基于單片機的高樓恒壓供水系統設計

1、課程設計題目：基于單片機的高樓恒壓供水系統設計本課程設計要求設計基于單片機的高樓恒壓供水系統。本設計根據目前單片機控制的恒壓控制系統的研究現狀，充分利用現代化新型、先進的元器件和最新的智能控制理論與算法，將變頻調速技術和單片機技術融合到一起，設計高樓恒壓供水智能控制系統。設計的高樓恒壓供水智能控制系統具有可靠性高、抗干擾能力強、節(jié)能效率高等特點。技術參數和設計任務：1、利用單片機STC89C52實現對水壓的控制，以實現恒壓的目的；2、為了使馬達轉速能夠根據不同的需求而改變，完成變頻電路的設計；3、完成水壓的顯示電路的設計，以顯示水壓；4、為了檢測高樓水壓，完成檢測電路的設計；5、為了能使控制電

2、路的穩(wěn)定運行，完成PID算法等其他的設計。一、本課程設計系統概述1、基于單片機的高樓恒壓供水系統原理欲穩(wěn)定水壓，需構成一個壓力閉環(huán)控制系統。該系統由單片機、變頻器等器件構成。該自動控制系統通過安裝在水泵出口管上的遠傳壓力變送傳感器，把出口壓力變成(05)V的模擬信號，經過前置放大、多路切換、A/D變換成數字信號傳送到單片機，經單片機與給定參量進行比較，得出調節(jié)參量，對進行PID運算后輸出控制信號，經由D/A變換成模擬量作用到變頻器，控制其輸出頻率，以調節(jié)電機水泵機組的轉速，按實際用水量供水并使供水壓力恒定。單片機控制變頻調速供水系統控制原理如圖1所示。圖1 控制原理圖若0，則供水壓力小于設定值

3、，用水量增加造成供水壓力下降，單片機將通過計算提高變頻器的輸出頻率，從而使電機水泵機組轉速增加(n)，使供水壓力增加并恢復到設定值；如果0，則供水壓力大于設定值，說明用水量減少導致供水壓力上升，單片機通過計算控制變頻器使其輸出頻率下降，電機水泵機組轉速下降，使供水壓力減小恢復到設定值。通過單片機控制水泵電機的狀態(tài)，實際壓力圍繞設定壓力值上下波動，保持供水壓力恒壓達到節(jié)能、恒壓之目的。為保證充足的水量供應，本系統采用三臺水泵構成的供水控制系統，具備同時控制三臺水泵的功能，如圖2所示。根據不同場合、不同需要可以采取三臺水泵同時運行、二臺水泵同時運行、一臺運行一臺備用、一臺運行二臺備用、定時換泵等多

4、種工作方式。水泵電機全部軟起動，以先起先停為原則；具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；變頻器故障、遠傳表故障或欠壓超時和水位報警指示：可設定上限保護壓力；可設定PID上升和下降周期及跟蹤周期；可設定泵的上電工作順序。圖2 變頻恒壓供水系統組成2、系統結構圖該系統由4部分組成，如圖3所示。圖3 系統結構框圖傳感器采用遠傳壓力表，為壓阻器件，用于檢測水管道的壓力，并將水壓轉換為05V的模擬信號?？刂撇糠钟蒑CS-51系列單片機為核心部件。根據傳感器檢測到的水壓完成變頻器調速及泵組切換的控制.變頻調速部分是由空氣開關、交流接觸器、變頻調速器組成，為系統的動力電供給和執(zhí)行機構。水泵組部分包括三臺交流異步

