基于单片机的恒压供水系统设计本科毕业设计.docx
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基于单片机的恒压供水系统设计本科毕业设计
基于单片机的恒压供水系统设计
摘要:
本设计是在深入研究当前多种恒压供水方案的基础上,创造性地提出“定频副电机+变频主电机+低端MCU”的低成本高效能恒压供水方案。
设计通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调节(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值。
用户可以自行设定水管中的水压,低功耗低噪音高性能高寿命的特点使得本设计在同类产品中脱颖而出。
使用KeilC和Proteus等先进EDA软件进行了高效率地设计实现和仿真验证。
关键词:
恒压,高效率,水泵转速,变频器
目 录
1 前言.................................................................1
1.1设计背景 1
1.2设计目标 2
1.3实施计划 2
2 总体方案设计.........................................................3
2.1方案比较 3
2.1.1方案一 3
2.1.2方案二 3
2.1.3方案三 4
2.2方案论证 5
2.3方案选择 6
3 单元模块设计.........................................................7
3.1各单元模块功能介绍及电路设计 7
3.1.1水管压力测量模块 7
3.1.2时钟模块设计及与器件选择 8
3.1.3复位电路的设计 8
3.1.4按键接口模块设计 9
3.1.5A/D转换模块 10
3.1.6D/A转换模块 11
3.1.7显示模块设计 12
3.1.8电机控制设计 12
基于单片机的恒压供水系统设计本科毕业设计
3.1.9稳压电源模块 13
3.2特殊器件的介绍 14
3.2.1变频器介绍 14
3.2.2 DAC0832介绍 16
3.2.3 ADC0809介绍 17
3.2.4 74LS245介绍 20
3.2.5 单片机AT89C51 21
3.3各单元模块的联接 23
4 软件设计............................................................24
4.1软件设计原理及设计所用工具 24
4.2主程序流程图 24
4.2.1T0中断服务程序 25
4.2.2独立按键程序设计 28
4.2.3LED动态显示程序模块的设计 30
5 系统调试............................................................31
5.1Proteus仿真软件介绍 32
5.2软件调试 35
5.2.1水管压力显示的仿真 35
5.2.2恒压值的仿真 38
6 结论................................................................40
7 总结与体会..........................................................41
8 谢辞................................................................42
9 参考文献............................................................43
附1系统的原理电路图...................................................45
附2系统的相关程序.....................................................46
附3外文文献翻译-译文..................................................53
附4外文文献翻译-原文..................................错误!
未定义书签。
1前言
近年来,随着居民区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难问题越来越突出,特别是高层建筑居民,原有的自来水管网的压力出现不足,大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水,高层居民经常出现用水难问题,给生活带来极大不便。
这种用水难问题在大城市表现尤为突出。
针对上述问题,本文研制了变频调速恒压供水系统,该系统是以管网水压为设定参数,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调节(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值。
即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,供水量相应增大,当用水量超过一台泵的供水量时,通过控制器加泵;用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量相应减小。
也就是根据用水量的大小,由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速,来实现恒压供水。
同时达到供水效率的目的“用多少水,供多少水”。
采用该供水系统不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水方案。
此外,恒压供水系统对于某些上业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。
1.1设计背景
随着居民区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难问题越来越突出,特别是高层建筑居民,原有的自来水管网的压力出现不足,大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水,高层居民经常出现用水难问题,给生活带来极大不便。
这种用水难问题在大城市表现尤为突出。
由于能源的问题不得不改变以往的供水方案,来改变在供水中的能源浪费问题,在国内外已有很多关于很压供水的研究,其中主要由两种,一是基于单片机加通用变频器的恒压供水,一是基于PLC加专用变频器的恒压供水,两种各有自己的特点,第一种价格便宜,通用性强,易于操作,不需专业人员就能操作,而后者价格高,对专业知识要求高,非专业人员不易操作,但是其抗干扰能力强,在市场上也有很大的应用,但是大多数人需要一个即便宜又容易操作的恒压供水系统,本设计就利用单片机
和通用变频器来设计此恒压供水系统,并通过对系统的优化来消除此系统的缺点,也就是来提高单片机系统的抗干扰能力,来体现其通用性强,易于操作的优点。
1.2设计目标
该系统主要以单片机为主控模块,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调节,使供水系统自动恒稳于设定的压力值,实现恒压供水。
即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,供水量相应增大;用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量相应减小。
采用该供水系统不需建造高位水箱或水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水方案。
本次设计的预期目标是:
完成系统硬件电路的设计,并绘制出相应的原理电路图;完成所需控制软件的流程设计和编程任务。
1.3实施计划
3月下旬至4月初,查阅和收集文献资料;4月初至4月中旬,提出设计方案,并对方案进行比较和论证,选出最佳方案;4月中旬至5月初,完成硬件电路设计;5月初月至五月中旬完成相关软件编程;5月中旬至5月底进行系统的模拟测试;6月上旬撰写设计报告,并准备毕业设计答辩。
2总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料,并结合自己的实际知识,我主要提出了三种技术方案来实现系统功能。
下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明,并分析比较它们的特点,然后阐述我最终选择方案的原因。
2.1方案比较
2.1.1方案一
单
片机
开关
恒速泵压
管网水压
A/D转换 变频泵压
D/A转换
压力传感
图2-1方案一的原理框图
方案一系统由泵机和可变频网络组成。
如图2-1所示,以80C196为核心构成控制器,将设定值与压力反馈值进行PID运算。
系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来,构成闭环系统。
2.1.2方案二
方案二系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成,是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。
它可同时对二台三相380/50Hz,异步电动机行变频调速和闭环控制,其系统组成示意图如图2-2所示。
从下图中我们可以看到,自动恒压供水控制系统的基本控制策略是:
采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
4位LED显示
D/A输出
变频器
上位机通信
AT89
C51
A/D转换
压力传感器
M1(变频)
四位独立式键盘
M2(工频)
图2-2方案二的原理框图
2.1.3方案三
压力给定
专用变频器
水泵电机
调节水压 管道
压力传感器
图2-3方案三的原理框图
系统由专用变频器、压力传感器、水泵等组成。
如图2-3。
专用变频器就是指有内置PID功能的变频器。
随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能,对变频调速恒压供水设备进行合理的设计。
国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。
如ABB公司的ACS600,
ACS400系列产品,富士公司的G11S/P11S系列产品。
这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用的新型变频器。
2.2方案论证
方案一的工作流程是80C196为核心构成控制器,将设定值与压力反馈值进行PID运算。
系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来,构成闭环系统。
运算结果以0-10v的电压信号输给变频器,实现恒压供水。
方案二整个系统的具体工作流程为:
系统通过安装在出水总管上的压力传感器,将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号,输入至供水控制器的输入模块,信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出偏差值,再经过PID处理得出最佳的运行工况参数,并将其转换成模拟信号,由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器,变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。
对于多台泵调速的方式,控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况,并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。
系统通过计算判定目前是否己达到设定压力,决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。
即:
当一台水泵工作频率达到最高频率时,若管网水压仍达不到预设水压,则将启动令一台工频泵运行,(此设计只用两台电机且功率达到设计要)此后,往复工作,直至满足设定压力要求为止。
反之,若管网水压大于预设水压,控制器控制变频器频率降低,使变频泵转速降低,当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵,始终使管网水压保待恒定。
总之,系统可根据用户用水量的变化,自动确定泵组的水泵的循坏运行,以提高系统的稳定性及供水的质量。
系统系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。
该变频恒压供水控制器
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- 基于 单片机 供水系统 设计 本科 毕业设计
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