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基于单片机的恒压供水系统设计
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KeilC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
1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
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。
图2-2方案二的原理框图
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。
3单元模块设计
本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
本系统主要分为9个单元模块，它们分别是：
水管压力测量模块、时钟模块、复位模块、按键接口模块、A/D转换模块、D/A转换模块、显示模块、稳压电源模块。
各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。
3.1.1水管压力测量模块
图3-1水管压力测量电路
要测量出水管的电压就需要压力传感器。
本次设计采用压电传感器来测量水管压力。
压阻式传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。
当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压发生变化。
一般压阻式传感器是在硅膜片上做成四个等值的电阻的应变元件，构成惠斯特电桥。
当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大，而另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压。
由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大50~100倍，故硅压阻式压力传感器的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏，有时不需要放大就可直接测量。
另外压阻式传感器还有易于微型化，测量范围宽，频率响应好（可测几千赫兹的脉动压力）和精度高等特点。
但在使用过程中，要注意硅压阻式压力传感器对温度很敏感，在具体的应用电路中要采用温度补偿。
目前大多数硅压阻式传感器已将温度补充电路做在传感器中，从而使得这类传感器的温度系数小于±0.3%的量程。
如图3-1所示。
3.1.2时钟模块设计及与器件选择
图3-2时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。
X1是接外部晶体管的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。
单片机工作的速度是由时钟电路提供的。
在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图3-2所示。
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。
电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围30±10pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。
其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。
3.1.3复位电路的设计
单片机的RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。
复位信号是高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。
复位后，单片机内部各部件恢复到初试状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。
单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多人在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。
图3-3复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。
只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。
本次设计采用上电自动复位电路。
由于R•C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。
3.1.4按键接口模块设计
本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合。
在此电路中，按键输入部分采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/0口线有确定的电平。
在扫描时，先读取P0口的四位，若某位为低电平，应先延时l0ms，然后再读取该位，如果读得的值仍为低电平，可确认此键已按下，然后调用该键的键处理子程序，各键的优先级别由软件安排。
依据本次的设计要求我们大体分析在自动部分需要4个按键，因此我们选择独立式键盘。
在电路仿真当中，为了体现效果，把最小步进临时改成了5。
按下启停键后，系统将压力传感器传过来的信号进行转换后进入单片机，显示出当前的水压。
按下设置键后，系统显示出设定的压力值，如果对设置的水压进行调整，通过增减键，可以进行单位为5的调整。
如图3-4所示，电路由4个按键和4个电阻组成，按键分别命名为【启停键】、【设置键】、【增一键】和【减一键】，共四个键，电阻可以采用9脚排阻（8×10KΩ）。
【启停键】功能：
启动/停止，执行开始自动运行和停止功能；
【设置键】功能：
设置，与【加一键】和【减一键】键配合对压力进行调整，开始设置。
【增一键】键功能：
+1，与【设置键】键配合对压力进行调整，【加一键】键每按下一次则进行数据进行+1操作。
【减一键】键功能：
-1，与【设置键】键配合对压力进行调整，【减一键】键每按下一次则进行数据进行-1操作。
图3-4按键接口电路
3.1.5A/D转换模块
计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。
然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。
A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。
由于压力传感器传过来的信号为模拟信号，在接入前要加A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，本次设计采用常用的A/D转换芯片ADC0809.如图3-5所示。
图3-5A/D转换电路
3.1.6D/A转换模块
图3-6D/A转换电路
D/A转换电路用我们比较熟悉的DAC0832来作，DAC0832采用了二次缓冲输入数据方式（输入寄存器及DAC寄存器）。
这样可以在输出的同时，采集下一个数字量，以提高转换速度。
如图3-6所示。
3.1.7显示模块设计
但片机应用系统中，通常都需要进行人—机对话。
这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行结果等。
显示器、键盘电路就是用来完成人机对话的人—机通道。
本次设计中要求作到4组LED显示，LED显示器的控制方式为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动时，一定要先确定显示方式。
若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可。
而且只须要考虑段的驱动因为共阳极接+5V，而共阴接地，所以位的驱动不要考虑。
动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。
如图3-7所示。
图3-7显示模块电路
3.1.8电机控制设计
压力传感器将压力信号经过A/D转换后输入到单片机，如果压力和设定压力有偏差，单片机将控制变频器调频使压力值稳定，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。
图3-8电机控制电路
3.1.9稳压电源模块
大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。
并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。
固定式三端稳压电源（7805）是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好。
由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。
故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3-9。
图3-9稳压电源电路
采用外接PNP型大功率管的方法，这是一种最基本的扩展电流电路，扩展的输出电流取决于外接功率管的电流负载量，电路中的R1是VT的偏置电阻，为VT1提压导通时的基极偏压，VT与集成稳压器内电路中的NPN型调整管组成复合管，设Ir为流过电阻R1中的电流，Ic为流过外接调整管的集电极电流，Td为7805的静态工作电流，这时7805的输出电流为Ioxx，可表示
式中
为VT的电流放大系数，稳压扩展后的输出电流Io可表示为
。
因为7805的的最大输出电流为1.5A，当Io取1.5A时，则稳压器的扩展后的输出电流为3A，加一只二极管VD与R1并联，把外接整流管的VT1的发射结电阻限制在0.7V以内，当输出电流超过额定植时，保护电阻R2上的压降增大，必然会使VT1的Vbe减小，从而使VT1的输出电流减小，以至不导通，这样便达到了保护外接管的目的。
电路中的VT1可选用3CD6等PNP型硅低频大功率管。
3.2特殊器件的介绍
本系统中主要使用了如下一些功能器件：
DAC0832,ADC0809,变频器。
下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。
3.2.1变频器介绍
通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。
其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。
表3-1三菱FR-500系列标准规格
型号FR-A540-K-CH
0.75
1.5
2.2
3.7
5.5
适用电机容量（KW）（注1）
0.75
1.5
2.2
3.7
5.5
输出
额定容量（KVA）（注2）
1.9
3
4.6
6.9
9.1
额定电流（A）
2.5
4
6
9
12
过载能力（注2）
150%60s200%0.5s（反时限特性）
电压（注4）
三相380V至480V50Hz/60Hz
再生制
动转矩
最大值·允许使用率
100%转矩·2%ED
电源
额定输入
交流电压、频率
三相380V至480V50Hz/60Hz
交流电压允许波动范围
323至528V50Hz/60Hz
允许频率波动范围
±5%
电源容量（KVA）（注5）
2.5
4.5
5.5
9
12
保护结构（JEM1030）
封闭型（IP20NEMA1）（注6）
冷却方式
自冷
强制风冷
大约重量（㎏）连同DU
3.5
3.5
3.5
3.5
6.0
根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：
普通功能型V/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型V/F控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。
变频器类型的选择要根据负载的要求进行。
对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。
对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。
因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。
为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。
对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。
大多数变频器容量可从三个角度表述：
额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
1.负荷的调速范围。
在调速范围不大的情况下，选择较为简易的V/F控制方式的变频器。
当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。
2.恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。
当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的V/F控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用无反馈的矢量控制方式。
3.如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的V/F控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。
在众多变频器中基于运行可靠性、价格适中我们选定三菱公司出品的FR-500系列。
由式（3-1）和所要求的调速范围90～1500r/min我们可以计算出变频的范围：
（3-1）
（3-2）
即频率的调节范围为
～
之间，另外，考虑到此前我们选用的YVP100L1-4型变频电机其标称功率P=2.2KW，额定电流IN=5.2A，对于三菱公司的FR-500系列变频器标准规格型号的查看，如上表3-1所示，拟选用FR-A540-2.2K-CH型号的变频器
3.2.2DAC0832介绍
下面我就把DAC0832芯片各引脚功能介绍一下，图3-9为其管脚图：
ILE：
允许输入锁存。
CS：
片选信号。
它与ILE结合起来用以控制WR1是否作用。
WR1：
写信号1。
在CS和ILE有效下，用它将数字输入并锁存于输入寄存器中。
WR2：
写信号2。
在XFER有效下，用它将输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中。
XFER：
传送控制信号，用它来控制了WR2是否起作用。
在控制多个DAC0832同时输出时特别有用。
D0～D7：
8位数字输入，D0为最低位。
Iout1：
DAC电流输出1。
它是逻辑电平为1的各位输出电流之和。
Iout2；DAC电流输出2。
它是逻辑电平为0的各位输出电流之和。
Rfb：
反馈电阻，该电阻被制作在芯片内，用作运算放大器的反馈电阻。
VR
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