99精品视频在线在线观看视频,国产精品欧美成人片,无码纯肉动漫在线观看

第一篇：基于單片機恒壓供水系統的設計(本科畢業論文)

中文摘要...............................................................................................................................1 中文摘要...............................................................................................................................2 1 緒論...................................................................................................................................3 1.1 課題研究的目的與意義..........................................................................................3 1.2 國內外發展的狀況..................................................................................................3 1.3 變頻供水系統應用范圍..........................................................................................5 1.4 恒壓供水的實現......................................................................................................5 2 變頻調速系統能耗分析...................................................................................................7 2.1 供水系統分析..........................................................................................................7 2.2 變頻調速恒壓供水工況與能耗機理分析..............................................................8 3 系統結構與設備選型.....................................................................................................11 3.1 系統總體設計........................................................................................................11 3.2 變頻調速................................................................................................................11 3.3 單片機....................................................................................................................16 3.4 控制算法................................................................................................................17 4 系統硬件設計.................................................................................................................20

4.1 系統工作過程說明................................................................................................20 4.2 變頻器部分硬件設計............................................................................................21 4.3 單片機部分硬件設計............................................................................................23 5 系統軟件設計.................................................................................................................29 5.1 主程序流程............................................................................................................29 5.2 繼電器動作控制流程............................................................................................30 5.3 PID控制流程..........................................................................................................31 結論.....................................................................................................................................33 致謝.....................................................................................................................................34 參考文獻.............................................................................................................................35 附錄1..................................................................................................................................36 附錄2..................................................................................................................................37 單片機恒壓供水系統的設計

摘要：建設節約型社會，合理開發、節約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據居民用水時間集中，用水量變化較大的特點，因此居民原供水系統存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網系統待完善的問題。提出利用壓力反饋，PID控制，配以變頻器、單片機、壓力傳感器等，根據管網的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，從而使管網中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。

另外水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省近四成。結合使用可編程控制器，可實現主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩定可靠，電機的使用壽命大大延長。

關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動控制

The Design base on MCU for pressure water

supply system Abstract：Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task.According to the users water used time and the water consumption changing characteristic, so the resident original water supply system has many problems.E.g.the existence cost to be high, the reliability is low, the water resources waste, and the pipe network system need consummation.Through the way of using pressure feedback, PID control, together with the converter, microcontroller, pressure sensors, etc, according to the network management pressure, control water pump rotational speed through the inverter.So that the pressure in the pipe network is always maintained at a appropriate scope.Through this way, we solve the problem that the high floor case inadequate pressure and energy consumption high when the flow is low.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, therefore the water pump velocity modulation gets an obvious energy conservation effect.The average power consumption saves 40% than usual water supply method.Combination of relays, it can achieve the main pump frequency adjust, the deputy pump soft start, with the function of short circuit protection and over current protection.It is stable and reliable further more greatly extend the life of the motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM, differential pressure water supply, automatic control 緒論

1.1 課題研究的目的與意義

隨著高層建筑層數的不斷加高，高層居民經常出現用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網水壓為設定參數，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節水泵電機的轉速，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使供水系統自動穩定于設定的壓力值。傳統的蓄水加壓辦法有：高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水的方式，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不利與維護和抗震。將增加房屋強度設計要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是將產生二次污染。1982年以后開始出現氣壓供水設備，雖比前者有所改進，但仍有很多不足之處，如占地面積大，水罐和泵房投資高，電機頻繁啟動，耗電量大且供水壓力不穩。[1]究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，而電機軸上消耗的功率與轉速的平方成正比。由此可見，采用交流變頻調速恒壓供水系統即可做到用水量和供水量的統一，又極大地降低了電耗。近幾年隨著交流變頻調速技術的發展和微型計算機的推廣應用，上述想法已成為現實。

1.2 國內外發展的狀況

變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生產變頻器后，隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現

和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調節器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。[2] 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2k-30w)，無需外接PLC和PID可完成。最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。

可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制的研究遷是不夠的。

采用變頻調速恒壓供水，利用反饋控制來進行恒壓供水設計時還存在的問題有：由于供水系統的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統的數學模型;且該系統具有非線性、高階次、大滯后、參數易變等特點。

變頻恒壓供水系統主要特點：

（1）節能，可以實現節電20%~40%，能實現綠色省電。（2）占地面積小，投資少，效率高。

（3）配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。

（4）運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。

（5）由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。

（6）通過通信控制，可以實現無人職守，節約了人力物力。[2] 1.3 變頻供水系統應用范圍

變頻恒壓供水系統在供水行業中的應用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統主要用于包括工廠、小區供水、高層建筑供水、鄉村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw以下，控制系統簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內研究和推廣最多的方式。

(2)國內中小型供水廠變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在135kw~320kw之間，電網電壓通常為220V或380V。受中小水廠規模和經濟條件限制，目前主要采用國產通用的變頻恒壓供水變頻器。

(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大、機組多、多數采用高壓變頻系統。這類系統一般變頻器和控制器要求較高，多數采用了國外進口變頻器和控制系統。如利德福華的一些高壓供水變頻器

1.4 恒壓供水的實現

系統結構的設計：系統為壓力反饋的單閉環控制。利用浩捷PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數字量。STC89C52單片機獲得測量值后通過算法計算出頻率值。作為變頻器（ABB ACS510）的給定，通過變頻器輸出調節泵的轉速，來調節水壓，從而達到恒壓控制的目的。

控制算法的設計：由于供水系統難于確定系統的數學模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數易變等特點。[3]而在本科所學的方法中都要求控制對象明確才能計算控制器參數。用湊試法確定PID參數不需要知道系統模型。因此擬用單片機來完成人工參數試湊的過程來整定參數。

目前交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。

長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題[4]。變頻調速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。變調速系統能耗分析

2.1 供水系統分析

水泵機組應用變頻調速技術。即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速可以相應的改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網壓力恒定，達到節能效果。

如圖2.1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0。當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

圖2.1 節能分析曲線圖

(1)水泵全速運轉，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。

(2)水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統降低水泵轉速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管

路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。

(3)水泵變速運轉，靠管網取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)*2

P1/P2=(n1/n2)*3 式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉速。即通過控制轉速可以減少軸功率。根據以上分析表明，選擇供水管網最不利點允許的最低壓力為控制參數，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環壓力自控調速系統，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調速技術和自控技術相結合，達到最佳節能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩定，無論管路特性等因素發生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠[5]。

采用變頻恒壓供水系統除可節能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統產生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統的安全可靠性。

目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速n為：

n=120(1-s)/p

（2.1）

式中s為電機的轉差率（s=0.02），p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無級調速的。

由流體力學知：管網壓力P、流量Q和功率N的關系為：N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。

2.2 變頻調速恒壓供水工況與能耗機理分析

管路水力損失分為揚程損失和局部損失兩種

hs=hy+hj

（2.2）

沿程損失

hy= LQ2

（2.3）

式中y-管路沿程摩擦損失系數；j-局部損失系數；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。

（2.4）

式中S被稱為管路阻力系數。當水泵管路系統去掉后，相應的y，j，L，A等參數都能去頂，S也就確定了。由式（2.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失

Hx=Hsj+Hs

（2.5）

由式（2.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線

圖2.2 水泵工作點的確定

水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規供水系統中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變為R2.運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉速，如果水泵轉速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2.3上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節能效果明顯[5]。

圖2.3 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖

求出運行在B點的泵的軸功率

運行在C點泵的軸功率

兩者之差：

也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。

相反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節能效果顯著。

考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體降低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內。在此范圍內，電動機的負載率在50%~100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區。系統結構與設備選型

3.1 系統總體設計

該系統以AT8052單片機為核心，由單片機、變頻器、測量與轉換、顯示及用戶設定等幾個主要部分組成。如圖3.1所示。

圖3.1 系統總體設計框圖

該系統采用壓力反饋的單閉環控制，通過對出水口壓力采樣反饋與壓力給定值做比較，計算出e（k）。通過控制算法輸出給定給變頻器來驅動泵來調節轉速，從而達到恒壓控制的目的。系統控制原理如圖3.2所示。

