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1、泰 山 学 院本科毕业设计 基于单片机的小区恒压供水系统的设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 二一一级（3+2） 学生姓名、学号 黄承蒙 2011170257 指导教师姓名、职称 张秀红 讲师 完 成 日 期 二一三年五月 摘要摘要合理开发保护和利用水资源是建设资源节约型社会的一项艰巨任务。现代中高层小区生活用水一般存在水压低、用水时间集中、用水量变化较大的特点，因而导致了居民供水系统能耗高，可靠性较低，管网系统不完善等问题。进而严重的浪费了大量水资源。随着变频调速技术的成熟和广泛应用，利用PID调节器、变频器、单片
2、机、压力传感器等器件的有机组合， 构成控制系统，利用变频器控制水泵的转速，调节水泵的输出量，把管网的压力调节至一个合理的范围，实现高层建筑的恒压供水。由于水泵耗电功率与电动机转速的三次方成正比，故通过水泵调速有较好的节能效果，平均功耗相比节省近40%的正常用水。利用AT89C51单片机，可实现主泵变频，副泵软启动，短路保护，过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长电机的使用寿命。关键词：变频调速，恒压供水，单片机，节能IIAbstractABSTRACTReasonable development and protection and utilization of water resources
3、is a difficult task to construct economic society. Modern high-rise residential area tend to have low water use, water time, the characteristic of the large changes in water consumption, high energy consumption of the residents and thus lead to the water supply system, low reliability, pipeline syst
4、em is imperfect and so on. And serious waste of a lot of water. With mature and widely used frequency conversion speed regulation technology, the use of PID regulator, frequency converter, MCU, pressure sensors such as organic combination, constitute a control system, the use of inverter control of
5、pump rotation speed, adjust the output of the pump, the pipe network pressure to adjust to a reasonable range, realize constant pressure water supply of high-rise building. Due to the water pump power consumption power and the motor speed of the direct ratio three times, so it has good energy saving
6、 effect through the pump speed control, compared to the average power consumption to save close to 40% of the normal use of water. Using AT89C51, can realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft start, short circuit protection, over current protection function, stable and reli
7、able work, greatly extend the service life of motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM，Energy-saving目录目录1 引言11.1 课题研究的提出11.2 变频恒压供水系统的主要优点11.3 本课题的主要研究内容22 变频调速恒压供水理论分析32.1调速原理32.2系统的节能原理分析32.2.1供水系统特性与工作点32.2.2流量调节的方法42.2.3 流量调节方法的比较52.3变频恒压供水系统的组成及原理图63 系统结构与设备选型93
8、.1 系统结构总体设计93.2单片机的选择93.3 PID控制算法与其实现104 硬件设计124.1 系统工作过程说明134.2 变频器部分硬件设计144.2.1主电路144.2.2控制电路154.3 单片机部分硬件设计164.3.1 主要部分电路164.3.2 其它部分电路205 系统软件设计275.1 主程序流程275.2 继电器动作控制275.3 PID控制流程286 结论30参考文献31致谢32附录1 以单片机为主的主要硬件图33附录2 主要程序35泰山学院本科毕业设计1 引言1.1 课题研究的提出伴随着经济社会发展，城市高层建筑数量增多，与此同时高层建筑楼层层数也不断增加，高层居民经
