恒压供水毕业设计.docx
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恒压供水毕业设计
1前言.
系统概述
本课题主若是为了配合某一小区生活供水方案的技术改造而进行的。
该小区原方案是楼顶高水位水箱供水。
依照该小区改造要求,该小区要求投资少,节约能源,水质不遭二次污染,或遭二次污染少。
众所周知,随着城镇人口的不断增加,楼房愈来愈高,如何利用有效的水源保证高层建筑的正常供水已是迫在眉睫。
传统的方式是利用高层水塔或高位水箱,但高层水塔占地面积大,建筑费用高,塔内污物不易清理,故此刻发达国家早已淘汰。
高位水箱一样建于楼顶,它虽幸免了水塔占地面积大等问题,但又人为地增加了楼房的重量,使建筑设计及楼房造价提高,亦是不可多用的方案。
人们对水的利用要求也愈来愈高,不仅对水的质量有了必然的要求,而且对水的压力、流量也有了更高的要求。
但由于供水系统的宠大性、高程和距离产生的压差性、水阻变异性等诸多不确信因素,致使供水压力、流量等技术参数在用水顶峰和低峰转变较大,若是在供水系统中仍采纳过去的供水方式供水,就常可能显现顶峰期供水结尾压力不足、乃至高层用户无水,低峰期管网静水压力不足、低峰期管网静水压力过大而致使一些老化的管网崩裂漏水问题。
目前,工业和生活供水系统普遍采纳恒压供水方式。
这种供水方式克服了传统供水系统占地面积大、水质易污染、基建投资多的缺点,且技术先进、水压恒定、操作方便、运行靠得住。
随着微电子技术和电力电子技术的飞速进展,变频器的靠得住性不断提高,价钱又趋于低廉,许多泵类负载越多地由传统的固定转速拖动改成变频调速拖动。
多数供水系统是以知足用户所需流量为操纵目标的,最近几年来,愈来愈普遍地采纳了变频调速的恒压供水系统。
采纳变频调速操纵的优势:
1)压力、流量、水位等容易操纵;
2)可节约由阀门引发的管阻损失;
3)便于和上位微机联接;
4)容易实现反复多次的起动和停止。
变频恒压供水系统研究的意义
一样给水管网中的水压(自来水厂的一次供水压力)已很难知足用户的用水需求,除建筑低层可由市政管网直接供水外,其余高层用户或大型用水单位(如高校,企业)均须加压供水目前经常使用的加压方案,不管是水塔、高位水箱、仍是气压罐,都必需由水泵以高出用户实际所需水压的压力进行“提升”,从而造成能源的浪费。
采纳水塔或高位水箱式供水.用户管网水压较稳固,具有必然的蓄水能力。
但水塔(或水箱)的存在,增加了建筑物结构的繁重和建筑造价,同时造成了水质的二次污染,且高层最不利配水点水压不能知足用户需要。
气压式供水实际上是把高位水箱移到了地面。
它尽管可减少污染,并必然程度上排除“水锤”现象,但气压罐的有效容积有限,水泵电机启停十分频繁,管网压力波动较大;气压罐为钢制压力容器,还需利用胶囊隔膜或补气装置,运营费用高,潜在费用较高。
变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定参数,通过微机操纵变频器的输出频率从而自动调剂水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调剂(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值:
即用水量增加时,频率升高,水泵转速加速,供水量相应增大:
用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量亦相应减小,如此就保证了供水效率用户对水压和水量的要求,同时达到了提高供水品质和供水效率的目的,“用多少水,供多少水”;采纳该设备不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水设备。
新型的变频恒压供水与传统的水箱和气压供水方式相较,不论是设备的投资额,运行的经济性,仍是系统的稳固性,靠得住性,节能成效、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,这些优越性引发了几乎所有供水设备厂家的高度重视,争相研制、开发这一新技术产品,最近几年,随着交流变频调速技术的成熟和普及,变频恒压供水系统以其技术之先进,取得了飞速的进展。
