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3.4.1主要特性13
3.4.2引脚图及说明14
3.5A/D转换器TLC083216
3.5.1TLC0832芯片的特点17
3.5.2引脚图及说明17
3.5.3TLC0832配置位说明18
3.5.4TLC0832时序分析18
3.6变频器19
3.6.1变频器的组成19
3.6.2变频器的分类方法20
3.6.3变频器的控制方式20
3.6.4变频器的应用21
3.6.5本设计中变频器的选用23
3.7传感器24
3.7.1传感器的基本概念24
3.7.2传感器的分类24
3.7.3传感器的选用原则25
3.7.4本设计中传感器的选用27
3.8PC机与AT89C51间的通信28
3.8.1异步串行通信的基本概念28
3.8.2MAX485简介31
3.8.3MAX485的通信原则32
3.9LED数码管及显示电路34
第四章全自动恒压供水系统软件设计36
4.1全自动恒压供水程序的设计36
4.2主程序36
4.3显示扫描子程序37
4.4按键扫描处理子程序37
4.5水泵控制子程序38
结束语40
参考文献41
附录A全自动恒压供水系统硬件图43
附录B全自动恒压供水程序44
致谢54
第一章引言
一.1传统的供水方式
传统的水塔供水方式存在许多实际问题。
首先，在整个建筑的设计结构上要考虑顶层水箱的压力，建筑物的地基和承重墙都需要加强，既增加了建筑成本，又占用了较大空间。
其次，水箱易对水造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性的维护投入较大，供水质量不高。
再次，水塔供水经常造成水压不稳，水量不足，需要有专人在泵房值班,凭人为观测进行有级的调整压力，根本无法维持供水压力的恒定。
由于水塔和水箱造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐被发展起来气压供水所取代。
这种气压供水虽然可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积亦小，然而它亦存在着极明显的弱点，主要表现在：
首先，气压供水设备笨重，且主要部件气压罐是采用压容器，其生产工艺复杂，钢材耗用量大，投资成本高；
其次，由于气压罐的调节容积较小，水泵启动频繁，这既影响了其电控装置中的电磁元件和水泵电机的寿命，同时大的供水泵电机功率又耗电和干扰电网；
再次，气压供水压力变动较大，直接影响水网管、阀、水表等使用寿命。
建筑给排水是与人民生活、生产活动、卫生安全有密切关系的学科。
在日常生活中，如果供水系统的水压不稳定，会导致不良后果。
例如对居民用水而言，水压过高，会导致管路泄露和水源流失严重；
水压过低，用户用水会导致供水不足。
对于消防用水而言，水压不稳定，会影响灭火质量。
因此，保持供水压力的稳定是很有必要的。
恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。
这样，既可满足各部位的用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，造成电能的浪费。
近年来，随着控制技术的不断进步，变频器得到了广泛的应用，利用变频器构成的恒压供水系统克服了传统供水方式的种种缺点，迅速得到了普及推广。
一.2供水方式的发展
传统的供水方式有三种：
⑴泵组直接供水；
⑵水塔、高位水箱供水；
⑶气压罐（也称气压水箱）供水。
长期以来，人们致力于更优越的供水系统的探索，变频调速水泵系统便是这理想系统之一，但由于技术水平的限制，这方面一直未有发展。
近年来，电力电子技术、计算机技术的飞速发展，使得这一设想成为现实。
新型的恒压供水系统具有占地少，节省原材料、节水、节电、省投资，易于集中控制，迅速得到了普及推广。
随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大发展。
进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗方向发展。
作为应用现代电力电子器件与微型计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生了一场巨大的技术革命。
目前，全自动恒压供水系统中的电动机调速装置均采用交流变频调速技术，系统的控制装置采用单片机控制器，因为单片机不仅可以实现泵组、阀门的逻辑控制，可对系统的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统的上位机联网，实现供水系统的优化控制。
随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。
如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。
它们之间的完美结合才是现代产业发展的方向。
为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。
变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电在逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电在把交流电变成直流电。
总之这一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化[6]。
本文主要研究采用MCS—51单片机控制的恒压供水系统的系统结构及供水原理，电路的构成和软件设计。
通过传感器检测水压信号，经A/D转换后，输入给单片机，与给定压力值比较，输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。
第二章全自动恒压供水系统简介
二.1系统概述
恒压供水是指供水网系用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
恒压供水控制系统的基本策略是：
采用电动机调速装置与单片机构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到恒定供水压力和节约电能的目的。
系统具有控制水泵出口压力恒定的供水功能，系统通过安装在出口总管上的压力传感器，实时将压力非电量信号转化为电信号，经A/D转换后，输入至单片机的输入模块，信号经CPU与设定值进行比较运算出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，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。
系统可根据用户水量的变化，自动确定泵组水泵的循环运行，以提高系统的性能及供水质量。
变频调速控制是恒压供水的核心部分，水泵是输出环节，转速由变频器实现交流量恒压控制。
变频器接受控制器的信号对水泵进行速度控制，控制器综合给定信号与反馈信号后，经过调节，向变频器输出运转频率指令。
