畢業(yè)設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計單片機

1、 學 士 學 位 論 文 論文題目： 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計 學生姓名： 專業(yè)年級： 指導教師： 職稱 年 月 日目 錄摘 要I1 前 言11.1 變頻調速技術概況11.2 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)產生的背景及研究意義1 傳統(tǒng)供水方式2 變頻調速恒壓供水節(jié)能分析2 研究意義51.3 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展51.4 本文主要研究內容62 單片機概述62.1 單片機簡介62.2單片機的發(fā)展史72.3 單片機的發(fā)展趨勢82.4 AT89C51單片機簡介93 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理93.1 變頻調速的基本原理10 變頻調速的基本控制方式103.2 系統(tǒng)工作過程113.3 系統(tǒng)的參數選取及調

2、速范圍134 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計134.1 主控單片機引腳說明144.2反饋壓力檢測電路154.3 輸出控制電路164.4 控制輸入電路174.5 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及Watchdog電路175 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計185.1 單片機接口地址分配和控制端口功能185.2 軟件程序設計186 結論21參考文獻21致 謝22附錄23變頻調速恒壓供水系統(tǒng)學 生： 專 業(yè)： 指導教師： 摘 要：隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。建設節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源也是一

3、項艱巨任務。因此，有利于節(jié)能節(jié)水的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)得到了更廣泛的應用。本文論述了變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的調速原理及節(jié)能分析。描述了變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計和實現方法。本文提出的系統(tǒng)設計方案是以ATMEL公司的AT89C51為基礎，同時描述了包括變頻器和傳感器在內的硬件控制系統(tǒng)和相應的軟件控制系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機成本低，易于使用的特點。關鍵詞： 變頻調速；恒壓供水；AT89C51單片機Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply SystemName: BaoXudongMajor: AutomationTutor: HuJunhaiA

4、bstract: With the Progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge，increasing of population and standard of living of people continuously improved，more and more demanding to quantity，quality and stability of water supply bring for ward in city. Build a con

5、servation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conservation is a difficult task. Therefore, it is conducive to saving energy and Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply System has been more widely used. This paper discusses the fre

6、quency conversion speed adjusting water supply system and energy-saving principle of speed control，and mainly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. The proposed system design is based on the company's AT89C51 based ATMEL

7、, also described including the transducer and sensor control system including hardware, software control systems and the corresponding. Give full play to the single chip low cost, ease of use.Keywords: frequency control; constant pressure water supply;AT89C51 mcu1 前 言1.1 變頻調速技術概況變頻技術是利用大功率半導體器件及其相應的

8、控制與保護電路來實現電能頻率參量的控制與變換，以實現電力的某些使用目的，并提高其使用質量與效率的一種技術。變頻技術在經歷了早期電子管、晶閘管整流器（60年代）和集成電路技術（70年代）幾個階段后，從80年代至今一直沿用基于電力電子技術的功率集成電路技術，并隨著技術的進步繼續(xù)發(fā)展1。而變頻調速技術就是在變頻的基礎上調整電機轉速的技術，其基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率實現轉速的改變。變頻調速技術已深入我們生活的每個角落，在國民經濟和日常生活中占有重

9、要地位:應用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術;是節(jié)約能源的高新技術;是國際上技術更新?lián)Q代最快的領域;是高科技領域的綜合性技術。交流變頻調速技術，已成為國內外公認的最理想、最有發(fā)展前途的電機調速方式。經測算，電機采用變頻調速技術運行后，一般可節(jié)電20%一40%，因此這項技術具有廣闊的使用前景，可被廣泛應用于改造鍋爐、風機、水泵、制冷機等設備的運行方式，以用來降低壓差損耗以及起停電機的電耗2。我國現有的100萬kw以上的大型電廠中，每套30萬kw的發(fā)電機一般都配備30-35臺輔機驅動用電動機。一個大型電廠，其輔機電動機多達250臺左右?；鹆Πl(fā)電廠用電動機驅動的輔機主要是風機水泵、給水泵

