基于单片机的恒压供水系统的设计方案

基于单片机的恒压供水系统的设计方案

摘要

近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以A T89C51为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。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来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数及变频器对的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。

关键字：恒压变频供水、单片机、A T89C51

1.1本设计的背景：

本设计为广州高级技工学院综合楼恒压供水的设计。

1.2本设计的优点包括：

（1）设备投资少，可靠性高，抗干扰能力强，占地面积小。

(2)系统采用变频器对电机进行调速，调速范围宽，频率可以在低于或高于工频频率的范围内调节，从几赫兹到几百赫兹，具有很宽的调速范围。

(3)由于调速过程中转差率很小，转差率小，损耗小，效率高，所以节约电能。水压的稳定还可减少对管网的冲击，提高供水的稳定性和质量。另外该系统还可以推广到管道输油等方面。

(4)采用单片机控制，变频调速系统采用闭环控制，可得到很高的控制精度。

1.3 本设计的主要内容：

本设计是关于基于单片机的恒压供水系统的设计，具体阐述了以下几个方面：

1)系统方案阐述

2）单片机选择；

3）变频器的选择；

4）控制方式的选择；

5）硬件电路的设计，包括：A）看门狗复位电路，B）时钟电路C）A/D 和D/A 电路，D）供电电路E）LED 显示电路F）反馈检测电路

G)控制输入/输出电路

2、本设计总体方案

2.1.系统的组成：有传感器、变频器、控制器、三个水泵电机及相关电器电气控制设备集成而成。

2.2系统的工作原理

为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能，根据不同场合、不同需要可以采取三台水泵同时运行、二台水泵同时运行、一台运行一台备用、一台运行二台备用、定时换泵等多种工作方式。水泵电机全部软起动，以先起先停为原则；具有变频器频率显示和实时压力显示；变频器故障、远传表故障或欠压超时和水位报警指示：可设定上限保护压力；可设定PID上升和下降周期及跟踪周期；可设定泵的上电工作顺序。

2.3控制方案

本设计通过传感器检测水压信号，经A/D转换成数字量，输入给单片机，与给定压力值进

行比较，按PID控制算法对差值进行运算，将运算结果输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。在实供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。

2.4系统的控制原理：变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安

装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成0--5V的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A 转换变成0—5V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。其变过程可以表示如下：检测压力（下降）――控制器输出（上升）――变频器频率（上升）――电机转速（上升），反之相反，最终达到恒压。

2.5工作模式：

供水系统有三台水泵，各水泵的投入的切换既可以自动控制，也可以手动种植。为延长水泵的使用寿命，水泵电机全部实行软启动切遵循“先进先出”原则，也就是先启动者先停的原则。该系统以1台变频器控制三台水泵，其工作过程：设三台泵分别为1号泵、2号泵、3号泵，系统工作时，先由变频器1号泵运行，当工作达到50HZ，而压力仍达不到要求时，则1号泵切换成工作频率运行，接着变频器启动2号泵，供水系统处于“1工1边”的运行状态。当变频器又达到50HZ上限频率而压力仍不足时，将2号泵也切换成工频运行，再由变频器启动3号泵，使供水系统处于“2工1变”的运行状态。如变频器的工作频率已经降到下限频率（30HZ），而压力仍偏高时，则切除1号泵；如变频器的工作频率又下降到下限频率，而压力还是品高，则令2号泵也停机，此时只有变频器直接带动3号泵变频工作，是供水管网压力保持恒定。

3 .设备的介绍

3.1单片机：单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处

理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

3.2单片机的选择

根据初步设计方案的分析，设计这样一个应用系统，可以选择带有EPROM 的单片

机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。INTEL 公

司的8051 和8751 芯片均可选用。还有其他与MCS-51 系列相兼容的芯片例如ATMEL 公司生产的AT89CXX 系列单片机。AT89CXX 系列与MCS-51 系列单片机相比具有片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便的优势。

为此，我们选用A T89C51 单片机。该芯片的功能与MCS-51 系列单片机完全兼容，

并且还有程序加密等功能，相比而言更加实用。

AT89C51的最小系统电路如图2所示。

3.3AT89C51单片机特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程FLASH存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器