基于单片机的恒压供水控制器设计电气自动化专业.doc

摘 要 随着我国现代化的进程不断加快，城市居民生活水平不断提高，随之而来的是房屋的翻新和重建，但建筑层数的不断增高，使得供水所需压力不断提高，若建筑设计时对压力判断不足，会导致供水时无法供应到高楼层，给人们的正常生活带来极大的不便利。 本文在充分了解恒压供水发展由来，国内外变频器发展历史及研究现状，以及国内常用的几款控制器的基础上，确定了以单片机与变频器结合的方式实现恒压供水，其中主控制部分的控制核心单片机选用AT89S52型单片机，其内部具有PID自整定程序可对检测回来的压力信号进行自动调整；在此基础上并对外接模块进行设计和芯片选择：压力转换模块其选用TLC549作为核心芯片、输出模块选用TLC5620芯片、驱动模块采用ULN2803芯片、键盘显示模块采用ZLG7290B芯片、存储模块采用X5045芯片、通讯模块采用MAX232芯片。 本次设计的恒压供水控制器将选用单片机与变频器相互结合的方式，由于单片机本身的特性，因此具有价格便宜，编程方便的特点。加之变频控制器本身具有的节能、实时调节、延长寿命的优点，使得本次的设计更加具有现实意义。 关键词：单片机；恒压供水系统；PID控制；变频调速 - - Constant pressure water supply controller design based on single chip microcomputer Abstract With the accelerating the process of modernization in our country and city residents living standards improve, followed by the renovation and reconstruction of the building, but the increasing construction layer, make the water pressure increasing, when building design judgment to pressure is insufficient, can lead to water supply when unable to supply to the upper floor, to people's normal life brings great convenience. Based on fully understand the development origin, constant pressure water supply inverter development history and research status at home and abroad, and domestic commonly used a few controller, on the basis of preliminary established with combination of single-chip microcomputer and converter to realize constant pressure water supply, the main control part choose type AT89S52 single chip microcomputer control core of the single chip microcomputer, the internal PID self-tuning procedure can be automatically adjusts for the detection of the pressure signal back;On this basis and external modules such as: pressure conversion module selection of its eight bits as the core chip, the output module TLC5620 ULN2803, keyboard display module, drive module USES the ZLG7290B X5045, communication module, storage module USES a design using MAX232, etc. The design of constant pressure water supply controller will choose mutual combination of single-chip microcomputer and converter, due to the characteristics of the micro-controller itself, so it is cheap, convenient programming.Combined with frequency conversion controller itself has the advantages of energy saving, real-time adjustment, prolong life, makes the design more realistic. Key Words：Single chip microcomputer；Constant-pressure Water Supply；PID Control；Variable Frequency Speed Regulation - II - 目 录 摘 要 I Abstract II 引 言 1 1 绪论 2 1.1 恒压供水背景及意义 