10、、循環(huán)水泵、空壓機和磨煤機等，據初步調查，其中50%-60%的風機、水泵可以改為調速運行。如果這些設備都實現變頻調速運行，按節(jié)電20%計算，年節(jié)電可達200億kW.h，相當于裝機400萬kw容量的發(fā)電設備3。因此，應用電力電子的交流變頻調速裝置以及相關高新技術來改造傳統(tǒng)的產業(yè)，就可以獲得很好的社會效益和經濟效益。近幾年來，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，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、計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。在這種環(huán)境下，電機交流變頻調速技術已經逐漸發(fā)展成為當今世界節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量、改善環(huán)境以及推動技術進步

11、的一種主要手段。1.2 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)產生的背景及研究意義我國國民經濟正處于迅猛發(fā)展時期，能源緊缺是制約我國經濟發(fā)展的重要因素，節(jié)能節(jié)水是我國經濟持續(xù)發(fā)展的基本國策。另外，隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、經濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求4。供水質量的好壞直接影響著人民的生活水平和企業(yè)的生產效率。要安全、穩(wěn)定、經濟可靠的管理好遍布全城的供水管網，一定要有一個滿足供水特點的、先進的自動化供水控制系統(tǒng)。但我國長期以來在城市供水、樓宇供水、工業(yè)生產供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于

12、受供水設備和供水方式的限制。 傳統(tǒng)供水方式1.恒速泵直接供水方式這種供水方式，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中抽水，嚴重影響城市公用管網壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質量極差。2.水塔/水箱的供水方式這種方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用戶供水。這種供水壓力比較恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來進行供水的，為此，需要建造水塔或將水箱置于建筑物的頂部5。即使如此，在大型建筑物種還常常不能滿足最不利供水點的供水要求，且

13、難于滿足不斷增長的供水需求。同時，由于在建筑物頂部形成很大的負重，所以增加了結構面積，也妨礙了美觀。另外這種供水方式的水質容易受到污染，系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，這將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。3.氣壓供水方式模糊控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的研究與設計這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水塔/水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔水箱要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性，靈活性大、建設快、不妨礙美觀，且可以通過改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。但缺點是需要

14、壓力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運行效率低，因此電能消耗大，運行費用高6。綜上所述，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)浪費了很多水力資源和電力資源，效率低下，且可靠性低，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。它們還有一個共同的致命缺點是自動化程度不高，跟不上時代發(fā)展的需求。所以開發(fā)一種新型的自動化程度高、可靠性高且節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。 變頻調速恒壓供水節(jié)能分析圖1-1 供水系統(tǒng)的基本特性Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system變頻調速恒壓供水系統(tǒng)最突出的特點就是節(jié)能。在該系統(tǒng)中，最主要的是對水泵的控制，在日常生活及工農業(yè)生產

15、中，由離心泵組成的供水系統(tǒng)普遍存在，下面就以離心泵為例分析變頻調速節(jié)能的原理。一、供水系統(tǒng)的特性和工作點1揚程特性 以管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻髟谀骋晦D速下，全揚程HT與流量Q間關系的曲線HT=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖1-1中的曲線所示。揚程特性是反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。2管阻特性 以水泵的轉速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，全揚程HT與流量Q間關系的曲線HT=f(Q)，稱為管阻特性曲線。如圖1-1中的曲線所示，管阻特性是表明由管阻（閥門開度）來控制供水能力的特性曲線。3供水系統(tǒng)的工作點 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖1-1中的N點

16、在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率PG（KW）稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比：PG=CPHTQ（1-1）式中CP比例常數。由圖1-1中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積0ANG成正比7。二、調節(jié)流量的方法與比較在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種。1.閥門控制法 即通過關小或開大閥門來調節(jié)流量，而轉速則保持不變（通常為額定轉速）。閥門控制法的實質是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中