5、電動機拖動的三臺離心式水泵。3、控制方案本設計介紹了單片機控制的高樓供水系統中硬件構成、軟件設計，通過傳感器檢測水壓信號，經A/D轉換成數字量，輸入給單片機，與給定壓力值進行比較，按PID控制算法對差值進行運算，將運算結果輸出給變頻器，由變頻器改變水泵電機的轉速，達到恒壓供水的目的。在實際的應用過程中，取得了良好的效果。該系統的優(yōu)點包括：(1)系統采用變頻器對電機進行調速，調速范圍寬，頻率可以在低于或高于工頻頻率的范圍內調節(jié)，從幾赫茲到幾百赫茲，具有很寬的調速范圍。(2)由于調速過程中轉差率很小，轉差率小，損耗小，效率高，所以節(jié)約電能。水壓的穩(wěn)定還可減少對管網的沖擊，提高供水的穩(wěn)定性和質量。另

6、外該系統還可以推廣到管道輸油等方面。(3)采用單片機控制，變頻調速系統采用閉環(huán)控制，可得到很高的控制精度。二、系統硬件設計1、單片機簡介（1）單片機概述單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LDE驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個最小然而完善的計算機系統。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地

7、完成程序設計者事先規(guī)定的任務。單片機控制系統能夠取代以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統，可以軟件控制來實現，并能夠實現智能化，現在單片機控制范疇無所不在，例如通信產品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應用領域越來越廣泛。（2）單片機的應用領域單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：1）在智能儀器儀表上的應用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度

8、、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。2）在工業(yè)控制中的應用用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。3）在家用電器中的應用可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣讓機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，丟無所不在。4）在計算機網絡和通信領域中的應用現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了

9、極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5）單片機在醫(yī)用設備領域中的應用單片機在醫(yī)用設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，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。單片機按用途大體上可分為兩大類：1通用型單片機；2專用型單片機。專用型單片機是指用途比較專一，出廠時程序已經一次性固化好，不能再修改的單片機。例如電子表里的單片機就是其中的一種。其生產成本很低。通

10、用型單片機的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機器設備和整套生產線都可用單片機來實現自動化控制。（3）單片機的發(fā)展趨勢現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到犯位，數不勝數，應有盡有，有與主流C5l系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢，大致有：1）低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低

11、，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。2）微型單片化現在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。3）主流與多品種共存現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單

12、片機占主流，兼容其結構和指令系統的有PHILIPS公司的產品，ATMEL公司的產品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據了半壁江山。（4）STC89C52單片機STC89C52是一種低功耗低電壓、高性能的8位單片機，片內帶有一個4K字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器(EPROM)，它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(NURAM)技術，而且其輸出引腳和指令系統與都MCS-51兼容。片內的Flash存儲器允許在系統內可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器來編程。因為STC89C52是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控

13、制領域。STC89C52具有下列主要性能：4KB可改編程序Flash存儲器(可經受1，000次的寫入/擦除周期)；全靜態(tài)工作：0Hz24Mz；三級程序存儲器保密；128*字節(jié)內部RAM；32條可編程I/O線；2個16位定時器/計數器；6個中斷源；可編程串行通道；片內時鐘振蕩器等。STC89C52是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式(Idle Mode)和掉電方式(Power Down Mode)。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數器、串行口和中斷系統都繼續(xù)工作，在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被凍結，使一切功能都

14、暫停，只保存片內RAM中的內容，直到下一次硬件復位為止。2、變頻器（1）變頻器簡介變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻的主要意義是指使馬達轉速能夠根據不同的需求而改變，以達到最適應需求的目的。它通過對電流的轉換來實現電動機運轉頻率的自動調節(jié)，把50Hz的固定電網頻率改為30至130Hz的變化頻率。同時還使電源電壓范圍達到142V至270V，解決了由于電網電壓的不穩(wěn)定而影響電器工作的難題。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波石電感。（2）

15、變頻器的應用變頻調速能夠應用在大部分的電機拖動場合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴于機械部分)，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。使用變頻調速的好處如下：1、控制電機的啟動電流；2、降低電力線路電壓波動；3、啟動時需要的功率更低；4、可控的加速功能；5、可調的運行速度；6、可調的轉矩極限；7、受控的停止方式；8、節(jié)能；9、可逆運行控制；10、減少機械傳動部件。目前，變頻調速給水在建筑給水中應用越來越廣，其主要原因是：1)變頻調速給水的供水壓力可調，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。2)目前，變頻器

