第1章 前言
1.1 课题背景和意义
近年来,我国居民区不断扩建与改造,楼房层数也不断增加,居民用水难问题越来越明显,大部分地区存在着用水高峰期无法供水的问题,尤其是一些高层建筑居民,问题更加突出,给人们日常的生活带来了极大的不便,因此采用恒压供水系统,具有很大的经济与社会意义。
目前,单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用,单片机在高楼恒压供水系统中的应用也越来越重要,主要是通过将变频调速技术和单片机技术融合到一起,设计高楼恒压智能控制系统。但是,在国内外变频调速恒压供水系统中,中大容量恒压供水系统的水压闭环控制和变频电源与工频电源的无扰动平稳切换问题没有得到根本性的解决。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,并且降低中大容量系统的投资成本。
随着科技的飞速发展，无论是生产还是生活中,人们对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑,网络是神经,那么电动传动系统就是骨骼和肌肉。他们之间的完美结合才是现代产业发展的方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合,同时也为了提高交流调速系统的性能,必须使交流调速系统实现全数字化控制。
同时,单片机的应用正在不断地走向深入，目前对高楼供水恒压控制的研究向着设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的方向不断发展。1.2本设计的研究内容与主要工作
本设计以单片机为核心,通过将水流量转换成信号,经A\D转换后送入单片机,一方面通过LCD显示当前压力,另一方面与设定值进行比较判断,输出判断结果并送给L298和声光报警电路。设计需要4个部分完成:
(1) A\D转换设计
(2) LC显示设计
(3) L298与电机相连接
(4) 声光报警电路设计
综上,本设计通过利用电脑仿真,对设计电路进行模拟检测。
1.3国内外发展状况
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，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。
目前国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。
1.4 本课题的研究预期成果
设计出以单片机为基础的高楼恒压供水系统控制器,编写出程序,调试成功,并在PROTEUS上进行仿真达到预期目的,完成设计任务。
第2章 系统总体方案设计
进行总体设计时，根据该系统所要达到的功能，选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统，了解各器件的的原理和功能。恒压供水系统的设计，首先要有压力采集器件，根据相关参数范围选择了模拟压力传感器，采集到的数据为模拟量，模拟量不能直接进入单片机进行处理，把采集到的压力信号变成二进制数字量才能进入单片机，这就要通过A/D转换，A/D转换的器件根据相关参数范围选择了ADC0808，把模拟量转换成数字量送入单片机处理，通过LCD数码管把当前压力显示出来。要实现恒压稳定控制，就需要设定水压的标准量，是和当前的水的压力进行比较的，看当前的水的压力有没有大于或者小于设定的几个压力值，然后加以控制，控制机台电机的转动，从而达到恒压供水。
由此得出系统的总体硬件设计框图如图2-1所示：
图2-1系统结构图该系统由单片机、A\D0808转换器、LCD1602、电机等器件构成．该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(0～5)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和LCD1602，一方面经LCD1602显示当前压力,另一方面与给定参量进行比较，输出控制信号，以调节实际转动电机的数量，按实际用水量供水并使供水压力恒定。
第3章 系统硬件设计
3.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-1所示
