基于单片机的小区恒压供水系统设计论文

基于单片机的小区恒压供水系统设计论文内容摘要：

（公式 5） dttde)( ≈ T keke )1()(  （公式 6） 式中 ： T 为 时间 周期， k 为序号。 可得位置型 PID 算式： U(k) = Kp[e(k)+1TT K0 )(i ie +T D T keke )1()(  ] （ 公 式 7） 公式 7 提供 位置参数 U（ k），例如阀的开度，因此被称作 位置型 PID。 （ 2） 增量型 由 公式 7 可看出，位置型 不是特别方便 ， e(i)还需 要 连续 累加， 这样 不仅 占用了多余的存贮空间 ，而且 程序编写困难 ， 现将 式 公式 7 做如下 改进：   1( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]pDu k u k k e k e k k e k K e k e k e k            (公式 8) 其中 Kp=S1 称为比例增益； K1 = Kp1TT 称为积分系数； KD = KP TTD 称为微分系数。 为编程方便，将式 公式 8 改 动 如下 ： 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k q e k q e k q e k     (公式 9) 其中 0q = Kp (1 + 1TT + TTD )， 1q = Kp ( TTD21 )， q2 = KpTTD。 泰山学院本科毕业设计 12 4 硬件设计 系统的硬件设计如下： （ 1）以 8951 单片机为核心的硬件部分设计。 主要包括： A/D 转换采样、 PID控制、用户按键输入、显示屏显示、单片机和变频器的通信。 （ 2）变频器硬件部分电路设计。 主要包括：主电路和控制电路。 系统硬件 结构如图 7 所示 ： 图 7 系统硬件结构示意图 泰山学院本科毕业设计 13 图 8 实际供水系统示意图 实际供水系统如图 8， 电机 M1 工频直接接入电网，电机 M2 主要用来变频调速。 可选择性利用气压供水罐增加系统阻尼。 系统工作过程说明 （ 1）两个泵的供水方式 结合图 8，恒压供水系统选用两个泵， 1泵 (M1)工频工作，系统处于用水低峰时，由它供水。 此时变频器与电机 M2 都不工作。 当小区居民用水量上升，水压低于系统设定值，这时变频器动态调节水压。 当用水需求量处于低用水区域时，变频器停止运行仍然由 1泵（ M1）供水。 低用水量区水压在容许范围波动，只有水压低于一定程度才启动变频器。 必要利用气压罐增加系统阻尼，这样变频器无需在低频率下长期运行，同时也解决了系统 V/F控制不能在过低频率下运行的问题。 泰山学院本科毕业设计 14 u( k1 ) u( k2 ) 图 10 水 泵启停与用水量关系图 （ 2）系统的启动与运行系统 启动电机 M1 先投入运行。 这时如图 9，继电器 KM1 吸合， KM2 与 KM3 断开，直到电机 M1 启动结束。 变频器在电机 M1 的启动过程中相当于软启动器。 电机 M1启动完毕后，变频器停止输出同时 KM1 断开， KM3 吸合，再经过一个软件延时后KM2吸合。 此时电机 M1 直接接入电网，电机 M2 接到变频器。 当压力偏差超过设定时变频器工作输出电机 M2运行。 变频器停止工作取决于是否在低用水量区，但用户需要的用水量难以测量。 故通过单片机对变频器的频率输出（ u(k)）与压力偏差 e(k)，来判断用户用水量。 显然在 u(k), e(k)都小于设定值的情况下，用户需要的用水量必然在低用水量区，这时让单片机控制变频器停止工作。 变频器部分 硬件设 计 主电路 泰山学院本科毕业设计 15 图 9 变频器部分电路接线图 如图 9所示， 电机 M1的作用是在供水系统 用水量最小的情况时，维持管道水压。 在这种情况下 M2 可以停机休息。 当负载增加，水压减少到一值时再将 M2 投入运行。 M2采用变频器 V/F 恒压频比控制，根据负载动态的调整电机转速。 控制电路 泰山学院本科毕业设计 16 图 11 控制电路梯形图 如图 11，图中 A部分为当失控时，通过变频器设置且断开 QF闭合 QF3， QF4设置为手动控制。 