16、技術已很成熟，在市場上有很多國內外品牌的變頻器，這為變頻調速供水提供了充分的技術和物質基礎。變頻器已在國民經濟各部門廣泛使用。任何品牌的變頻器與單片機配合，可實現多泵并聯恒壓供水。3)變頻調速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果。交流異步電動機的轉子轉速n可以用下式表示： (1)式中f定子供電電源的頻率；p電動機的極對數；S異步電動機的轉差率。由式(l)可見，當平滑地改變異步電動機的供電頻率f時，即可改變電動機轉子的轉速n。根據水泵的相似原理： (2) (3) (4)式中的Q、H、P、n分別為水泵的流量、揚程、軸功率和轉速。由式(2)、式(3)、式(4)可知，基于轉速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功

17、率。3、傳感器簡介（1）傳感器的基本概念傳感器能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。在科學研究和基礎研究中，傳感器能獲取人類感官無法獲得的大量信息。如利用傳感器和傳感技術，可以觀察到(-10)cm的微粒;能測量(-24)s的時間；一艘宇宙飛船可以看作是一個高性能傳感器的集合體，可以捕捉和收集宇宙之中的各種信息：一輛小轎車上所用的傳感器有百余種之多，利用傳感器可以測量油溫、水溫、水壓、流量、排氣量、車速、姿態(tài)等。（2）傳感器的分類1）根據輸入物理量可分為：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及氣敏傳感器等。2）根據工作原理可分

18、為：電阻式、電感式、電容式及電勢式等。3）根據輸出信號的性質可分為:模擬式傳感器和數字式傳感器。即模擬式傳感器輸出模擬信號，數字式傳感器輸出數字信號.4）根據能量轉換原理可分為：有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器將非電量轉換為電能量，如電動勢、電荷式傳感器等;無源程序傳感器不起能量轉換作用，只是將被測非電量轉換為電參數的量，如電阻式、電感式及電容光煥發(fā)式傳感器等。（3）傳感器的選用原則現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成

19、敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1）根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行一項具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測盆的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題:量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。2）靈敏度的選擇通常，在傳感器

20、的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3）頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越

21、好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。4）線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極

22、大的方便。5）穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。6）精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量

23、系統測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。4、系統硬件設計（1）系統硬件電路設計本控制器的總體結構如圖4所示，分為輸入、主機、輸出三個模塊。圖4 硬件框圖1）輸入模塊輸入模塊采用一片8通道8位A/D轉換器ADC0831。水壓設定和水壓均為0-5V電壓信號。2）主機模塊主機模塊包括STC89C52為核心部件的智能控制單元。STC89C52本身有4K EPROM，所以不用外擴EPROM。3）輸出模塊輸出模塊包括PWM濾波輸出、報警輸出和繼電器

24、組的控制。PWM電路如圖5所示，輸出的模擬電壓信號為0-5V，以調節(jié)水泵電機的轉速，控制水壓。圖5 PWM濾波電路繼電邏輯控制在單片機控制或手動操作系統作用下，使電機水泵機組工作在變頻或工頻狀態(tài)下，即實現電機水泵機組工作狀態(tài)的切換。4）抗干擾措施與互鎖保護接口與過程通道是單片機與外部設備、被控對象進行信息交換的渠道，對于接口和過程通道侵入的噪聲主要是因為公共地線引起，其次，在信號微弱和傳輸線路較長時還會受到靜電噪聲和電磁噪聲的干擾。雙絞線抗共模噪聲能力強，可作為接口用連接線，為集成電路與驅動器之間的連線。使用光電隔離電路，當組件之間接地電位有差值時，或在噪聲電平高的地方，光電耦合器作為數字量、

