單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開(kāi)發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。根據(jù)高校用水時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)，分析了校園原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問(wèn)題。提出利用自來(lái)水恒壓供水和水泵提水相結(jié)合的方式，并配以變頻器、軟啟動(dòng)器、單片機(jī)、微泄露補(bǔ)償器、壓力傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器，根據(jù)管

2、網(wǎng)的壓力，通過(guò)變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導(dǎo)致壓力不足及小流量時(shí)能耗大的問(wèn)題。</p><p>　　另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結(jié)合使用可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動(dòng)，具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。</p><

3、;p>　　關(guān)鍵字：恒壓變頻供水，單片機(jī)，差壓供水，自動(dòng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Buiding the conservation-oriented society,the reasonable development,saves and the effective protecting water resourc

4、es is an arduous task,according to the university water used time,the water consumption change major characteristic,analyzed the campsus original water supply system existence cost to be high,the reliability was low,the

5、water resources waste,the pipe network system treated the consummation the question .Proposed that draws water the way which using the runing water hydraulic press</p><p>　　Moreover the water pump consumes t

6、he electric power and the electric machinery ratational speed is proportional three cubed the relations,therefore the water pump velocity madulation movement’s energy conservation effect is obvious,the sverage power cons

7、umption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller,mayrealize the main pump frequency conversion,the auxiliary pump soft start,has the short circuit protection,the overflow protection,fun

8、ction stably,the work reli</p><p>　　Key words:Constant pressure frequency conversion watersupply, SCM, differential pressure water supply,automatic control</p><p><b>　　目錄</b></p&g

9、t;<p><b>　　第一章引言1</b></p><p>　　1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)1</p><p>　　1.2 傳統(tǒng)定壓方式的弊病1</p><p>　　1.3恒壓供水設(shè)備的主要應(yīng)用場(chǎng)合2</p><p>　　1.4恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)2</p><p>　

10、　1.5變頻節(jié)能理論3</p><p>　　1.5.1交流電機(jī)變頻調(diào)速原理3</p><p>　　1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇3</p><p>　　1.6.1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成3</p><p>　　1.6.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取4</p><p>　　1.7變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)4<

11、;/p><p>　　第二章變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理6</p><p>　　2.1系統(tǒng)工作過(guò)程7</p><p>　　2.2變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理9</p><p>　　2.3變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機(jī)理分析10</p><p>　　2.3.1管路水力損失及性能曲線10</p>&l

12、t;p>　　2.3.2水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析11</p><p>　　2.3.3調(diào)速范圍的確定12</p><p>　　2.4本章小結(jié)13</p><p>　　第三章變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1硬件總體說(shuō)明14</p><p>　　3.2 555定時(shí)器復(fù)位電路15<

13、;/p><p>　　3.3 5V單片機(jī)供電電源電路17</p><p>　　3.4 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋17</p><p>　　3.4.1 LED數(shù)值顯示模塊17</p><p>　　3.4.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路19</p><p>　　第四章變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)25&

14、lt;/p><p>　　4.1 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體說(shuō)明25</p><p>　　4.2 8051系列單片的編程語(yǔ)言25</p><p>　　4.3 編程軟件26</p><p>　　4.3.1 C051編譯器介紹26</p><p>　　4.3.2 KEIL編譯器26</p><

15、p>　　4.4 單片機(jī)資料27</p><p>　　4.5 軟件的設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.5.1 程序設(shè)計(jì)圖30</p><p><b>　　結(jié)論33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文

16、獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄36</b></p><p>　　附錄一：A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序36</p><p>　　附錄二：PID控制子程序39</p><p><b>　　外文資料原文44</b></p><p>　　In

17、put/Output Accessing44</p><p><b>　　翻譯文稿49</b></p><p>　　輸入/輸出訪問(wèn)49</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，使供水設(shè)計(jì)得到了新的發(fā)展機(jī)遇，當(dāng)前住宅建筑的

18、規(guī)劃趨向于更具有人性化的多層次住宅組合，人們不再僅僅追去立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設(shè)計(jì)中貫徹以人為本的理念，特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、安全又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式，對(duì)我們供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。</p><p>　　恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據(jù)用戶需求確定的，傳統(tǒng)的恒壓供水方式是