17、的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的需求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。圖1-2調節(jié)流量的方法與比較Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow如圖1-2所示，設用戶所需流量QX為額定流量的60%（即QX=60%QN），當通過關小閥門來實現時，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚程特性仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點移至E點，這時：流量減小為QE（=QX）；揚程增加為HE；由式（1-1）知，供水功率PG與面積0DEJ成正比。2.轉速控制法 即通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為最大開度

18、）。轉速控制法的實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%QN為例，當通過降低轉速使QX=60%QN時，揚程特性為曲線，管阻特性仍為為曲線，故工作點移至C點。這時，流量減小為QE（=QX），揚程減小為HC，供水功率PC與面積0DCK成正比8。3.兩種方法的比較 比較上述兩種調節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（QX100%QN）的情況下，轉速控制時的揚程比閥門控制時小得多，所以轉速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差P便是轉速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ（圖中的

19、陰影部分）成正比。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。4從水泵的工作效率看節(jié)能(1)工作效率的定義水泵的供水功率PG與軸功率PP（輸入功率，即電動機的輸出功率）之比，即為水泵的工作效率，符號是P：P=PG/PP （1-2）(2)水泵工作效率的近似計算據有關資料介紹，水泵工作效率相對值*的近似計算公式如下：P*=C1（Q*/n*）C2(Q*/n*)2 (1-3)式中，P*、Q*、n*分別為效率、流量和轉速的相對值；C1、C2常數，由制造廠家提供，C1與C2之間，通常遵循如下規(guī)律:C1C2=1(3)不同控制方式時的工作效率由式（1-3）可知，當通過關小閥門來減小流量時，由于轉速不變，n

20、*=1，比值Q*/n*=Q*，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯10。在轉速控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉速n*是成正比的，比值Q*/n*不變。就是說，采用轉速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)9。所以，轉速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個方面。5從電動機的效率看節(jié)能 在設計供水系統(tǒng)時，由于：對用戶的管路情況無法預測；管阻特性難以準確計算；必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大10。所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高峰期，電動機也常常處于輕載

21、狀態(tài)，其效率和功率因數都較低。采用了轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當降低轉速。由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠根據負載輕重調整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面。綜上所述，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能顯而易見，所以要大力發(fā)展變頻調速技術。 研究意義變頻調速技術的應用和推廣，在工農業(yè)生產中無非是解決兩大問題一是節(jié)能，二是改善生產過程。我國的產值能耗是世界上最高的國家之一。據統(tǒng)計，目前我國電機的總裝機容量己達4億千瓦，年耗電量約占全國用電量的60%，但我國電機驅動系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機

22、只相當于國際20世紀50年代的技術水平電機驅動系統(tǒng)能效比國外低20%左右，電能浪費十分嚴重11。眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。飲水工程對于每個人來說都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現代工業(yè)中無處不在。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題，傳統(tǒng)供水方式己經不能滿足當前社會的發(fā)展和需求。要解決生產過程中能耗高的問題，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速技術已成為節(jié)能及提高產品質量的有效措施，其重要性日益

23、得到了國家的重視，在國內推廣變調速技術有著非常重大的現實意義和巨大的經濟價值及社會價值。變頻調速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資調節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。1.3 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展變頻恒壓供水是在交流變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的，所以談變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看看交流變頻調速技術的發(fā)展。交流變頻調速技術是建立在電力電子技術基礎之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關器件。以小電流控制大功率的變換，但其開關頻率低，只能導通不能自關斷。20世紀70年代電力電子器件開發(fā)的電力晶體管(G

24、TR)和門極關斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關斷的電力電子器件，可以方便的實現變頻、逆變和斬波，為變頻調速技術的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎12。20世紀80年代，又進一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場控)型自關斷的電力電子器件，具有在任意時刻用基極(柵極、門極)信號控制導通或關斷的功能，從而使變頻調速技術又向前邁進了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅動、保護等功能集成化起來，出現了智能化功率集成電路(IGBT)模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實現了開關頻率的高速化、低導通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)模化，包括了邏輯控制、功率、保護、傳感及測量的電路功能