25、開關量的隔離電路用于開關接口，能收到很好的效果。光電耦合電路如圖6所示：圖6 光電耦合電路采用555定時器設計一個“WatchDog”電路監(jiān)督程序的正常運行，然后采用組合邏輯電路進行互鎖保護，使任意時刻變頻器只驅動一臺水泵電機工作，任意時刻水泵電機只工作在變頻或工頻一種狀態(tài)，保證變頻器的安全運行。（2）機型及器件選擇在單片機高樓供水系統中將用STC89C52來完成控制功能?，F在世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到犯位，數不勝數，應有盡有，有與主流C5l系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地?？梢灶A示單片機的發(fā)展趨勢，大致有：1）

26、低功耗CMOS化2）微型單片化現在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上。3）主流與多品種共存現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流。STC89C52是一種低功耗低電壓、高性能的8位單片機，片內帶有一個4K字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器(EPROM)，它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(NURAM)技術，而且其輸出引腳和指令系統與都MCS-51兼容。片內的Flash存儲器允許在系統內可改編程序或用常規(guī)

27、的非易失性存儲器來編程。STC89C52具有下列主要性能：4KB可改編程序Flash存儲器(可經受1，000次的寫入/擦除周期)；全靜態(tài)工作：0Hz24Mz；三級程序存儲器保密；128*字節(jié)內部RAM；32條可編程I/O線；2個16位定時器/計數器；6個中斷源；可編程串行通道；片內時鐘振蕩器等。STC89C52是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式(Idle Mode)和掉電方式(Power Down Mode)。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數器、串行口和中斷系統都繼續(xù)工作，在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被凍

28、結，使一切功能都暫停，只保存片內RAM中的內容，直到下一次硬件復位為止。（3）硬件設計電路原理1）CPU的引腳本系統控制電路所采用的單片機是STC89C52，它是40引腳，DIP封裝的集成電路芯片。隨著半導體工藝的成熟和生產的工業(yè)化，使它的價格越來越低，是經濟型系統首選機型。STC89C52具有豐富的I/O接口，內置定時計數器和中斷系統。CPU的引腳如圖7各引腳分布和功能如下：A、主電源引腳單片機能夠工作，需要電能，就少不了通過一個引腳給單片機提供電源。單片機使用的是+5V電源，在本系統中，有專門的輔助電源，產生+5V電壓，從40腳VCC接入，一般要接+5V電源，加引腳是一個接地引腳。單片機是

29、一種時序電路，只有在提供脈沖信號的作用下，才能正常工作。因為不同用戶對單片機的速度要求的不一樣，因此在單片機的內部，并沒有集成晶體振蕩器，而由用戶根據具體的控制情況和要求選擇外接。但外接的晶體振蕩器的振蕩信號，還不足以驅動單片機內部的時鐘電路，因此，在STC89C52的內部，都設計一個高增益的放大器將外接的晶體振蕩器產生的信號放大。在原理圖的18和19引腳，X2和Xl就分別是放大器的輸入和輸出端。在本系統中，我們選用單片機的振蕩周期為6MHZ。所以，采用外接6MHZ晶體振蕩器，同時外加22PF電容，構成時鐘振蕩。圖7 CPU引腳單片機是一種時序電路，只有在提供脈沖信號的作用下，才能正常工作。因

30、為不同用戶對單片機的速度要求的不一樣，因此在單片機的內部，并沒有集成晶體振蕩器，而由用戶根據具體的控制情況和要求選擇外接。但外接的晶體振蕩器的振蕩信號，還不足以驅動單片機內部的時鐘電路，因此，在STC89C52的內部，都設計一個高增益的放大器將外接的晶體振蕩器產生的信號放大。在原理圖的18和19引腳，X2和Xl就分別是放大器的輸入和輸出端。在本系統中，我們選用單片機的振蕩周期為6MHZ。所以，采用外接6MHZ晶體振蕩器，同時外加22PF電容，構成時鐘振蕩。B、I/O口STC89C52有強大的110接口分別是P0.0-0.7，Pl.0-1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7，一共有32個

