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1、课程设计题目：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
2、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(05)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，对进行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0，则供水压力小于设定值
3、，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)，使供水压力增加并恢复到设定值；如果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
4、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05V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
5、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
6、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
7、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
8、、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
9、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
10、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。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1）低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低
11、，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。2）微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。3）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单
12、片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。（4）STC89C52单片机STC89C52是一种低功耗低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器(EPROM)，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统与都MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因为STC89C52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控
13、制领域。STC89C52具有下列主要性能：4KB可改编程序Flash存储器(可经受1，000次的写入/擦除周期)；全静态工作：0Hz24Mz；三级程序存储器保密；128*字节内部RAM；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器等。STC89C52是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作，在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，使一切功能都
14、暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。2、变频器（1）变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频的主要意义是指使马达转速能够根据不同的需求而改变，以达到最适应需求的目的。它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30至130Hz的变化频率。同时还使电源电压范围达到142V至270V，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。（2）
15、变频器的应用变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。使用变频调速的好处如下：1、控制电机的启动电流；2、降低电力线路电压波动；3、启动时需要的功率更低；4、可控的加速功能；5、可调的运行速度；6、可调的转矩极限；7、受控的停止方式；8、节能；9、可逆运行控制；10、减少机械传动部件。目前，变频调速给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：1)变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。2)目前，变频器
16、技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速供水提供了充分的技术和物质基础。变频器已在国民经济各部门广泛使用。任何品牌的变频器与单片机配合，可实现多泵并联恒压供水。3)变频调速恒压供水具有优良的节能效果。交流异步电动机的转子转速n可以用下式表示： (1)式中f定子供电电源的频率；p电动机的极对数；S异步电动机的转差率。由式(l)可见，当平滑地改变异步电动机的供电频率f时，即可改变电动机转子的转速n。根据水泵的相似原理： (2) (3) (4)式中的Q、H、P、n分别为水泵的流量、扬程、轴功率和转速。由式(2)、式(3)、式(4)可知，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功
17、率。3、传感器简介（1）传感器的基本概念传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。在科学研究和基础研究中，传感器能获取人类感官无法获得的大量信息。如利用传感器和传感技术，可以观察到(-10)cm的微粒;能测量(-24)s的时间；一艘宇宙飞船可以看作是一个高性能传感器的集合体，可以捕捉和收集宇宙之中的各种信息：一辆小轿车上所用的传感器有百余种之多，利用传感器可以测量油温、水温、水压、流量、排气量、车速、姿态等。（2）传感器的分类1）根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。2）根据工作原理可分