圖3.2 系統控制原理圖

3.2 變頻調速

3.2.1 變頻器簡介

直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅動裝置。但是，由于技術上的原因，在很長一段時

期內，占整個電力拖動系統80％左右的不變速拖動系統中采用的是交流電動機（包括異步電動機和同步電動機），而在需要進行調速控制的拖動系統中則基本上采用的是直流電動機。

但是，由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點：（1）需要定期更換電刷和換向器，維護保養困難，壽命較短；

（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；（3）結構復雜，難以制造大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優點：（1）結構堅固，工作可靠，易于維護保養；

（2）不存在換向火花，可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；（3）容易制造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機。

與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點。在許多情況下，使用變頻器的目的是節能，尤其是對于在工業中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進行調速控制可以代替利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的傳統控制，所以節能效果非常明顯。

對電動機的調速范圍和精度要求不高，通常采用在價格方面比較經濟的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個頻率可調的交流電源，對于現有的進行恒速運轉的異步電動機來說，只需在電網電源和現有的電動機之間接入變頻器和相應設備，就可以利用變頻器實現調速控制，而無需對電動機和系統本身進行大的設備改造。

在采用了變頻器的交流拖動系統中，異步電動機的調速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現的。因此，在進行調速控制時，可以通過控制頻器的輸出頻率使電動機工作在轉差較小的范圍，電動機的調速范圍較寬，并可以達到提高運行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調速范圍可以達到1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調速范圍可以達到1:1000。此外，當采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進行調速控制時，還可以直接控制電動機的輸出轉短。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。

3.2.2 電動機的機械特性

當定子電壓Us和電源角頻率?1恒定時，可以改寫成如下形式：

?Us?s?1Rr'Te?3np?????(sR?R')2?s2?2(L?L')2

sr1lslr?1?2當s很小時，忽略分母中含s各項，則

?UsTe?3np????1?s?1，轉矩近似與s成正比，??R'?s?r2機械特性Te?f(s)是一段直線，見圖3.1。當s接近于1時，可忽略分母中的Rr'，則?Us??1Rr'1?Te?3np?????s[R2??2(L?L')2]s，s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，?1?s1lslrTe?f(s)是對稱于原點的一段雙曲線。當s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直2線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖3.3所示。[6]

nsn00smTemaxTe10TemaxTe

圖3.3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性

3.2.3 變頻器的控制方式

目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為：V/f恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、智能控制等。前四種已獲得成功應用，并有商品化產品，本章只討論前2種控制方式。

1)V/f恒定控制簡介。V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓,使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率、功率因數不下降。因為是控制電壓（Voltage）與頻率(Frequency)的比，稱為V/f恒定控制。

此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調等家用電器也多采用此控制方式的變頻器。

控制原理如下：

異步電動機的同步轉速由電源頻率和電動機極數決定，在改變頻率時，電動機

的同步轉速隨著改變。當電動機帶負載運行時，電動機轉子轉速略低于電動機的同步轉速，即存在轉差。轉差的大小和電動機的負載大小有關。

保持V/f恒定控制是異步電動機變頻調速最基本的控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。

電動機定子的感應電動勢：

E1＝4.44Kw1Фm f 1 N(3-1)式中

Kwl——電動機繞組系數；

f1 ——電源頻率；

N1 ——電動機繞組匝數；

Фm——每極磁通。

電動機端電壓和感應電動勢的關系式為：

Ul＝E1+(r1+jx1)I1，(3-2)在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等。由式(2-1)可以看出，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現飽和或欠勵磁。例如當電動機的頻率降低時，若繼續保持電動機的端電壓不變，即繼續保持電動機感應電動勢E不變，那么，電動機的磁通Фm將增大。由于電動機設計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電動機出現飽和。磁通出現飽和后將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。[7]在變頻控制時，保持E / f恒定，可以維持磁通恒定。

2）矢量控制簡介。矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態數學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。

直流電動機具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差90°；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產生的電磁轉矩和電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。當進行閉

環控制時，可以很方便地構成速度、電流雙閉環控制，系統具有良好的靜、動態性能。

根據異步電動機的動態數學方程式，它具有和直流電動機的動態方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制[7]。

矢量控制技術經過20多年的發展，在異步電動機變頻調速中已經獲得廣泛應用。但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的課題。如果能對電動機參數(主要是轉子電阻R2)進行實時辨識，則可隨時修改系統參數。另外一種思路是設計新的控制方法，降低性能參數的敏感性。近年發展起來的直接轉矩控制采用滯環比較控制電壓矢量，使得磁通、轉矩跟蹤給定值，系統具有良好的靜、動態性能，在電氣機車、交流伺服系統中展現良好的應用前景[8]。

3.2.4 變頻器的選擇

通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現工藝要求，再盡可能節省資金。

根據控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩(TL∝n2)，低速下負載轉矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。[9] 大多數變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠籠異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態，且輥道傳動大多數是多電動機傳動。應保持在無故障狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。

變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為:

Pnv≥1.1Pn

(3-3)式中： Pnv—變頻器額定功率，kW；

Pn—電動機額定功率，kW 3.3 單片機

3.3.1 單片機簡介

單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機.它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區別[10]。

早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。

單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板，但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別。只因為單片機通過編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性。

3.3.2單片機的選擇

1.單片機的基本參數例如速度，程序存儲器容量，I/O引腳數量

2.單片機的增強功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

3.Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。

4.封裝IP（雙列直插），PLCC（PLCC有對應插座）還是貼片。DIP封裝在做實驗時可能方便一點。

5.工作溫度范圍，工業級還是商業機。如果設計戶外產品，必須選用工業級。6.功耗，比如設計并口加密狗，信號線取電只能提供幾個mA,。

7.工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節干電池供電，至少應該能在1.8-3.6V電壓范圍內工作。[10] 3.4 控制算法

該系統采用PID控制方法，將PID算法編入單片機自動運行。其算法程序流程如圖3.4所示：

圖3.4 PID算法流程

3.4.1 PID控制介紹

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量

手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。其控制規律為：

(3-4)1.比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。

2.積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

3.微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

3.4.2 數字PID控制算法實現 1.數字PID位置型控制算法：

把式(3-4)變換為差分方程，為此可作如下近似

式中：T為采樣周期，k為采樣序號。

可得數字PID位置型控制算式為：

(3-5)

式(3-5)的控制算法提供了執行機構的位置u（k），如閥的開度，所以被稱為數字PID位置型控制算式。[11] 2.數字PID增量型算法

由式(3-5)可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e（i），不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，對此可將式(3-5)進行如下改進：

其中

稱為比例增益；

稱為積分系數；

稱為微分系數。

(3-6)

為編程方便，可將式（3-6）改寫成如下形式

(3-7)

其中系統硬件設計

系統的硬件設計分為兩部分：

1）以單片機為核心的硬件部分設計。主要包括：A/D轉換采樣及PID控制，用戶按鍵輸入及顯示屏顯示，單片機與變頻器通信。

2）變頻器部分的硬件電路設計。主要包括：主電路和控制電路。系統硬件結構如圖4.1所示。

圖4.1 系統硬件結構示意圖

圖4.2 實際供水系統示意圖

實際供水系統如圖4.2電機M1工作工頻直接接入電網，M2作變頻調速電機。其中氣壓供水罐根據情況選配，不一定必須配置，其作用是增加系統阻尼。除了氣壓供水罐外，其它設備是必需的。

4.1 系統工作過程說明

1）兩個泵的供水方式

結合圖4.3，這個恒壓供水系統由兩個泵，其中一臺泵(M1)工作在工頻，在系統處于低用水量時，由它供水。這時變頻器不工作，電機M2不工作。當用水量上升，水壓下降超過設定，這時變頻器工作，動態的調節水壓。當用水量回到低用水量帶時，變頻器又停止工作，只由泵M1供水。在低用水量區水壓在容許范圍了波動，只有當水壓低于一定程度，變頻器才工作。依靠水壓在容許范圍，必要時配合氣壓罐來增大系統阻尼。這樣變頻器就不需要在低頻率下長期運行，同時本系統采用V/F控制不能在過低頻率下運行的問題也得到解決。