31、引腳，這32個引腳都可以作為輸入/輸出用，這32個引腳，就構成了STC89C52的4個并行I/O接口，完成數據的傳送和控制。C、控制信號引腳ALE：地址鎖存允許輸出信號。當單片機進行系統擴展后，如果外接了外部存儲器，那么在訪問外部存儲器時，就需要輸出16位的地址信號，用來選中某一個存儲單元.單片機必須要用16根線來送出這16位地址。這就要用到P0、P2這兩個口，P0輸出地址的低8位，P2口輸出地址的高8位，這是引腳的第二功能。單片機就根據這個16位地址來訪問外部存儲器，從這個單元讀出的數據與將要寫入這個單元的數據都要從P0口輸入、輸出。這樣一來，P0口不僅要輸出地址的低8位，還要輸入輸出要讀寫

32、的數據，是一個數據地址的復用口。那么P0口上的信號什么時候是地址，什么時候又是數據呢？這就需要用一個信號加以定義，這個信號就是ALE信號。規(guī)定ALE高電平期間，P0口上如果出現信息就作為地址信息；在低電平的時候，如果有信息就作為數據信息。但我們知道，要訪問一個存儲單元，比如將一個數據寫入某個存儲單元，地址信息和數據信息要同時有效。而P0口本身在輸出、輸入數據時肯定不能保存地址，所以要提供一個地址鎖存器。利用在ALE引腳輸出脈沖的下降沿，將P0口上地址信息鎖存到地址鎖存器中。而在ALE低電平期間的數據信息不需要鎖存。這樣就實現低位地址和數據的隔離。對于P2口，并不是數據、地址分時復用的，就不需要

33、這樣的地址鎖存信號了。ALE信號是以晶體振蕩頻率的六分之一的固定頻度周其性出現的正脈沖信號。每出現一次，就意味著CPU要進行一次從程序存儲器取指令字節(jié)的操作。即使不訪問外部存儲器，也會在ALE引腳上以同樣的頻率了同現正脈沖。因此可以將這個正脈沖作為外部時鐘或外部定脈沖使用。RST：復位信號，用于單片機的初始化操作。：外部程序存儲器讀信號(存儲器輸出允許信號)。從片外程序存儲器讀取指令或常數時，用于命令程序存儲器做輸出動作。每個機器周期內信號激發(fā)兩次，和ALE配合。但要注意的是，在訪問片內程序存儲器和訪問數據存儲器時，并不激發(fā)信號。比如用MOVC指令從外部程序存儲器中讀數據時，要產生信號。當使用

34、8031等沒有內部程序存儲器的單片機時，因為要從外接的程序存儲器中讀取指令并加以執(zhí)行，因此，就算不執(zhí)行MOVC指令時，也會激發(fā)信號。：內部和外部程序存儲器的訪問控制信號。當為高電平時，既可訪問片內程序存儲器，也可訪問外部的程序存儲器。這就取決于PC值的大小。若PC值在內部程序存儲器的容量范圍內，就訪問內部的程序存儲器。反之，若PC值超出內部程序存儲器的容量范圍，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。所以當為高平時，如果地址小于4K(對于8051、8751、STC89C52來說，內部有4K的程序存儲器)，訪問內部程序存儲器，地址大于K4時訪問外部程序存儲器。當為低電平時，只訪問外部程序存儲器，而不管

35、是否存在內部程序存儲器。在本系統設計中，用STC89C52芯片，使用的是它內部的程序存儲器，因此將引腳接高電平。所以，在31引腳，加+5V高平，使用內部程序存儲器。如果使用原來的8031芯片，那么就必須接地，強制單片機機去訪問外接的程序存儲器。不這樣的話，如果這個引腳出現高電平，并且當PC值大小4K時，單片機就會尋找內部程序存儲器，但由于8031內部沒有程序存儲器，就勢必導致程序運行出錯。2)單片機引腳信號的第二功能由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數目是有限的。MCS-51系列把芯片引腳數目定為40個，但單片機為實現其功能所需要的信號數目卻遠遠超過這個數。那么如何才能解決這個供需矛盾呢？正像