18、为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。3）根据输出信号的性质可分为:模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号.4）根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等;无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。（3）传感器的选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成
19、败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测盆的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2）灵敏度的选择通常，在传感器
20、的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3）频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越
21、好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。4）线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极
22、大的方便。5）稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。6）精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量
23、系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。4、系统硬件设计（1）系统硬件电路设计本控制器的总体结构如图4所示，分为输入、主机、输出三个模块。图4 硬件框图1）输入模块输入模块采用一片8通道8位A/D转换器ADC0831。水压设定和水压均为0-5V电压信号。2）主机模块主机模块包括STC89C52为核心部件的智能控制单元。STC89C52本身有4K EPROM，所以不用外扩EPROM。3）输出模块输出模块包括PWM滤波输出、报警输出和继电器
24、组的控制。PWM电路如图5所示，输出的模拟电压信号为0-5V，以调节水泵电机的转速，控制水压。图5 PWM滤波电路继电逻辑控制在单片机控制或手动操作系统作用下，使电机水泵机组工作在变频或工频状态下，即实现电机水泵机组工作状态的切换。4）抗干扰措施与互锁保护接口与过程通道是单片机与外部设备、被控对象进行信息交换的渠道，对于接口和过程通道侵入的噪声主要是因为公共地线引起，其次，在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电噪声和电磁噪声的干扰。双绞线抗共模噪声能力强，可作为接口用连接线，为集成电路与驱动器之间的连线。使用光电隔离电路，当组件之间接地电位有差值时，或在噪声电平高的地方，光电耦合器作为数字量、
25、开关量的隔离电路用于开关接口，能收到很好的效果。光电耦合电路如图6所示：图6 光电耦合电路采用555定时器设计一个“WatchDog”电路监督程序的正常运行，然后采用组合逻辑电路进行互锁保护，使任意时刻变频器只驱动一台水泵电机工作，任意时刻水泵电机只工作在变频或工频一种状态，保证变频器的安全运行。（2）机型及器件选择在单片机高楼供水系统中将用STC89C52来完成控制功能。现在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。可以预示单片机的发展趋势，大致有：1）
26、低功耗CMOS化2）微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上。3）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流。STC89C52是一种低功耗低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器(EPROM)，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统与都MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规
27、的非易失性存储器来编程。STC89C52具有下列主要性能：4KB可改编程序Flash存储器(可经受1，000次的写入/擦除周期)；全静态工作：0Hz24Mz；三级程序存储器保密；128*字节内部RAM；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器等。STC89C52是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作，在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻
28、结，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。（3）硬件设计电路原理1）CPU的引脚本系统控制电路所采用的单片机是STC89C52，它是40引脚，DIP封装的集成电路芯片。随着半导体工艺的成熟和生产的工业化，使它的价格越来越低，是经济型系统首选机型。STC89C52具有丰富的I/O接口，内置定时计数器和中断系统。CPU的引脚如图7各引脚分布和功能如下：A、主电源引脚单片机能够工作，需要电能，就少不了通过一个引脚给单片机提供电源。单片机使用的是+5V电源，在本系统中，有专门的辅助电源，产生+5V电压，从40脚VCC接入，一般要接+5V电源，加引脚是一个接地引脚。单片机是
29、一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。因为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在STC89C52的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。在原理图的18和19引脚，X2和Xl就分别是放大器的输入和输出端。在本系统中，我们选用单片机的振荡周期为6MHZ。所以，采用外接6MHZ晶体振荡器，同时外加22PF电容，构成时钟振荡。图7 CPU引脚单片机是一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。因
