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1、目 录中文摘要1中文摘要21 绪论31.1 课题研究的目的与意义31.2 国内外发展的状况31.3 变频供水系统应用范围51.4 恒压供水的实现52 变频调速系统能耗分析72.1 供水系统分析72.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析83 系统结构与设备选型113.1 系统总体设计113.2 变频调速113.3 单片机163.4 控制算法174 系统硬件设计204.1 系统工作过程说明204.2 变频器部分硬件设计214.3 单片机部分硬件设计235 系统软件设计295.1 主程序流程295.2 继电器动作控制流程305.3 PID控制流程31结论33致谢34参考文献35附录136附录237
2、单片机恒压供水系统的设计摘 要：建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据居民用水时间集中，用水量变化较大的特点，因此居民原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用压力反馈，PID控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路
3、保护、过流保护功能，工作稳定可靠，电机的使用寿命大大延长。关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动控制 1 绪 论1.1 课题研究的目的与意义随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水控制器，该控制器是基于单片机为核心，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)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。传统的蓄水加压办法有：高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水的方式，靠水的势能向用户提供一定压力的生活用水和生产用水。这种办法显然比较落后，一是投资大，二是不
4、利与维护和抗震。将增加房屋强度设计要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是将产生二次污染。1982年以后开始出现气压供水设备，虽比前者有所改进，但仍有很多不足之处，如占地面积大，水罐和泵房投资高，电机频繁启动，耗电量大且供水压力不稳。1究竟采用何种供水方式效果更好呢？根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。由此可见，采用交流变频调速恒压供水系统即可做到用水量和供水量的统一，又极大地降低了电耗。近几年随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的推广应用，上述想法已成为现实。1.2 国内外发展的状况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早
5、期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，
6、国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水用的变频器。它将PID调节器和P LC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。2目前国
7、内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2k-30w)，无需外接PLC和PID可完成。最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只
8、适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性( EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究迁是不够的。采用变频调速恒压供水，利用反馈控制来进行恒压供水设计时还存在的问题有：由于供水系统的供水管道长、拐弯多, 难于确定系统的数学模型; 且该系统具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。变频恒压供水系统主要特点：（1）节能，可以实现节电20%40%，能实现绿色省电。（2）占地面积小，投资少，效率高。（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）运行
9、合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。（5）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。（6）通过通信控制，可以实现无人职守，节约了人力物力。21.3 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多
10、的方式。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器1.4 恒压供水的实现系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用浩捷PTJ207压力传感器测量水管压力，其输出为数
11、字量。STC89C52单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。作为变频器（ABB ACS510）的给定，通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。控制算法的设计：由于供水系统难于确定系统的数学模型且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。3而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统
12、安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题4。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。2 变调速系统能耗分析2.1 供水系统分析水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速可以相应的
13、改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网压力恒定，达到节能效果。如图2.1所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图2.1 节能分析曲线图(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这
14、样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0H1，则H1即为水泵的能量浪费。(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点
15、式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性
16、等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠5。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：n=120(1-s)/p （2.1）式中s为电机的转差率（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无