36、有的人為了增加收入，要做一些兼職工作。單片機也同樣如此，當引腳數量有限時，“兼職”是唯一可行的辦法，即給其中的一些信號引腳賦以雙重功能。對于同一系列中各種型號的單片機，其此腳的基本功能是相同的，所不同的是引腳的第二功能。有的引腳的第二功能比它的第一功能還有用，有時可以不利用它的基本功能，但是不能沒有它的第二功能。缺少了它的第二功能，單片機甚至還不能工作呢。A、I/O口的第二功能P0P3口的基本功能都是作為通用的雙向I/O口，它們的第二功能分別如下：P0口：第二功能是在訪問外部存儲器時，用于分時使用的低8位地直輸出和8位數據總線的輸入/輸出。Pl口：只有在52子系列中，P1.0和P1.1具有第二

37、功能。在51子系列中，Pl口就作為通用的陽口使用。P2：口:第二功能是在訪問外部存儲器時，輸出高8位地址。P3：在51單片機中，P3口的8引腳都具有特定的第二功能，而且都是很重要的功能。表1給出了P3口的第二功能。表1 P3口的第二功能引腳信號第二功能P3.0RXD串行接收時，串行數據的輸入口P3.1TXD串行接收時，串行數據的輸入口P3.2外部中斷0的中斷請求輸入端P3.3外部中斷1的中斷請求輸入端P3.4T0定時器0作為外部計數時，外部計數脈沖輸入端P3.5T1定時器1作為外部計數時，外部計數脈沖輸入端P3.6訪問外部數據存儲器寫信號輸入端P3.7訪問外部數據存儲器讀信號輸入端單片機各端口

38、的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉換。如P3.6、P3.7分別是、信號，當單片機外接RAM或有外部如口時，它們被用作第二功能，它們就自動充當著傳輸“寫”或“讀”信號的作用，不能作為通用I/O口時，也就是說，只要CPU執(zhí)行到MOVX指令，就會有相應的信號從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。P3口的第二功能信號都是單片機的重要控制信號.因此在實際使用時，都是按需要選用其第二功能信號，剩下的才以第一功能的身份做數據的I/O使用。在本系統中，我們采用P3口，完成了一系列控制，比如，缺相指示信號，用從P3.0輸出，缺相輸入信號，從P3.2輸入等。B、EPROM程序存儲器固化所需要的信號

39、在使用內部有EPROM的單片機芯片時，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號是由第二功能的形式提供的。Vpp：它與引腳復用，EPROM型單片機進行EPROM編程時，光是+5V的電壓肯定是不夠的，應該提供電壓更高的電源。此引腳可接收+25V的編程電源電壓。：光有編程電壓還不夠，它只是能量來源，程序代碼的數據肯定還需要一個“門”進入到單片機內部，這個“門”就是引腳，它與ALE引腳復用，在進行EPROM編程時，用于輸入編程脈沖。在實際應用中，我們要把編好的程序，用編程器寫到單片機內部的程序存儲器中，編程器中就使用了這兩個信號，只不過這兩個信號在編程器中已經連接好，不用我們再去線。C、備用

40、電源輸入Vpd：在計算機運行過程中，可能會遇到停電，這導致一些不良后果，如沒有保存的數據丟失。為了防止這種情況，要用UPS電源系統，它是為了計算機在系統掉電期間提供的后備電源，用來完成一些如存盤等緊急操作.單片機也是這樣，如果沒有后備電源，單片機在掉電期間就會丟失一些重要的中間數據(當然程序代碼不會丟失)。這個后備電源引腳就是Vpd，與RST引腳復用。在Vcc掉電期間，如果此引腳上接備用電源，一旦Vcc發(fā)生故障、電位突然下降到低于規(guī)定的電平，或者斷電了，而Vpd又在規(guī)定的電壓范圍內，單片機就會自動通過Vpd向內部RAM供電，使RAM中的數據不丟失。D、復位引腳和復位電路壓任何計算機在工作之前都