9、常出现用水难问题，针对上述问题，变频调速恒压供水系统应运而生。恒压供水控制系统由单片机、电机水泵机组、变频控制器、压力传感器及继电控制逻辑等组成。其中单片机是整个控制系统的核心，压力传感器用来测量系统中的控制变量，而水泵电机机组、变频器以及继电控制逻辑，可看作系统的执行机构。当单片机压力采样到传感器所测的水压值超过设定水压范围时，然后根据系统设定的控制算法发送控制信号，从而得以选择水泵投入台数和控制拖动水泵电机的转速，以实现高层建筑恒压供水。“传统的蓄水加压方法有高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水靠水的势能向用户提供一定压力的生活和生产用水，但这种方式的不仅造价高而且将影
10、响建筑物结构强度及抗震性，最重要的是高位水箱给水会带来“二次污染”。1逐渐发展起来的气压供水，虽有所改进，可取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，但它亦存在很多明显的缺点，如气压供水设备笨重，气压罐和泵房建造成本高，水泵启动频繁，耗电量大，压力不稳定还会影响电磁元件和水泵电机的寿命。根据流体力学的原理，采用交流变频调速恒压供水系统不仅可做到水量供需平衡，同时又降低了电耗。随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的广泛应用，上述想法已成为现实。1.2 变频恒压供水系统的主要优点：（1）节约能源，可节电20%40%，供水品质大大提高。（2）设备简单，安装配置方便，投资成本低，水资源利用效率大大提高。（3
11、）自动化程度高，功能齐全，合理可靠。（4）不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。（5）从水源供直接水，设备二次污染的程度下降，防止许多传染疾病的滋生，清洁维修方便。（6）利用通信技术进行控制，减少了人力物力过度投入。1.3本课题的主要研究内容本设计以小区供水系统为控制对象，把单片机跟变频技术相结合，设计一套城市生活小区恒压供水系统，单片机控制的变频恒压供水系统主要由单片机、变频器、压力变送器和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有1个贮水池2台水泵，采用PID调节方法，即2台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行
12、，另一台水泵工频运行。单片机根据管网压力自动控制水泵运行，并根据压力检测值和系统设定定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节水泵电机转速，进而使供水管网压力恒定。根据以上控制要求，进行设计系统总体控制方案、硬件设备选型、单片机选型，绘制系统硬件连接图，完成以单片机为核心的硬件设计：A/D转换采样、PID控制、用户按键输入、显示屏显示、单片机和变频器的通信。以及主电路和控制电路梯形图。熟练使用相关软件，并对程序进行调试和修改。2 变频调速恒压供水理论分析 2.1调速原理讨论异步电动机的转速，首先研究其转速公式： （公式1）式中：f表示电源频率，p表示电机磁极对数，s表示转差率
13、。此式表明，改变三相异步电动机转速有三种方式，即改变电源频率f、改变电机磁极对数p及转差率S。“改变电机p调速的方式控制简单，效率高，有很好的节能效果，但这种电动机的调速是有极的，并且级差大。改变转差率调速的方法最大优点是设备简单、投资少、调速性能好，调速平滑性好，但是线路复杂，中间环节电能损耗加大” 2，且成本高，推广困难。“由公式可知，转差率如果变化不大时，转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。然而，单一调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，变频调速电源装置的性能不断改善，促进了变频调速技术的广泛应用。”32.2系统的节能原
14、理分析2.2.1供水系统特性与工作点（1）扬程特性 假设保持供水管道中阀门的大小不变，在某转速下，反映全扬程HT与流量Q关系的曲线HT=f(Q)，称为系统扬程特性曲线，如图1中曲线所示。扬程特性用来表征用水需求与全扬程间的关系。（2）管阻特性 假设不改变水泵的转速情况下，全扬程HT与供水流量Q的关系曲线HT=f(Q)，称为系统的管阻特性。如图1中的曲线所示，管阻特性主要是用来表明管组控制供水系统能力的大小。（3）工作点与供水功率 供水系统的工作点是指系统扬程特性与管阻特性关系曲线的交点，如图1中的N点就是供水系统的工作点，供水系统不仅满足了扬程特性，也符合了管阻特性。此时供水系统稳定运行，达到
15、平衡状态。 供水系统运行时所消耗的功率PG（KW）称为供水功率，供水功率与流量跟扬程的乘积成正比例关系：PG=CPHTQ其中CP是常数。 由图1中可以看出：供水系统的额定功率与OANG四点所成的正方形的面积成正比。图 1 供水系统基本特性2.2.2流量调节的方法流量是供水系统中最根本也是最直接的控制对象。讨论节能问题，首先要考察供水流量的调节方法。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。（1）阀门控制法 “即通过控制阀门大小来调节流量，而转速通常为额定转速。阀门控制法的实质是保持水泵本身的供水能力不变，通过改变供水管网中的阻力大小来强行改变流量，以满足用户的用水需求。这时，管阻特性跟阀门的开度直接相关成正比例关系变
