基于单片机的恒压供水系统设计摘 要：本设计是在深入研究当前多种恒压供水方案的基础上，创造性地提出“定频副电机+变频主电机+低端MCU”的低成本高效能恒压供水方案设计通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值用户可以自行设定水管中的水压，低功耗低噪音高性能高寿命的特点使得本设计在同类产品中脱颖而出使用Keil C 和Proteus 等先进EDA软件进行了高效率地设计实现和仿真验证关键词：恒压，高效率，水泵转速, 变频器目 录1 前言 11.1 设计背景 11.2 设计目标 21.3 实施计划 22 总体方案设计 32.1 方案比较 32.1.1 方案一 32.1.2 方案二 32.1.3 方案三 42.2 方案论证 52.3 方案选择 63 单元模块设计 73.1 各单元模块功能介绍及电路设计 73.1.1 水管压力测量模块 73.1.2 时钟模块设计及与器件选择 83.1.3 复位电路的设计 83.1.4 按键接口模块设计 93.1.5 A/D转换模块 103.1.6 D/A转换模块 113.1.7 显示模块设计 123.1.8 电机控制设计 123.1.9 稳压电源模块 133.2 特殊器件的介绍 143.2.1 变频器介绍 143.2.2 DAC0832介绍 163.2.3 ADC0809介绍 173.2.4 74LS245介绍 203.2.5 单片机AT89C51 213.3 各单元模块的联接 234 软件设计 244.1 软件设计原理及设计所用工具 244.2 主程序流程图 244.2.1 T0中断服务程序 254.2.2 独立按键程序设计 284.2.3 LED动态显示程序模块的设计 305 系统调试 325.1 Proteus仿真软件介绍 325.2 软件调试 355.2.1 水管压力显示的仿真 355.2.2 恒压值的仿真 386 结论 407 总结与体会 418 谢辞 429 参考文献 43附1 系统的原理电路图 44附2 系统的相关程序 45附3 外文文献翻译-译文 53附4 外文文献翻译-原文 591 前言近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。
这种用水难问题在大城市表现尤为突出针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔,水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案此外，恒压供水系统对于某些上业或特殊用户是非常重要的例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义1.1 设计背景随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。
这种用水难问题在大城市表现尤为突出由于能源的问题不得不改变以往的供水方案，来改变在供水中的能源浪费问题，在国内外已有很多关于很压供水的研究，其中主要由两种，一是基于单片机加通用变频器的恒压供水，一是基于PLC加专用变频器的恒压供水，两种各有自己的特点，第一种价格便宜，通用性强，易于操作，不需专业人员就能操作，而后者价格高，对专业知识要求高，非专业人员不易操作，但是其抗干扰能力强，在市场上也有很大的应用，但是大多数人需要一个即便宜又容易操作的恒压供水系统，本设计就利用单片机和通用变频器来设计此恒压供水系统，并通过对系统的优化来消除此系统的缺点，也就是来提高单片机系统的抗干扰能力，来体现其通用性强，易于操作的优点1.2 设计目标该系统主要以单片机为主控模块，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值，实现恒压供水即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小采用该供水系统不需建造高位水箱或水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案本次设计的预期目标是：完成系统硬件电路的设计，并绘制出相应的原理电路图；完成所需控制软件的流程设计和编程任务。
1.3 实施计划3月下旬至4月初，查阅和收集文献资料；4月初至4月中旬，提出设计方案，并对方案进行比较和论证，选出最佳方案；4月中旬至5月初，完成硬件电路设计；5月初月至五月中旬完成相关软件编程；5月中旬至5月底进行系统的模拟测试；6月上旬撰写设计报告，并准备毕业设计答辩2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了三种技术方案来实现系统功能下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因2.1 方案比较2.1.1 方案一单片机开关A/D转换恒速泵压机变频泵压机D/A转换压力传感器管网水压图2-1 方案一的原理框图方案一系统由泵机和可变频网络组成如图2-1所示，以80C196为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行PID运算系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统2.1.2 方案二方案二系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备它可同时对二台三相380/50Hz,异步电动机行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图2-2所示。
从下图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的4位LED显示上位机通信四位独立式键盘AT89C51变频器M2（工频）A/D转换D/A输出压力传感器M1（变频）图2-2 方案二的原理框图调节水压专用变频器水泵电机管道压力传感器压力给定2.1.3 方案三图2-3 方案三的原理框图系统由专用变频器、压力传感器、水泵等组成如图2-3专用变频器就是指有内置PID功能的变频器随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强充分利用变频器内置的各种功能，对变频调速恒压供水设备进行合理的设计国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品如ABB公司的ACS600, ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列产品这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器2.2 方案论证方案一的工作流程是80C196为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行PID运算。
系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统运算结果以0-10v的电压信号输给变频器，实现恒压供水方案二整个系统的具体工作流程为：系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行系统通过计算判定目前是否己达到设定压力，决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵即：当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将启动令一台工频泵运行，（此设计只用两台电机且功率达到设计要）此后，往复工作，直至满足设定压力要求为止反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保待恒定。
总之，系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循坏运行，以提高系统的稳定性及供水的质量系统系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成0--5V的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理单片机经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成0—5V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低其变过程可以表示如下：检测压力（下降）――控制器输出（上升）――变频器频率（上升）――电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压方案三由专用变频器与PLC组成的恒压供水系统，这类变频器的功能虽然强一些，但是价格比通用变频器却要高很多此种类型供水设备的花费不光体现在变频器上，还体现在PLC上，市场上PLC的价格也要高于单片机的价格。
使其工作时需要专业人员通过变频器的控制面板，在变频器的PID选项中选择合适的PID参数，再经过现场调试校正，设备才可以正常运行整个操作过程都必须有专业人员的界入因此，通用性不好，这是这种变频恒压供水方案的另外一个缺点综上所述，其有下面两个缺点1．价格比较昂贵，不适合小型用户的使用2．调试不方便，需要专业人事到现场进行调试，这也增加了人力的投入资本2.3 方案选择方案二采用压力传感器反馈电压信号（0-5V）至变频器中央处理器(MCU)，经PID控制组成闭环控制系统其输出频率的大小由作用MCU处理器控制，使电机的转速自动增加或降低；当变频主电机由变频器拖动运行至最大频率，压力如还不能达到设定的压力值，则MCU自动启动定频副电机，以期保持供水压力恒定这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源采用变频控制方式；其操作方便，无须手动调节进水阀门；启动噪音低，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备而且其系统实现起来比较简单，并且系统价格相对来说也比较便宜，所以本次设计将采用方案二。