圖4.3 泵啟停與用水量關系圖

2）系統的啟動與運行

系統啟動將首先將電機M1投入運行。這時如圖4.4，繼電器KM1吸合，KM2與KM3斷開，直到電機M1啟動結束。電機M1的起動過程，變頻器相當于軟啟動器的作用。電機M1起動結束后，變頻器停止輸出同時KM1斷開，KM3吸合，再經過一個軟件延時后KM2吸合。這時電機M1直接接入電網，電機M2直接接到變頻器。當壓力偏差超過設定時變頻器工作輸出電機M2運行。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區，但用戶需要的用水量難以測量。故通過單片機對變頻器的頻率輸出（u(k)）與壓力偏差e(k)，來判斷用戶用水量。顯然在u(k), e(k)都小于設定值的

情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區，這時讓單片機控制變頻器停止工作。

4.2 變頻器部分硬件設計

4.2.1主電路

圖4.4 變頻器部分電路接線圖

如圖4.4。電機M1的作用是在供水系統用水量最小的情況時，維持管道水壓。在這種情況下M2可以停機休息。當負載增加，水壓減少到一值時再將M2投入運行。M2采用變頻器V/F恒壓頻比控制，根據負載動態的調整電機轉速。

4.2.2控制電路

圖4.5 控制電路梯形圖

如圖4.5，圖中A部分為當失控時，通過變頻器設置且斷開QF2、閉合QF3，QF4設置為手動控制。此時為一開環控制的方式。可以通過按鍵控制電機正反轉，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統水壓。

B部分為自動運行情況下的控制圖。其中KM11，KM22為單片機控制的接觸器的觸點。自動運行過程如下：首先單片機發出指令讓KM11閉合，這時KM1工作，電機M1與變頻器接通，變頻器起軟啟動器的作用。當時間繼電器延時到，M1啟動到工頻，M1與變頻器斷開直接接到電網運行。之后單片機根據需要控制KM22使之投入運行，根據負載的不同，通過V/F控制改變M2轉速。

4.3 單片機部分硬件設計

4.3.1 主要部分電路

圖4.6 單片機硬件結構圖

如圖4.6圖中包括了以單片機為核心的五個部分。其總體硬件圖見附錄1。1）系統供電電路

圖4.7 電源模塊

如圖4.7，系統供電將220V的市電轉換成5V直流電。系統首先通過變壓器將220V的交流電降壓為9V交流，再通過整流橋變為直流。電容C1、C2起濾波作用。LM7805為穩壓模塊。將電壓穩定在5V。

2）單片機的晶振電路

圖4.8 晶振電路

如圖4.8，該電路為單片機提供穩定的12MHz的外部時鐘頻率。其中以一塊12MHz的晶震為核心。

3）單片機繼電器電路

圖4.9 單片機控制的繼電器電路

系統有兩套這樣的繼電器電路與單片機相連，該繼電器的作用相當于輔助繼電器。通過它來控制圖4.5中的KM11和KM22的打開或吸合，進而控制主繼電器KM1和KM2來控制電機的接入或斷開。

4）單片機的外部通信電路

圖4.10 通信模塊

單片機與變頻器的通信，單片機通過MAX232芯片進行串行通信。在變頻器端，再通過一個RS232轉RS485的轉換卡，將信號轉換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。

5）A/D轉換采樣電路

圖4.11 A/D轉換模塊

A/D轉換電路以ADC0809為核心，將采集的壓力傳感器的信號（4~20mA信號），加以電阻網絡轉換成0~5V的電壓信號。通過ADC0809的模擬量輸入口（IN-0~IN-7）進行AD采樣。模擬信號通道地址A、B、C由74LS373（三態輸出鎖存器）的Q0、Q1、Q2提供。時鐘通過單片機ALE用74LS74（D觸發器）進行二分頻得到。當轉換結束后EOC為高電頻，作為中斷，單片機調用中斷程序，讀采樣數據。

4.3.2 其它部分電路 1）顯示電路

圖4.12 顯示模塊

顯示部分采用循環掃描的方式，P0口傳輸顯示的內容，P2.0至P2.3的作用是選擇對應的LED工作。

2）看門狗電路

圖4.13 看門狗電路

X25045芯片包含一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統的監控時間。時間到后由RESET輸出一個高電平信號。看門狗定時器的預置時間通過X25045的狀態寄存器相應的位來設定：

WD1=0，WD0=0，預置時間為1.4s WD1=0，WD0=1，預置時間為0.6s WD1=0，WD0=0，預置時間為0.2s WD1=0，WD0=0，禁止看門狗工作

看門狗的定時時間長短可由具體應用程序的循環周期決定，通常比系統正常工作時最大循環周期的時間略長。編程時在適當的位置加一條喂狗指令即可。當系統跑飛，用軟件陷阱等方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時到，迫使系統復位。系統軟件設計

5.1 主程序流程

開始系統初始化固定參數設置可變參數設置 N A/D壓力數據采集 Y 有參數修改？計算壓力偏差e（k）并顯示采樣植繼電器動作判斷及輸出延時PID控制控制信號輸出

圖5.1 主程序流程圖

單片機上電后首先執行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進入主循環；最后進入PID計算及各種控制信號的輸出部分。

5.2 繼電器動作控制流程

開始讀取標志位，判斷M1是否停止狀態？ N Y 從I/O口輸出控制信號，使繼電器KM11閉合 KM11標志位置位；并進行延時KM22_0標志位置零延時輸出e(k)與u（k）是否超過預設值其它情況 u(k)<設定e(k)<設定輸出控制信號使變頻器停止工作 KM22標志位是否置位 N Y 位 KM22_0標志位置從I/O口輸出控制信號，使繼電器KM22閉合 KM22標志位置位

圖5.2 繼電器控制程序流程圖

判斷M1是否啟動，M1未啟動則系統處于停機狀態。這時KM11閉合控制，變頻器起到軟啟動器的作用，帶動電機到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動將電機切換到電網。

經過延時之后通過e（k），判斷是否需要電機M2投入運行若需要就KM22繼電器輸出，同時標志位KM22_0置位，使M2電機接到變頻器。

5.3 PID控制流程

開始 KM22、KM220，判斷電機M2是從停止到運行？讀取標志位Y；KM22=1，KM220=0 N；KM22=1，KM220=1 u(k-1)=e(k-1)=e(k-2)=0 3.4節中式（3-7）PID增量算法計算△u(k)輸出u(k)=△u(k)+ u(k-1)e(k-1)；u(k)→u(k-1)存儲e(k-1)→e(k-2)；e(k)→采樣時刻到？ Y N

圖5.3 PID算法流程圖

該系統的調節采用PID控制算法。在工業中，由于對象的精確數學型難以確定，系統參數又經常發生變化，人們常常采用PID控制算法。這里采用的PID增量式算法。

這里讀取標志位KM22，KM220來判斷電機M2是否是從停機狀態到運行狀態，作用是保證控制的各種初狀態為0。因為前一狀態若為停止，則前一個輸出和e（k）都應為零，而單片機記錄的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停機前一個狀態的參數，應該要歸零處理。其具體程序參見附錄2。

結論

本文在分析和比較用于供水行業的控制系統的發展和現狀的基礎上，結合我國供水的現狀，設計了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺調速的控制系統。隨著高層建筑層數的不斷加高，高層居民經常出現用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網水壓為設定參數，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節水泵電機的轉速，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使供水系統自動穩定于設定的壓力值。

在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f，方案中采用Ｖ/Ｆ控制。來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的，分析水泵工況點激流調節和變速調節能耗比較土，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時。流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節流相比，在很大程度上減少能量損耗，能夠明顯節能。水泵轉速的工礦調節必須限制在一定范圍以內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。