压力传感器检测出水压力，并将其转化为控制器可接受的数字信号，进行调节。
即主要是通过改变变频器的频率来改变水泵的转速而达到恒压供水。
全自动恒压供水系统的工艺图大体如下图：
图2.1全自动恒压供水系统工艺图
二.2工作原理
欲稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统。
该系统由单片机、压力传感器、TLC0832等器件构成。
该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器，把出口压力经A/D转换变换成数字信号送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量△E，对△E进行运算后输出控制信号，送到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水并使供水压力恒定。
单片机控制变频调速供水系统控制原理如下图所示：
图2.2全自动恒压供水系统控制原理图
若△>
E0，则供水压力小于设定值，由水泵特性曲线如图2.3可知，用水量增加造成供水压力下降，单片机将通过计算提高变频器的输出频率，从而使电机水泵机组转速增加（n∝f1），使供水压力增加并恢复到设定值；
如果△E<
0，则供水压力大于设定值，说明用水量减少导致供水压力上升，单片机通过计算控制变频器使其输出频率下降，电机水泵机组转速下降，使供水压力减小恢复到设定值。
通过单片机控制水泵电机的状态，实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒定达到节能、恒压之目的。
如图2.3水泵扬程特性所示，横坐标为水泵流量Q，纵坐标为水泵扬程H。
泵的扬程和出水压力之间是线性关系，因此也可以近似表示为出口压力P。
EA是恒压线，n1、n2、.....nn是不同转速下的流量－压力特性。
可见，在n1的转速下，如果通过阀门的开度使流量从QＡ减小到QＣ时，压力将沿n1曲线升高到D点。
很显然，在减少流量的同时，提高了压力（DC段是压力升高值）。
如果将转速由n1减少n３到，则在一定范围内，可以在保持出口压力恒定的前提下，通过改变转速来调节流量，并且没有压力升高带来的损失。
这种特性表明，调节水泵转速，改变出口流量，使压力稳定在恒压线上，就能够完成流体的恒压给水[9]。
图2.3水泵扬程流量特性
异步电机的转速电机学公式是：
n1=60f/p·
（1-s）n，（2-1）
式2-1中，
f：
指的电源频率；
p：
是电机的极对数；
s：
指转差率；
n：
指的是同步转速；
那么在电机一定的情况下，p、s、n均为定值。
我们要实现电机的转速可调，只有两种方法：
一是加装变速机构，二是改变其中的参数f。
显然第一种方法相对于风机、泵类来说不太合适；
那么如果我们想调节流量，只有通过改变进出口阀门或挡板的开度来实现。
若无专人根据实际需求去调节时，电机完全工作在工频状态下，大量的电能和水、气资源就被浪费掉了。
而第二种方法即变频调速正好补其短，当在用水、气高峰期或低谷期，变频器可根据检测到的信号来增大或减小供电频率，从而改变电机转速达到自动调节流量的目的。
这样，就可节约大量的水、气资源。
变频器主要由电力电子器件和微处理器（CPU）组成。
它能根据频率设定的输入信号输出相应频率的交流电，在供水系统中，其作用是在单片机控制下，通过电压控制变频器，输出相应频率的交流电给水泵机组，用以改变电机水泵机组的转速，即变频调速，从而达到调节供水压力的目的。
为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能。
根据不同场合、不同需要可以采取三台水泵同时运行、二台水泵同时运行、一台运行一台备用、一台运行二台备用、定时换泵等多种工作方式。
水泵电机全部软起动，以先起先停为原则；
具有水泵档位显示和实时压力显示；
水位报警指示。
可设定上限保护压力；
可设定泵的上电工作顺序。
采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改变节能状况。
当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。
多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：
当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；
当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；
当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由单片机控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的（工频转速恒压下的流量），其余各并联工频泵按相同的原理投入。
在多泵并联变频恒压供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降），当频率下降到零流量的时候，单片机发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。
为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击（水力的或电流的冲击）。
在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。
在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。
二.3全自动恒压供水系统优点
采用了变频器来实现恒压供水后系统具备了很多以前所没有的优点：
1．节电：
变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10~40%。
从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。
优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。
2．卫生节水：
根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
3．运行可靠：
变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限、管道破裂。
4．控制灵活：
分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
5．自我保护功能完善：
新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。
万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
6．延长设备寿命、保护电网稳定：
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性：
压力过高将会引起管子破裂；