17、级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为：N=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种hs=hy+hj （2.2）沿程损失 hy= LQ2 （2.3）式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；A-过水截面的面积。 （2.4）式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差
18、（即实际扬程H）加上管路损失Hx=Hsj+Hs （2.5）由式（2.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线图2.2 水泵工作点的确定水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1.在图2-5中水泵运
19、行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2.3上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显5。图2.3 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图求出运行在B点的泵的轴功率 运行在C点泵的轴功率 两者之差： 也就是说，采用阀门控制流量时有V的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也
20、就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。3 系统结构与设备选型3.1 系统总体设计该系统以AT8052单片机为核心，由单片机、变频器、测量与转换、显示及用户设定等几个主要部分组成。如图3.1所示。图3.1 系统总体设计框图该系统采用压力反馈的单闭
21、环控制，通过对出水口压力采样反馈与压力给定值做比较，计算出e（k）。通过控制算法输出给定给变频器来驱动泵来调节转速，从而达到恒压控制的目的。系统控制原理如图3.2所示。图3.2 系统控制原理图3.2 变频调速3.2.1 变频器简介直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：（1）需要定期更换
22、电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：（1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养；（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替利用挡板和阀门进行的风
23、量、流量和扬程的传统控制，所以节能效果非常明显。对电动机的调速范围和精度要求不高，通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:10
24、以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1:1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。3.2.2 电动机的机械特性当定子电压和电源角频率恒定时，可以改写成如下形式：当s很小时，忽略分母中含s各项，则，转矩近似与s成正比，机械特性是一段直线，见图3.1。当s接近于1时，可忽略分母中的，则，s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图
25、3.3所示。6图3.3 恒压恒频时异步电机的机械特性3.2.3 变频器的控制方式目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。1) V/f恒定控制简介。V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压（Voltage）与频率 (Frequency)的比，称为V/f恒定控制。此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能
26、运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。控制原理如下：异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机的同步转速随着改变。当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。保持V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。电动机定子的感应电动势：E14.44Kw1m f 1 N1 (3-1)式中 Kwl电动机绕组系数； f1 电源频率； N1 电动机绕组匝数； m每极
27、磁通。电动机端电压和感应电动势的关系式为： UlE1+(r1+jx1)I1， (3-2)在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式(2-1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，电动机的磁通m将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁
28、时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。7在变频控制时，保持E / f恒定，可以维持磁通恒定。2） 矢量控制简介。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。
29、当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制7。矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数(主要是转子电阻R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通
30、、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景8。3.2.4 变频器的选择通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器(也称无跳闸变频器)和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩(TLn2)，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。9大多数变频器容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变
31、频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器
32、供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为:Pnv1.1Pn (3-3)式中：Pnv变频器额定功率，kW；Pn电动机额定功率，kW3.3 单片机3.3.1 单片机简介单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机.它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别10。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的
33、是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普