25、，為交流變頻調速技術開辟了新的天地。電力電子技術的發(fā)展與后來的正弦波脈寬調制技術（SPWM）的結合推動了變頻調速應用于恒壓供水系統(tǒng)中13。電力電子技術發(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。這無疑將推動交流變頻調速技術向新的方向發(fā)展。我國的交流變頻調速技術雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術逐步應用在各個領域，尤其在風機、水泵方面，但同國外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術。國外交流變頻調速技術高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)，并取得顯著的經濟

26、效益。尤其在水泵、風機方面的應用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術的發(fā)展應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。1.4 本文主要研究內容本文主要論述了變頻調速的基本原理及單片機在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中的應用。為了表述如何利用單片機完成對電機的變頻調速控制，實現變頻調速恒壓供水，本文提出了一個基于AT89C51單片機的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，并設計了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。2 單片機概述2.1 單片機簡介單片機是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、

27、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計算機系統(tǒng)。單片機不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。事實上，單片機是世界上數量最多的計算機。現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控

28、制系統(tǒng)上甚至可能有數百臺單片機在同時工作的單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數量還要多。不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產品是否滿足需要的功能和應用系統(tǒng)所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說的單片機的尋址方式，數據處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應用程序

29、的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應用系統(tǒng)，掌握其結構特征和技術特征是必須的。單片機控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強大等特點，正逐漸取代以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統(tǒng)，其控制過程可以以軟件控制來實現，并能夠實現智能化。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機的應用領域也將越來越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設計思想。是控制技術的一次革命。2.2單片機的發(fā)展史1974 年,美國仙童(Firchild)公司研制出世界第一臺單片微型機F8。該機有兩塊集成電路芯片組成,結構奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領域的歡迎和重視。從此,單片機開始迅速發(fā)展,

30、應用領域也在不斷擴大。現已成為微型計算機的重要分支,單片機的發(fā)展過程通?？梢苑譃橐幌聨讉€發(fā)展過程。第一代單片機(1974-1976):這是單片機發(fā)展的起步階段。在這個時期生產的單片機特點是,制造工藝落后和集成度低,而且采用了雙片形。典型的代表產品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。第二代單片機(1976-1978):這是單片機的第二發(fā)展階段。這個時代生產的單片機隨眼已能在單塊芯片內集成CPU,并行口,定時器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品種少,應用范圍也不是很廣,典型的產品有Inrel公司的MCS-48系列機。第三代單片機(1979-1982):這是八位

31、單片機成熟的階段.這一代單片機和前兩代相比,不僅存儲容量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時器/計數器個數都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全雙工穿行通信接口電路。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設了懲處法和比較指令。這一時期生產的單片機品種齊全,可以滿足各種不同領域的需要。代表產品有Intel公司的MCS-51系列機,Motorola公司的MC6801系列機,TI公司的TMS7000系列機,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生產了自己的單片機系列14。第四代單片機(1983年以后):這是十六位單片機和八位高性能單片機并行發(fā)展的時代,十六位機的特點是,工藝先進,集成度

32、高和內部功能強,加法運算速度可達到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語言,如PL/MPLUS C和Forth語言等。代表產品有intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。我國開始使用單片機是在1982年，從那時到現在20多年的時間里，單片機領域發(fā)生了翻天覆地的變化。國內的單片機發(fā)展在前幾年以51及其兼容系列為主。直到現在51系列的芯片還在中國市場占有相當大的比重。中國單片機市場經過近三十年的發(fā)展，及在國家的支持下，也產生了一些非常優(yōu)秀的單片機設計生產廠家。2.3 單片機的發(fā)展趨勢計算機系統(tǒng)