致謝

畢業論文暫告收尾，這也意味著我在合肥工業大學的四年的學習生活既將結束。回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。

恒壓供水是變頻調速應用的比較成熟領域，老師的諄諄誘導、同學的出謀劃策及支持鼓勵，是我堅持完成論文的動力源泉。在此，我特別要感謝我的導師林勇老師。從論文的選題、文獻的采集、框架的設計、結構的布局到最終的論文定稿，從內容到格式，從標題到標點，他都費盡心血。沒有林勇老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成。

回顧這段時間的學習和生活，許多的老師和同學給予我各個方面的幫助和支持，讓我堅持到了最后，在此感謝所有幫助和支持我的人。

甘

恒

二○一○年六月十日

參考文獻

[1] 杜消府．小氣壓罐與變頻調速結合的節能供水系統[J ]，中國給水排水，2005年07期：77.[2] 韓安榮．通用變頻器及其應用[M] ．北京：機械工業出版社，2000.[3] 宋舒, 王秋才．高層建筑恒壓供水控制系統[J]，現代電子技術，1999年08期：23.[4] 孔全．建筑二次供水方式及優缺點探析[J]，科技資訊，2001年03期：76.[5] 李斌;羅富強;陳煒;．管網疊壓(無負壓)供水系統水泵能耗對比研究，給水排水, 2010年 03期：156 [6] 顧繩谷．電機及拖動基礎[M]，2007 [7] 陳伯時．電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業出版社[M]，2003 [8] 王再英，韓養社，高虎賢．樓宇自動化系統原理與應用[M]，北京：電子工業出版社，2008 [9] 李華.變頻調速應用手冊[M] ．北京：機械工業出版社，2000 [10] 何利民．單片機應用系統設計[M] ．北京：北京航空航天大學出版社，1990.[11] 于海生．微型計算機控制技術[M] ．北京：清華大學出版社，2002

附錄1 以單片機為主的主要硬件圖

附錄2 主要程序

1）A/D轉換程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE

START: CALL INIT_ADDR CALL INITTIME1 JMP $

intserve: CLI MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL STI RET INIT_ADDR: MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI

IRET INITTIME1: MOV AL,01110111B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL MOV DX,0F041H MOV AL,00H MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX DX,AL RET

2）PID控制程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H A0 EQU 4FH A1 EQU 61H A2 EQU 13H

data segment uk1 DW 0H ek2 DB 0H ek1 DB 0H ek DB 0H DATA ENDS STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE,DS:DATA

START: CALL INITTIME2 CALL INIT_ADDR JMP $ MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX SUB AL,80H MOV BX,OFFSET ek MOV [BX],AL MOV DL,A0 IMUL DL;A0*ek MOV DX,AX PUSH DX MOV BX,OFFSET ek1 MOV AL,[BX] MOV DL,A1 IMUL DL;A1*ek1 POP DX ADD AX,0H SUB DX,AX;-A1*ek1 JNO NOVER2 JS NG2 MOV DH,80H JMP NOVER2

NG2: MOV DH,7FH

intserve: CLI

NOVER2: NG3: MOV DH,7FH

NOVER3: MOV BX,OFFSET uk1

NG: MOV DH,7FH NOVER: PUSH DX MOV BX,OFFSET ek2 MOV AL,[BX] MOV DL,A2 IMUL DL;A2*ek2 POP DX ADD DX,AX;+A2*ek2 JNO NOVER3 JS NG3 MOV DH,80H JMP NOVER3 MOV AX,[BX] ADD DX,AX;uk1+A0*ek JNO NOVER JS NG MOV DH,80H JMP NOVER MOV AX,DX MOV AL,AH MOV BX,OFFSET uk1 MOV [BX],DX ADD AL,80H

MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV BX,OFFSET ek1 PUSH BX MOV DX,[BX] MOV BX,OFFSET ek2 MOV [BX],DX MOV BX,OFFSET ek MOV DX,[BX] POP BX MOV [BX],DX STI IRET MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI RET MOV AL,01110110B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL

INIT_ADDR: INITTIME2:

MOV DX,0F041H MOV AL,10H MOVX DX,AL MOV AL,0B7H MOVX DX,AL RET

第二篇：基于51單片機恒壓供水系統設計

基于51單片機恒壓供水系統設計

摘要

建設節約型社會，合理開發、節約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據高校用水時間集中，用水量變化較大的特點，分析了校園原供水系統存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網系統待完善的問題。提出利用自來水恒壓供水和水泵提水相結合的方式，并配以變頻器、軟啟動器、單片機、微泄露補償器、壓力傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器，根據管網的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，使管網中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。

另外水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省近四成。結合使用可編程控制器，可實現主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩定可靠，大大延長了電機的使用壽命。

關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動

引言

隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用，使供水設計得到了新的發展機遇，當前住宅建筑的規劃趨向于更具有人性化的多層次住宅組合，人們不再僅僅追去立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經濟的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規范、安全又經濟合理的供水方式，對我們供水系統設計帶來了新的挑戰。

恒壓供水是指在供水管網中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據用戶需求確定的，傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現，隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調節器、傳感器、PLC等器件的有機組合，構成控制系統，調節水泵的輸出流量，實現恒壓供水。變頻恒壓供水系統主要特點 1.節能，可以實現節電20%~40%，能實現綠色省電。

2.占地面積小，投資少，效率高。

3.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。

4.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。

5.由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。

6.通過通信控制，可以實現五人職守，節約了人力物力。1.2 傳統定壓方式的弊病

1.管理不便，因與大氣連通容易引起管道腐蝕。

2.由于水箱內微生物，藻類寄生，還可能對系統造成二次污染，所以定壓水箱都需要定期維護，并由衛生部門檢測。

3.定壓水箱需占用較大的空間，需要專門的地點來放置。

4.高位定壓水箱系統的控制靠投入泵的臺數來調節，但這種方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵長期在高效區工作，效率低下。

5.系統頻繁的啟停泵，造成水泵、電機及開關部件壽命縮短。

6.使用高位水箱供水，在系統流量較大時，管網壓力會有較大的變化，造成部分用戶壓力不夠，出現諸如流量不足、冷熱不均等情況。

7.在供水泵的選型上，設計人員為了提高系統安全系數，電機選型都較大；在用水負荷較小時要采用減壓閥、節流孔板等來調節水流量，這樣大量的能量消耗在閥上，造成了電能的浪費。

1.3恒壓供水設備的主要應用場合

1.高層建筑，城鄉居民小區，企事業等生活用水。

2.各類工業需要恒壓控制的用水場合，冷卻水循環，熱力網水循環，鍋爐補水等。

3.中央空調系統。4.自來水廠增壓系統。

5.農田灌溉，污水處理，人造噴泉。

6.各種流體恒壓控制系統。1.4恒壓供水技術實現

通過安裝在管網上的壓力傳感器，把水轉換成4~20mA的模擬信號，通過變頻器內置的PID控制器，來改變電動水泵轉速。當用戶用水量增大，管網壓力低于設定壓力時，變頻調速的輸出頻率將增大，水泵轉速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動機水泵的轉速不再變化，使管網壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。

長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。1.5變頻節能理論

1.5.1交流電機變頻調速原理

交流電機轉速特性：，其中n為電機轉速，f為交流電頻率，s為轉差率，p為極對數，電機選定之后s、p為定值。電機轉速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速，各類工業需要恒壓控制的用水，冷卻水循環，熱力網水循環，鍋爐補水等。流量與轉速成正比：Q∝N 轉矩與轉速的平方成正比：T∝ 功率與轉速的三次方成正比：T∝N

