基于单片机恒压供水系统的设计(本科毕业论文

基于单片机恒压供水系统的设计(本科毕业论文内容摘要：

的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在 需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。 但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （ 1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； （ 2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （ 3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： （ 1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养； （ 2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （ 3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 与传 统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的 交流拖动系统有许多优点。 在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的 传统 控制，所以节能效果非常明显。 对电动机的调速范围和精度要求不高，通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。 由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现 调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。 在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。 因此，在进行调速控制时，可以通过控制频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。 一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到 1:10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到 1:1000。 此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。 因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专 用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。 电动机的机械特性 当定子电压 sU 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式： 12 239。 212239。 39。 121 )()(3lrlsrsrspe LLsRsR RsUnT   当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项，则 sRsUnT rspe  39。 1213 ，转矩近似与 s 成正比，机械特性 )(sfTe  是一段直线，见图。 当 s 接近于 1 时，可忽略分母中的 39。 rR ，则sLLRs RUnT lrlss rspe 1])([3 239。 21239。 121  ， s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比，这时，)(sfTe  是对称于原点的一段双曲线。 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图 所示。 [6] s mnn 0sT e100 T eT em axT em ax 图 恒压恒频时异步电机的机械特性 变频器的控制方式 目前变频器对电动机的控制方式大体可分为： V/f恒定控制、转差频 率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。 前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前 2种控制方式。 1) V/f恒定控制 简介。 V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压 ,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。 因为是控制电压（ Voltage）与频率 (Frequency)的比，称为 V/f恒定控制。 此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。 另外，空调等家用电器也多 采用此控制方式的变频器。 控制原理 如下 ： 异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机 13 的同步转速随着改变。 当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。 转差的大小和电动机的负载大小有关。 保持 V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。 电动机定子的感应电动势 ： E1＝ f 1 N1 (31) 式中 Kwl—— 电动机绕组系数； f1 —— 电源频率； N1 —— 电动机绕组匝数； Фm—— 每极磁通。 电动机端电压和感应电动势的关系式为 ： Ul＝ E1+(r1+jx1)I1， (32) 在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。 由式 (21)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出 现饱和或欠励磁。 例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势 E不变，那么，电动机的磁通 Ф m将增大。 由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。 磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。 而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。 因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。 [7]在变频控制时，保持 E / f恒定，可以维持磁通恒定。 2） 矢量控制简介。 矢 量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。 直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。 两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差 90176。 ；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。 在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。 当进行闭 14 环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。 根据异步电 动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制 [7]。 矢量控制技术经过 20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。 但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。 如果能对电动机参数 (主要是转子电阻 R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。 另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。 近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通 、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景 [8]。 变频器的选择 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。 根据控制功能可将通用变频器分为三种类型 :普通功能型 u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型 u/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 (TL∝n2)，低速下负载转矩较小，通常可选择普通 功能型的变频器。 [9] 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 是选择变频器的基本原则。 需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水 电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠 笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。 应保持在无故障 状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为 : 15 Pnv≥ (33) 式中 ： Pnv— 变频器额定功率， kW； Pn— 电动机额定功率， kW 单片机 单片机 简介 单片机又称单片微控制器 ,它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。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机 .它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别 [10]。 早期的单片机都是 8位或 4位的。 其中最成功的是 INTEL的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大 的好评。 此后在 8031上发展出了 MCS51系列单片机系统。 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。 随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。 随着 INTEL i960系列特别是后来的 ARM系列的广泛应用， 32位单片机迅速取代 16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的 8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80年代提高了数百倍。 目前，高端的 32位单片机主频已经超过 300MHz，性能直 追 90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1美元，最高端的型号也只有 10美元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。 而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows和 Linux操作系统。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。 通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。 一个不是很复杂的功能要是用美国 50年代开发的 74系列，或 者 60年代的 CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB板 ， 但是如果要是用美国 70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。 只因 为单片机通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。 单片机的选择 16 ，程序存储器容量， I/O引脚数量 ，例如看门狗，双指针，双串口， RTC（实时时钟）， EEPROM，扩展 RAM， CAN接口， I2C接口， SPI接口， USB接口。 3. Flash和 OTP（一次性可编程）相比较，最好是 Flash。 IP（双列直插）， PLCC（ PLCC有对应插座）还是贴片。 DIP封装在做实验时可能方便一点。 ，工业级还是商业机。 如果设计户外产品，必须选用工业级。 ，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个 mA,。 例如设计电视机遥控器， 2节干电池供电，至少应该能在 电压范围内。