大学毕业设计变频调速恒压供水系统的设计(单片机).doc

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1、吉 林 农 业 大 学学 士 学 位 论 文 论文题目： 变频调速恒压供水系统的设计 学生姓名： 包旭东 专业年级： 自动化06级 指导教师： 胡俊海 职称 讲师 年 月 日目 录摘 要I1 前 言11.1 变频调速技术概况11.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义11.2.1 传统供水方式21.2.2 变频调速恒压供水节能分析21.2.3 研究意义51.3 变频调速恒压供水系统的发展51.4 本文主要研究内容62 单片机概述62.1 单片机简介62.2单片机的发展史72.3 单片机的发展趋势82.4 AT89C51单片机简介93 变频调速恒压供水系统的工作原理93.1 变频调速的基本

2、原理103.1.1 变频调速的基本控制方式103.2 系统工作过程113.3 系统的参数选取及调速范围134 变频调速恒压供水系统的硬件设计134.1 主控单片机引脚说明144.2反馈压力检测电路154.3 输出控制电路164.4 控制输入电路174.5 系统电压监控及Watchdog电路175 变频调速恒压供水系统的软件设计185.1 单片机接口地址分配和控制端口功能185.2 软件程序设计186 结论21参考文献21致 谢22附录23变频调速恒压供水系统学 生：包旭东专 业：自动化指导教师：胡俊海摘 要：随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，

3、对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源也是一项艰巨任务。因此，有利于节能节水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛的应用。本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析。描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。本文提出的系统设计方案是以ATMEL公司的AT89C51为基础，同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件控制系统和相应的软件控制系统。充分发挥了单片机成本低，易于使用的特点。关键词： 变频调速；恒压供水；AT89C51单片机1 前 言1.1 变频调速技术概况变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现电能频

4、率参量的控制与变换，以实现电力的某些使用目的，并提高其使用质量与效率的一种技术。变频技术在经历了早期电子管、晶闸管整流器（60年代）和集成电路技术（70年代）几个阶段后，从80年代至今一直沿用基于电力电子技术的功率集成电路技术，并随着技术的进步继续发展1。而变频调速技术就是在变频的基础上调整电机转速的技术，其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率实现转速的改变。变频调速技术已深入我们生活的每个角落，在国民经济和日常生活中占有重要地位:应用面广，是工业企

5、业和日常生活中普遍需要的新技术;是节约能源的高新技术;是国际上技术更新换代最快的领域;是高科技领域的综合性技术。交流变频调速技术，已成为国内外公认的最理想、最有发展前途的电机调速方式。经测算，电机采用变频调速技术运行后，一般可节电20%一40%，因此这项技术具有广阔的使用前景，可被广泛应用于改造锅炉、风机、水泵、制冷机等设备的运行方式，以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗2。我国现有的100万kw以上的大型电厂中，每套30万kw的发电机一般都配备30-35台辅机驱动用电动机。一个大型电厂，其辅机电动机多达250台左右。火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水泵、空压机和磨煤机

6、等，据初步调查，其中50%-60%的风机、水泵可以改为调速运行。如果这些设备都实现变频调速运行，按节电20%计算，年节电可达200亿kW.h，相当于装机400万kw容量的发电设备3。因此，应用电力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业，就可以获得很好的社会效益和经济效益。近几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。在这种环境下，电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技术进步的一种主要手段。1.2 变

7、频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。另外，随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定性提出了越来越高的要求4。供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和企业的生产效率。要安全、稳定、经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、先进的自动化供水控制系统。但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于受供水设备和供水方式的限制

8、。1.2.1 传统供水方式1.恒速泵直接供水方式这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2.水塔/水箱的供水方式这种方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用户供水。这种供水压力比较恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部5。即使如此，在大型建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长

9、的供水需求。同时，由于在建筑物顶部形成很大的负重，所以增加了结构面积，也妨碍了美观。另外这种供水方式的水质容易受到污染，系统的开、停，将完全由人操作，这将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3.气压供水方式模糊控制变频调速恒压供水系统的研究与设计这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水塔/水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔水箱要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性，灵活性大、建设快、不妨碍美观，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。但缺点是需要压力罐，其体积大

10、、投资大，又因其压力变化快、运行效率低，因此电能消耗大，运行费用高6。综上所述，传统的供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下，且可靠性低，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。它们还有一个共同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。1.2.2 变频调速恒压供水节能分析图1-1 供水系统的基本特性Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system变频调速恒压供水系统最突出的特点就是节能。在该系统中，最主要的是对水泵的控制，在日常生活及工农业生产中，由

11、离心泵组成的供水系统普遍存在，下面就以离心泵为例分析变频调速节能的原理。一、供水系统的特性和工作点1扬程特性 以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f(Q)，称为扬程特性曲线，如图1-1中的曲线所示。扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。2管阻特性 以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f(Q)，称为管阻特性曲线。如图1-1中的曲线所示，管阻特性是表明由管阻（阀门开度）来控制供水能力的特性曲线。3供水系统的工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图1-1中的N点在这一

12、点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。4供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（KW）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：PG=CPHTQ（1-1）式中CP比例常数。由图1-1中可以看出：供水系统的额定功率与面积0ANG成正比7。二、调节流量的方法与比较在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。1.阀门控制法 即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力

13、大小来强行改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。图1-2调节流量的方法与比较Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow如图1-2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%（即QX=60%QN），当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性仍为曲线，故供水系统的工作点移至E点，这时：流量减小为QE（=QX）；扬程增加为HE；由式（1-1）知，供水功率PG与面积0DEJ成正比。2.转速控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。转

14、速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。仍以用户所需流量等于60%QN为例，当通过降低转速使QX=60%QN时，扬程特性为曲线，管阻特性仍为为曲线，故工作点移至C点。这时，流量减小为QE（=QX），扬程减小为HC，供水功率PC与面积0DCK成正比8。3.两种方法的比较 比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量（QX100%QN）的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ（图中的阴影部

15、分）成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。4从水泵的工作效率看节能(1)工作效率的定义水泵的供水功率PG与轴功率PP（输入功率，即电动机的输出功率）之比，即为水泵的工作效率，符号是P：P=PG/PP （1-2）(2)水泵工作效率的近似计算据有关资料介绍，水泵工作效率相对值*的近似计算公式如下：P*=C1（Q*/n*）C2(Q*/n*)2 (1-3)式中，P*、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值；C1、C2常数，由制造厂家提供，C1与C2之间，通常遵循如下规律:C1C2=1(3)不同控制方式时的工作效率由式（1-3）可知，当通过关小阀门来减小流量时，由于转速不变，n*=1

16、，比值Q*/n*=Q*，可见，随着流量的减小，水泵工作的效率降低十分明显10。在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n*是成正比的，比值Q*/n*不变。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态9。所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。5从电动机的效率看节能 在设计供水系统时，由于：对用户的管路情况无法预测；管阻特性难以准确计算；必须对用户的需求留有足够的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大10。所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也常常处于轻载状态，

17、其效率和功率因数都较低。采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。综上所述，变频调速恒压供水系统的节能显而易见，所以要大力发展变频调速技术。1.2.3 研究意义变频调速技术的应用和推广，在工农业生产中无非是解决两大问题一是节能，二是改善生产过程。我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，目前我国电机的总装机容量己达4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低20%，70%的

18、电机只相当于国际20世纪50年代的技术水平电机驱动系统能效比国外低20%左右，电能浪费十分严重11。众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。饮水工程对于每个人来说都是非常重要的，供水系统也在现代工业中无处不在。然而，作为饮水工程中最重要的供水这一环目前却存在着很多问题，传统供水方式己经不能满足当前社会的发展和需求。要解决生产过程中能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性

19、日益得到了国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.3 变频调速恒压供水系统的发展变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看看交流变频调速技术的发展。交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子器件最初是普通晶闸管，它主要是电流控制型开关器件。以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能自关断。20世纪70年代电力电子器件开发的电力晶体管

20、(GTR)和门极关断(GTO)晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础12。20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，它是一种电压(场控)型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极(栅极、门极)信号控制导通或关断的功能，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来，出现了智能化功率集成电路(IGBT)模块和智能功率模块(IPM)，它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路

21、功能，为交流变频调速技术开辟了新的天地。电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中13。电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。这无疑将推动交流变频调速技术向新的方向发展。我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展，变频技术逐步应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们还要大力发展自己的电力电子技术。国外交流变频调速技术高速发展，随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的

22、经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高电压大电流的SCR、GTO、IGBT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。1.4 本文主要研究内容本文主要论述了变频调速的基本原理及单片机在变频调速恒压供水系统中的应用。为了表述如何利用单片机完成对电机的变频调速控制，实现变频调速恒压供水，本文提出了一个基于AT89C51单片机的变频调速恒压供水系统，并设计了该系统的硬件控制系统和软件控制系统。2 单片机概述2.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，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RA

23、M、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计算机系统。单片机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。事实上，单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工

24、业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作的单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们所说的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用

25、程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统因其体积小，成本低，功能强大等特点，正逐渐取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，其控制过程可以以软件控制来实现，并能够实现智能化。随着控制范畴的不断拓展，单片机的应用领域也将越来越广泛，它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命。2.2单片机的发展史1974 年,美国仙童(Firchild)公司研制出世界第一台单片微型机F8。该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此,单片机开始迅速发

26、展,应用领域也在不断扩大。现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程。第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段。在这个时期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形。典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段。这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成CPU,并行口,定时器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有Inrel公司的MCS-48系列机。第三代单片机(1979-1982):这是

27、八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路。在指令系统方面,普遍增设了惩处法和比较指令。这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列14。第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集

28、成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUS C和Forth语言等。代表产品有intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783系列和NS公司的HPC16040等。我国开始使用单片机是在1982年，从那时到现在20多年的时间里，单片机领域发生了翻天覆地的变化。国内的单片机发展在前几年以51及其兼容系列为主。直到现在51系列的芯片还在中国市场占有相当大的比重。中国单片机市场经过近三十年的发展，及在国家的支持下，也产生了一些非常优秀的单片机设计生产厂家。2.3 单片机的发展趋势计算机系统的发展已明显地朝三个

29、方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理为主的工作仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。目前，用户对单片机的需要越来越多，但要求也越来越高，在这个刺激下，单片机技术在很多方面都有了进步。首先，在内部结构方面，单片机已集成了越来越多的部件。这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行

30、通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。 有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。 其次，是功耗、封装及电源电压方面。现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。Philips

31、公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在3.35.5V的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在2.26V的条件下工作的单片机。这些单片机有Fujitsu公司的MB8919189195，MB89121125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.26V的工作电压条件。

32、而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的15。 最后是工艺方面。现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35m甚至是0.25m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。综上所述，单片机的发展趋势主要有以下几个特点1 低功耗 制作工艺全部CMOS化。这主要是出于对低功耗的要求，而且在单片机工作模式上，也有多种模式，如idel，sleep模式等。有的还使用双晶振设计，在空闲时候关闭高速晶振，使用片内或外部低速晶振。等机功耗非常低。2 资源丰富 尽管单片机内部已经由最初的微处

33、理器变为微控制器，实现在单片化，但是出于成本和稳定性的考虑，如A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等也集成到内部，出于开发和调试的方便，大多支持ISP下载、片上调试、定时器/计数器、上电复位电路、甚至集成有单运放电路。 有些高档单片机，如一些32位的单片机，出于一些特殊市场，还在内部集成有音频解码和合成，图片和视频解码电路，DMA通道，MMC等16。3 共性和个性共性，是指单片机的共同特性，8051为代表的单片机架构和指令对整个单片机领域产生了深远的影响，其他单片机或多或少都会受到其加构的影响。因此国内很多企业生产类似于51系列的增强型的

34、单片机，这些芯片，保留了8051单片机的功能特性的同时，增强了其功能，比如采用流水线，单周期执行周期等，使单片机运算速度提高十倍以上。个性是指一些面向特殊领域、特殊设计的单片机，如用于特殊控制的简单电路，有的单片机只有一个定时器，内部集成上电复位电路，ROM只有1K的SOP-8的单片机，价格在1元人民币以下。 总之，单片机的发展将进一步多元化，单片机产品将更加丰富，单片机的尽用场合将进一步细化。单片机将更易用、性能更加稳定、价格更低，而主流仍然是8位机。2.4 AT89C51单片机简介本文设计的系统主要采用AT89C51作为控制。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS

35、8位单片机。片内带有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器。该器件采用ATMEL公司的高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于芯片中组合有多功能8位CPU和闪烁存储器，ATMEL的AT89C51是一种功能强大、性价比高的微控制器，广泛应用于各种控制领域。AT89C51单片机的主要特性有：与MCS-51兼容，4KB可编程闪烁存储器，1000次的擦写循环周期，10年数据保留时间，0Hz-24MHz全静态工作，三级程序存储器锁定， 1288位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功

36、耗的闲置和掉电模式以及片内振荡器和时钟电路。3 变频调速恒压供水系统的工作原理在变频调速恒压供水系统中，是通过变频调速来改变水泵的转速从而改变水泵工作点来达到调节供水压力的目的。反应水泵运行工程的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化