33、的發(fā)展已明顯地朝三個方向發(fā)展；這三個方向就是：巨型化，單片化，網絡化。以解決復雜系統(tǒng)計算和高速數據處理為主的工作仍然是巨型機在起作用，故而，巨型機在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機在出現時，Intel公司就給其單片機取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。單片機的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設備中。這一點是巨型機和網絡不可能做到的。目前，用戶對單片機的需要越來越多，但要求也越來越高，在這個刺激下，單片機技術在很多方面都有了進步。首先，在內部結構方面，單片機已集成了越來越多的部件。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器，A/D轉換器，

34、D /A轉換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。 有的單片機為了構成控制網絡或形成局部網，內部含有局部網絡控制模塊CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特別是在單片機C167CS-32FM中，內部還含有2個CAN。因此，這類單片機十分容易構成網絡。特別是在控制，系統(tǒng)較為復雜時，構成一個控制網絡十分有用。 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面。現在新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作

35、方式。Philips公司的單片機P87LPC762是一個很典型的例子，在空閑時，其功耗為1.5 mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有0.5mA?，F在單片機的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現，單片機也大量采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現，以大量減少體積。擴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發(fā)展的目標之一。目前，一般單片機都可以在3.35.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產出可以在2.26V的條件下工作的單片機。這些單片機有Fujitsu公司的MB8919189195，MB89121125A，MB89130系列等，應該說該公司的F2MC-8L系列單片機絕大多數都滿足2.2

36、6V的工作電壓條件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作電壓也是低達2.2V的15。 最后是工藝方面。現在的單片機基本上采用CMOS技術，但已經大多數采用了0.6m以上的光刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35m甚至是0.25m技術。這些技術的進步大大地提高了單片機的內部密度和可靠性。綜上所述，單片機的發(fā)展趨勢主要有以下幾個特點1 低功耗 制作工藝全部CMOS化。這主要是出于對低功耗的要求，而且在單片機工作模式上，也有多種模式，如idel，sleep模式等。有的還使用雙晶振設計，在空閑時候關閉高速晶振，使用片內或外部低速晶振。等機功耗非常低。2 資源豐富 盡管單片機

37、內部已經由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破鳎瑢崿F在單片化，但是出于成本和穩(wěn)定性的考慮，如A/D(模/數轉換器)、D/A(數/模轉換器)、PWM(脈沖產生器)以及LCD(液晶)驅動器等也集成到內部，出于開發(fā)和調試的方便，大多支持ISP下載、片上調試、定時器/計數器、上電復位電路、甚至集成有單運放電路。 有些高檔單片機，如一些32位的單片機，出于一些特殊市場，還在內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16。3 共性和個性共性，是指單片機的共同特性，8051為代表的單片機架構和指令對整個單片機領域產生了深遠的影響，其他單片機或多或少都會受到其加構的影響。因此國內很多企業(yè)生產類似

38、于51系列的增強型的單片機，這些芯片，保留了8051單片機的功能特性的同時，增強了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機運算速度提高十倍以上。個性是指一些面向特殊領域、特殊設計的單片機，如用于特殊控制的簡單電路，有的單片機只有一個定時器，內部集成上電復位電路，ROM只有1K的SOP-8的單片機，價格在1元人民幣以下。 總之，單片機的發(fā)展將進一步多元化，單片機產品將更加豐富，單片機的盡用場合將進一步細化。單片機將更易用、性能更加穩(wěn)定、價格更低，而主流仍然是8位機。2.4 AT89C51單片機簡介本文設計的系統(tǒng)主要采用AT89C51作為控制。AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電

39、壓、高性能CMOS 8位單片機。片內帶有4KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于芯片中組合有多功能8位CPU和閃爍存儲器，ATMEL的AT89C51是一種功能強大、性價比高的微控制器，廣泛應用于各種控制領域。AT89C51單片機的主要特性有：與MCS-51兼容，4KB可編程閃爍存儲器，1000次的擦寫循環(huán)周期，10年數據保留時間，0Hz-24MHz全靜態(tài)工作，三級程序存儲器鎖定， 128×8位內部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數器，

