《基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究.docx（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要在农业中,潜水泵被广泛应用。但是由于长期工作在水下，工作环境十分恶劣，电动机烧坏的事故时有发生。而大部分是水泵绕组烧坏，其主要原因是水泵缺水运行。针对这一常见的故障，特设计了一种用于潜水泵监测保护的控制器。 本文设计了两种保护工作模式，一种定位抽水工作方式：当水池水位低于下水位，自动启泵，当达到上水位自动停泵；在抽水过程中，若水泵缺水，水泵应自动停机，延时一定时间后再自动启泵，延时时间可以由用户根据水源情况，自己设定和修改。另一种是定时抽水工作方式：系统能根据设定的抽水时间间隔和每次抽水时间，自动启停泵。这样就可以很好的避免因水泵缺水，而导致水泵绕组烧坏。同时本文还介绍了智能潜水泵保护控
2、制器的总体设计思路，并给出了详细的硬件电路图和软件流程。关键词：单片机AT89C51;潜水泵；保护控制器AbstractKey words : AT89C51 singlechip, Submersible pump ,Protection controller 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1设计的背景和意义11.2潜水泵的研究及发展现状11.3本设计的主要工作3第2章 总体方案42.1 总体方案分析42.2 系统总体设计框图5第3章 硬件电路设计63.1 电路设计63.1.1 电源电路63.1.2无触点开关控制电路63.1.3 微处理器电路73.1.4 显示及水位检测
3、电路73.2主要元器件介绍83.2.1 核心控制部件AT89C51的性能83.2.2 AT89C51的引脚描述93.2.3 三极管的背景123.2.4 三极管的分类123.2.5 晶体三极管的工作原理133.2.6 固态继电器15第4章 软件设计16第5章 调试185.1调试的设备185.2调试步骤18第6章 使用说明206.1 使用方法206.1.1 界面0 A 0206.1.2 按键说明20第7章 心得体会21参考文献22致谢23附录24附件一：总原理图24附件二：PCB图25附录三：元件清单26附录四：具体程序27第1章 绪论1.1设计的背景和意义水，是世界上最宝贵的自然资源之一，目前人
4、类可利用的淡水资源，大约只占全球水资源总量的0.5%。我国人均水资源拥有量2300，只及世界水平8840的1/4，居世界第121位，已被联合国列为13个贫水国家之一。受季风气候的影响，我国的降雨时空分布极不均匀我国的年均降雨量从东南向西北递减，从东南的1600毫米递减到西北的不足200毫米，而且80%以上的降雨集中在6-9月同时，我国的水、土资源分布极不匹配，南方的土地资源只占全国土地资源的38%，而水资源量占全国的80%；北方的土地资源占全国的62%，而水资源量却只占全国的20%。我国81%的耕地分布在北方，自然降雨很难从时间上和数量上满足作物的生长需要。这种水资源严重匮乏，时空分布极不均衡
5、的状况对我国农业生产影响极大。如果没有灌溉设施或者设施不足，大量的北方耕地将无法播种，并将导致农作物大面积减产。出于粮食安全方面的考虑我国政府一直十分重视农田水利基础设施的建设，以提高有效灌溉面积。目前，占我国耕地面积近一半的灌溉耕地贡献了全部粮食产量的75%。为了保证粮食自给，维护国家粮食安全，我国政府把加强农业灌溉系统的建设，发展农业灌溉作为一项提高农业综合生产能力的长期措施。其中作为农业灌溉系统主要的供水设备，已经日益得到普及，但由于受上文所说的季节及降雨变化的影响，灌溉时经常会出现水源不足的状况，常常会因为缺水导致导致水泵电机绕组烧坏。因此，如何解决单相水冷式潜水泵水源水位变化大、水源