41、要有個復位的過程。對單片機來說，復位的時候，CPU也沒有開始執(zhí)行程序，只是在做準備工作。計算機的復位是使CPU和系統中的其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始進行工作。計算機無論是在剛開始通電時、斷電后，還是系統出現故障都需要復位。a、單片機復位條件單片機的復位是靠外部電路實現的。在單片機引腳中有一個復位引腳RST，只要在單片機的RST引腳上持續(xù)出現2個機器周期以上的高電平就可以完成復位了。這個時間很短，很容易滿足。為了確保復位，這個時間一般要延長，大約在10ms以上就可以了。b、常見的復位電路可以用很多種方法進行復位.比如PC機有兩種啟動方式:冷啟動和熱啟動，實際上就對應了兩

42、種不同的復位方式：一個是在計算機沒有工作的前提下，通過給計算機加電實現復位；另一個是在計算機已經正常工作的情況下，通過復位鍵RESTE或重新啟動計算機實現復位。同樣單片機的復位按原理一般也可分成上電自動復位和按鍵手動復位兩種。STC89C52的第9引腳是復位引腳，在晶振頻率選用6MHz，C取22F，R1取8K左右。上電自動復位電路是利用電容充電來實現復位的。電容的性是隔直流、通交流。在單片機接通電源的瞬間，電源相當于一個交流電、電容兩端相當短路，RESTE端的電位與Vcc相同，都是+5V。隨著RC電路的充電，RESET的電位就會逐漸下降，只要保證RESTE為高電平的時間大于10ms就能正常復位

43、了。當單片機正常工作時，STC89C52的9腳，維持一個高電平(+5V)。E、本系統中P0P3口輸入、輸出信號檢測信號和控制信號的功能和狀態(tài)：系統的顯示部分采用4片74L5164驅動LED，LED顯示方式為靜態(tài)顯示方式。使用STC89C52的串行通訊口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定時的原始參數，這樣當系統掉電時，設定的數據能永久保存，再開機上電時無需再重新設定參數，即可以運行于掉電前的狀態(tài)。采用NE555組成硬件定時復位電路，可以有效防止程序死機現象，提高了系統抗干擾性能。復位電路每1s向STC89C52的RESTE端發(fā)出復

44、位信號。根據程序的需要，通過8951的P0.4可以隨時控制復位電路的起動和停止，當P3.4=0時，NE555的2引腳為低電平，停止復位；當P0.4=0時，NE555的2引腳為高電平，起動復位。74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳，外接了RC電路，用于開機上電時清零74LS273的輸出端，可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用，同時在報警輸入端與CPU之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。由于系統要求的響應速度并不快，因此，系統A/D輸入采用8位串行ADC0831逐次逼近模數轉換器，這樣可以節(jié)省ST

45、C89C52的I/O口，并可降低成本。D/A輸出采用了光耦隔離式D/A輸出，在報警輸入端與CPU之間也采用了光耦隔離，以消除外部干擾。這樣現場模擬量信號經8951單片機運算后，向變頻器發(fā)出控制信號，改變變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機的速度。3)單片機變頻恒壓供水系統結構單片機變頻恒壓供水系統結構圖如圖8所示：圖8 單片機變頻恒壓供水系統硬件結構圖通過傳感器采樣的水壓信號經數字濾波，經光電耦合送到10位A/D轉換單元ADC0831，轉換后的數據由STC89C52的P2口輸入CPU，同輸入的設定值比較，PID調整處理后，得到變頻器的更新數據，運行結果由P3.3輸出，輸出給D/A轉換單元，用線性