而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統中流量變化與功率的關系；

P變= NP額= QP額

其中，P為功率

N為轉速

Q為流量

例如設定當前流量為水泵額定流量60%，則采用變頻調速時P=QP=0.216P，而采用閥門控制時P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，節電=（P*P）/P*100=71.6% 由此可見從理論上計算結果可以看到技能效果非常顯著，而且在實際運行變頻恒壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恒壓、無污染等明顯優勢。而且新型的變頻恒壓供水系統能自動控制一臺或多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網用水量減少到單臺主泵流量約1/6~1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。1.6變頻恒壓供水系統及控制參數選擇 1.6.1變頻恒壓供水系統組成

變頻恒壓供水系統通常是由水池、離心泵、壓力傳感器、PID調節器、變頻器、管網組成。工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統內用水量的變化引起水壓變化，即使將信號反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或加減速，使得管網的水壓與控制壓力一致。1.6.2變頻恒壓供水系統的參數選取

（1）合理選取壓力控制參數，實現系統低能耗恒壓供水，這個目的的實現關鍵就在于恒壓控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網最不利點壓力恒壓控制。另一個就是泵出口壓力恒壓控制。

（2）變頻器在投入運行后的調試是保證系統達到最佳運行轉臺的必要手段。變頻器根據負載的轉動慣性的大小，在啟動和停止電機時所需的時間就不同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流，在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調速運行時使系統變得調節緩慢，反應遲滯，應變應變能力差，系統易處于短期不穩定狀態中。為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常覆蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態，所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2~20秒之間。1.7變頻恒壓供水系統的特點

本文研究的變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點:(1)供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應.(2)用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個線性系統。

{3)變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性，(4)在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時時變化的。

(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。(6)水泵的電氣控制柜，有遠程和就地控制的功能，數據通訊接口能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數據進行實時傳送，以便顯示和監控以及報表打印等功能。

(7)系統用變頻器進行調速，用調節泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

變頻恒壓調速供水系統的工作原理

在變頻調速供水系統中，是通過變頻調速來改變水泵的轉速從而改變水泵工作點來達到調節供水流量的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。在調節水泵轉速的過程中，水泵工況點的調節是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發生嚴重的氣穴現象，還可能導致管網壓力不穩定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發生變化，水泵的運行工況都會發生變化因此水泵工況點的確定和工況調節與這三者密切相關。

圖2-1 變頻恒壓供水系統組成框圖

圖3-1就是一個典型的由8051單片機控制的恒壓調速供水系統。系統由微機控制器、交流變頻調速器、水泵機組、供水管網和壓力傳感器等組成，控制系統結構原理如圖3.2所示。8051單片計算機在這里主要起壓力采集，PID調節器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用。

圖2-2 單片機的變頻恒壓調速系統原理框圖

2.1系統工作過程

根據現場生產的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，自動控制系統可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。

分析自動控制系統機組Ⅰ（1#、2#水泵機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態：（1）1#電機變頻啟動；（2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；（3）2#電機單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態中，當管網壓力突變時，三種工作狀態就要發生相應變換，因此這三種工作狀態對應著三個切換過程。切換過程Ⅰ

變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態。從而實現1#水泵由變頻切換至工頻電網運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統調節下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。切換過程Ⅱ

由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉變為2#電機單獨變頻運行狀態。當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機轉速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Pk時（2#電機，f=fmin，P＜Pk），在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機在工頻斷開，2#水泵繼續在變頻器拖動下變頻運行。3切換過程Ⅲ

由2#電機變頻運行轉變為2#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調速運行狀態，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設定水壓上限Pi時（2#電機f=fi，P≦Pi），接通變頻器BX端，變頻器FWD斷開，KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開；KM2得電，1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時變頻器BX端斷開。1#電機開始軟啟動。控制系統又回到初始工作狀態Ⅰ，開始新一輪循環。

圖2-3 1#和2#機組工作過程流程圖 2.2變頻調速的基本調速調速原理

水泵機組應用變頻調速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉速可以相應的改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網最不利點壓力恒定，達到節能效果。

如圖2.4所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0.當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

圖2-4節能分析曲線圖

(2)水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統降低水泵轉速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。

H1/H2=(n1/n2)*2

目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速n為：

n=120(1-s)/p

（2.3.1）

式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無級調速的。由流體力學知：管網壓力P、流量Q和功率N的關系為 N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。

2.3變頻調速恒壓供水工況分析與能耗機理分析 2.3.1管路水力損失及性能曲線

管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種

（2.3.2）沿程損失

（2.3.3）

式中y-管路沿程摩擦損失系數；j-局部損失系數；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。

將式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

式中S被稱為管路阻力系數。當水泵管路系統去掉后，相應的y，j，L，A等參數都能去頂，S也就確定了。由式（2.3.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失

Hx=Hsj+Hs

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線

圖2-5本泵工作點的確定

2.3.2水泵變頻調速節能分析

比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節能效果明顯。

圖2-6變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖

求出運行在B點的泵的軸功率

運行在C點泵的軸功率

兩者之差：

也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。

2.3.3調速范圍的確定

本章從水泵理論和管網特性曲線分析入手討論水泵工作點的確定方法。接著介紹了水泵工況調節的幾種常用方法。在變頻調速恒壓供水系統中，水泵工況的調節是通過改變水泵性能曲線得以實現的。本章重點對變頻調速恒壓供水系統中水泵能耗機理進行深入研究，得到以下幾個結論：

1.水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點。水泵工作點是水泵運行的理想工作點。實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。

2.水泵工況的調節就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。

變頻恒壓調速供水系統硬件設計

系統單元設計主要包括CPU基本控制單元、電路定時復位電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、顯示電路和相應的開關電路。

圖3-1 系統硬件結構框圖

3.1硬件總體說明

單片機系統的硬件結構框架圖如圖3-1所示。

本系統以8951單片機為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結構。系統的顯示采用4片74LS164驅動LED，使用8951的串行通訊口TXD,DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數。采用NE555組成硬件定時復位電路，可以有效防止程序死機現象。74LS273用于對繼電器輸出狀態硬件鎖存，以防止輸出狀態被干擾。ULN2003為反向驅動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳外接RC電路，用于開機時使74S273的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動作，對變頻器起到了保護作用。在報警輸入端與CPU 之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。系統A/D輸入采用8位TLC0831逐次逼近模數轉換器，D/A輸出采用了光耦離式D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅動電路。P3.3定時輸出占空比與頻率相對應的PWM調制信號，通過二極運算放大電路后，在LM358的第7引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調節電位器可以調節輸出電壓的大小，兩放大器之間的RC電路起到了濾波的作用。3.2 555定時器復位電路

用NE555組成的硬件定時復位系統，可以有效地防止程序死機現象。NE555封裝和內部結構圖

圖3-2 NE555封裝圖

如圖3-3和圖3-4上可知，NE555定時電路V0口輸出連續的脈沖信號至RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產生RC定時電路，用于設定脈沖的周期和脈沖的寬度。調節RW或者電容C，可以得到不同的時間常數。

脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。

圖3-3 NE555內部結構

圖 3-4 NE555定時電路及工作波形 3.3 5V單片機供電電源電路

如圖3-5所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發生變化)。此直流電壓經過LM7805的穩壓和C3的濾波便在穩壓電源的輸出端產生了精度高、穩定度好的直流輸出電壓。本穩壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。三端穩壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩壓器件。

圖3-5 LM7805穩壓電源

3.4 LED數值顯示 D/A數值采集 D/A數值反饋 3.4.1 LED數值顯示模塊

數碼管由7 個發光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極.通過解碼電路得到的數碼接通相應的發光二極而形成相應的字,這就是它的工作原理.基本的半導體數碼管是由7 個條狀的發光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現數字“0～9”及少量字符的顯示。另外為了顯示小數點，增加了1 個點狀的發光二極管，因此數碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發光二極管命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順序如下圖3-6。

圖3-6 共陰數碼管引腳圖

圖3-7 數碼管封裝

數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類

① 動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8 個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

② 靜態顯示驅動：靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O 端口進行驅動，或者使用如BCD 碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。