34、通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单
35、片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。3.3.2单片机的选择1.单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O引脚数量2.单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。3. Flash和OTP（一次性可编程）相比较，最好是Flash。4.封装IP（双列直插），PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。DIP封装在做实验时可能方便一点。5.工作温度范围，工业级还是商业机。如果设计户外产品，必须选用工业级。6.功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供
36、几个mA,。7.工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.8-3.6V电压范围内工作。103.4 控制算法该系统采用PID控制方法，将PID算法编入单片机自动运行。其算法程序流程如图3.4所示：图3.4 PID算法流程3.4.1 PID控制介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依
37、靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 其控制规律为： (3-4)1. 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2. 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态
38、误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3. 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有
39、滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.4.2 数字PID控制算法实现1. 数字PID位置型控制算法：把式(3-4)变换为差分方程，为此可作
40、如下近似式中：T为采样周期，k为采样序号。可得数字PID位置型控制算式为： (3-5) 式(3-5) 的控制算法提供了执行机构的位置u（k），如阀的开度，所以被称为数字PID位置型控制算式。112. 数字PID增量型算法由式(3-5)可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i），不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，对此可将式(3-5)进行如下改进： (3-6)其中 称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数。为编程方便，可将式（3-6）改写成如下形式 (3-7) 其中 4 系统硬件设计系统的硬件设计分为两部分：1）以单片机为核心的硬件部分设计。主要包括：A/D转换采样
41、及PID控制，用户按键输入及显示屏显示，单片机与变频器通信。2）变频器部分的硬件电路设计。主要包括：主电路和控制电路。系统硬件结构如图4.1所示。 图4.1 系统硬件结构示意图图4.2 实际供水系统示意图实际供水系统如图4.2电机M1工作工频直接接入电网，M2作变频调速电机。其中气压供水罐根据情况选配，不一定必须配置，其作用是增加系统阻尼。除了气压供水罐外，其它设备是必需的。4.1 系统工作过程说明1）两个泵的供水方式结合图4.3，这个恒压供水系统由两个泵，其中一台泵(M1)工作在工频，在系统处于低用水量时，由它供水。这时变频器不工作，电机M2不工作。当用水量上升，水压下降超过设定，这时变频器
42、工作，动态的调节水压。当用水量回到低用水量带时，变频器又停止工作，只由泵M1供水。在低用水量区水压在容许范围了波动，只有当水压低于一定程度，变频器才工作。依靠水压在容许范围，必要时配合气压罐来增大系统阻尼。这样变频器就不需要在低频率下长期运行，同时本系统采用V/F控制不能在过低频率下运行的问题也得到解决。图4.3 泵启停与用水量关系图2）系统的启动与运行系统启动将首先将电机M1投入运行。这时如图4.4，继电器KM1吸合，KM2与KM3断开，直到电机M1启动结束。电机M1的起动过程，变频器相当于软启动器的作用。电机M1起动结束后，变频器停止输出同时KM1断开，KM3吸合，再经过一个软件延时后KM
43、2吸合。这时电机M1直接接入电网，电机M2直接接到变频器。当压力偏差超过设定时变频器工作输出电机M2运行。变频器停止工作取决于是否在低用水量区，但用户需要的用水量难以测量。故通过单片机对变频器的频率输出（u(k)）与压力偏差e(k)，来判断用户用水量。显然在u(k), e(k)都小于设定值的情况下，用户需要的用水量必然在低用水量区，这时让单片机控制变频器停止工作。4.2 变频器部分硬件设计4.2.1主电路图4.4 变频器部分电路接线图如图4.4。电机M1的作用是在供水系统用水量最小的情况时，维持管道水压。在这种情况下M2可以停机休息。当负载增加，水压减少到一值时再将M2投入运行。M2采用变频器
44、V/F恒压频比控制，根据负载动态的调整电机转速。4.2.2控制电路图4.5 控制电路梯形图如图4.5，图中A部分为当失控时，通过变频器设置且断开QF2、闭合QF3，QF4设置为手动控制。此时为一开环控制的方式。可以通过按键控制电机正反转，通过电位器来控制变频器的输出频率，来控制系统水压。B部分为自动运行情况下的控制图。其中KM11，KM22为单片机控制的接触器的触点。自动运行过程如下：首先单片机发出指令让KM11闭合，这时KM1工作，电机M1与变频器接通，变频器起软启动器的作用。当时间继电器延时到， M1启动到工频，M1与变频器断开直接接到电网运行。之后单片机根据需要控制KM22使之投入运行，
45、根据负载的不同，通过V/F控制改变M2转速。4.3 单片机部分硬件设计4.3.1 主要部分电路图4.6 单片机硬件结构图如图4.6图中包括了以单片机为核心的五个部分。其总体硬件图见附录1。1） 系统供电电路图4.7 电源模块如图4.7，系统供电将220V的市电转换成5V直流电。系统首先通过变压器将220V的交流电降压为9V交流，再通过整流桥变为直流。电容C1、C2起滤波作用。LM7805为稳压模块。将电压稳定在5V。2） 单片机的晶振电路图4.8 晶振电路如图4.8，该电路为单片机提供稳定的12MHz的外部时钟频率。其中以一块12MHz的晶震为核心。3） 单片机继电器电路图4.9 单片机控制的
46、继电器电路系统有两套这样的继电器电路与单片机相连，该继电器的作用相当于辅助继电器。通过它来控制图4.5中的KM11和KM22的打开或吸合，进而控制主继电器KM1和KM2来控制电机的接入或断开。4） 单片机的外部通信电路图4.10 通信模块单片机与变频器的通信，单片机通过MAX232芯片进行串行通信。在变频器端，再通过一个RS232转RS485的转换卡，将信号转换成变频器能识别的信号来完成通信过程。5） A/D转换采样电路图4.11 A/D转换模块A/D转换电路以ADC0809为核心，将采集的压力传感器的信号（420mA信号），加以电阻网络转换成05V的电压信号。通过ADC0809的模拟量输入口（IN-0IN-7）进行AD采样。模拟信号通道地址A、B、C由74LS373（三态输出锁存器）的Q0、Q1、Q2提供。时钟通过单片机ALE用74LS74（D触发器）进行二分频得到。当转换结束后EOC为高电频，作为中断，单片机调用中断程序，读采样数据。4.3.2 其它部分电路1）显示电路图4.12 显示模块显示部分采用循环扫描的方式，P0口传输显示的内容
