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基于单片机的恒压供水控制系统设计
Design of constant pressure water supply system based on SCM

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摘 要
在当今社会，水资源变的越来越重要了，工业，农业，生活上都需要用水。在居民用水中浪费现象是随处可见的。为此在节约用水方面，必须得做一些相应的改变。目前随着恒压变频供水系统的产生，就可以利用这一系统来解决在实际生活中因为供水问题而造成的能耗问题。而且这种变频调速恒压供水在现实生活中得到了广泛的运用。
本次设计中设计的恒压供水系统是以单片机为主要控制芯片来控制整个系统的，在这里选择的单片机的型号是AT89C51。单片机具有成本低，效率高的特点。在这里单片机通过压力传感器将水压的大小通过A/D转换器转换成数字信号传入单片机中，然后将其通过单片机的控制器经过D/A转换器转换成模拟信号,同时通过变频器从而控制电动机的转速，最后实现恒压供水的功能。

关键词 恒压变频供水系统；单片机；自动化

Abstract
In today's society, water resource is becoming more and more important.Industry, agriculture,and our life needs water. We found in the residents of water, there is a serious waste phenomenon. In order to achieve this goal, we have to make some corresponding changes. But with the constant pressure water supply system, we can use this system to solve the problem of energy consumption in real life because of supply problems caused by. And this kind of frequency conversion constant pressure water supply has been widely used in real life.
The design in the design of constant pressure water supply system based on single chip microcomputer as main control chip to control the whole system, choose here model is AT89C51 single chip microcomputer. The characteristics of the MCU with low cost and high efficiency. Here MCU through the pressure sensor, the size of the pressure through A/D converter converts digital signals into single chip microcomputer, then by single chip microcomputer controller through D/A converter converts analog signals to control the speed of the motor, finally realize the function of water pressure constant pressure control.

Keywords Constant pressure Frequency conversion control system MCU automation

II

目 录
1 绪论 1
1.1 恒压供水系统的提出的背景及其意义 1
1.2 传统供水方式 1
1.2.1恒速泵直接供水方式 1
1.2.2水塔/水箱的供水方式 2
1.2.3气压供水方式 2
1.3变频恒压供水系统主要特点 2
1.4 变频器调速恒压系统的发展 3
1.5 恒压供水设备的主要应用场合 3
2 恒压供水系统 5
2.1变频调速的基本原理 5
2.2 闭环控制 5
2.3 变频恒压供水控制系统的组成 6
2.4水泵的参数计算与型号的选择 6
2.5系统的主电路图 8
2.6系统的工作原理 9
2.7 增泵减泵 9
2.7.1减泵过程 9
2.7.2加泵过程 10
2.8 系统的参数选取及调速范围 10
2.9 本章总结 10
3 变频调速恒压供水系统的硬件设计 11
3.1 单片机 11
3.1.1 单片机的简单介绍 11
3.1.2 单片机的特点 11
3.1.3 AT89C51单片机的简介 11
3.1.4 主控单片机引脚说明 12
3.1.5 反馈压力检测电路 14
3.1.6 输出控制电路 14
3.2 变频器 14
3.2.1 变频器的构成 14
3.2.2 变频器的特点 17
3.2.3变频器的选型 17
3.3 PID调节器 18
3.4 压力传感器 19
4单片机硬件接线及总体硬件电路设计 20
4.1 主要部分电路 20
4.2 系统供电电路 20
4.3晶振电路 21
4.4单片机继电器电路 21
4.5单片机的通信模块 22
4.6 看门狗电路 24
5 变频调速恒压供水系统的软件设计 27
5.1 单片机接口地址分配和控制端口功能 27
5.2 软件程序设计 27
5.3 继电器动作控制流程 29
5.4 PID控制流程 31
5.5 本章小结 33
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36

