基于单片机的高楼恒压供水系统设计

基于单片机的高楼恒压供水系统设计

本课程设计要求设计基于单片机的高楼恒压供水系统。本设计根据目前单片机控制的恒压控制系统的研究现状，充分利用现代化新型、先进的元器件和最新的智能控制理论与算法，将变频调速技术和单片机技术融合到一起，设计高楼恒压供水智能控制系统。设计的高楼恒压供水智能控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、节能效率高等特点。

技术参数和设计任务：

1、利用单片机STC89C52实现对水压的控制，以实现恒压的目的；

2、为了使马达转速能够根据不同的需求而改变，完成变频电路的设计；

3、完成水压的显示电路的设计，以显示水压；

4、为了检测高楼水压，完成检测电路的设计；

5、为了能使控制电路的稳定运行，完成PID算法等其他的设计。

一、本课程设计系统概述

1、基于单片机的高楼恒压供水系统原理

欲稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统。该系统由单片机、变频器等器件构成。该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的远传压力变送传感器，把出口压力变成(0~5)V 的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A/D 变换成数字信号传送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量E ∆，对E ∆进行PID 运算后输出控制信号，经由D/A 变换成模拟量作用到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水并使供水压力恒定。单片机控制变频调速供水系统控制原理如图1所示。

图1 控制原理图

若E ∆>0，则供水压力小于设定值，用水量增加造成供水压力下降，单片机将通过计算提高变频器的输出频率，从而使电机水泵机组转速增加(n 1f ∝)，使供水压力增加并恢复到设定值；如果E ∆<0，则供水压力大于设定值，说明用水量减少导致供水压力上升，单片机通过计算控制变频器使其输出频率下降，电机水泵机组转速下降，使供水压力减小恢复到设定值。通过单片机控制水泵电机的状态，实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压达到节能、恒压之目的。

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，如图2所示。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。

图2 变频恒压供水系统组成

2、系统结构图

该系统由4部分组成，如图3所示。

图3 系统结构框图

传感器采用远传压力表，为压阻器件，用于检测水管道的压力，并将水压转换为0~5V的模拟信号。控制部分由MCS-51系列单片机为核心部件。根据传感器检测到的水压完成变频器调速及泵组切换的控制.变频调速部分是由空气开关、交流接触器、变频调速器组成，为系统的动力电供给和执行机构。水泵组部分包括三台交流异步电动机拖动的三台离心式水泵。

3、控制方案

本设计介绍了单片机控制的高楼供水系统中硬件构成、软件设计，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。

在实际的应用过程中，取得了良好的效果。

该系统的优点包括：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

二、系统硬件设计

1、单片机简介

（1）单片机概述

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LDE驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

（2）单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1）在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

2）在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3）在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣让机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，丢无所不在。

4）在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5）单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

单片机按用途大体上可分为两大类：1—通用型单片机；2—专用型单片机。

专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。

通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。

（3）单片机的发展趋势

现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到犯位，数不胜数，应有尽有，有与主流C5l系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。