圖3-8 共陰極4位8段數碼顯示 3.4.2 數據采集A/D轉換電路 1.AD0809的邏輯結構

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。

圖3-9 AD0809內部結構 2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道

ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。

地址輸入和控制線：4條。

ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0－IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如圖表3-10所示。

圖3-10 AD0809通道選擇表

數字量輸出及控制線：11 條

3.ADC0809應用說明

（1）． ADC0809 內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機直接相連。（2）．初始化時，使ST 和OE信號全為低電平。（3）．送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）．在ST 端給出一個至少有100ns 寬的正脈沖信號。（5）．是否轉換完畢，我們根據EOC 信號來判斷。

（6）．當EOC變為高電平時，這時給OE 為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。4.AD0809轉換電路

電路見圖3.4.2.4，主要由AD 轉換器AD0809，頻率發生器SUN7474，單片機AT89S51 及顯示用數碼管組成。AD0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉換，EOC 信號在START 的下降沿10us后才變為無效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變為高電平來輸出轉換數據。我們在設計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉換的數據，也可以在啟動AD0809 后經適當的延時再讀入已轉換的數據。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當頻率范圍為500KHZ 時，其轉換速度為128us。

AD0809 的數據輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數據。

圖3-11 A/D轉換電路 5． D/A轉換模塊

本系統采用的一個光耦隔離式串行D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅動電路，電路圖如圖3-12。

圖3-12 光耦隔離式D/A 這里運用到了脈寬調制(PWM)的方法來控制電壓模擬量，脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。6.PWM控制原理

PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

圖3-13 PWM占空比

圖3-13顯示了三種不同的PWM信號。（a）是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時間通，其余90％的時間斷。（b）和（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個幅度為0.9V的模擬信號。

變頻恒壓調速供水系統軟件設計

4.1 變頻恒壓調速供水系統軟件設計總體說明

系統軟件程序由主程序，定時中斷顯示和頻率輸出子程序組成。采用軟件模塊化設計，引入了先進的模糊邏輯控制技術，并增加了容錯技術和抗干擾算法。系統采用了定時復位軟件設計方案（1秒鐘復位一次），以消除程序運行時的死機現象。數字濾波采用平均值濾波方法，以消除干擾對輸入信號的影響。4.2 8051系列單片的編程語言

51單片機在有四種語言支持，即匯編、PL/MC、C和BASIC。

C語言是一種源于編寫UNIX操作系統的語言，是一種結構化語言，可產生緊湊代碼。C語言結構是以括號{}而不是以字和特殊符號表示的語言。C語言可以進行許多機器級函數控制而不用匯編語言。與匯編語言相比，C語言有很多優點。

（1）對單片機指令系統不要求了解，僅要求了解對8051的存儲器結構有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數據類型等細節可有編譯器管理；程序規范的結構，可分為不同的函數，這種方式可使程序結構化

（3）具有將可變選擇和特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；關鍵字及運算函數可用于近似人的思維過程方式使用；

（4）編程和程序調試時間顯著縮短，從而提高效率；

（5）提供的庫包括許多標準子程序，具有較強的數據處理能力；

（6）已編好的程序可以很容易地移植入新程序，因為C語言具有方便的模塊化編程技術；

雖然C語言有諸多優點，但是并不是說匯編語言就要被拋棄，懂得匯編語言指令就可使用在片RAM作為變量的優勢，因為片外變量需要幾條幾條指令才能設置累加器和數據指針進行存取。要求使用浮點和啟用函數時，只有具備匯編編程經驗，才能避免生成龐大的、效率低的程序，所有現在所有的對速度要求高的內核程序都是用匯編編寫完成的。4.3 編程軟件

4.3.1 C051編譯器介紹

現在比較流行的51系列編程軟件

（1）American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統的配套軟件工具

（4）Dunfield Shareware：非專業的軟件包，不支持floats，longs或結構等

（5）KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產生最少的代碼。它支持浮點或長整數、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇

（6）Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。

編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優點，所以本系統采用KEIL編譯器。4.3.2 KEIL編譯器 KEIL開發工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創建HEX文件以及調試目標程序。

（1）uVision2 for Windows:是一個集成開發環境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調試等組合在一個強大功能的環境中。

（2）CX51國際標準優化C交叉編譯器：從C源代碼產生可重定位的目標模塊。

（3）AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產生可重定位的目標模塊。

（4）BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。

（5）LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。

（6）OH51目標文件至HEX格式的轉換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51實時操作系統：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計。4.4 單片機資料

單片微型計算機簡稱為單片機，有稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發展起來的一種大規模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發展迅速，各類新產品不斷涌現，出現了許多高性能新型機種，現已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產業之一。引腳功能：

MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照----單片機引腳圖：

l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號端子）。

P0口有三個功能：

1、外部擴展存儲器時，當做數據總線（如圖1中的D0~D7為數據總線接口）

2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口）

3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。

P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。

P2口有兩個功能：

1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用；

2、做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻。

P3口有兩個功能：

除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。

有內部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）

編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp）

接觸過工業設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護內部RAM中的信息不會丟失。

在介紹這四個I/O口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么呢？他起什么作用呢？當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態，只有外接一個上拉電阻才能有效。ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。（在后面關于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當系統沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。

PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機內部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執行的程序的，那么我們是怎樣把編寫好的程序存入進這個ROM中的呢？實際上是通過編程脈沖輸入才能寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。

PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。

1、內部ROM讀取時，PSEN不動作；

2、外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；

3、外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；

4、外接ROM時，與ROM的OE腳相接。

（8051擴展2KB EEPROM電路，PSEN與擴展ROM的OE腳相接）

EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號

1、接高電平時：

CPU讀取內部程序存儲器（ROM）

擴展外部ROM：當讀取內部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。

2、接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我們已知道，8031單片機內部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。

3、8051寫內部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。

RST 復位信號：當輸入的信號連續2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

VCC：電源+5V輸入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區別于使用CISC指令集的8051,他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。另PIC的8位單片機前幾年是世界上出貨量最大的單片機，飛思卡爾的單片機緊隨其后。

ARM實際上就是32位的單片機，它的內部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。

DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數字信號的。在某些公式運算上，它比現行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內運算完一個32位數乘32位數積再加一個32位數。應用于某些對實時處理要求較高的場合。

4.5 軟件的設計 4.5.1 程序設計圖（1）主程序框圖

圖 4-1 主程序流程圖

（2）繼電器控制子程序

圖4-2 繼電器控制流程圖

（3）A/D子程序

圖4-3 A/D子程序流程圖

（4）PID控制子程序

圖4-4 PID計算子程序流程圖結論

本文在分析和比較用于供水行業的控制系統的發展和現狀的基礎上，結合我國供水的現狀，設計了一套一拖多的控制系統，在這個畢業設計中有如下認識；

1.在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的，分析水泵工況點激流調節和變速調節能耗比較土，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時。流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節能。水泵轉速的工礦調節必須限制在一定范圍以內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。

2.通過對供水控制模式進行分析，發現傳統的生產控制模式是一種被動的控制方式，沒有對供水管網的水量平衡進行綜合考慮。針對傳統控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應平衡調節方法，為該供水控制系統的設計提供了依據。

參考文獻

[1] 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計，北京航空航天大學出版社，1990.[2] 李華.MCS-51系列單片機使用接口技術，北京航空航天大學出版社，1992.[3] 解宏基，任光.一種多功能變頻恒壓供水單片機供水控制系統，大連海事大學輪機工程研究所，116024.[4] 周黎輝，馮正進.變頻器在多泵并聯調速系統中的應用，機電一體化，1999年第4期.[5] 秦進平，官英雙.基于單片機的恒壓供水系統，黑龍江工程學院學報（自然科學版），Vol.19，No.1MAR,2005 [6] 馬忠梅，籍順心，張凱.單片機的C語言應用程序設計（第3版權），北京航空航天大學出版社，2003 [7] 蘇夯.控制恒壓供水系統的設計，大連交通大學，2009-12-18.[8] 童占.新概念51單片機C語言教程，電子工業出版社，2003.[9] 王幸之，鐘愛琴.AT89系列單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004：489-504.[10] 南建輝、熊鳴、王軍茹.MCS-51單片機原理及應用實例,北京:清華大學出版社,2003.[11] 方彥軍,孫健.智能儀器技術及其應用[M],西安:化學工業出版社,2006:98-105.