IV

1 绪论
1.1 恒压供水系统的提出的背景及其意义
随着时代的变化，人们的收入越来越高，于此同时，能量的缺失也在影响着人们，要想使我国的人们生活的越来越好，就得学会节约能源和水，同时，随着城市的不断扩展，人的数量也在变得越来越多，因此，对供水质量上，经济上和稳定性上要有很高的需求。我国的一些技术，在城市供水，楼宇供水以及工业供水之中由于受到供水设备和供水方式的影响，使得供水存在着浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化技术没有达到很好的情况下，在很大程度下使居民和工业生产中的用水变得越来越困难。    
要想一定区域的供水网管能够得到安全，稳固，经济良好的管制，就得有一个很好的供水控制系统，此供水系统就得拥有使人们满意的供水特点和既省时间又省力的自动化系统。通过改变水泵的使用量以及水泵的动力源，来实现高层建筑恒压供水。可以是通过系统设定的控制算法发送控制信号的，那要实现控制算法的条件是拟定的水压的范围要比用单片机采集得到传感器所测的水压值要小，要想使供水量得到平稳，稳定，同时又要降低电力能量的消耗，就得使用变频调速恒压供水系统，得到这一结果是通过流体力学原理来知道的，如今微型计算机在人们生活中随处可见，同时交流变频调速技术也在不断前行，如果要实现上面所说的，应该不是太大的问题。
变频调速恒压技术在如今的社会中得到了千家万户的广泛的使用，究其原因，是因为它节能、安全和其供水效率比较高的原因。我们通过测量管网中的水压的大小，通过压力传感器传入单片机中，然后调节管网中的水压，使它的水压稳定。恒压供水调速的提出在一定程度内满足了国内居民节水的需求，具有很重要的意义。以往的一些供水方式伴随着浪费，效率比较低的问题，这问题的背后，究其原因还是因为传统的供水设备和供水方式比较落后的原因。
1.2 传统供水方式
1.2.1恒速泵直接供水方式
这种水的供应方式，是由水泵直接从水库抽水加压来提供水给用户的的，还有一部分是从城市公共供水管网中直接抽水的。这种方式使得的公共网管的水压产生波动，不够稳
1

定。甚至有时候水泵会在夜间的时候突然停止，给用户造成了极大的不便。这一类水的供应方式用钱比较少，结构又相对简单，而且存在着波动比较大，供水的品质又特别差，浪费水资源又特别严重的问题。
1.2.2水塔/水箱的供水方式
这种水的供应方式是让水泵供水先给水箱或者水塔的，再经过他们去给住户供水的。这种供水压力虽然比较恒定，而且能够储存一定的水量。但是它是由高度所造成的压力差给水提供动力的。所以在房屋的顶端需要安置水塔和水箱。尽管已经提出了上面的水的供应方式但是在一些大的建筑中还是无法使用，随着人们对水的供应的要求越来越高，显然上面所述的水的供应方式在渐渐的淡离人们的生活了。而且因为我们在建筑物的顶端安置了水塔和水箱，其结构面积就会增加，而且也妨碍了它的美观的情况。而且因为安置在室外，这种方式的设计，它的水质很容易受到污染，这种方式存在着供水质量问题和资源的浪费问题。
1.2.3气压供水方式
气压供水的原理是利用密闭压力罐内的压力。水泵的启动和结束，也是根据气压罐里的压力得知。密封罐相比水塔和水箱而言，其占地面积比较小，而且放置的位置也可以在地上，其设备的成本也要比水箱和水塔来的便宜的多。因为它是密封装置，所以它的被污染的可能性就比较低，它的灵活性比较大，也能让建筑物看上去很美观。而且为了满足居民的用水要求，我们可以改变压力罐中的压力。但是它也具有缺点，缺点就是它的体积很大，并且我们投入的资金也会比较多，而且因为它的压力变化比较快，而且效率也不高。所以能耗消耗就会比较大，当它运行的时候，所需的费用也就会比较高了。
所以根据上述所说的情况，传统的一些供水方式存在着资源浪费，效率低下的问题，严重影响了居民和工业用水的正常情况。他们的自动化技术相对来说比较差，渐渐脱离了这个时代的脚步。所以一种新型的供水系统的开发对于我们是非常必需的，它需要自动化程度高和效率高的特点。
1.3变频恒压供水系统主要特点
1. 节能，能够实现绿色省电，可以在实际运用中节省20％~40％的电耗量。
2.它的投资比较少，而且占地的面积比较少，效率高，看上去美观。
3.自动化程度比较高，而且是比较灵活，功能也比较齐全。
4.运行比较科学可靠，因为它具有软起和软停的功能，可以在运行的过程中，大大降低了电动机运行时候的磨损情况，大大减少了水泵出现故障的可能性，使水泵的使用年限得到了提高。（将水泵机组从变频转换成工频的时候，变频器和正在运动中的水泵会断开，之后水泵还能在持续运转的同时产生自感电流，假如现在直接接通工频电，那么此时自感电流的相位和工频相位不一定会造成冲击，从而减少水泵电动机的使用寿命，我们可以把这一状态称为软启动。）
5.变频器的调速变压能够有效的降低污染率，它是从水源当中直接供水的。
1.4 变频器调速恒压系统的发展
通过相关资料的查看，可以将该项技术的发展情况进行下面的讲述：
1、PID回路调节器和可编程序控制器的控制系统
这里讲到的变频器的最主要的功能就是得到可以得到连续可以调节的三项交流电源，当然了这样一个可以调节的电源是通过固定的交流电得到的。通过对变频器进行分类，可以分成直接和间接这样两种变频的方式，但是这里讲到的间接的变频是通过一个中间的直流的环节作为存储能量的原件，通过对其进行分类又可以得到电流和电压这两类。电压这一类的主电路是一个通过改变相之间的接法整流器、中间环节以及逆变器这样三个部分所组成的。
通过相的控制，经过整流器的作用，可以得到可控的直流的电压。其中核心是交流电压进行整流，并且经过滤波后，电压就可以转变为可以使用的直流输出电压。逆变器它是将Ud转变成为可以调节的交流的电源，可以将这样一个电压给电动机并且对它进行相应的速度的调节。因为中间的直流环节的压型。
2、供水专用变频器
这里讲到的专门供水的变频器，它是PLC和一般的变频器的组合，是一体化的控制的一个系统。在这个内部可以专门设计了一个PID调节器，在这个一个调节器上面我们还需要增设一个压力上面的传感器，这样设计的系统就能够形成一个闭合的控制系统或者是控制程序。
设计的水泵，它要是想依次的动作，这里面依次投入的动作应该是“先停下来的就应该先投入”，切断依次应该是“先投入的就应该先停下来”，这样做的好处是保证了水量的平衡，3个水泵的损失也是基本同步的。系统运行的任何时刻都只有一个变频输出为ON，即变频器在任何时候都只对当前控制的水泵负责；这里需要说明的是：每一个水泵在每时每刻都应该保证在一个工作的状况下，当然了也可以是停止的常态。
如果说供水控制系统输送的功能比较的大，那么还需要注重的就是水泵和阀门的打开和关闭的问题了。正常的做法是：阀门后打开水泵应该先打开，水泵应该先停止阀门应该后停止等等。在这样一篇文章里面进行变频的供水的优点是，用户需要多少水系统就供给多少水，这样就不会产生不必要的浪费了，从而起到了节约的宗旨。通过相关的资料可以能够知晓，水泵输送出的流量和转动的速度是成正比的，系统的压力和转动速度的有一个平方的规律，我们还能够找到系统的功率和转动的速度有一个三次方的规律。这样就能够验证设计的系统肯定具有节约的作用的。