46、光電耦合放大轉化為420mA的標準電流，送至變頻器，從而控制電機的運行。鍵盤和報警輸入由P0口輸入。當水源缺水時，單片機控制電機停機；當電源電壓、欠壓、斷相時，電流增大，引起電動機過熱，會損壞電機，電源電壓檢測信號通過P0口輸入，單片機控制電機停機。LED顯示由P3口輸出，LED可顯示管網水壓、變頻器的出頻率、工作水泵的數量、各水泵的累計工作時間及控制參數等。三、軟件設計1、PID控制算法對變頻器頻率的調節(jié)采用PID調節(jié)方法，PID控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續(xù)系統中技術成熟，應用最廣泛的一種算法。特別是在工業(yè)中，由于控制對象的精確數學模型難以建立，系統參數又經常發(fā)生變化，人們

47、常采用PID控制算法。PID調節(jié)是較成熟的傳統控制方法。數學表達式為： (5)離散化后可以用計算機很方便地實現，其位置式PID控制律的數學表達式可表示為： (6)其中：，和分別為比例系數，積分系數和微分系數；e(j)為第j次采樣的誤差值；T為采樣周期。實際應用中，我們選擇增量式PID控制律，其控制算法表達式為：y(n)=y(n-1)+ (7)其中即 公式(7)就是實際的計算機PID調節(jié)算法。為了獲得良好的控制效果，上述三個系數應根據實際的供水系統的不同情況進行適當的調整。2、編程思路根據以上硬件系統要求，系統軟件采用模塊化設計，該系統應用程序由主程序、子程序模塊和中斷服務程序等組成。系統應用程

48、序采用結構化模塊設計，從功能上看，主要包括：主程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、報替程序、PID調節(jié)、水泵控制、故障檢測等。主程序首先完成系統硬件的初始化任務，包括堆棧指針、特殊功能寄存器、擴展接口8155及數據區(qū)和標志位等的初始參數設置，然后調用數據處理子程序，將采樣獲得的現場數據或由鍵盤輸入的數據進行數制變換及標度處理，最終環(huán)節(jié)調用顯示子程序供用戶觀察。PID調節(jié)模塊由1號定時器中斷進入該模塊，單片機將設定值與采樣值進行比較，完成PID運算并將現行輸出值送到輸出寄存器，由2號定時器中斷時進行PWM轉換，改變變頻器的輸出頻率，控制水泵轉速。報警檢測模塊，完成管網壓力，水位和變頻器及水泵運行故障的

49、報替任務。水泵控制模塊：水泵的控制有三種方式。方式1：系統僅使用一臺水泵變頻運行，單片機檢測軟件定時器狀態(tài)，間隔24小時自動進行水泵切換；方式2：當水泵運行到50赫茲，而管網壓力還低于設定值，則1號泵降速，2號泵工頻啟動，兩臺泵同時運行。反之，則1號泵升速，2號泵停止運行；方式3：與方式2類似，區(qū)別是不直接工頻啟動2號泵，而是1號泵投入工頻運行，再軟啟動2號泵，電流沖擊小，可節(jié)省降壓啟動器。3、程序流程圖主程序流程如圖9所示，PID控制算法的程序框圖如圖10所示。圖9 主程序流程圖圖10 PID控制算法的程序流程圖四、小結學期專業(yè)方向課程設計，老師命題，學生可以選擇老師的題目也可以自己命題。趣

50、味性強，同時也可以學到很多東西。我認為，在這學期的專業(yè)方向課程設計中，在收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我們通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。不管怎樣，這些都是一種鍛煉，一種知識的積累，能力的提高。完全可以把這個當作基礎東西，只有掌握了這些最基礎的，才可以更進一步，取得更好的成績。很少有人會一步登天吧。永不言棄才是最重要的。而且，這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現其中珍貴的事