6、不足的情况下实现安全稳定的运行对于农业灌溉，甚至农业安全生产具有十分重要的意义。1.2潜水泵的研究及发展现状潜水泵将电动机和水泵直接连接在一起，同时潜入水中，形成一种结构简单、紧凑的独特泵类。潜水泵装置一般由进水流道、潜水泵和出水流道组成。潜水泵装置有多种型式，与之相配套的进、出水流道也有所差别。卧式安装的潜水贯流泵装置进、出水流道形状简单，水流基本上轴向通过流道，符合水泵叶轮设计的基本假设条件；立式安装的潜水泵装置进出水流道型式较多且比较复杂，进水流道一般有肘形、钟形、簸箕形及双向进水流道等，出水流道可以有虹吸式、直管式、蜗壳式及双向出水流道等。潜水泵由水泵和潜水电机同轴组成，泵与潜水电机之
7、间的密封油室内装有机械密封以保证良好的密封性。潜水泵装置作为一种灯泡比较小的灯泡贯流泵装置，其机组结构与灯泡贯流泵装置同样复杂，这包括电机的支撑方式、传动方式、水泵导轴承等。由于其优点很多，近20年来发展很快，在我国已经广泛应用于国民经济各部门。我国60年代开始生产NQ型农用深井潜水泵，以后经过改进，发展到现在的QJ型的深井潜水泵，广泛用于工业灌溉和工矿企业供排水，主要的生产厂家有石家庄潜水泵厂、吉林市水泵厂、解州潜水电泵厂、淄博潜水电机厂、沈阳潜水泵厂等。我国于1958年由上海人民电机厂开始生产7KW的作业潜水电泵，到60年代发展为QY型潜水电泵(电机内充油)，共四个规格，流量分别为15、2
8、5、65、l00h。到70年代发展了QS系列小型潜水电泵(电机内充水)，主要用于农业排灌。到80年代又发展了干式电机QX和QDX小型潜水电泵，其生产厂家主要有上海人民电机厂、杭州水泵总厂、泰州潜水电泵厂等。80年代后期，国内开始生产污水潜水电泵，叶轮的形式有单叶片、半开式、开式多叶片式、旋流式单、单流道式、双流道式和螺旋离心式等，其主要生产厂家有江苏亚太水工机械集团公司、南京兰深制泵集团公司等。在农业排灌方面，经过多年的发展，潜水泵装置已在排灌工程中逐步推广，取得了想当可观的经济效益和社会效益。就辽宁省沈阳市而言，至1997年底，全市已有潜水泵站60多座，共164台套潜水泵装置。此外，地处淮河
9、中游的安徽省霍邱县，先后在刘李一、二级电灌站，洪集老圩、花园小圩等多处采用的都是潜水泵装置。这些潜水式排灌泵站装置结构紧凑，可以大大减少土建和设备投资，维护管理方便，在传统农业走向现代农业的进程中起着重要的作用。目前潜水泵的趋势是发展大中型的潜水泵。潜水泵在水下工作，这就给泵和电机的维护带来了不便潜水泵特别是大型潜水泵的绕组烧坏故障一直是使用者急需解决的问题，其中导致潜水泵电机绕组烧坏的最主要原因正是水源缺水时，电机依然无法停止工作，造成空转烧坏。然而目前专门针对潜水泵这一故障的研究并不多，而本文正是基于此选题，对潜水泵故障进行研究，具有以下重要意义：(1)可以提高潜水泵运行的安全可靠性，及时
10、发现异常或隐患，当设备发生事故时，把事故限制在最小的范围为内，使潜水泵运行的安全可靠性大大提高。(2)提高经济性。通过单片机控制系统，使设备使用寿命最长和意外停机事故最小，从而减少消耗和维修工作量，也防止了因不必要的检修而出现的人为事故，使维修费用降到最少。(3)提高劳动生产率。通过软件控制，可以减少人工操作，进一步提高科学管理水平，减少人员和运行费用，改善工作条件，从而使劳动生产率得以提高。(4)对生产厂家来说，应用配套的控制系统及其软件控制，以避免类似故障的发生，从而提高产品的设计。制造水平，增强产品的市场竞争能力。1.3本设计的主要工作根据国内外关于潜水泵研究的现状和发展趋势，组成的智能