此时为一开环控制的方式。 可以通过按键控制电机正反转，通过电位器来控制变频器的输出频率，来控制系统水压。 B 部分为自动运行情况下的控制图。 其中 KM11， KM22 为单片机控制的接触器的触点。 自动运行 过程如下：首先单片机发出指令让 KM11 闭合，这时 KM1 工作，电机 M1 与变频器接通，变频器起软启动器的作用。 当时间继电器延时到， M1 启动到工频， M1 与变频器断开直接接到电网运行。 之后单片机根据需要控制 KM22 使之投入运行，根据负载的不同，通过 V/F控制改变 M2转速。 单片机部分硬件设 计 主要部分电路 泰山学院本科毕业设计 17 图 12 单片机硬件结构图 如图 12中包括了以单片机为核心的五个部分。 其总体硬件图见附录 1 （ 1） 系统供电电路 图 13 电 源模块 如图 13，系统供电将 220V 交流 电转换成 5V 直流电。 系统首先通过变压器将220V 的交流电降压为 15V交流，再通过整流桥变为直流。 电容 C C4起滤波作用。 LM7812为稳压模块。 将电压稳定在 5V。 （ 2）单片机的晶振电路 AT89C51 显示模块 电源 通 信模块 变频器 A/D 转换模块 继电器模块 泰山学院本科毕业设计 18 图 14晶振电路 如图 14，该电路为单片机提供稳定的 12MHz 的外部时钟频率。 其中以一块12MHz 的晶震为核心。 （ 3） 单片机继电器电路 图 15单片机控制的继电器电路 系统有两套这样的继电器电路与单片机相连，该继电器的作用相当于辅助继电器。 通过它来控制图 15 中的 KM11 和 KM22 的打开或吸合，进而控制主继电器 KM1和 KM2 来控制电机的接入或断开。 （ 4） 单片机的外部通信电路 泰山学院本科毕业设计 19 图 16 通信模块 单片机与变频器的通信，单片机通过 MAX3232 芯片进行串行通信。 在变频器端，再通过一个 RS232 转 RS485 的转换卡，将信号转换成变频器能识别的信号来完成通信过程。 （ 5） A/D 转换采样电路 泰山学院本科毕业设计 20 图 17 A/D转换模块 A/D 转换电路以 ADC0809 为核心，将采集的压力传感器的信号（ 4~20mA 信号），加以电阻网络转换成 0~5V 的电压信号。 通过 ADC0809 的模拟量输入口（ IN0~IN7）进行 AD采样。 模拟信号通道地址 A、 B、 C 由 74LS373（三态输出锁存器）的 Q0、Q Q2 提供。 时钟通过单片机 ALE 用 74LS74（ D 触发器）进行二分频得到。 当转换结束后 EOC为高电频，作为中断，单片机调用中断程序，读采样数据。 其它部分电路 （ 1）显示电路 泰山学院本科毕业设计 21 图 18 显示模块 显示部分采用循环扫描的方式， P0 口传输显示的内容， 至 的作用是选择对应的 LED工作。 （ 2） 系统 电路 监测电路 泰山学院本科毕业设计 22 图 19 看门狗电路 “ X25045 芯片 片内 的 看门狗定时器，系统的监控时间 可 利用 软件 来 设置。 如果预置时间内无总线活动， 芯片的 RESET 端会输出 一高电平。 ” [6]通过改变 芯片 的相应位 的逻辑值可 设定 预置时间 ： 表 2 X25045 控制位 “看门狗的定时 周期 长短 通过编程改变芯片内的两个可编程位来实现 ，编 写 程序的过程中 ， 在 软件 适当的位置加 上 喂狗指令即可 ，使看门狗永远达不到预置时间，系统正常运行不会复位。 系统跑飞 时 ，用软件陷阱等 其他 方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时 增至预置时间 ， 实现 系统复位 ”[7]。 （ 3） 555 定时器复位电路 针对系统运行过程中出现的程序死机现象，采用 NE555 组成硬件定时复位系统。 图 20 NE555封装图 如图（ a）和图（ b）可知， NE555 定时电路 V0 口把连续的脉冲信号输送至 RST，达到定时复位的效果。 电路中使用 RC 定时电路来设定脉冲的周期和宽度。 