37、，水泵的运行工况都会发生变化因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。3.1 变频调速的基本原理系统中的水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的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，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。由异步电动机的转速公式n=601(1-s)/np=n1(1s) (3-1)式中，n为电动机转速；1为电动机定子的供电频率；s为转差率；np为电动机定子绕组极对数；n1为旋转磁场的同步转速。由式(3-1)可知，当转差率变化不大时，基本上正比于1，所以改变供电电源频率1，即可调节异步电动机的转速。这种调速方法,可以获

38、得很大的调速范围，很好的调速平滑性和相对稳定性17。3.1.1 变频调速的基本控制方式在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量m为额定量不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩，影响电机的加减速时的快速性；如果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机三相异步电机定子每相电动势的有效值是Eg=4.441N1KN1m (3-2)式中，1定子频率；N1定子每相绕组串联匝数；KN1基波绕组系数；m每极气隙磁通量。图3-1 恒压频比控制特性 1-不带定子压降补偿2-带定子压降补偿Figure 3-1 Constant voltage

39、 and frequency ratio control characteristics1- The compensation for pressure drop with no stator2- The compensation for pressure drop with stator由式（3-2）可知，N1、KN1是常数，只要控制好Eg和1，便可达到控制磁通m的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1 基频以下调速由式（3-2）可知，要保持m不变，当频率1从额定值1n向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/1=常值 (3-3)即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，

40、绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1Eg，则得U1/1=常值 （3-4）这是恒压频比的控制方式。低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时，可以人为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降18。其控制特性如图3-1所示。 2 基频以上调速基频以上调速时，频率可以从1n向上增高，但电压U1却不能超过电机的额定电压U1n，最多只能保持U1=U1n。由式（3-2）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况19。 把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图3-2所

41、示的异步电动机变压变频调速控制特性。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许情况下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。在变频调速恒压供水系统中，由于系统的装机容量足够大，所以不会出现基频以上调速的情况，因此主要考虑基频以下调速。图3-2异步电动机变压变频调速控制特性Figure 3-2 The control characteristics of variable pressure and frequency control with asyn

42、chronous motor3.2 系统工作过程根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要，因此可以采用一大一小搭配进行设计，即把水泵1（220KW）和水泵2（160KW）为一组，变频调速控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行20。系统工作原理结构见图3-3。图3-3 供水控制系统原理结构图Figure 3-3 The structure diagram for the principle of Water Supply Control System分析

43、控制系统机组（水泵1、2机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：（1）水泵2变频启动；（2）水泵1变频运行，水泵2工频运行；（3）水泵1单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1.切换过程水泵2变频启动，频率达到50Hz，水泵1变频运行，水泵2工频运行。系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限P。按下相应的按钮，选择机组运行， KM2得电，水泵2先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端。变频器对拖动水泵2的电动机采用软启动，水泵2启动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增

44、至工频f0可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，水泵2自变频器输出端断开，KM1得电，水泵2切换至工频运行，水泵2自变频器输出端断开，KM1得电水泵2切换至工频运行。水泵2工频运行后，开启水泵2阀门，水泵2工作在工频状态。接着KM3得电，水泵1接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，水泵1开始软启动，运行一段时间后，开启水泵1阀门，水泵1电机工作在变频状态。从而实现水泵2由变频切换至工频电网运行，水泵1接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（PiPPm）为止。2.切换过程由水泵1变频运行，水泵2工频运行

45、转变为水泵1单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，水泵1电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Pk时（f=fmin，PPk），在系统控制下，水泵2电机在工频断开，2水泵1继续在变频器拖动下变频运行。3.切换过程由水泵1变频运行转变为水泵1变频停止，水泵2变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，水泵1电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fi（即50Hz），水管水压低于设定水压上限Pi时（水泵1电机f=fi，PPi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，K

46、M3断开，水泵1电机自变频器输出端断开；KM2得电，水泵1电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端，于此同时变频器BX端断开。水泵1电机开始软启动。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。3.3 系统的参数选取及调速范围合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水，这个目的的实现关键就在于恒压控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制。另一个就是泵出口压力恒压控制。变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯性的大小，在启动和停止电机时所需的时间就不同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流，在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变应变能力差，系统易处于短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常覆盖，但是变频器达不到最佳运行状态，所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间21。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