30、为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在STC89C52的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。在原理图的18和19引脚，X2和Xl就分别是放大器的输入和输出端。在本系统中，我们选用单片机的振荡周期为6MHZ。所以，采用外接6MHZ晶体振荡器，同时外加22PF电容，构成时钟振荡。B、I/O口STC89C52有强大的110接口分别是P0.0-0.7，Pl.0-1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7，一共有32个
31、引脚，这32个引脚都可以作为输入/输出用，这32个引脚，就构成了STC89C52的4个并行I/O接口，完成数据的传送和控制。C、控制信号引脚ALE：地址锁存允许输出信号。当单片机进行系统扩展后，如果外接了外部存储器，那么在访问外部存储器时，就需要输出16位的地址信号，用来选中某一个存储单元.单片机必须要用16根线来送出这16位地址。这就要用到P0、P2这两个口，P0输出地址的低8位，P2口输出地址的高8位，这是引脚的第二功能。单片机就根据这个16位地址来访问外部存储器，从这个单元读出的数据与将要写入这个单元的数据都要从P0口输入、输出。这样一来，P0口不仅要输出地址的低8位，还要输入输出要读写
32、的数据，是一个数据地址的复用口。那么P0口上的信号什么时候是地址，什么时候又是数据呢？这就需要用一个信号加以定义，这个信号就是ALE信号。规定ALE高电平期间，P0口上如果出现信息就作为地址信息；在低电平的时候，如果有信息就作为数据信息。但我们知道，要访问一个存储单元，比如将一个数据写入某个存储单元，地址信息和数据信息要同时有效。而P0口本身在输出、输入数据时肯定不能保存地址，所以要提供一个地址锁存器。利用在ALE引脚输出脉冲的下降沿，将P0口上地址信息锁存到地址锁存器中。而在ALE低电平期间的数据信息不需要锁存。这样就实现低位地址和数据的隔离。对于P2口，并不是数据、地址分时复用的，就不需要
33、这样的地址锁存信号了。ALE信号是以晶体振荡频率的六分之一的固定频度周其性出现的正脉冲信号。每出现一次，就意味着CPU要进行一次从程序存储器取指令字节的操作。即使不访问外部存储器，也会在ALE引脚上以同样的频率了同现正脉冲。因此可以将这个正脉冲作为外部时钟或外部定脉冲使用。RST：复位信号，用于单片机的初始化操作。：外部程序存储器读信号(存储器输出允许信号)。从片外程序存储器读取指令或常数时，用于命令程序存储器做输出动作。每个机器周期内信号激发两次，和ALE配合。但要注意的是，在访问片内程序存储器和访问数据存储器时，并不激发信号。比如用MOVC指令从外部程序存储器中读数据时，要产生信号。当使用
34、8031等没有内部程序存储器的单片机时，因为要从外接的程序存储器中读取指令并加以执行，因此，就算不执行MOVC指令时，也会激发信号。：内部和外部程序存储器的访问控制信号。当为高电平时，既可访问片内程序存储器，也可访问外部的程序存储器。这就取决于PC值的大小。若PC值在内部程序存储器的容量范围内，就访问内部的程序存储器。反之，若PC值超出内部程序存储器的容量范围，自动转去执行外部程序存储器的程序。所以当为高平时，如果地址小于4K(对于8051、8751、STC89C52来说，内部有4K的程序存储器)，访问内部程序存储器，地址大于K4时访问外部程序存储器。当为低电平时，只访问外部程序存储器，而不管
35、是否存在内部程序存储器。在本系统设计中，用STC89C52芯片，使用的是它内部的程序存储器，因此将引脚接高电平。所以，在31引脚，加+5V高平，使用内部程序存储器。如果使用原来的8031芯片，那么就必须接地，强制单片机机去访问外接的程序存储器。不这样的话，如果这个引脚出现高电平，并且当PC值大小4K时，单片机就会寻找内部程序存储器，但由于8031内部没有程序存储器，就势必导致程序运行出错。2)单片机引脚信号的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限的。MCS-51系列把芯片引脚数目定为40个，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过这个数。那么如何才能解决这个供需矛盾呢？正像
36、有的人为了增加收入，要做一些兼职工作。单片机也同样如此，当引脚数量有限时，“兼职”是唯一可行的办法，即给其中的一些信号引脚赋以双重功能。对于同一系列中各种型号的单片机，其此脚的基本功能是相同的，所不同的是引脚的第二功能。有的引脚的第二功能比它的第一功能还有用，有时可以不利用它的基本功能，但是不能没有它的第二功能。缺少了它的第二功能，单片机甚至还不能工作呢。A、I/O口的第二功能P0P3口的基本功能都是作为通用的双向I/O口，它们的第二功能分别如下：P0口：第二功能是在访问外部存储器时，用于分时使用的低8位地直输出和8位数据总线的输入/输出。Pl口：只有在52子系列中，P1.0和P1.1具有第二
37、功能。在51子系列中，Pl口就作为通用的阳口使用。P2：口:第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址。P3：在51单片机中，P3口的8引脚都具有特定的第二功能，而且都是很重要的功能。表1给出了P3口的第二功能。表1 P3口的第二功能引脚信号第二功能P3.0RXD串行接收时，串行数据的输入口P3.1TXD串行接收时，串行数据的输入口P3.2外部中断0的中断请求输入端P3.3外部中断1的中断请求输入端P3.4T0定时器0作为外部计数时，外部计数脉冲输入端P3.5T1定时器1作为外部计数时，外部计数脉冲输入端P3.6访问外部数据存储器写信号输入端P3.7访问外部数据存储器读信号输入端单片机各端口
38、的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如P3.6、P3.7分别是、信号，当单片机外接RAM或有外部如口时，它们被用作第二功能，它们就自动充当着传输“写”或“读”信号的作用，不能作为通用I/O口时，也就是说，只要CPU执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明。P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号.因此在实际使用时，都是按需要选用其第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份做数据的I/O使用。在本系统中，我们采用P3口，完成了一系列控制，比如，缺相指示信号，用从P3.0输出，缺相输入信号，从P3.2输入等。B、EPROM程序存储器固化所需要的信号