压力过低，又会导致管子瘪塌。
此外，水锤效应也有可能损坏阀门和固定件。
在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧停止。
这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
采用了变频调速后，可以通过对加减时间的控制来延长启动和停止过程从而彻底消除了水锤效应。
7．占地少、投资回收期短：
新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年[9]。
变频调速供水控制系统的应用为广大的人民带来了很大的方便，也给国家和社会减少了水资源的浪费，是目前供水系统的首选。
二.4全自动恒压供水系统的主要应用场合
1．高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
2．各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热水网水循环，锅炉补水等。
3．中央空调系统。
4．自来水厂增压系统。
5．农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
6．各种流体恒压控制系统。
变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大方便，也为企业带来巨大经济效益。
并同时得到了科技工作者、企业家与广大民众的认可。
将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。
第三章全自动恒压供水系统硬件设计
三.1系统硬件电路设计
该系统由单片机、电流电压转换电路、显示器件、TLC0832等器件构成。
该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器，经A/D转换把出口压力变换成数字信号传送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量△E，对△E进行运算后输出控制信号，送到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水使供水压力恒定并显示当前压力。
当检测到的压力过低或过高时，蜂鸣器都会提示。
具体硬件图如附录所示，图中各芯片及细节将在后面的小节详细说明。
三.2外接晶体振荡器
单片机是一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。
因为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。
但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在89C51的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。
在原理图的18和19引脚，X2和Xl就分别是放大器的输入和输出端。
在本系统中，采用外接12MHz晶体振荡器，同时外加20PF电容，构成时钟振荡。
三.3复位电路
任何计算机在工作之前都要有个复位的过程。
对单片机来说，复位的时候，CPU也没有开始执行程序，只是在做准备工作。
计算机的复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始进行工作。
计算机无论是在刚开始通电时、断电后，还是系统出现故障都需要复位。
1．单片机复位条件
单片机的复位是靠外部电路实现的。
在单片机引脚中有一个复位引脚RST，只要在单片机的RST引脚上持续出现2个机器周期以上的高电平就可以完成复位了。
这个时间很短，很容易满足。
为了确保复位，这个时间一般要延长，大约在10ms以上就可以了。
2．常见的复位电路
可以用很多种方法进行复位。
比如PC机有两种启动方式：
冷启动和热启动，实际上就对应了两种不同的复位方式，一个是在计算机没有工作的前提下，通过给计算机加电实现复位；
另一个是在计算机已经正常工作的情况下，通过复位键单片机在恒压供水系统中的应用RESTE或重新启动计算机实现复位。
同样单片机的复位按原理一般也可分成上电自动复位和按键手动复位两种。
AT89C51的第9引脚是复位引脚，在晶振频率选用12MHz，C取20pF，R1取8KΩ左右。
上电自动复位电路是利用电容充电来实现复位的。
电容的特点是隔直流、通交流。
在单片机接通电源的瞬间，电源相当于一个交流电、电容两端相当短路，RESTE端的电位与Vcc相同，都是+5V。
随着RC电路的充电，RESET的电位就会逐渐下降，只要保证RESTE为高电平的时间大于10ms就能正常复位了。
当单片机正常工作时，89C51的9脚，维持一个高电平（+5V）。
本设计硬件图中复位电路增加了手动复位按钮，避免死机时通过关机复位。
复位按钮按下时，电容C通过R2放电，当电容C放电结束后，RST端的电位由R2和R1的分压比决定。
由于R2远远小于R1，因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。
R2的作用在于限制按钮按下瞬间电容C的放电电流，避免产生火花，以保按钮的安全。
从复位电路可以看出，由于复位信号RST经CPU内部施密特触发器整形后再输入CPU内部复位电路，因此对RST信号的下降沿没有严格要求，即使RST引脚存在尖峰干扰也不会使CPU复位。
三.4AT89C51芯片
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes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，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[1]。
三.4.1主要特性
●兼容MCS—51指令系统；
●4k可反复擦写（>
1000次）FlashROM；
●32个双向I/O口；
●可编程UARL通道；
●两个16位可编程定时/计数器；
●全静态操作0-24MHz；
●1个串行中断；
●128x8bit内部RAM；
●两个外部中断源；
●共6个中断源；
●可直接驱动LED；
●3级加密位；
●低功耗空闲和掉电模式；
●软件设置睡眠和唤醒功能；
三.4.2引脚图及说明
下图是AT89C51单片机的引脚图：
图3.1AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为漏极开路双向口。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是带8个内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
表3.1P3口引脚第二功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，AL
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