第三篇：基于單片機的恒壓供水系統設計

摘要

關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動

ABSTRACT

ABSTRACT Buiding the conservation-oriented society,the reasonable development,saves and the effective protecting water resources is an arduous task,according to the university water used time,the water consumption change major characteristic,analyzed the campsus original water supply system existence cost to be high,the reliability was low,the water resources waste,the pipe network system treated the consummation the question.Proposed that draws water the way which using the runing water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies,and matches by the inverter,the soft starter,SCM ,Micro reveals the compensator,the pressure transmitter,the fluid position sensor and so on.According to the network management pressure,controls water pump’s rotational speed through the inverter,causes in water pipe’spressure maintains at throughout the appropriate scope,thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery ratational speed is proportional three cubed the relations,therefore the water pump velocity madulation movement’s energy conservation effect is obvious,the sverage power consumption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller,mayrealize the main pump frequency conversion,the auxiliary pump soft start,has the short circuit protection,the overflow protection,function stably,the work reliable,lengthened electrical machinery greatly.Key words:Constant pressure frequency conversion watersupply, SCM, differential pressure water supply,automatic control

第一章引言..............................................................................................................1 1.1 變頻恒壓供水系統主要特點.............................................................................1 1.2 傳統定壓方式的弊病.............................................................................................1 1.3恒壓供水設備的主要應用場合..............................................................................2 1.4恒壓供水技術實現..................................................................................................2 1.5變頻節能理論..........................................................................................................3

1.5.1交流電機變頻調速原理...............................................................................3 1.6變頻恒壓供水系統及控制參數選擇......................................................................3

1.6.1變頻恒壓供水系統組成...............................................................................3 1.6.2變頻恒壓供水系統的參數選取...................................................................4 1.7變頻恒壓供水系統的特點......................................................................................4 第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理..........................................................6

2.1系統工作過程..........................................................................................................7 2.2變頻調速的基本調速調速原理..............................................................................9 2.3變頻調速恒壓供水工況分析與能耗機理分析....................................................10

2.3.1管路水力損失及性能曲線.........................................................................10 2.3.2水泵變頻調速節能分析.............................................................................11 2.3.3調速范圍的確定.........................................................................................12 2.4本章小結................................................................................................................13 第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計............................................................14

3.1硬件總體說明........................................................................................................14 3.2 555定時器復位電路.............................................................................................15 3.3 5V單片機供電電源電路......................................................................................17 3.4 LED數值顯示 D/A數值采集 D/A數值反饋...................................................17

3.4.1 LED數值顯示模塊....................................................................................17 3.4.2 數據采集A/D轉換電路...........................................................................19 第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計............................................................25

4.1 變頻恒壓調速供水系統軟件設計總體說明.......................................................25 4.2 8051系列單片的編程語言...................................................................................25 4.3 編程軟件...............................................................................................................26

4.3.1 C051編譯器介紹.......................................................................................26 4.3.2 KEIL編譯器..............................................................................................26

III

4.4 單片機資料...........................................................................................................27 4.5 軟件的設計...........................................................................................................30

4.5.1 程序設計圖................................................................................................30 結論..............................................................................................................................33 致謝..............................................................................................................................34 參考文獻......................................................................................................................35 附錄..............................................................................................................................36 附錄一：A/D數據采集轉化及顯示子程序..............................................................36 附錄二：PID控制子程序..........................................................................................39 外文資料原文.............................................................................................................44 Input/Output Accessing................................................................................................44 翻譯文稿......................................................................................................................49 輸入/輸出訪問............................................................................................................49

第一章引言

1.1 變頻恒壓供水系統主要特點

1.節能，可以實現節電20%~40%，能實現綠色省電。2.占地面積小，投資少，效率高。

3.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。

4.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。

5.由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。

6.通過通信控制，可以實現五人職守，節約了人力物力。

1.2 傳統定壓方式的弊病

1.管理不便，因與大氣連通容易引起管道腐蝕。

2.由于水箱內微生物，藻類寄生，還可能對系統造成二次污染，所以定壓水箱都需要定期維護，并由衛生部門檢測。

3.定壓水箱需占用較大的空間，需要專門的地點來放置。

4.高位定壓水箱系統的控制靠投入泵的臺數來調節，但這種方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵長期在高效區工作，效率低下。

5.系統頻繁的啟停泵，造成水泵、電機及開關部件壽命縮短。

6.使用高位水箱供水，在系統流量較大時，管網壓力會有較大的變化，造成電子科技大學學士學位畢業論文

部分用戶壓力不夠，出現諸如流量不足、冷熱不均等情況。

1.3恒壓供水設備的主要應用場合

1.高層建筑，城鄉居民小區，企事業等生活用水。

2.各類工業需要恒壓控制的用水場合，冷卻水循環，熱力網水循環，鍋爐補水等。

3.中央空調系統。4.自來水廠增壓系統。

5.農田灌溉，污水處理，人造噴泉。6.各種流體恒壓控制系統。

1.4恒壓供水技術實現

目前交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。

第一章引言

1.5變頻節能理論

1.5.1交流電機變頻調速原理

交流電機轉速特性：n?60(1?s)/p，其中n為電機轉速，f為交流電頻率，s為轉差率，p為極對數，電機選定之后s、p為定值。電機轉速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速，各類工業需要恒壓控制的用水，冷卻水循環，熱力網水循環，鍋爐補水等。流量與轉速成正比：Q∝N 轉矩與轉速的平方成正比：T∝N2 功率與轉速的三次方成正比：T∝N3

P變= N3P額= Q3P額

其中，P為功率

N為轉速

Q為流量

例如設定當前流量為水泵額定流量60%，則采用變頻調速時P=Q3P=0.216P，而采用閥門控制時P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，節電=（P*P）/P*100=71.6% 由此可見從理論上計算結果可以看到技能效果非常顯著，而且在實際運行變頻恒壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恒壓、無污染等明顯優勢。而且新型的變頻恒壓供水系統能自動控制一臺或多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網用水量減少到單臺主泵流量約1/6~1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。

1.6變頻恒壓供水系統及控制參數選擇

1.6.1變頻恒壓供水系統組成

變頻恒壓供水系統通常是由水池、離心泵、壓力傳感器、PID調節器、變頻器、管網組成。工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統內用水量的變化引起水壓變化，即使將信號反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或加減速，使得管網的水壓與控制壓力一致。電子科技大學學士學位畢業論文

1.6.2變頻恒壓供水系統的參數選取

1.7變頻恒壓供水系統的特點

本文研究的變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點:

(1)供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應.(2)用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個線性系統。

(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。

第一章引言

(6)水泵的電氣控制柜，有遠程和就地控制的功能，數據通訊接口能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數據進行實時傳送，以便顯示和監控以及報表打印等功能。

(7)系統用變頻器進行調速，用調節泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。電子科技大學學士學位畢業論文

第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理

圖2-1 變頻恒壓供水系統組成框圖

第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理

圖2-2 單片機的變頻恒壓調速系統原理框圖

2.1系統工作過程

1.切換過程Ⅰ

變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，電子科技大學學士學位畢業論文

開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態。從而實現1#水泵由變頻切換至工頻電網運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統調節下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。2.切換過程Ⅱ

圖2-3 1#和2#機組工作過程流程圖

第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理

2.2變頻調速的基本調速調速原理

圖2-4節能分析曲線圖

(3)水泵變速運轉，靠管網取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax 電子科技大學學士學位畢業論文

下降到Q1時，水泵降低轉速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)*2

采用變頻恒壓供水系統除可節能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統產生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統的安全可靠性。目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速n為：

n=120(1-s)/p

（2.3.1）

式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無級調速的。由流體力學知：管網壓力P、流量Q和功率N的關系為