39、在使用内部有EPROM的单片机芯片时，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号是由第二功能的形式提供的。Vpp：它与引脚复用，EPROM型单片机进行EPROM编程时，光是+5V的电压肯定是不够的，应该提供电压更高的电源。此引脚可接收+25V的编程电源电压。：光有编程电压还不够，它只是能量来源，程序代码的数据肯定还需要一个“门”进入到单片机内部，这个“门”就是引脚，它与ALE引脚复用，在进行EPROM编程时，用于输入编程脉冲。在实际应用中，我们要把编好的程序，用编程器写到单片机内部的程序存储器中，编程器中就使用了这两个信号，只不过这两个信号在编程器中已经连接好，不用我们再去线。C、备用
40、电源输入Vpd：在计算机运行过程中，可能会遇到停电，这导致一些不良后果，如没有保存的数据丢失。为了防止这种情况，要用UPS电源系统，它是为了计算机在系统掉电期间提供的后备电源，用来完成一些如存盘等紧急操作.单片机也是这样，如果没有后备电源，单片机在掉电期间就会丢失一些重要的中间数据(当然程序代码不会丢失)。这个后备电源引脚就是Vpd，与RST引脚复用。在Vcc掉电期间，如果此引脚上接备用电源，一旦Vcc发生故障、电位突然下降到低于规定的电平，或者断电了，而Vpd又在规定的电压范围内，单片机就会自动通过Vpd向内部RAM供电，使RAM中的数据不丢失。D、复位引脚和复位电路压任何计算机在工作之前都
41、要有个复位的过程。对单片机来说，复位的时候，CPU也没有开始执行程序，只是在做准备工作。计算机的复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始进行工作。计算机无论是在刚开始通电时、断电后，还是系统出现故障都需要复位。a、单片机复位条件单片机的复位是靠外部电路实现的。在单片机引脚中有一个复位引脚RST，只要在单片机的RST引脚上持续出现2个机器周期以上的高电平就可以完成复位了。这个时间很短，很容易满足。为了确保复位，这个时间一般要延长，大约在10ms以上就可以了。b、常见的复位电路可以用很多种方法进行复位.比如PC机有两种启动方式:冷启动和热启动，实际上就对应了两
42、种不同的复位方式：一个是在计算机没有工作的前提下，通过给计算机加电实现复位；另一个是在计算机已经正常工作的情况下，通过复位键RESTE或重新启动计算机实现复位。同样单片机的复位按原理一般也可分成上电自动复位和按键手动复位两种。STC89C52的第9引脚是复位引脚，在晶振频率选用6MHz，C取22F，R1取8K左右。上电自动复位电路是利用电容充电来实现复位的。电容的性是隔直流、通交流。在单片机接通电源的瞬间，电源相当于一个交流电、电容两端相当短路，RESTE端的电位与Vcc相同，都是+5V。随着RC电路的充电，RESET的电位就会逐渐下降，只要保证RESTE为高电平的时间大于10ms就能正常复位
43、了。当单片机正常工作时，STC89C52的9脚，维持一个高电平(+5V)。E、本系统中P0P3口输入、输出信号检测信号和控制信号的功能和状态：系统的显示部分采用4片74L5164驱动LED，LED显示方式为静态显示方式。使用STC89C52的串行通讯口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定时的原始参数，这样当系统掉电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定参数，即可以运行于掉电前的状态。采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象，提高了系统抗干扰性能。复位电路每1s向STC89C52的RESTE端发出复
44、位信号。根据程序的需要，通过8951的P0.4可以随时控制复位电路的起动和停止，当P3.4=0时，NE555的2引脚为低电平，停止复位；当P0.4=0时，NE555的2引脚为高电平，起动复位。74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚，外接了RC电路，用于开机上电时清零74LS273的输出端，可以防止继电器的误动作，对变频器起到保护作用，同时在报警输入端与CPU之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。由于系统要求的响应速度并不快，因此，系统A/D输入采用8位串行ADC0831逐次逼近模数转换器，这样可以节省ST
45、C89C52的I/O口，并可降低成本。D/A输出采用了光耦隔离式D/A输出，在报警输入端与CPU之间也采用了光耦隔离，以消除外部干扰。这样现场模拟量信号经8951单片机运算后，向变频器发出控制信号，改变变频器的输出频率，从而改变水泵电机的速度。3)单片机变频恒压供水系统结构单片机变频恒压供水系统结构图如图8所示：图8 单片机变频恒压供水系统硬件结构图通过传感器采样的水压信号经数字滤波，经光电耦合送到10位A/D转换单元ADC0831，转换后的数据由STC89C52的P2口输入CPU，同输入的设定值比较，PID调整处理后，得到变频器的更新数据，运行结果由P3.3输出，输出给D/A转换单元，用线性
46、光电耦合放大转化为420mA的标准电流，送至变频器，从而控制电机的运行。键盘和报警输入由P0口输入。当水源缺水时，单片机控制电机停机；当电源电压、欠压、断相时，电流增大，引起电动机过热，会损坏电机，电源电压检测信号通过P0口输入，单片机控制电机停机。LED显示由P3口输出，LED可显示管网水压、变频器的出频率、工作水泵的数量、各水泵的累计工作时间及控制参数等。三、软件设计1、PID控制算法对变频器频率的调节采用PID调节方法，PID控制算法就是对偏差的比例、积分和微分。它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种算法。特别是在工业中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变化，人们
47、常采用PID控制算法。PID调节是较成熟的传统控制方法。数学表达式为： (5)离散化后可以用计算机很方便地实现，其位置式PID控制律的数学表达式可表示为： (6)其中：，和分别为比例系数，积分系数和微分系数；e(j)为第j次采样的误差值；T为采样周期。实际应用中，我们选择增量式PID控制律，其控制算法表达式为：y(n)=y(n-1)+ (7)其中即 公式(7)就是实际的计算机PID调节算法。为了获得良好的控制效果，上述三个系数应根据实际的供水系统的不同情况进行适当的调整。2、编程思路根据以上硬件系统要求，系统软件采用模块化设计，该系统应用程序由主程序、子程序模块和中断服务程序等组成。系统应用程序采用结构化模块设计，从功能上看，主要包括：主程序、键盘扫描程序、显示程序、报替程序、PID调节、水泵控制、故障检测等。主程序首先完成系统硬件的初始化任务，包括堆栈指针、特殊功能寄存器、扩展接口8155及数据区和标志位等的初始参数设置，然后调用数据处理子程序，将采样获得的现场数据或由键盘输入的数据进行数制变换及标度处理，最终环节调用显示子程序供用户观察。PID调节模块由1号定时器中断进入该模块，单片机将设定值与采样值进行比较，完成PID运算并将现行输出值送到输出寄存器，