19、采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機(jī)組合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)</p><p>　　1.節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。</p><p>　　2.占地面積小，投資少，效率高。<

20、/p><p>　　3.配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。</p><p>　　4.運(yùn)行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。</p><p>　　5.由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。</p><p>

21、;　　6.通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。</p><p>　　1.2 傳統(tǒng)定壓方式的弊病</p><p>　　1.管理不便，因與大氣連通容易引起管道腐蝕。</p><p>　　2.由于水箱內(nèi)微生物，藻類(lèi)寄生，還可能對(duì)系統(tǒng)造成二次污染，所以定壓水箱都需要定期維護(hù)，并由衛(wèi)生部門(mén)檢測(cè)。</p><p>　　3.定壓水箱需占用較大的

22、空間，需要專(zhuān)門(mén)的地點(diǎn)來(lái)放置。</p><p>　　4.高位定壓水箱系統(tǒng)的控制靠投入泵的臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，但這種方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵長(zhǎng)期在高效區(qū)工作，效率低下。</p><p>　　5.系統(tǒng)頻繁的啟停泵，造成水泵、電機(jī)及開(kāi)關(guān)部件壽命縮短。</p><p>　　6.使用高位水箱供水，在系統(tǒng)流量較大時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)有較大的變化，造成</p>&

23、lt;p>　　部分用戶壓力不夠，出現(xiàn)諸如流量不足、冷熱不均等情況。</p><p>　　7.在供水泵的選型上，設(shè)計(jì)人員為了提高系統(tǒng)安全系數(shù)，電機(jī)選型都較大；在用水負(fù)荷較小時(shí)要采用減壓閥、節(jié)流孔板等來(lái)調(diào)節(jié)水流量，這樣大量的能量消耗在閥上，造成了電能的浪費(fèi)。</p><p>　　1.3恒壓供水設(shè)備的主要應(yīng)用場(chǎng)合</p><p>　　1.高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事

24、業(yè)等生活用水。</p><p>　　2.各類(lèi)工業(yè)需要恒壓控制的用水場(chǎng)合，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等。</p><p><b>　　3.中央空調(diào)系統(tǒng)。</b></p><p>　　4.自來(lái)水廠增壓系統(tǒng)。</p><p>　　5.農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。</p><p>　　6.各種流

25、體恒壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.4恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　通過(guò)安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬信號(hào)，通過(guò)變頻器內(nèi)置的PID控制器，來(lái)改變電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，電動(dòng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。</p>

26、<p>　　目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的技能技術(shù)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。</p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和水塔或天而水池來(lái)滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來(lái)確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，

27、然后泵組根據(jù)流量變化情況來(lái)選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問(wèn)題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上的應(yīng)用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。</p><p><b>　　1.5變頻節(jié)能理論</b></p><p>　　

28、1.5.1交流電機(jī)變頻調(diào)速原理</p><p>　　交流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：，其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對(duì)數(shù)，電機(jī)選定之后s、p為定值。電機(jī)轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來(lái)改變交流電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，各類(lèi)工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等。</p><p>　　流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q∝N</p><p&

29、gt;　　轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：T∝</p><p>　　功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：T∝N</p><p>　　而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機(jī)軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系；</p><p>　　P變= NP額= QP額</p><p><b>　　其中

30、，P為功率</b></p><p><b>　　N為轉(zhuǎn)速</b></p><p><b>　　Q為流量</b></p><p>　　例如設(shè)定當(dāng)前流量為水泵額定流量60%，則采用變頻調(diào)速時(shí)P=QP=0.216P，而采用閥門(mén)控制時(shí)P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，節(jié)電=（P*P）/P*100=71.6%<

31、;/p><p>　　由此可見(jiàn)從理論上計(jì)算結(jié)果可以看到技能效果非常顯著，而且在實(shí)際運(yùn)行變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動(dòng)控制恒壓、無(wú)污染等明顯優(yōu)勢(shì)。而且新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動(dòng)控制一臺(tái)或多臺(tái)主泵和一臺(tái)休眠泵的運(yùn)行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺(tái)主泵流量約1/6~1/8時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止主泵，啟動(dòng)小功率休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時(shí)大量電能的浪費(fèi)問(wèn)題，從運(yùn)行控制上進(jìn)一步節(jié)能。</p&

