毕业设计论文-基于单片机的水泵智能控制系统

毕业设计论文-基于单片机的水泵智能控制系统内容摘要：

力 (kg / cm2)一般可按计算所需总供水压力 H总压的 90%计算， ah为最小与最大压力比值 (以绝对压力计，压力水罐工作压力比 )，一般采用 0. ,Vc为压力水罐的最大调节容积 (m3) VC =(VpVr)t （ 21） 其中 VP为所选水泵出水量 (m3/ h), Vr为某一时段内供水管网实际用水量 (m3/ h)，一般可取设计用水量的 70%一 80%, t为压力水罐由最小工作压力到达最大工作压力的时间 (h)，一般可取。 基于单片机的水泵 智能控制系统 8 由上述公式可以看出，压力水罐容积大小与下述因素有关： (1)所选水泵流量与管网实际时用水量的差值； (2)确定的电接点压力表的最小值和最大值； (3)拟定的从最小控制工作压力上升至最大控制工作压力所用的叶问； (4)当水泵流量与管网实际时用水量相等时，所需压力水罐的容积为零，此时电接点压力表的读数不变化。 （ Hd）：水泵中心至水面的垂直 高度 （ Hs）：水泵中心至最高供水点垂直度 （ Ht）：吸程高度和扬程高度之和 Ht=Hd+Hs （ Q）： 流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。 分为体积流量：单位， m3/h， L/min 质量流量：单位， t/h Ns（ RPM）： Ns=120*F/N F：频率 N：电机级数 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴的功率，又称轴功率，用 P表示泵的有效功率又称输出功率，它是单位时间从泵中输出去的液体在泵中获得的有效能量。 因为扬程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量，所以扬程和质量流量及重力 加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输 出液体的有效能量。 用 Pe表示 Pe=ρgQH/1000 泵的效率用 η表示 : η=Pe/P 基于单片机的水泵 智能控制系统 9 3 水泵 智能控制系统 的组成及工作原理 系统总体结构设计 图 31 系统构成原理图 图 32 主回路及控制回路 压力水罐智能恒压供水系统由压力水罐、接点式压力表、单片机控制单元、信号转换单元及水泵组等 5 部分构成，如图 3－ 1 示。 传感器采用接点式压力表，用于检测水管道的压力。 控制部分由 MCS51 系列单片机为核心部件以及由固态继电器、可控硅等基于单片机的水泵 智能控制系统 10 组成的信号转换、变送功能和执行 机构。 根据传感器检测到的水压信号完成水泵组的切换和启停控制。 本文开发的系统其水泵组部分包括三台交流异步电动机拖动的三台离心式水泵。 水泵组电动机利用固态继电器将单片机的 5V 直流电信号变换为 380V 交流信号，强电信号通过交流接触器作用于电动机，启动电动机运转。 其中电路中串接有缺相保护电路等。 系统 控制 原理 欲稳定水压，需要构成一个压力闭环控制系统。 该系统的控制单元和执行机构由单片机、以及由固态继电器、可控硅等器件构成。 该自动控制系统通过安装在压力罐上的电接点压力表，把气压罐工作压力变成开关量信号传送到 单片机，经单片机与给定参量进行比较和逻辑控制算法，运算后输出控制信号，作用到固态继电器，控制电机水泵机组的启停，按实际用水量供水并使供水压力恒定。 单片机控制调速供水系统控制原理如图 33 示。 图 33 控制原理结构图 电接点压力表传递的是开关量信号，分别代表压力水罐的最大工作压力与最小工作压力 2 个信号。 控制器核心为 MCS－ 51 系列单片机，根据开关量信号与泵组的工作状态，给出启停信号控制泵组的配套电机的运转与停机。 泵组由多台异步交流电机拖动离心式水泵并联组成。 控制器与泵组间加软起 动器，缓起缓停水泵，平稳水压，延长水泵寿命 该系统根据供水系统工作环境最大需要用水量，先选取系统配套泵组数量，由单片机取电接点压力表的开关量信号，通过软启动器，应用先起先停、先停先起原则，按需轮换启停泵组的各台泵机，最多全部泵投入工作，最少 0 台泵工作，选取不同启停轮询时间参数，控制泵组在不同用水量情况下启停，实现泵的循环平衡负载。 电接点压力表测量信号 P 共有四种分别表示压力报警上限信号 Pu压力正常上限信号 Pu压力报警下限信号 Ps压力正常下限信号 Ps1。 这四个测量信号 基于单片机的水泵 智能控制系统 11 将压力水罐内部压力分为压力上 限区： Pu1 P Pu2（ ） 压力下限区： Ps1 P Ps2（ ） 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、不同需要可以采取任意台水泵组成水泵组。 系统有管道漏水、水源状态、消防信号、远传表故障或欠压超时和水位报警指示，可设定上限保护压力，可设定泵的上电工作顺序，并具有手 自动切换功能。 系统 控制 设计 优化 利用传感器等设备， 对 水泵 站 3 台水泵 的电流、电压、压力、温度、压 差等模拟信号、故障报警、启停等开关量 信号实施集中监控，并对水泵 实现程序自动控制。 每台水泵 的运行、停机时间在 LED 显示器上实时显示。 通过键盘的设置和编程，进行三台水泵 监控时间的切换。 为了使系统突然失电后，数据不丢失，在单片机上加装了锁存器。 如图 35 所示。 目前，已运行的 设备水泵 大都采用继电器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在现场事故发生时无法自动采取紧急措施，严重影响了设备的安全运行。 而我们所设计的自动监控 设备，实现了水泵 的智能控制，并且从长时间来看， 3 台水泵 的启动、停止时间基本一样，避免了单台机 器长时间持续运转，降低了机器的磨损程度 ，节约了能源，提高了水泵 的利用率和维修周期。 图 35 空压机智能控制系统外部连接框图 基于单片机的水泵 智能控制系统 12 4 主要芯片的结构与特点 80C51 单片机结构特点 MCS51 是指由美国 INTEL 公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括8031， 8051， 8751， 8032， 8052， 8752 等，其中 8051 是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用 8051来称呼 MCS51 系列单片机，而 8031 是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到 8031 的名称。 