裝置。變頻恒壓供水設備以水泵出水端水壓（或用戶用水流量）為設定參數(shù)，通過微機自動控制變頻器的輸出頻率從而調節(jié)水泵電機的轉速，實現(xiàn)用戶管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調節(jié)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設定的壓力值：即用水量增加時，頻率提高，水泵轉速加快；用水量

43、減少時，頻率降低，水泵轉速減慢。這樣就保證了整個用戶管網(wǎng)隨時都有充足的水壓（與用戶設定的壓力一致）和水量（隨用戶的用水情況而定）。 TD2100系列供水專用變頻器具備了一般的供水控制系統(tǒng)中通用變頻器和PLC兩者的功能，用更加經(jīng)濟和簡單的方式實現(xiàn)了整個系統(tǒng)包括常規(guī)泵、休眠泵、消防泵和排污泵等多臺泵的智能化管理。實用的供水功能l. 無需配置PLC或供水控制器,即可實現(xiàn)多種常用供水專用功能; 2. 內置PI調節(jié)器,只需外配一只壓力傳感器,即可方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng); 3. UP/DWN端子控制功能,使用電接點壓力表也可方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng); 4. 多種工作模式選擇,可靈活配置常規(guī)泵休眠泵排污泵消防

44、泵,最多可實現(xiàn)7臺泵的控制; 5.零流量停機節(jié)能功能,在用戶不用水的情況下可自動停機; 6. 內置自帶電池的實時時鐘芯片,方便實現(xiàn)各種泵的定時開啟和停止; 7. 每日可設定最多6段壓力運行,以適應供水壓力的變化需求; 8. 可實現(xiàn)周末/節(jié)假日等各種特定日供水壓力控制; 9. 定時輪換控制,使各泵工作時間均衡,并可防止泵的銹死; 10.內置多種模式消防功能,火警時系統(tǒng)自動啟動消防泵; 11. 優(yōu)化休眠泵控制,特別適合賓館、寫字樓夜間供水,最大限度節(jié)能; 12. 手動軟啟動功能,可實現(xiàn)循環(huán)方式時各泵的手動變頻軟啟動,方便調試; l3.管網(wǎng)超/欠壓,火警/水池缺水等多種輸入與檢測保護,可保障供水系統(tǒng)安全; 14. 存取7臺電機參數(shù),自動實施保護; l5.多種變頻器故障處理模式,即使變頻器故障,仍能保證生活和消防供水; l6. 實時故障參數(shù)記錄,便于用戶分析故障原因; 17.工作小時自動