11、供水控制系统的方案，给出了系统硬件设计及软件实现方法，实现对水泵运行的智能控制，以解决潜水泵电机绕组在缺水情况下的烧坏故障。主要内容包括：（1） 潜水泵控制系统硬件的设计。（2） 潜水泵控制系统软件的设计。（3） 潜水泵在不同水位工况下的调试试验。第2章 总体方案2.1 总体方案分析2.2 系统总体设计框图 图2-2 系统总体设计框图 1电源电路：主要为系统提供5V电源。2 水位监测模块：主要是采用3个水位器分别监测水泵的水位，以及水池的上、下水位。3显示模块：主要用于显示系统的各项工作参数。主要用于控制水泵电机电源的通断。第3章 硬件电路设计3.1 电路设计下面分别介绍基于单片机智能潜水泵保
12、护器设计的硬件电路原理、元件功能与选型及硬件结构设计。3.1.1 电源电路 为了减小控制器的体积、重量和成本，将220伏交流电通过R2与C1组成的阻容降压电路，直接进行桥式整流，再经滤波和稳压，为系统提供5伏电源。考虑到上电瞬间电容C2将交流高压直接耦合，造成78L05过压击穿，本电路还使用了9.6伏稳压管VZ实施过压保护。具体电路如图3-1所示：图3-1 电源电路3.1.2无触点开关控制电路无触点开关控制电路主要用于控制水泵电机电源的通断，由于考虑尽量减少保护器的体积和重量，在电路设计时，没有采用传统的接触器，而是采用了无触点开关控制器件双向可控硅。为了防止220伏交流电对单片机工作造成干扰
13、，在双向可控硅的门极使用了光电耦合器MOC3020进行隔离。通过单片机的P3.7口提供低电平，则光电耦合器输入级有电流通过，双向可控硅门极得电。可控硅导通水泵得电工作，反之，可控硅截止水泵停止控制。具体电路如图3-2所示：图3-2 无触点开关控制电路3.1.3 微处理器电路微处理电路时本系统的核心，它负责对三个水位检测点的实时检测，并对水泵的整个工作进行实时处理。采用价格相对低廉，体积相对较小的89C51作为微处理器。C8和R9组成复位电路，为单片机提供上电复位脉冲，RP1是排阻，在这里用作限流电阻，防止过流而造成数码管损坏。S4、S5是控制器上的两个按键，在本电路中采用了一键复位技术，它们分
14、别可以用来设置工作模式，定时抽水时间、缺水保护时间等参数。具体电路如图3-3所示：图3-3 微处理器电路3.1.4 显示及水位检测电路显示电路主要用于显示系统设置的相关参数以及系统工作的实时参数（如倒计时时间），采用动态扫描显示。水位检测电路用于检测三个水位，其中S1是潜水泵水位器，S3是水塔上水位器，S2是水塔下水位器，三个水位器均采用干簧管式水位开关，和传统的水位探针相比，抗腐蚀能力很强。由于89C51口线有限，本设计采用了一个非常巧妙的方式，实现了一线多用，分别将P3.2 P3.3 P3.4既做三位数码管位选择控制信号，又做水位检测之用，如当P3.2为低电平时P3.3 P3.4为高电平，
15、数码管DIGI显示有效，如果此时水泵露出水面，则S1断开，P3.5输入为高电平，表示需进行缺水保护，反之，若此时水源充足，则S1继续闭合，P3.5输入为低电平。为防止三个水位开关相互干扰，采用三个IN4148进行隔离。具体电路如图3-4所示： 图3-4 显示及水位检测电路3.2主要元器件介绍根据课题要求，系统可以划分为电源部分、中央处理器（CPU）控制部分、执行部分。其中控制部分包括AT89C51芯片及外围电路，执行部分包括步进电机驱动电路、数码管动态显示电路。3.2.1 核心控制部件AT89C51的性能AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机