32、gt;<p>　　1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇</p><p>　　1.6.1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、管網(wǎng)組成。工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)用水量的變化引起水壓變化，即使將信號(hào)反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對(duì)比設(shè)定控制壓力進(jìn)行運(yùn)算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水

33、泵的運(yùn)行或加減速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。</p><p>　　1.6.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取</p><p>　?。?）合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制。另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。</p><p>　?。?）變頻器在投入運(yùn)行后的

34、調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的必要手段。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。為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，它所帶來(lái)的問(wèn)題很容易被設(shè)備外表的正常覆蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運(yùn)行狀態(tài)，所以現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)

35、所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)不同，測(cè)試出負(fù)載的允許最短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2~20秒之間。</p><p>　　1.7變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): </p><p>　　(1)供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程

36、控制量，同其他一些過(guò)程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng).</p><p>　　(2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。</p><p>　　{3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向

37、各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性，</p><p>　　(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。</p><p

38、>　　(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。</p><p>　　(6)水泵的電氣控制柜，有遠(yuǎn)程和就地控制的功能，數(shù)據(jù)通訊接口能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控

39、以及報(bào)表打印等功能。</p><p>　　(7)系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。</p><p>　　變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過(guò)變

40、頻調(diào)速來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯霉ぷ鼽c(diǎn)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反應(yīng)水泵運(yùn)行工程的水泵工作點(diǎn)也稱(chēng)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)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。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。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水

41、力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化因此水泵工況點(diǎn)的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。</p><p>　　圖2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　圖3-1就是一個(gè)典型的由8051單片機(jī)控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)。系統(tǒng)由微機(jī)控制器、交流變頻調(diào)速器、水泵機(jī)組、供水管網(wǎng)和壓力傳感器等組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3.2所示。8051單片計(jì)算機(jī)在這里

42、主要起壓力采集，PID調(diào)節(jié)器計(jì)算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報(bào)警等作用。</p><p>　　圖2-2 單片機(jī)的變頻恒壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)工作過(guò)程</b></p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際狀況，白天一般只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行

43、作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把1#水泵電機(jī)（160KW）和2#水泵電機(jī)（220KW）為一組，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。</p><p>　　分析自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)組Ⅰ（1#、2#水泵機(jī)組）工作過(guò)程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：（1）1#電機(jī)變頻啟動(dòng)；（2）1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行；（3）2#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行，一

44、般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)變換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。</p><p><b>　　切換過(guò)程Ⅰ</b></p><p>　　1#電機(jī)變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到50Hz，1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組Ⅰ運(yùn)行，在PLC可編程控制器控制

45、下，KM2得電，1#電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對(duì)拖動(dòng)1#泵的電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)，1#電機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)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(kāi)，KM2失電，1#電機(jī)自</p><p>　　變頻器輸出端斷開(kāi)，KM1得電，1#電機(jī)切換至工頻運(yùn)行，1#電機(jī)自變頻器輸出端斷開(kāi)，KM1得電1#電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。1#電機(jī)工頻

46、運(yùn)行后，開(kāi)啟1#泵閥門(mén)，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機(jī)接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開(kāi)，2#電機(jī)開(kāi)始軟啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開(kāi)啟2#泵閥門(mén)，2#水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，2#水泵接入變頻器并啟動(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。</p><p><b>　　切換過(guò)程Ⅱ<

47、;/b></p><p>　　由1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，2#水泵電機(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)（2#電機(jī)，f=fmin，P＜Pk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機(jī)在工頻斷開(kāi)，2#水泵繼續(xù)在變頻

48、器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。</p><p><b>　　3切換過(guò)程Ⅲ</b></p><p>　　由2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)變頻停止，1#電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，2#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)（2#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)，2#電機(jī)

49、自變頻器輸出端斷開(kāi)；KM2得電，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)。1#電機(jī)開(kāi)始軟啟動(dòng)?？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)。</p><p>　　圖2-3 1#和2#機(jī)組工作過(guò)程流程圖</p><p>　　2.2變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理</p><p>　　水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源效率來(lái)改變電

