第1章 前言
1.1 課題背景和意義
近年來,我國居民區不斷擴建與改造,樓房層數也不斷增加,居民用水難問題越來越明顯,大部分地區存在著用水高峰期無法供水的問題,尤其是一些高層建筑居民,問題更加突出,給人們日常的生活帶來了極大的不便,因此采用恒壓供水系統,具有很大的經濟與社會意義。
目前,單片機在工業檢測領域中得到了廣泛的應用,單片機在高樓恒壓供水系統中的應用也越來越重要,主要是通過將變頻調速技術和單片機技術融合到一起,設計高樓恒壓智能控制系統。但是,在國內外變頻調速恒壓供水系統中,中大容量恒壓供水系統的水壓閉環控制和變頻電源與工頻電源的無擾動平穩切換問題沒有得到根本性的解決。因此,有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能,并且降低中大容量系統的投資成本。
隨著科技的飛速發展，無論是生產還是生活中,人們對數字化信息的依賴程度越來越高。如果說計算機是大腦,網絡是神經,那么電動傳動系統就是骨骼和肌肉。他們之間的完美結合才是現代產業發展的方向。為了使交流調速系統與信息系統緊密結合,同時也為了提高交流調速系統的性能,必須使交流調速系統實現全數字化控制。
同時,單片機的應用正在不斷地走向深入，目前對高樓供水恒壓控制的研究向著設備簡單、投資少、可靠性高、抗干擾能力強、節能高效的方向不斷發展。1.2本設計的研究內容與主要工作
本設計以單片機為核心,通過將水流量轉換成信號,經A\D轉換后送入單片機,一方面通過LCD顯示當前壓力,另一方面與設定值進行比較判斷,輸出判斷結果并送給L298和聲光報警電路。設計需要4個部分完成:
(1) A\D轉換設計
(2) LC顯示設計
(3) L298與電機相連接
(4) 聲光報警電路設計
綜上,本設計通過利用電腦仿真,對設計電路進行模擬檢測。
1.3國內外發展狀況
變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生產變頻器后，隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調節器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。
目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(2。2k-30w)，無需外接PLC和PID可完成。最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。
可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性( EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制的研究遷是不夠的。
采用變頻調速恒壓供水，利用反饋控制來進行恒壓供水設計時還存在的問題有：由于供水系統的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統的數學模型; 且該系統具有非線性、高階次、大滯后、參數易變等特點。
變頻恒壓供水系統主要特點：
（1）節能，可以實現節電20%~40%，能實現綠色省電。
（2）占地面積小，投資少，效率高。
（3）配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。
（4）運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。
（5）由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。
（6）通過通信控制，可以實現無人職守，節約了人力物力。
1.4 本課題的研究預期成果
設計出以單片機為基礎的高樓恒壓供水系統控制器,編寫出程序,調試成功,并在PROTEUS上進行仿真達到預期目的,完成設計任務。
第2章 系統總體方案設計
進行總體設計時，根據該系統所要達到的功能，選擇適當的元器件和合適的芯片來設計系統，了解各器件的的原理和功能。恒壓供水系統的設計，首先要有壓力采集器件，根據相關參數范圍選擇了模擬壓力傳感器，采集到的數據為模擬量，模擬量不能直接進入單片機進行處理，把采集到的壓力信號變成二進制數字量才能進入單片機，這就要通過A/D轉換，A/D轉換的器件根據相關參數范圍選擇了ADC0808，把模擬量轉換成數字量送入單片機處理，通過LCD數碼管把當前壓力顯示出來。要實現恒壓穩定控制，就需要設定水壓的標準量，是和當前的水的壓力進行比較的，看當前的水的壓力有沒有大于或者小于設定的幾個壓力值，然后加以控制，控制機臺電機的轉動，從而達到恒壓供水。
由此得出系統的總體硬件設計框圖如圖2-1所示：
圖2-1系統結構圖該系統由單片機、A\D0808轉換器、LCD1602、電機等器件構成．該控制系統通過安裝在水泵出口管上的遠傳壓力變送傳感器，把出口壓力變成(0～5)V的模擬信號，經過前置放大、多路切換、A／D變換成數字信號傳送到單片機和LCD1602，一方面經LCD1602顯示當前壓力,另一方面與給定參量進行比較，輸出控制信號，以調節實際轉動電機的數量，按實際用水量供水并使供水壓力恒定。
第3章 系統硬件設計
3.1AT89C51單片機簡介
AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3-1所示