调节电阻 R 或电容看 C可得到不同的定时时间。 脉冲宽度： TW =(R1+RW+R2)C； （公式 10） 振荡周期： T=(R1+ RW+2*R2)C。 （公式 11） 从而通过控制振荡周 期和脉冲宽度就可以控制定时时间。 内部结构图： 泰山学院本科毕业设计 23 图 21 NE555内部结构 图 22 NE555定时电路及工作波形 （ 4） LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈 ① LED数值显示模块 数码管由 7个发光二极管组成，行成一 “ 日 ” 字形， 他们 可以共阴极，也可共阳极。 “ 通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字，这 便 是（ b）振荡波形 （ a）自激多谐振荡器电路 泰山学院本科毕业设计 24 它的工作原理。 基本的半导体数码管由 7个 条状的发光二极管（ LED）按图 23 所示排列而成的，可实现数字 0～ 9及少量字符的显示。 ” [9]另外为了显示小数点，增加了 1 个 点状的发光二极管，因此数码管就由 8个 LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为 “ a,b,c,d,e,f,g,dp” ，排列顺序如图 23: 图 23 共阴数码管引脚图 ② 数据采集 A/D转换电路 A. AD0809的逻辑结构 “ ADC0809 是 8位逐次逼近 式 A/D转换器 ， 它由模拟 量 开关、译码器、 模数 转换器和锁存器 四部分构成 ，如图 24。 其中 开关 提供 8个数据通道 ，允许分时 间 输入模拟量 ， 同时需要 A/D转换 ，再通过 锁 存 器锁存转换 后 的数字 信号 ，当 OE = 1时 ，方 可从锁存器取 得 完成转换的 数据 ”。 [8] 图 24 AD0809内部结构 B. AD0809 应用说明 泰山学院本科毕业设计 25 （ 1） ADC0809内有输出锁存器，可与 AT89C51单片机直接 连接。 （ 2） 初始化时 ， ST和 OE信号为低电平。 （ 3） 把要 转换的通道地址 送 到 A， B， C端口上。 （ 4） 在 ST端给出一个至少有 100ns宽的正脉冲信号。 （ 5） 通过 EOC信号来判断 是否转换完毕。 （ 6）当 EOC变为高电平时，这时给 OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 C. AD0809转换电路 “ 电路见图 25，主要由 AD 转换器 AD0809，频率发生器 SUN7474，单片机 AT89C51及显示用数码管组成。 在程序设计过程中，单片机可通过查询法找到 EOC 信号 然后 读 取 已转换的数据，也可以在启动 AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。 AT89C51的输出频为晶振频的 1/6（ 2MHZ）， AT89S1 与 SUN7474连接经与 7474的 ST脚提供 AD0809 的工作时钟。 泰山学院本科毕业设计 26 图 25 A/D转换电路 泰山学院本科毕业设计 27 5 系统软件设计 主程序流程 延 时 系 统 初 始 化 固 定 参 数 设 置 可 变 参 数 设 置 A / D压 力 数 据 采 集 计 算 压 力 偏 差e（k）并 显 示 采 样 植 P I D控 制 控 制 信 号 输 出继 电 器 动 作 判断 及 输 出 Y N 有 参 数 修 改。 开 始 图 26 主程序流程图 单片机上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、各种程序模块的初始化等；然后，程序进入主循环；最后进入 PID 计算及各种控制信号的输出部分。 继电器动作控制 泰山学院本科毕业设计 28 N Y 开 始 读 取 标 志 位 ， 判 断 M 1是 否 停 止 状 态。 从 I / O 口 输 出 控 制 信 号 ，使 继 电 器 K M。