50、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。</p><p>　　如圖2.4所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大Qmax時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門(mén)全開(kāi)，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點(diǎn)，此時(shí)，水泵輸出口壓力為H，末端服務(wù)壓力剛好為H0.當(dāng)用水量從Qma

51、x減少到Q1的過(guò)程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。</p><p>　　圖2-4節(jié)能分析曲線圖</p><p>　　(1)水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門(mén)來(lái)控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點(diǎn)由b點(diǎn)上滑到c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由b點(diǎn)滑到d點(diǎn)，這樣c點(diǎn)和d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。</p><p>　　(2)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的

52、出口壓力恒定來(lái)控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)是在H上平移。在水量到達(dá)Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)閚x。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點(diǎn)e即為此時(shí)的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到Q1時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費(fèi)。</p><p>　　(3)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來(lái)控制；此

53、時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降到Q1時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點(diǎn)為d點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)式中沿著A0滑動(dòng)，管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒(méi)有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.</p><p>　　根據(jù)水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2</p><p>　　H1/H2=(n1/n2)*2<

54、/p><p>　　P1/P2=(n1/n2)*3</p><p>　　式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過(guò)控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過(guò)壓力傳感器以獲得壓力信號(hào)，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力

55、還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無(wú)論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠。</p><p>　　采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，避免了對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過(guò)電流、過(guò)電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。</p><p>　　目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根

56、據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n為：</p><p>　　n=120(1-s)/p （2.3.1）</p><p>　　式中s為電機(jī)的滑差（s=0.02），p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，f為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后，p和s為定值，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時(shí)是根據(jù)這一公式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的。</p>

57、<p>　　由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關(guān)系為</p><p><b>　　N=PQ</b></p><p>　　由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。</p><p>　　2.3變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機(jī)理分析</p><p>　　2.3

58、.1管路水力損失及性能曲線</p><p>　　管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種</p><p><b>　　（2.3.2） </b></p><p>　　沿程損失 （2.3.3）</p><p>　　式中y-管路沿程摩擦損失系

59、數(shù)；j-局部損失系數(shù)；L-管路長(zhǎng)度（m）；A-過(guò)水</p><p><b>　　截面的面積。</b></p><p>　　將式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得</p><p>　　式中S被稱(chēng)為管路阻力系數(shù)。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應(yīng)的y，j，L，A等參數(shù)都能去頂，S也就確定了。由式（2.3.4）可知管路水力損失與流量的平方

60、成正比。當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實(shí)際揚(yáng)程H）加上管路損失</p><p>　　Hx=Hsj+Hs (2.3.5)</p><p>　　由式（2.3.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線</p><p>　　圖2-5本泵工作點(diǎn)的確定</p><p>　　2.3.2水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析<

61、;/p><p>　　水泵運(yùn)行工況點(diǎn)A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門(mén)控制流量，需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門(mén)，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2.運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到D點(diǎn)，揚(yáng)程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到C點(diǎn)

62、，揚(yáng)程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正</p><p>　　比，運(yùn)行在C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。</p><p>　　圖2-6變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖</p><p>　　求出運(yùn)行在

63、B點(diǎn)的泵的軸功率 </p><p>　　運(yùn)行在C點(diǎn)泵的軸功率 </p><p><b>　　兩者之差：</b></p><p>　　也就是說(shuō)，采用閥門(mén)控制流量時(shí)有ΔV的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗閥門(mén)的關(guān)小而增加。</p><p>　　相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)

64、時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門(mén)增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。</p><p>　　2.3.3調(diào)速范圍的確定</p><p>　　考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即

65、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)。在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%~100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲

66、線分析入手討論水泵工作點(diǎn)的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論：</p><p>　　1.水泵的工作點(diǎn)就是在同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)。水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。</p>

67、<p>　　2.水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來(lái)移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。</p><p>　　變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)主要包括CPU基本控制單元、電路定時(shí)復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電路。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p&g

68、t;<p><b>　　3.1硬件總體說(shuō)明</b></p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖3-1所示。</p><p>　　本系統(tǒng)以8951單片機(jī)為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴(kuò)EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的顯示采用4片74LS164驅(qū)動(dòng)LED，使用8951的串行通訊口TXD,DXD