1.5 恒压供水设备的主要应用场合

7

2 恒压供水系统
2.1变频调速的基本原理

结 论
本文基于我国用水状态情况下，依据单片机技术、变频调速技术，设计了一种相对完善的变频调节恒压供水系统。
通过本课题的设计，学习了解了很多内容。
第一，查阅资料了解到了传统的供水方式分为恒速泵直接供水系统、水塔/水箱的供水系统和气压供水方式三种方式，这三种方式都是为了达到供水的目的而简单设计的三种供水动力来源不同的方式，不能达到节水、稳定供水的要求，进而催生了变频恒压供水系统的产生。
第二，对单片机有了深刻的了解。 单片机是一个完整的计算机系统，他不是单一的完成某一些逻辑功能的电子芯片。和计算机相比，单片机只是少了一个I/O接口的设备。在中国，单片机这种小型的计算机应用相当的广泛。几乎每个电子产品都会运用到单片机。如手机，电脑，鼠标，键盘以及电子玩具都具有单片机。在工业上，一些机械设备当中也有一些单片机在运行，总而言之，单片机在各个领域都有运用。
第三，通过变频恒压控制系统的设计，了解了设计中主要是水泵、变频器、单片机、水泵组和压力传感器组成。根据变频调速的基本原理，分析阐述系统内的工作机理，并且进行了主要参数的设计选择。
本文所设计的供水系统采用单片机控制。虽然单片机和PLC比起来，在稳定性，功能上都不好，但是单片机它的成本相对来说便宜，而且体积也比较小，并且为了提高单片机的稳定性，我们在其中加了看门狗电路以及控制系统的光电耦合电路的隔离，它的应用价值还是很高的。本课题设计的变频恒压供水系统设计和结构相对简单，对于一般型的供水要求都可以满足，而且运转稳定，应用范围广，有很好的发展前景。

致 谢

参考文献
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