目前该产品正向着高靠得住性、全数字化、多品种系列化的方向进展。
追求高度智能化、系列标准化是以后供水设备适应城镇建设成片开发、网络供水调试和整体计划要求的必然趋势。
因此,研究变频恒压供水系统的意义在于提供一种经济、节能、稳固且高品质的供水方案。
本课题的研究内容及研究目标
本课题研究的要紧内容:
研究变频恒压供水系统、自动进水系统和自动供水系统的软硬件设计和实现。
硬件方面要紧研究多种芯片和外设的接口,包括:
模数转换,数模转换,实不时钟,开关量输入,开关量输出。
本课题研究要求达到以下目标:
(1)实现24小时不中断变频恒压供水,供水压力可实时调整;
(2)实时测量水管压力;
(3)提供中文液晶显示。
本文提出的全自动变频供水装置是采纳了变频高速、微机闭环操纵系统。
该装置实现了直接向管网供水,适应供水管网水量转变自动无级调变电机和水泵的转速,以调速由于无附加压力损失,因此是理想的高效调剂方式。
它依照用水量的大小,自动实现单泵交替变频和多泵并联运行,保证各泵都在高效区工作。
系统的工作原理
其工作原理是:
操纵器通过检测实际水压值,比较设定水压值和实际水压值的不同,按PID操纵规律运算后,输出操纵信号至变频器,变频器那么依照操纵器的输入信号调剂水泵电机的供电电压和频率。
当用水量增加时,操纵器操纵变频器使电动机的电压和频率加大,水泵转速升高,出水量增加;当用水量减少时,操纵器操纵变频器使电动机的电压和频率降低,水泵转速下降,出水量减少。
通过这种操纵方式,就能够够使自来水管道压力维持在设定值上。
该系统具有结构简单,运行稳固,节约能源,同时也克服了传统操纵方式所具有的不足[1]。
2单片机操纵器设计
如图2-1是一个典型的由8051单片机操纵的闭环调速恒压供水系统。
系统由微机操纵器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成,操纵系统结构原理如图2-2所示。
8051单片机在那个地址要紧起压力搜集、PID调剂器计算、功能判定处置、消防处置、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。
图2-1供水系统组成原理
图2-2供水操纵系统结构原理
系统要紧单元设计
系统单元设计要紧包括CPU单元、拨码盘接口电路、压力显示电路、反馈压力检测电路和相应的开关电路等。
(1)CPU大体单元设计。
CPU大体单元要紧包括8051单片机、373锁存器、2732EPROM只读存储器、拨码盘接口(74LS240)、显示器接口(74LS273)和A/D、D/A转换器等,电路如图2-3所示。
依照图2-3所示的译码器接线可知:
存储器EPROM地址范围是0000H~0FFFH;8421拨码盘接口(74LS240)地址是1000H;D/A转换器(0832)接口地址是2000H;设定压力显示接口(74LS273)地址是3000H;反馈压力显示接口(74LS273)地址是400CJ;A/D转换器(0809)通道地址是5000H~5907H。
图2-3CPU大体单元连接电路
(2)拨码盘接口电路设计。
该系统采纳两位8421BCD码拨码盘作为数字压力设定,设定范围为~(相当于水泵的扬程是0~99m)。
电路接线如图2-4所示,系统工作时CPU能够通过接口电路74LS240将拨码盘的值读入内存。
读取程序如下:
MOVDPTR,#1000H;DPTR指向拨码盘接口地址
MOVXA,@DPTR;读取的BCD码值送A
MOV35,A;A内容送35H单元
在该图接线中,拨码盘输出为两位BCD码反码,经74LS240反相后,恰好是BCD码的原玛。
图2-4拨码盘接口电路
(3)压力显示电路。
系统压力显示包括设定压力显示和反馈压力显示两种,各自采纳两位共阳极数码管(LA5012)显示器显示。
系统工作时,CPU将待显示的压力BCD码通过输出接口(74LS273)送至BCD七段译码器74LS47后直接驱动LED,电路如图2-5所示。
图2-5压力显示电路
设定和反馈压力BCD码若是别离寄存在内存46H和47H中,那么显示程序如下:
MOVDPTR,#3000H;DPTR指向设定压力显示器接口地址