69、。93C46為串行EEPROM，用于保存開(kāi)機(jī)設(shè)定的原始參數(shù)。采用NE555組成硬件定時(shí)復(fù)位電路，</p><p>　　可以有效防止程序死機(jī)現(xiàn)象。74LS273用于對(duì)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(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)在74LS273的CLEAR管腳外接RC電路，用于開(kāi)機(jī)時(shí)使74S273的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動(dòng)作，對(duì)變頻器起到了保護(hù)作用。在報(bào)警輸入端與CPU之間采用光耦隔離，

70、以消除外部干擾。系統(tǒng)A/D輸入采用8位TLC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A輸出采用了光耦離式D/A輸出，并采用LM358雙運(yùn)放組成D/A輸出及驅(qū)動(dòng)電路。P3.3定時(shí)輸出占空比與頻率相對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)制信號(hào)，通過(guò)二極運(yùn)算放大電路后，在LM358的第7引腳輸出與頻率相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。在輸出端調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，兩放大器之間的RC電路起到了濾波的作用。</p><p>　　3.2 555定時(shí)器復(fù)位電路&

71、lt;/p><p>　　用NE555組成的硬件定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機(jī)現(xiàn)象。</p><p>　　NE555封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-2 NE555封裝圖</p><p>　　如圖3-3和圖3-4上可知，NE555定時(shí)電路V0口輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)至RST，達(dá)到定時(shí)復(fù)位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生RC定時(shí)電路，用于設(shè)定

72、脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié)RW或者電容C，可以得到不同的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　脈沖寬度計(jì)算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C</p><p>　　振蕩周期計(jì)算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C</p><p>　　從而通過(guò)控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時(shí)時(shí)間。</p><p>　　圖3-3 NE555內(nèi)部結(jié)

73、構(gòu)</p><p>　　圖 3-4 NE555定時(shí)電路及工作波形</p><p>　　3.3 5V單片機(jī)供電電源電路</p><p>　　如圖3-5所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成的。220V交流市電通過(guò)電源變

74、壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為T(mén)TL電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成

75、本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。</p><p>　　圖3-5 LM7805穩(wěn)壓電源</p><p>　　3.4 LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋</p><p>　　3.4.1 LED數(shù)值顯示模塊</p><p>　　數(shù)碼管由7 個(gè)發(fā)光二極管組成,行成一個(gè)

76、日字形,它門(mén)可以共陰極,也可以共陽(yáng)極.通過(guò)解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字,這就是它的工作原理.基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字"0～9"及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點(diǎn)，增加了1 個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個(gè)LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為"a,b,c,d,e,f,g,dp"，排列順序如下圖3-

77、6。</p><p>　　圖3-6 共陰數(shù)碼管引腳圖</p><p>　　圖3-7 數(shù)碼管封裝</p><p>　　數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi) </p><p>　?、?動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種

78、示</p><p>　　方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8 個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示

79、出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。</p><p>

80、　?、?靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD 碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖3-8 共陰極4位8段數(shù)碼顯示</p><p>　　3.4.2 數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換電路 </p><p>　　1.AD0809的邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>

81、　　ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見(jiàn)圖1）。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3-9 AD0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><

82、;p>　　2. AD0809的工作原理</p><p>　　IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道</p><p>　　ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。</p><p>　　地址輸入和控制線：4條。</p>

83、;<p>　　ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A， B，C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0－IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如圖表3-10所示。</p><p>　　圖3-10 AD0809通道選擇表</p><p>　　數(shù)字量輸出及

84、控制線：11 條</p><p>　　ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST 上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0 為數(shù)字量輸出線。C

85、LK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p>　　3. ADC0809應(yīng)用說(shuō)明</p><p>　　（1）． ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機(jī)直接相連。</p><p>　?。?）． 初始化時(shí)，使ST 和

86、OE信號(hào)全為低電平。</p><p>　?。?）． 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。</p><p>　?。?）． 在ST 端給出一個(gè)至少有100ns 寬的正脈沖信號(hào)。</p><p>　　（5）． 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC 信號(hào)來(lái)判斷。</p><p>　?。?）． 當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就