40、5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內振蕩器和時鐘電路。3 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，是通過變頻調速來改變水泵的轉速從而改變水泵工作點來達到調節(jié)供水壓力的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。在調節(jié)水泵轉速的過程中，水泵工況點的調節(jié)是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現象，還可能導致管網壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實

41、際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化因此水泵工況點的確定和工況調節(jié)與這三者密切相關。3.1 變頻調速的基本原理系統(tǒng)中的水泵機組應用變頻調速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉速可以相應的改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。由異步電動機的轉速公式n=601(1-s)/np=n1(1s) (3-1)式中，n為電動機轉速；1為電動機定子的供電頻率；s為轉差率；np為電動機定子繞組極對數；n1為旋轉磁場的同步轉速。由式(3-1)可知，當轉差率變化不大時，基本上正比于1，所以改變供電電源頻率1，即可調節(jié)異步電

42、動機的轉速。這種調速方法,可以獲得很大的調速范圍，很好的調速平滑性和相對穩(wěn)定性17。 變頻調速的基本控制方式在進行異步電機調速時，希望保持電機中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，也不能產生足夠的電磁力矩，影響電機的加減速時的快速性；如果增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機三相異步電機定子每相電動勢的有效值是Eg=4.441N1KN1m (3-2)式中，1定子頻率；N1定子每相繞組串聯(lián)匝數；KN1基波繞組系數；m每極氣隙磁通量。圖3-1 恒壓頻比控制特性 1-不帶定子壓降補償2-帶定子壓降補償Figure 3-1 Const

43、ant voltage and frequency ratio control characteristics1- The compensation for pressure drop with no stator2- The compensation for pressure drop with stator由式（3-2）可知，N1、KN1是常數，只要控制好Eg和1，便可達到控制磁通m的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1 基頻以下調速由式（3-2）可知，要保持m不變，當頻率1從額定值1n向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，使Eg/1=常值 (3-3)即采用恒定的電動勢頻

44、率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接測量的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1Eg，則得U1/1=常值 （3-4）這是恒壓頻比的控制方式。低頻時，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補償定子漏阻抗壓降18。其控制特性如圖3-1所示。 2 基頻以上調速基頻以上調速時，頻率可以從1n向上增高，但電壓U1卻不能超過電機的額定電壓U1n，最多只能保持U1=U1n。由式（3-2）可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況19。 把基頻以下和基頻以上的情況

45、結合起來可得圖3-2所示的異步電動機變壓變頻調速控制特性。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，即電機都能在溫升允許情況下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化。根據電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質；而在基頻以上轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的裝機容量足夠大，所以不會出現基頻以上調速的情況，因此主要考慮基頻以下調速。圖3-2異步電動機變壓變頻調速控制特性Figure 3-2 The control characteristics of variable pressure and frequency contro

46、l with asynchronous motor3.2 系統(tǒng)工作過程根據現場生產的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進行設計，即把水泵1（220KW）和水泵2（160KW）為一組，變頻調速控制系統(tǒng)可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行20。系統(tǒng)工作原理結構見圖3-3。圖3-3 供水控制系統(tǒng)原理結構圖Figure 3-3 The structure diagram for the principle of Water Supply Contr

47、ol System分析控制系統(tǒng)機組（水泵1、2機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)：（1）水泵2變頻啟動；（2）水泵1變頻運行，水泵2工頻運行；（3）水泵1單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當管網壓力突變時，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應變換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。1.切換過程水泵2變頻啟動，頻率達到50Hz，水泵1變頻運行，水泵2工頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網水壓低于設定壓力下限P。按下相應的按鈕，選擇機組運行， KM2得電，水泵2先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動水泵2的電動機采用軟啟動，水泵2啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增