MOVA,46H;紧缩式设定压力BCD码送A
MOVX@DPTR,A;输出设定压力显示
MOVDPTR,#4000H;DPTR指向反馈压力显示器接口地址
MOVA,47H;紧缩式反馈压力BCD码送A
MOVX@DPTR,A;输出反馈压力显示
(4)反馈压力检测电路。
系统压力检测电路要紧由压力传感器(或压力变送器)、信号隔离器和0809A/D转换器等组成。
加线性隔离的目的是避免系统的共模干扰侵入运算机,提高系统的靠得住性。
压力检测电路如图2-6所示。
反馈压力搜集程序如下:
MOVDPTR,#5000H;DPTR指向0809通道0地址
MOVX@DPTR,A;启动该通道A/D转换
UP:
MOVA,P1;读转换状态EOC
JNB,UP;EOC≠1未转换完,等待
MOVXA,@DPTR;转换完,读回压力值
MOV48H,A;结果存入48H中
图2-6压力检测电路
(5)输出操纵电路。
系统在运行中按图2-2所示的结构将压力设定值和反馈值进行比较后再按PID算法进行计算,其计算结果u(k)经0832D/A转换后变成模拟操纵电压信号,再通过线形隔离作用于交流变频调速器。
交频调速器按其操纵信号u(t)的大小来调剂水泵的速度,以达到恒压的目的。
输出操纵电路如图2-7所示。
CPU访问0832D/A转换器的输出操纵程序如下:
MOVDPTR,#2000H;DPTR指向0832地址
MOVA,25H;取操纵信号u(k)送A
MOVX@DPTR,A;输出该操纵信号
图2-7输出操纵电路原理
(6)开关电路设计。
系统在自动方式下运行时,CPU将不断地通过和位查询缓冲水箱是不是有水。
当缓冲水箱无水时,为避免电机空转,需要自动停机,同时通过发出无水指示。
当缓冲水箱的水位达到上限水位时,变成高电平,系统会自行启动,恢复供水。
当=“0”时,处于生活供水方式,系统通过闭环调速维持恒压供水。
当检测到=“1”时,将自动进入消防状态,在消防期间CPU将使===“1”,三个固态继电器全数接通,接触器1C、2C和3C均吸合,大泵、小泵和消防泵全速工作。
当自来水管网压力大于设定压力时,u(k)为负值,现在系统会自动停机,处于节能状态,同时发出满压指示。
另外,本系统还具有效水顶峰时自动投入大泵,用水低峰时自动投入小泵的经济运行状态。
开关电路如图2-8所示。
图2-8系统开关电路
自动进水系统
自动进水系统实现的要紧功能是:
在保证自来水管网水压在设定范围(即不影响客户的用水)的前提下,自动调剂进水阀门的开度,尽可能增大进水量。
进水阀门要紧依据两个参数:
管网水压与设定水压之间的误差、水池的水位。
当水池水位抵达高水位时,进水门必需关闭:
当水池水位低于最高水位时,进水阀门的开度由管管网水压与设定水压之间的误差决定。
802电控调剂阀内部采纳三相电机驱动,通过实验,阀门从全关至全开只需要15秒。
而在实际的调整进程中,有时只需要调剂1%的开度,也确实是只需要阀门通电秒即可。
但由于阀门存在惯性,秒的通电时刻不足以使阀门有所动作。
而当通电时刻大于秒时,阀门能够动作,但每次的调剂量并非确信。
这也正是自动进水系统操纵的难点所在。
自动进水系统的操纵目标是保证管网水压在目标水压的士之间。
(1)系统第一检查水池的水位,当水池达到最高水位时,应停止进水,关闭阀门。
(2)当水池需要进水时,将当前水压与目标水压比较,若是水压太低,说明阀门开度过大,阀门关向调剂:
水压太高,说明阀门开度能够更大,阀门开向调剂:
水压正常,阀门维持原有开度。
阀门的调剂时刻选择秒。
(3)当阀门进行调剂后,由于进水量发生转变,管网压力会有较大波动,水压通常需耍20秒钟后才能从头趋于稳固。
因此,需要等特一段时刻,以躲开水压不稳固的情形。
从抗干扰的角度来看,软件操纵对象或测量对象可能显现大波动的情形时,不进行处置,也是抗干扰的一种有效途径。
系统提供了一个参数,调剂该参数能够调剂系统的等待时刻。
从而操纵自动进水系统调剂的灵敏度。
自动供水系统
自动供水系统实现的要紧任务是依照水管水压情形,自动起动或停止45KW水泵,开始或停止向用户供水。
水管水压情形由系统传感器任务更新。
当水管的水压低于给定水压时,系统通过操纵自耦减压起动箱的“起动”按钮起动45KW水泵,在45KW水泵内的水压成立起来后(约15秒)自动打开电动阀门,由进水管向水池供水。
当水管的水压高于用户需求水压时,系统第一关闭45KW水泵的电动阀门,当阀门关闭后(关闭时刻需要15秒)。
通过操纵自耦减压起动箱的“停止”按钮停止45KW水泵.
自动操纵系统的操纵状态调整
由于应用情形的复杂性,自动操纵系统本身需要十分灵活的操纵方式。
如,当水池水位太低时,为保证给居民的供水,需要强制进水,现在需要将关闭“自动进水系统”的操纵功能,利用手动调剂进水量。
又如,居民无需供水时,需要关闭“变频恒压供水系统”操纵功能.停止出水管道的供水。
表2-1为系统的操纵参数
子系统
参数
控制状态
意义
自动进水系统
阀控
控
自动进水系统处于控制状态
无
自动进水系统处于非控制状态
自动供水系统
位控
控
自动供水系统处于控制状态
无
自动供水系统处于非控制状态
变频恒压供水系统
频控
控
变频恒压供水系统处于控制状态
无
变频恒压供水系统处于非控制状态
电机选择
M45,M15
选择M45或M15电机供水,允许系统根据压力进行电机切换
M45*,M15*
固定M45或M15电机供水,不允许系统根据压力进行电机切换
PIDFIX
0
根据PID控制器,控制变频器频率
1-255
变频器输出频率固定=(PIDFIX*60/255)HZ
作为一个自动操纵系统,本系统的实现了对三种不同类型对象的自动操纵。
(1)恒压操纵。
本课题采纳PID操纵算法,实现了对出水压力的恒定操纵,同时完成了根据实际的输出频值和当前出水压力切换不同变频器的算法。
(2)进水量操纵。
电控调剂阀的操纵有其特殊性。
电控调剂阀的操纵既不精准,以不许诺调剂过量。
需要不断微调,慢慢抵达设定范围,也是操纵的一个难点。
(3)水位操纵。
依照水池的水位操纵进水阀门〔自动进水系统〕或操纵水泵。
3系统硬件设计
MCS—51系列单片机
MCS—51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。
它是该公司于1980年推出的高级8位单片机。
属于这一系列的单片机芯片有许多,如805一、803一、8751等,它们的大体组成、大体性能和指令系统都是相同的。
而8051是其系列单片机中的代表产品,因此,本设计选用8051。
8051的介绍
MCS—51系列单片机的最典型的产品有内部无ROM的803一、内部具有4KB字节掩膜ROM的8051及内部具有4KB字节EPROM的8751。
这三种型号的单片机除内部程序存贮器ROM不同外,其他内部资源均相同。
本设计中要紧采纳的是8051单片机。
8051的内部资源
8051的内部资源为:
1.8位CPU;
2.时钟电路,外接晶振和电容可产生—12MHz的时钟频率;
3.128字节内部RAM数据存贮器;
4.2个16位按时器/计数器;
5.5个中断源、两级中断优先级的中断操纵器;
6.一个全双工的异步串行I/O口;
7.4KB字节掩膜ROM程序存贮器。
8051单片机内部结构
8051单片机内部整体结构如图3-1所示。
按功能划分为8个组成部份:
微处置器(CPU)、数据存贮器(RAM)、特殊功能寄放器(SFR)、I/O口、串行口、按时器/计数器及中断系统是通过片内单一总线连接起来的。
各部份的功能简述如下:
8.中央处置单元(CPU)
CPU是单片机的核心,是运算机的操纵和指挥中心,由运算器和操纵器组成。
运算器包括一个可进行8位算数运算和逻辑思维运算的单元ALU,8位的暂存器1,暂存器2,8位的累计器ACC,寄放器B和程序状态寄放器PSW。
操纵器包括程序计数器PC、指令寄放器IR、指令译码器ID、振荡器和按时电路。
8031片内振荡电路,只需外接石英晶体和频率微调电容,其频率范围为~12MHz。
9.数据存储器(RAM)
8051/8751/8031片内数据存储器均为128B,地址为00H~7FH,用于寄存运算的中间结果、数据暂存和数据缓冲。
它可分为片内RAM和片外RAM。
8751片外RAM的空间为64KB,片内RAM的空间为256B。
图3-1MCS—51结构图
10.I/O接口
8051有四个8位并行接口,即P0~P3。
它们都是双向端口,每一个端口各有8条I/O线,都可输入/输出。
P0~P3口四个锁存器同RAM统一编址,能够把I/O口当一样特殊功能寄放器来寻址。
8051单片机引脚及其功能
8051单片机是高性能单片机,它采纳40条引脚的双列直插式封装(DIP),引脚排列如图3-2所示,40条引脚按功能可分为三部份。
各引脚功能说明如下:
11.电源引脚Vcc和Vss
Vcc(40脚):
接+5V电源
Vss(20脚):
接地端
12.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部晶体和微调电容的一端。
在片内,它是振荡电路反相放大器的输入端。
当采纳外接晶体振荡器时,此引脚应接地。
图3-2MCS—51引脚图
XTAL2(18脚):
接外部晶体和微调电容的另一端。
在片内,它是振荡电路反相放大器的输出端。
假设采纳外部振荡器时,该引脚接收振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
要检查8051的振荡电路是不是正常工作,可用示波器查看XTAL2端是不是有脉冲信号输出。
13.操纵信号引脚:
RST/VPD(9脚):
RST是复位信号输入端,高电平有效。
当振荡器运行时,在此引脚上加上两个机械周期的高电平将使单片机复位。
复位后,应使此引脚电平为≤的低电平,以保证单片机正常工作。
掉电期间,此引脚可接备用电源(VPD),以维持内部RAM中的数据不丢失。
当Vcc下降到低于规定值,而VPD在其规定的电压范围内(
)时,VPD就向内部RAM提供备用电源。
ALE(30脚):
地址锁存许诺信号端。
CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的操纵信号。
即便不访问外部存贮器,ALE端仍有周期性正脉冲输出,其频率为振荡器频率的1/6。
可是,每当访问外部数据存贮器时在两个机械周期中ALE只显现一次,即丢失一个ALE脉冲。
ALE端能够驱动8个TTL负载。
(29脚):
此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。
在从外部程序存贮器取指令(或常数)期间,每一个机械周期
两次有效。
但在此期间,每当访问外部数据存贮器时,这两次有效的
信号将不显现。
一样能够驱动8个TTL负载。
/
(31脚):
当
端维持高电平常,单片机访问的是内部程序存贮器,但当PC值超过某值时,将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。
当
端维持低电平常,那么不管是不是有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。
14.输入/输出引脚:
输入/输出(I/O)口引脚包括4个并口,即P0、P1、P2和P3口。
P0口(~):
为双向8位三态I/O口,看成为I/O口利历时,可直接连接外部I/O设备。
它是地址总线路低8位及数据总线路分时复用口,可驱动8个TTL负载。
一样作为扩展时地址/数据总线路口利用。
P1口(~):
是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P1口的每一名能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口利历时,应先向P1口锁存器写入全1,现在P1口引脚由内部上拉电阻成高电平。
P2口(~):
为8位准双向I/O口,看成为I/O口利历时,可直接连接外部I/O设备。
它是与地址总线路高8位复用,可驱动4个TTL负载,一样作为扩展时地址总线路的高8位利用[2]。
P3口(~):
为8位准双向I/O口,是双功能复用口,可驱动4个TTL负载。
8051单片机的时钟和时钟电路
时钟电路是运算机的心脏,它操纵着运算机的工作节拍。
8051片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚别离为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一路组成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件。