2 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文主要研究内容 3 2 恒压供水节能原理及设计方案 5 2.1 变频恒压供水系统节能原理 5 2.2 设计方案及要求 7 2.3 系统结构 8 2.4 系统原理 10 3 恒压供水控制器硬件设计 12 3.1 硬件电路总体设计 12 3.2 晶振与复位模块 12 3.3 键盘显示模块 14 3.4 模拟量输入模块 16 3.5 模拟量输出模块 17 3.6 开关量输出模块 19 3.7 参数记忆模块 21 3.8 数字量输入模块 22 3.9 ISP下载模块 23 3.10 稳压电源模块 26 4 恒压供水控制器软件设计 28 4.1 PID控制算法 28 4.2 水泵切换条件分析 30 4.3 程序流程 33 设计总结 37 参 考 文 献 38 附录A 附录内容名称 39 致 谢 40 引 言 在城市建设飞速发展的今天，人们对住房的要求条件越来越高，楼房层数的不断提高，使得供水难度不断加大，住户用水难的问题不断发生对人们的生活带来了接连不断的麻烦。在这些问题面前，如何研发出一套高性能、高稳定性、高可靠度的恒压供水器已显得迫在眉睫。 所谓恒压供水就是通过使用变频调速技术使得在任何条件下，保证用户用水压力保持恒定。管道压力通过压力传感器采集后经压力转换模块在控制器中进行增量式PID控制调节，当管导压力过小时，变频器使频率提高，加快水泵运行，以此来提高水流量，使得管道内水压升高。反之，使水泵转速降低，减少用户供水量，使管网压力下降，保证供水的压力不变。 在本次设计中控制器的核心器件我将采用单片机作为主控制器。相对于可编程控制器PLC以及恒压供水基板来说，单片机由于其较低的价格，短时间的开发周期，以及无需专业的技术人员即可编写等特点脱颖而出。综上所述，这次设计中控制器的核心将会采用单片机来进行制作。 变频调速技术作为近些年来的尖端技术，其融合了一系列广泛学科和技术如：变频调速技术、电机控制技术以及机械设计，变频调速由于其卓越的调速能力以及高效的能量节约已被广泛应用到工业生产的各个方面。从上世纪70年代变频技术被应用到供水领域中至今，使用变频器装置的控制器已经发展到具有一系列的完备功能，从节能运行发展到系统稳定可靠运行均已经得到社会的普遍认可。因此在本次的设计，系统硬件的选择与搭配、如何实现水泵之间的无缝切换以及有效的PID控制将成为侧重点。 1 绪论 1.1 恒压供水背景及意义 在如今时代，水作为人们生活中必要的资源，水在我们日常生活以及工业生产中有着不可或缺的重要地位。随着基础建设的不断发展，人们对水资源的质量和供水稳定性的要求越来越提高。而且用水量的大小是根据其自身需求经常发生变化的，因此用不上水和水量过多的情况在各地时有发生。而用水和供水之间的问题在于如何使这两个量在某一值达到平衡，即为需水量大时供水量也大，需水量小时供水量也小。现阶段摆在我们面前的主要问题是如何保证管网压力值的稳定，使水资源消耗和水资源供给之间达到一个稳定状态，进而提高了供水的效率和质量。 如今在我国的城市供水厂中，水泵的控制方式基本利用电力拖动的运行方法，水泵在工频状态下持续运行，同时，在最初设计时水泵的容量选择大多都偏大，而在实际运行中，水泵往往不能满负荷运行，不只是造成了电能的无意义使用，并且水泵的功能遭到重大影响。在实际运行中，各地的用水量大小与设计初始供水量大小不符，使得电机平均负载率低，电机未能满负荷运转从而使自身身效率的变低。在传统的供水方式中，管网水压的大小是通过调节供水阀的开启量来调节的，这种方式便捷便宜，但有着许多缺点，如能源消耗严重，水泵使用寿命变短等。当用户用水量增加时，增加阀门开度，当用户用水量减小时，减小阀门开度，但无论在哪种情况下水泵一直处于工频运行状态，有相当一部分能量被损耗在阀门阻碍水流方面，并且因为电机是工频启动，并不使用变频器来开始软启动，所以其所需求的启动时间较短，管道中的水流从零迅速到达上限流量，进而使得管道内的过压或欠压[1]，产生了所谓的“水锤效应”，这种效应对管道有着巨大的危害，在管道内压过高时，会引起水管的破损并伴随着较大的噪声，反之，管网内压过低时又会因压力不足而塌陷，还有可能会损坏阀门和固定件。由于上述原因，传统的供水模式在不仅相似的水平上存在着利用率低、稳定性不好、自动化程度不高的一系列不足[2]，无法满足现在的工业生产和生活的要求。所以，在如今以节约水电资源为主题的今天，研究节能型、高自动化程度的恒压供水控制器是当紧迫的需要。 1.2 国内外研究现状 变频恒压供水的技术是成型较晚。这种技术是在变频调速技术成型后建立的。在初期的阶段，因为技术发展的不成熟，国外制造的变频器功能有限，只能实现频率变换，正转与反转切换、升速与降速以及电机保护这些功能。在控制系统中，变频器仅仅作为一个环节而存在，实现对用户需水的要求仅仅是一个方面，另一方面是为了保证供水管道内的压力的为一固定值，需要在变频器的外接模块添放压力检测装置，以此来控制压力的实时变化。从浏览的文献中我了解到，外国的恒压变频供水控制工程在建造时普遍利用一对一的模式，即一台水泵只由一台变频器拖动。基本不存在一拖多的情况，由此初期投入的成本比较多。在上世纪60年代，丹麦的丹佛斯公司设计并首先推出了第一台控制器。在变频器发展逐渐完善后，恒压供水的诸多优点如能耗低、控制效果好、高包靠性被国际上所认可之后，许多国外的公司开始着手研究开发具有恒压供水的控制器。像瑞典、瑞士的ABB公司设计并生产了HVAC控制器，恒压供水基板其制造商为施耐德公司，这种供水基板包含“变频泵固定”、“变频泵循环”两种切换方式。这种供水基板采用了高度的集成技术将控制器和变频器集合在了一起，再通过编写代码即可实现对水泵的拖动，只需配备对应的组件单元，便可以通过设备中的继电器进行工作，供水系