48、加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，水泵2自變頻器輸出端斷開，KM1得電，水泵2切換至工頻運行，水泵2自變頻器輸出端斷開，KM1得電水泵2切換至工頻運行。水泵2工頻運行后，開啟水泵2閥門，水泵2工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，水泵1接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，水泵1開始軟啟動，運行一段時間后，開啟水泵1閥門，水泵1電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現水泵2由變頻切換至工頻電網運行，水泵1接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網水壓達到設定值（PiPPm）為止。2.切換過程由水泵1變

49、頻運行，水泵2工頻運行轉變?yōu)樗?單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加，水泵1電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機轉速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Pk時（f=fmin，PPk），在系統(tǒng)控制下，水泵2電機在工頻斷開，2水泵1繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。3.切換過程由水泵1變頻運行轉變?yōu)樗?變頻停止，水泵2變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，水泵1電動機工作在調速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設定水壓上限Pi時（水泵1電機f=fi，PPi），接通變頻器BX端

50、，變頻器FWD斷開，KM3斷開，水泵1電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，水泵1電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。水泵1電機開始軟啟動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)，開始新一輪循環(huán)。3.3 系統(tǒng)的參數選取及調速范圍合理選取壓力控制參數，實現系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個目的的實現關鍵就在于恒壓控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網最不利點壓力恒壓控制。另一個就是泵出口壓力恒壓控制。變頻器在投入運行后的調試是保證系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據負載的轉動慣性的大小，在啟動和停止電機時所需的時間就不同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流

51、，在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調速運行時使系統(tǒng)變得調節(jié)緩慢，反應遲滯，應變應變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常覆蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態(tài)，所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2-20秒之間21?？疾焖玫男是€，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時

52、即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體降低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內。在此范圍內，電動機的負載率在50%-100內變化22，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。4 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計如前所述，本文設計的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)主要采用Atmel 公司的AT89C51 單片機作為控制CPU (因為該單片機片內具有4KB 可編程閃爍存儲器)其系統(tǒng)構成如圖4-1所示系統(tǒng)的工作原理是: 控制器通過檢測實際水壓值, 比較設定水壓值和實際水壓值的差別, 按PID 控制規(guī)律運算后,輸出控制信

53、號至變頻器, 變頻器則根據控制器的輸入信號調節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當用水量增加時, 控制器控制變頻器使電動機的電壓和頻率加大, 水泵轉速升高, 出水量增加; 當用水量減少時, 控制器控制變頻器使電動機的電壓和頻率降低, 水泵轉速下降, 出水量減少。通過這種控制方式, 就可以使自來水管道壓力保持在設定值上。圖4-1 系統(tǒng)構成原理圖Figure 4-1 System structure diagram如前所述，系統(tǒng)的核心控制CPU為AT89C51單片機，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行, 采用MAX813 作為系統(tǒng)的電壓監(jiān)控及Watchdog 電路; 壓力變送器送來的420mA 的壓力信號經IC7 轉

54、換為05V 的電壓信號; 由A/ D 轉換電路ADC0809將壓力傳感器的檢測水壓值和設定電位器的設定值轉換為數字量, 供單片機使用; D/ A 轉換電路采用DAC0832 , 將單片機輸入的控制量轉換為420mA 電流環(huán), 控制變頻器的輸出頻率。變頻器采用常用于供水系統(tǒng)的TD2100由單片機到配電部分的控制信號及系統(tǒng)的一些控制開關命令, 均通過光電耦合電路進行隔離, 以減少強電回路對單片機的影響。完整硬件設計圖見附錄。4.1 主控單片機引腳說明本文所使用的AT89C51單片機引腳分布見圖4-2。具體說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。 圖4-2 AT89C51引腳分布Figure 4-

55、2 Pin designation of AT89C51P0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口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/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

56、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位地址外部數據存儲器進行存取時，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據存儲器進行讀寫時，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RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST