大学毕业设计变频调速恒压供水系统的设计单片机.docx
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大学毕业设计变频调速恒压供水系统的设计单片机
吉林农业大学
学士学位论文
论文题目：
变频调速恒压供水系统的设计
学生姓名：
包旭东
专业年级：
自动化06级
指导教师：
胡俊海职称讲师
年月日
目录
摘要I
1前言1
1.1变频调速技术概况1
1.2变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义1
1.2.1传统供水方式2
1.2.2变频调速恒压供水节能分析2
1.2.3研究意义5
1.3变频调速恒压供水系统的发展5
1.4本文主要研究内容6
2单片机概述6
2.1单片机简介6
2.2单片机的发展史7
2.3单片机的发展趋势8
2.4AT89C51单片机简介9
3变频调速恒压供水系统的工作原理9
3.1变频调速的基本原理10
3.1.1变频调速的基本控制方式10
3.2系统工作过程11
3.3系统的参数选取及调速范围13
4变频调速恒压供水系统的硬件设计13
4.1主控单片机引脚说明14
4.2反馈压力检测电路15
4.3输出控制电路16
4.4控制输入电路17
4.5系统电压监控及Watchdog电路17
5变频调速恒压供水系统的软件设计18
5.1单片机接口地址分配和控制端口功能18
5.2软件程序设计18
6结论21
参考文献21
致谢22
附录23
变频调速恒压供水系统
学生：
包旭东
专业：
自动化
指导教师：
胡俊海
摘要：
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。
建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源也是一项艰巨任务。
因此，有利于节能节水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛的应用。
本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析。
描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。
本文提出的系统设计方案是以ATMEL公司的AT89C51为基础，同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件控制系统和相应的软件控制系统。
充分发挥了单片机成本低，易于使用的特点。
关键词：
变频调速；恒压供水；AT89C51单片机
1前言
1.1变频调速技术概况
变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现电能频率参量的控制与变换，以实现电力的某些使用目的，并提高其使用质量与效率的一种技术。
变频技术在经历了早期电子管、晶闸管整流器（60年代）和集成电路技术（70年代）几个阶段后，从80年代至今一直沿用基于电力电子技术的功率集成电路技术，并随着技术的进步继续发展[1]。
而变频调速技术就是在变频的基础上调整电机转速的技术，其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率实现转速的改变。
变频调速技术已深入我们生活的每个角落，在国民经济和日常生活中占有重要地位:
应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术;是节约能源的高新技术;是国际上技术更新换代最快的领域;是高科技领域的综合性技术。
交流变频调速技术，已成为国内外公认的最理想、最有发展前途的电机调速方式。
经测算，电机采用变频调速技术运行后，一般可节电20%一40%，因此这项技术具有广阔的使用前景，可被广泛应用于改造锅炉、风机、水泵、制冷机等设备的运行方式，以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗[2]。
我国现有的100万kw以上的大型电厂中，每套30万kw的发电机一般都配备30-35台辅机驱动用电动机。
一个大型电厂，其辅机电动机多达250台左右。
火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水泵、空压机和磨煤机等，据初步调查，其中50%-60%的风机、水泵可以改为调速运行。
如果这些设备都实现变频调速运行，按节电20%计算，年节电可达200亿kW.h，相当于装机400万kw容量的发电设备[3]。
因此，应用电力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业，就可以获得很好的社会效益和经济效益。
近几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
在这种环境下，电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技术进步的一种主要手段。
1.2变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义
我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。
另外，随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定性提出了越来越高的要求[4]。
供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和
企业的生产效率。
要安全、稳定、经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、先进的自动化供水控制系统。
但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。
究其原因，主要是由于受供水设备和供水方式的限制。
1.2.1传统供水方式
1.恒速泵直接供水方式
这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。
这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。
这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。
2.水塔/水箱的供水方式
这种方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用户供水。
这种供水压力比较恒定，且有贮水。
但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部[5]。
即使如此，在大型建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长的供水需求。
同时，由于在建筑物顶部形成很大的负重，所以增加了结构面积，也妨碍了美观。
另外这种供水方式的水质容易受到污染，系统的开、停，将完全由人操作，这将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
3.气压供水方式
模糊控制变频调速恒压供水系统的研究与设计这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水塔/水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔水箱要低得多。
而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性，灵活性大、建设快、不妨碍美观，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。
但缺点是需要压力罐，其体积大、投资大，又因其压力变化快、运行效率低，因此电能消耗大，运行费用高[6]。
综上所述，传统的供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下，且可靠性低，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
它们还有一个共同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。
所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。
1.2.2变频调速恒压供水节能分析
图1-1供水系统的基本特性
Figure1-1Basiccharacteristicsofwatersupplysystem
变频调速恒压供水系统最突出的特点就是节能。
在该系统中，最主要的是对水泵的控制，在日常生活及工农业生产中，由离心泵组成的供水系统普遍存在，下面就以离心泵为例分析变频调速节能的原理。
一、供水系统的特性和工作点
1．扬程特性以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f（Q），称为扬程特性曲线，如图1-1中的曲线①所示。
扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。
2．管阻特性以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f（Q），称为管阻特性曲线。
如图1-1中的曲线②所示，管阻特性是表明由管阻（阀门开度）来控制供水能力的特性曲线。
3．供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图1-1中的N点在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。
供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。
4．供水功率供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（KW）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：
PG=CPHTQ（1-1）式中CP——比例常数。
由图1-1中可以看出：
供水系统的额定功率与面积0ANG成正比[7]。
二、调节流量的方法与比较
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。
因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。
常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。
1.阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的需求。
这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。
图1-2调节流量的方法与比较
Figure1-1Methodbandcomparisonoftheregulationflow
如图1-2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%（即QX=60%QN），当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时：
流量减小为QE（=QX）；扬程增加为HE；由式（1-1）知，供水功率PG与面积0DEJ成正比。
2.转速控制法即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。
当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。
仍以用户所需流量等于60%QN为例，当通过降低转速使QX=60%QN时，扬程特性为曲线④，管阻特性仍为为曲线②，故工作点移至C点。
这时，流量减小为QE（=QX），扬程减小为HC，供水功率PC与面积0DCK成正比[8]。
3.两种方法的比较比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量（QX＜100%QN）的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。
两者之差ΔP便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ（图中的阴影部分）成正比。
这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。
4．从水泵的工作效率看节能
（1）工作效率的定义水泵的供水功率PG与轴功率PP（输入功率，即电动机的输出功率）之比，即为水泵的工作效率，符号是ηP：
ηP=PG/PP（1-2）
（2）水泵工作效率的近似计算据有关资料介绍，水泵工作效率相对值η*的近似计算公式如下：
ηP*=C1（Q*/n*）－C2（Q*/n*）2（1-3）
式中，ηP*、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值；C1、C2常数，由制造厂家提供，C1与C2之间，通常遵循如下规律:
C1－C2=1
（3）不同控制方式时的工作效率由式（1-3）可知，当通过关小阀门来减小流量时，由于转速不变，n*=1，比值Q*/n*=Q*，可见，随着流量的减小，水泵工作的效率降低十分明显[10]。
在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n*是成正比的，比值Q*/n*不变。
就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态[9]。
所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。
这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。
5．从电动机的效率看节能在设计供水系统时，由于：
①对用户的管路情况无法预测；②管阻特性难以准确计算；③必须对用户的需求留有足够的余地。
因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大[10]。
所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也常常处于轻载状态，其效率和功率因数都较低。
采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。
由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。
这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。
综上所述，变频调速恒压供水系统的节能显而易见，所以要大力发展变频调速技术。
1.2.3研究意义
变频调速技术的应用和推广，在工农业生产中无非是解决两大问题一是节能，二是改善生产过程。
我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。
据统计，目前我国电机的总装机容量己达4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低20%，70%的电机只相当于国际20世纪50年代的技术水平电机驱动系统能效比国外低20%左右，电能浪费十分严重[11]。
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
饮水工程对于每个人来说都是非常重要的，供水系统也在现代工业中无处不在。
然而，作为饮水工程中最重要的供水这一环目前却存在着很多问题，传统供水方式己经不能满足当前社会的发展和需求。
要解决生产过程中能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性日益得到了国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。
变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.3变频调速恒压供水系统的发展
变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看看交流变频调速技术的发展。
交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。
电力电子器件最初是普通晶闸管，它主要是电流控制型开关器件。
以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能自关断。
20世纪70年代电力电子器件开发的电力晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础[12]。
20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管（IGBT），它是一种电压（场控）型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极（栅极、门极）信号控制导通或关断的功能，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。
电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来，出现了智能化功率集成电路（IGBT）
模块和智能功率模块（IPM），它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能，为交流变频调速技术开辟了新的天地。