87、輸出給單片機(jī)了。</p><p>　　4. AD0809轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　電路見(jiàn)圖3.4.2.4，主要由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474，單片機(jī)AT89S51</p><p>　　及顯示用數(shù)碼管組成。AD0809的啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)方式，啟動(dòng)信號(hào)START啟動(dòng)后開(kāi)始轉(zhuǎn)換，EOC 信號(hào)在START 的下降沿10us后才變?yōu)闊o(wú)效的低電平。這

88、要求查詢程序待EOC無(wú)效后再開(kāi)始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變?yōu)楦唠娖絹?lái)輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序時(shí)可以利用EOC 信號(hào)來(lái)通知單片機(jī)（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動(dòng)AD0809 后經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經(jīng)與7474的ST腳提供AD0809 的工作時(shí)鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ

89、,當(dāng)頻率范圍為500KHZ 時(shí)，其轉(zhuǎn)換速度為128us。</p><p>　　AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3-11 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　5． D/A轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　本系統(tǒng)采用的一個(gè)光耦隔離式串行D

90、/A輸出，，并采用LM358雙運(yùn)放組成D/A輸出及驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖3-12。</p><p>　　圖3-12 光耦隔離式D/A</p><p>　　這里運(yùn)用到了脈寬調(diào)制(PWM)的方法來(lái)控制電壓模擬量，脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。</p><p>　　6.

91、 PWM控制原理</p><p>　　PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)

92、候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。</p><p>　　圖3-13 PWM占空比</p><p>　　圖3-13顯示了三種不同的PWM信號(hào)。（a）是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷。（b）和（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬

93、信號(hào)值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對(duì)應(yīng)的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號(hào)。</p><p>　　變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體說(shuō)明</p><p>　　系統(tǒng)軟件程序由主程序，定時(shí)中斷顯示和頻率輸出子程序組成。采用軟件模塊化設(shè)計(jì)，引入了先進(jìn)的模糊邏輯控制技術(shù)，并增加了容錯(cuò)技術(shù)和抗干擾算法。系統(tǒng)

94、采用了定時(shí)復(fù)位軟件設(shè)計(jì)方案（1秒鐘復(fù)位一次），以消除程序運(yùn)行時(shí)的死機(jī)現(xiàn)象。數(shù)字濾波采用平均值濾波方法，以消除干擾對(duì)輸入信號(hào)的影響。</p><p>　　4.2 8051系列單片的編程語(yǔ)言</p><p>　　51單片機(jī)在有四種語(yǔ)言支持，即匯編、PL/MC、C和BASIC。</p><p>　　C語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě)UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生緊湊代

95、碼。C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是以括號(hào){}而不是以字和特殊符號(hào)表示的語(yǔ)言。C語(yǔ)言可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語(yǔ)言。與匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言有很多優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　（1）對(duì)單片機(jī)指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求了解對(duì)8051的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；</p><p>　?。?）寄存器的分配、不同存儲(chǔ)器的尋址及數(shù)據(jù)類(lèi)型等細(xì)節(jié)可有編譯器管理；</p><p>　　程序規(guī)范的結(jié)構(gòu)，

96、可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化</p><p>　?。?）具有將可變選擇和特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；</p><p>　　關(guān)鍵字及運(yùn)算函數(shù)可用于近似人的思維過(guò)程方式使用；</p><p>　　（4）編程和程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率；</p><p>　?。?）提供的庫(kù)包括許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理

97、能力；</p><p>　　（6）已編好的程序可以很容易地移植入新程序，因?yàn)镃語(yǔ)言具有方便的模塊化編程技術(shù)；</p><p>　　雖然C語(yǔ)言有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是并不是說(shuō)匯編語(yǔ)言就要被拋棄，懂得匯編語(yǔ)言指令就可使用在片RAM作為變量的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠庾兞啃枰獛讞l幾條指令才能設(shè)置累加器和數(shù)據(jù)指針進(jìn)行存取。要求使用浮點(diǎn)和啟用函數(shù)時(shí)，只有具備匯編編程經(jīng)驗(yàn)，才能避免生成龐大的、效率低的程序，所有現(xiàn)在所有的

