(完整版)基于单片机的恒压供水系统的设计与实现.doc

仅供个人参考目 录前言 11 绪论 1⑴恒压供水系统的提出 1⑵变频恒压供水系统主要特点 1⑶恒压供水技术实现 22 变频恒压调速供水系统的工作原理 2⑴系统工作过程 4⑵变频调速的基本调速原理 5⑶水泵变频调速节能分析 7⑷本章小结 83 变频恒压调速供水系统硬件设计 9⑴硬件总体说明 9⑵555定时器复位电路 9⑶LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈 113.3.1 LED数值显示模块 113.3.2 数据采集A/D转换电路 124 变频恒压调速供水系统软件设计 134.1 编程软件 134.1.1 C051编译器介绍 134.1.2 KEIL编译器 144.2 单片机资料 144.3 软件的程序设计图 165 结论 18附录 19参考文献 27不得用于商业用途基于单片机恒压供水系统设计前言 随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。

于是选择一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式，对我们供水系统设计带来了新的挑战恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水1 绪论For personal use only in study and research; not for commercial use1.1 恒压供水系统的提出水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义 For personal use only in study and research; not for commercial use1.2 变频恒压供水系统主要特点a. 节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电b. 占地面积小，投资少，效率高c. 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠d. 运行合理，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e. 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f. 通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力1.3 恒压供水技术实现通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

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”的问题变频调速技术在给水泵站上的应用，成功解决了能耗和污染两大难题[1]2 变频恒压调速供水系统的工作原理在变频调速供水系统中，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流量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，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图2-1 变频恒压供水系统组成框图图2-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2-2所示8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用[2]图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图2.1 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满足供水需要，因此可采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动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分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：a.1#电机变频启动；b.1#电机工频运行，2#电机变频运行；c.2#电机单独变频运行，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。

切换过程Ⅰ1#电机变频启动，频率达到50Hz，1#电机工频运行，2#电机变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Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端变频器对拖动1#泵的电动机采用软启动，1#电机启动，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，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵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（Pi＜P＜Pm）为止切换过程Ⅱ由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵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（2#电机，f=fmin，P＜Pk），在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机在工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。

切换过程Ⅲ由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态当早晨用水量再次增加时，2#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（2#电机f=fi，P≦Pi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，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1#电机开始软启动控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环图2.1-1 1#和2#机组工作过程流程图2.2 变频调速的基本调速原理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，达到节能效果如图2.2-1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[3]。

图2.2-1 节能分析曲线图★ 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，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费★ 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H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费★ 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/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/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式中s为电机的滑差（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。