电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中[13]。
电力电子技术发展方向是：
高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。
这无疑将推动交流变频调速技术向新的方向发展。
我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展，变频技术逐步应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们还要大力发展自己的电力电子技术。
国外交流变频调速技术高速发展，随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。
尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高电压大电流的SCR、GTO、IGBT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
1.4本文主要研究内容
本文主要论述了变频调速的基本原理及单片机在变频调速恒压供水系统中的应用。
为了表述如何利用单片机完成对电机的变频调速控制，实现变频调速恒压供水，本文提出了一个基于AT89C51单片机的变频调速恒压供水系统，并设计了该系统的硬件控制系统和软件控制系统。
2单片机概述
2.1单片机简介
单片机是一种集成在电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
事实上，单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作的单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否
满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。
这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。
软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们所说的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。
开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。
要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。
单片机控制系统因其体积小，成本低，功能强大等特点，正逐渐取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，其控制过程可以以软件控制来实现，并能够实现智能化。
随着控制范畴的不断拓展，单片机的应用领域也将越来越广泛，它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。
是控制技术的一次革命。
2.2单片机的发展史
1974年,美国仙童（Firchild）公司研制出世界第一台单片微型机F8。
该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。
从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大。
现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程。
第一代单片机（1974-1976）:
这是单片机发展的起步阶段。
在这个时期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形。
典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。
第二代单片机（1976-1978）:
这是单片机的第二发展阶段。
这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成CPU,并行口,定时器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有Inrel公司的MCS-48系列机。
第三代单片机（1979-1982）:
这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路。
在指令系统方面,普遍增设了惩处法和比较指令。
这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要。
代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列[14]。
第四代单片机（1983年以后）:
这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUSC和Forth语言等。
代表产品有intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。
我国开始使用单片机是在1982年，从那时到现在20多年的时间里，单片机领域发生了翻天覆地的变化。
国内的单片机发展在前几年以51及其兼容系列为主。
直到现在
51系列的芯片还在中国市场占有相当大的比重。
中国单片机市场经过近三十年的发展，及在国家的支持下，也产生了一些非常优秀的单片机设计生产厂家。
2.3单片机的发展趋势
计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：
巨型化，单片化，网络化。
以解决复杂系统计算和高速数据处理为主的工作仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。
单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）。
单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。
这一点是巨型机和网络不可能做到的。
目前，用户对单片机的需要越来越多，但要求也越来越高，在这个刺激下，单片机技术在很多方面都有了进步。
首先，在内部结构方面，单片机已集成了越来越多的部件。
这些部件包括一般常用的电路，例如：
定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。
例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。
特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。
因此，这类单片机十分容易构成网络。
特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。
其次，是功耗、封装及电源电压方面。
现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。
Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。
现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。
扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。
目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。
而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。
这些单片机有Fujitsu公司的MB89191～89195，MB89121～125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2～6V的工作电压条件。
而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的[15]。
最后是工艺方面。
现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6μm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。
这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。
综上所述，单片机的发展趋势主要有以下几个特点
1低功耗制作工艺全部CMOS化。
这主要是出于对低功耗的要求，而且在单片机工作模式上，也有多种模式，如idel，sleep模式等。
有的还使用双晶振设计，在空闲时候关闭高速晶振，使用片内或外部低速晶振。
等机功耗非常低
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