98、對(duì)速度要求高的內(nèi)核程序都是用匯編編寫(xiě)完成的。</p><p><b>　　4.3 編程軟件</b></p><p>　　4.3.1 C051編譯器介紹</p><p>　　現(xiàn)在比較流行的51系列編程軟件</p><p>　?。?）American Automation：編譯器通過(guò)#asm和endasm預(yù)處理選擇支持匯編語(yǔ)

99、言。</p><p>　?。?）IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。</p><p>　?。?）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統(tǒng)的配套軟件工具</p><p>　?。?）Dunfield Shareware：非專(zhuān)業(yè)的軟件包，不支持floats，long

100、s或結(jié)構(gòu)等</p><p>　　（5）KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領(lǐng)先地位，可以產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點(diǎn)或長(zhǎng)整數(shù)、重入和遞推。使用單片機(jī)模式，KEIL是最好的選擇</p><p>　?。?）Intermetrics：使用起來(lái)比較困難，要由可執(zhí)行的宏語(yǔ)句控制編譯、匯編和鏈接，且選項(xiàng)很多。</p><p>　　編譯器的算法技術(shù)支持（float和long）很重要

101、。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領(lǐng)先、緊湊的代碼和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用KEIL編譯器。</p><p>　　4.3.2 KEIL編譯器</p><p>　　KEIL開(kāi)發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標(biāo)文件及庫(kù)，創(chuàng)建HEX文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。</p><p>　?。?）uVision2 for Windows:是一

102、個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它將項(xiàng)目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個(gè)強(qiáng)大功能的環(huán)境中。</p><p>　?。?）CX51國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標(biāo)模塊。</p><p>　?。?）AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標(biāo)模塊。</p><p>　?。?）BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產(chǎn)生的可重定位的目標(biāo)模塊，

103、生成絕對(duì)目標(biāo)模塊。</p><p>　?。?）LIB51庫(kù)管理器：從目標(biāo)模塊生成鏈接器可以使用的庫(kù)文件。</p><p>　?。?）OH51目標(biāo)文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對(duì)目標(biāo)模塊生成Intel HEX文件。</p><p>　?。?）RTX-51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：簡(jiǎn)化了復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　4

104、.4 單片機(jī)資料</b></p><p>　　單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為單片機(jī)，有稱(chēng)為微型控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來(lái)，單片機(jī)發(fā)展迅速，各類(lèi)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機(jī)種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動(dòng)化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。</p><p>

105、;<b>　　引腳功能： </b></p><p>　　MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請(qǐng)參照----單片機(jī)引腳圖： </p><p>　　l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號(hào)端子）。 </p><p>　　l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號(hào)端子）。 </p

106、><p>　　l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號(hào)端子）。 </p><p>　　l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號(hào)端子）。</p><p>　　P0口有三個(gè)功能： </p><p>　　1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口） </p>&l

107、t;p>　　2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口） </p><p>　　3、不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 </p><p>　　P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 </p><p>　　P2口有兩個(gè)功能： </p><p>　　1、擴(kuò)展

108、外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用；</p><p>　　2、做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 </p><p>　　P3口有兩個(gè)功能： </p><p>　　除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說(shuō)明。 </p><p>　　有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片（例如8751）

109、，為寫(xiě)入程序需提供專(zhuān)門(mén)的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的， </p><p>　　即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG） </p><p>　　編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp） </p><p>　　接觸過(guò)工業(yè)設(shè)備的兄弟可能會(huì)看到有些印刷線路板上會(huì)有一個(gè)電池，這個(gè)電池是干什么用的呢？這就是單片機(jī)的備用電源，當(dāng)外接電源下降到下限值時(shí)，

110、備用電源就會(huì)經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不會(huì)丟失。 </p><p>　　在介紹這四個(gè)I/O口時(shí)提到了一個(gè)“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個(gè)什么呢？他起什么作用呢？當(dāng)作為輸入時(shí)，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時(shí)，處在高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。 </p><p>　　ALE/PROG

111、 地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關(guān)于擴(kuò)展的課程中我們就會(huì)看到8051擴(kuò)展 EEPROM電路， ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當(dāng)CPU對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ALE是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將P0口上低8位地址信