单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,本设计所选用单片机应用系统采纳内部时钟方式,即采纳外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
如图3-3所示:
图3-3内部时钟方式的时钟电路
本电路采纳6M晶振发生器。
8051芯片内部有一个高增益反相放大器,用于组成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,别离是8051的19脚和18脚。
在XTAL1和XTAL2两头跨接石英晶体及两个电容就能够够组成稳固的自激振荡器。
8051单片机许诺的振荡晶体可在~24MHz之间选择,一样取。
电容C1和C2通常取30PF,对振荡频率有微调作用。
8051单片机CPU时序
CPU的工作是不断取指令和执行指令,以完成数据的处置、传送和输入/输出操作。
CPU掏出一条指令至该指令执行完所需的时刻称为指令周期。
因不同的指令执行所需的时刻可能不同,故不同的指令可能有不同的指令周期。
指令周期是以机械周期为大体单位的,是机械周期的整数倍。
8051的一个机械周期由6个状态周期组成,每一个状态周期由两个时钟周期组成,因此一个机械周期包括12个时钟周期。
每一条指令的执行都能够包括取指和执行两个时期。
在取指时期,CPU从内部或外部ROM中掏出指令操作码及操作数,然后再执行这条指令的逻辑功能。
在8051指令系统中,依照各类操作的繁简程度,其指令可由单字节、双字节和三字节组成。
从机械执行指令的速度看,单字节和双字节指令都可能是单同期或双周期,而三字节指令都是双周期,只有乘、除指令占四个周期。
现在,执行一条指令的时刻别离为2μs、4μs、8μs。
CPU的内部状态和相位说明CPU取指令和执行指令的时序,这些内部时钟信号不能从外部观看到,因此用XTAL2的振荡器输出信号作参考。
引脚ALE输出信号为8051扩展系统的外部存贮器地址低8位的锁存信号,在访问外部程序存贮器的周期内,ALE两次有效;而在访问外部数据存贮器的机械周期内,ALE信号有效一次。
因此,ALE的频率是不恒定的。
8051单片机的复位和复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现的,8051单片机有一个复位引脚RST,高电平有效。
它是施密特触发输入,当振荡起振后,该引脚上显现两个机械周期以上的高是平,使器件复位,只要RST维持高电平,8051便维持复位状态。
现在ALE、、P0、P一、P二、P3口都输出高电平。
RST变成低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作。
复位操作不阻碍片内RAM的内容,复位以后,PC内容为0000H,使单片机从起始地址000H开始执行程序。
因此单片机犯错或进入死循环,能够按复位键从头启动。
本设计所选用复位操作有上电自动复位和按键手动复位两中方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的,其电路如图3-4所示。
如此只要电源Vcc的上升时刻不超过1ms,就能够够实现自动上电复位了,即接通电源就完成了系统的复位。
上电复位是最简单的复位电路,但在此电路中,干扰信号容易串入复位端,可能会引发内部某些寄放器错误复位,这时可在RST引脚上接一去偶电容。
C
通常因为系统运行等的需要,常常需要人工按钮复位,如图3-5所示,需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一按时刻就能够使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位。
图3-4上电复位电路图3-5上电复位兼手动复位电路
图3-6MCS-51CPU时序
在本设计系统中,除单片机本身需要复位之外,外部扩展的I/O接口电
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