INTEL 公司将 MCS51 的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以 8051 为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中 80C51 就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国 ATMEL 公司开发生产的。 本文在单片机高楼供水系统中将用 80C51 来完成控制功能。 单片机的组成 单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（ CPU）、随机存取存储器（ RAM）、只读存储器（ ROM）、定时器 /计数器、和各种输入 /输出（ I/O）接口（ 如并行 I/O 口、串行 I/O 口和 A/D 转换器）等。 他们之间相互连接图如 26图，构成一个完整的微型计算机。 图 41 单片机结构框图 80C51 单片机的引脚描述 CHMOS 制造工艺的 80C51 单片机采用 40 引脚的双列直插封装（ DIP 方式），在单片机的 40 条引脚中有 2 条专用于主电源的引脚， 2 条外接晶体的引脚， 4 条控制与其它电源复用的引脚， 32 条输入 /输出（ I/O）引脚。 下面按 其引脚功能为四部分叙述这 40 条引脚功能。 基于单片机的水泵 智能控制系统 13 （ 1） 电源引脚 VCC 和 VSS。 其中： VCC 接 +5V 电压。 VSS 接地。 （ 2） 接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2。 XTAL1 接外部晶体的一个引脚。 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。 当采用外部振荡器时，对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2 接外部晶体的另一端。 在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。 采用外部振荡器时，对 CHMOS 单片机，该引脚悬浮。 （ 3） 控制或与其他电源复用引脚 RST/VPD、 ALE/PROG、 PSEN 和 EA/VPP。 ST/VPD：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 推荐在此引脚与 VSS 引脚接一个约 5K 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间连接一个约10uf 的电容，以保证可靠地复位。 （ 4） VCC 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部 RAM 的数据不丢失。 当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电压范围内， VPD 就向内部 RAM 提供备用电源。 （ 5） ALE/PROG：当访问外部存储器时， ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。 即使不访问外部存储器， ALE 端仍以不变的频 率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。 然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 ALE 端可以驱动（吸收或输出电流） 8 个 LS 型的 TTL输入电路。 对于 EPROM 型的单片机，在 EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（ PROG）。 （ 6） RSEN：此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。 在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次 PESN 有效。 但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现， PSEN 同样可以驱动（吸收或输出） 8个 LS 型的 TTL 输入。 （ 7） EA/VPP：当 EA 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序， 当 EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的 80C51 来说，无内部程序存储器，所以 EA 脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于 EPROM型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚也用于施加 21 伏的编程电源（ VPP）。 输入 /输出 I/O 引脚 P0、 P P P3 共 32 根。 a)P0 口 ：是双向 8 位三态 I/O 口，外接存储器时，与地址总线的低 8 位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载。 b)P1 口 ：是 8 位准双向 I/O 口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐存，故不是 真正的 I/O 口。 门口能驱动（吸收或输出电流） 4 个 LSTTL 负载，对 805 8032， 引脚的第二功能为 T2定时 /计数器的外部输入， 引脚的第二功能为 T2EX捕捉、基于单片机的水泵 智能控制系统 14 重装触发，即 T2 的外部控制端。 对 EPROM 编程和程序验证时，它的接收低 8 位地址。 c)P2 口（ 21 脚～ 28 脚）：是 8 位准 双向 I/O 口。 在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址，在对 EPROM 编程和程序验证期间，它的接收高 8 位地址。 P2 可以驱动（吸收或输出电流） 4 个 LSTTL 负载。 d)P3 口（ 10 脚～ 17 脚）：是 8 位准双向 I/O 口，在 80c51 中，这 8 个引脚还用于专门功能，是复用双功能口， P3 能驱动（吸收或输出电流） 4 个 LSTTL 负载。 作为第一功能用时，就作为普通的 I/O 口用，功能和操作方法与 P1 口相同。 表 41 P3 口各引脚第二功能 口线 引脚 第 二功能 10。