N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。

2.3變頻調速恒壓供水工況分析與能耗機理分析

2.3.1管路水力損失及性能曲線

管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種

（2.3.2）

沿程損失

（2.3.3）

第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理

式中y-管路沿程摩擦損失系數；j-局部損失系數；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。

將式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

Hx=Hsj+Hs

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線

圖2-5本泵工作點的確定

2.3.2水泵變頻調速節能分析

運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節能效果明顯。

圖2-6變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖

求出運行在B點的泵的軸功率

運行在C點泵的軸功率

兩者之差：

也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。

相反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節能效果顯著。2.3.3調速范圍的確定

考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體降低調速范圍，在實際配泵時揚程設定

第二章變頻恒壓調速供水系統的工作原理

在高效區，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內。在此范圍內，電動機的負載率在50%~100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區。

2.4本章小結

2.水泵工況的調節就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。電子科技大學學士學位畢業論文

第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

系統單元設計主要包括CPU基本控制單元、電路定時復位電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、顯示電路和相應的開關電路。

圖3-1 系統硬件結構框圖

3.1硬件總體說明

單片機系統的硬件結構框架圖如圖3-1所示。

第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

外接RC電路，用于開機時使74S273的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動作，對變頻器起到了保護作用。在報警輸入端與CPU

之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。系統A/D輸入采用8位TLC0831逐次逼近模數轉換器，D/A輸出采用了光耦離式D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅動電路。P3.3定時輸出占空比與頻率相對應的PWM調制信號，通過二極運算放大電路后，在LM358的第7引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調節電位器可以調節輸出電壓的大小，兩放大器之間的RC電路起到了濾波的作用。

3.2 555定時器復位電路

用NE555組成的硬件定時復位系統，可以有效地防止程序死機現象。NE555封裝和內部結構圖

圖3-2 NE555封裝圖

脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。電子科技大學學士學位畢業論文

圖3-3 NE555內部結構

圖 3-4 NE555定時電路及工作波形

第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

3.3 5V單片機供電電源電路

圖3-5 LM7805穩壓電源

3.4 LED數值顯示 D/A數值采集 D/A數值反饋

3.4.1 LED數值顯示模塊

圖3-6 共陰數碼管引腳圖

圖3-7 數碼管封裝

① 動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種示

方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8 個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

圖3-8 共陰極4位8段數碼顯示

3.4.2 數據采集A/D轉換電路

1.AD0809的邏輯結構

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地電子科技大學學士學位畢業論文

址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。

圖3-9 AD0809內部結構

2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道

ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條。

圖3-10 AD0809通道選擇表

第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

數字量輸出及控制線：11 條

ST 為轉換啟動信號。當ST 上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D 轉換；在轉換期間，ST 應保持低電平。EOC 為轉換結束信號。當EOC 為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D 轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE＝1，輸出轉換得到的數據；OE＝0，輸出數據線呈高阻狀態。D7－D0 為數字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。3.ADC0809應用說明（1）． ADC0809 內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機直接相連。（2）．初始化時，使ST 和OE信號全為低電平。（3）．送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）．在ST 端給出一個至少有100ns 寬的正脈沖信號。（5）．是否轉換完畢，我們根據EOC 信號來判斷。

（6）．當EOC變為高電平時，這時給OE 為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。

4.AD0809轉換電路

AD0809 的數據輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數據。電子科技大學學士學位畢業論文

5． D/A轉換模塊

本系統采用的一個光耦隔離式串行D/A輸出，并采用LM358雙運放組成D/A輸出及驅動電路，電路圖如圖3-12。

圖3-11 A/D轉換電路

圖3-12 光耦隔離式D/A

第三章變頻恒壓調速供水系統硬件設計

這里運用到了脈寬調制(PWM)的方法來控制電壓模擬量，脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。6.PWM控制原理

圖3-13 PWM占空比

電子科技大學學士學位畢業論文

第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計

4.1 變頻恒壓調速供水系統軟件設計總體說明

系統軟件程序由主程序，定時中斷顯示和頻率輸出子程序組成。采用軟件模塊化設計，引入了先進的模糊邏輯控制技術，并增加了容錯技術和抗干擾算法。系統采用了定時復位軟件設計方案（1秒鐘復位一次），以消除程序運行時的死機現象。數字濾波采用平均值濾波方法，以消除干擾對輸入信號的影響。

4.2 8051系列單片的編程語言

51單片機在有四種語言支持，即匯編、PL/MC、C和BASIC。

（1）對單片機指令系統不要求了解，僅要求了解對8051的存儲器結構有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數據類型等細節可有編譯器管理；程序規范的結構，可分為不同的函數，這種方式可使程序結構化

（3）具有將可變選擇和特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；關鍵字及運算函數可用于近似人的思維過程方式使用；

（4）編程和程序調試時間顯著縮短，從而提高效率；

（5）提供的庫包括許多標準子程序，具有較強的數據處理能力；（6）已編好的程序可以很容易地移植入新程序，因為C語言具有方便的模塊化編程技術；

4.3 編程軟件

4.3.1 C051編譯器介紹

現在比較流行的51系列編程軟件

（1）American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統的配套軟件工具

（4）Dunfield Shareware：非專業的軟件包，不支持floats，longs或結構等（5）KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產生最少的代碼。它支持浮點或長整數、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇

（6）Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。

編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優點，所以本系統采用KEIL編譯器。4.3.2 KEIL編譯器

KEIL開發工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創建HEX文件以及調試目標程序。

（1）uVision2 for Windows:是一個集成開發環境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調試等組合在一個強大功能的環境中。

（2）CX51國際標準優化C交叉編譯器：從C源代碼產生可重定位的目標模塊。

（3）AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產生可重定位的目標模塊。（4）BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。

（5）LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。（6）OH51目標文件至HEX格式的轉換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51實時操作系統：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計。

第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計

4.4 單片機資料

MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照----單片機引腳圖：

l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號端子）。

P0口有三個功能：

1、外部擴展存儲器時，當做數據總線（如圖1中的D0~D7為數據總線接口）

2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口）

3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。

P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。

P2口有兩個功能：

1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用；

2、做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻。

P3口有兩個功能：

除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。

編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp）

接觸過工業設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護內部RAM 電子科技大學學士學位畢業論文

中的信息不會丟失。

在介紹這四個I/O口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么呢？他起什么作用呢？當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態，只有外接一個上拉電阻才能有效。

ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。（在后面關于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內容和鎖存器輸出一致。

在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。當系統沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。

PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。

1、內部ROM讀取時，PSEN不動作；

2、外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；

3、外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；

4、外接ROM時，與ROM的OE腳相接。

（8051擴展2KB EEPROM電路，PSEN與擴展ROM的OE腳相接）

EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號

1、接高電平時：

CPU讀取內部程序存儲器（ROM）

擴展外部ROM：當讀取內部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。

2、接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計

們已知道，8031單片機內部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。3、8051寫內部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

VCC：電源+5V輸入

VSS：GND接地。

ARM實際上就是32位的單片機，它的內部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。

DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數字信號的。在某些公式運算上，它比現行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內運算完一個32位數乘32位數積再加一個32位數。應用于某些對實時處理要求較高的場合。電子科技大學學士學位畢業論文

4.5 軟件的設計

4.5.1 程序設計圖（1）主程序框圖

圖 4-1 主程序流程圖

第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計

（2）繼電器控制子程序

圖4-2 繼電器控制流程圖

電子科技大學學士學位畢業論文

（3）A/D子程序

（4）PID控制子程序

圖4-4 PID計算子程序流程圖

圖4-3 A/D子程序流程圖

第四章變頻恒壓調速供水系統軟件設計

結論

電子科技大學學士學位畢業論文

致謝

在即將畢業之際，畢業設計已近尾聲，我想借此機會對關心支持我的所有人表示感謝！

我在畢業設計期間，得到導師王冰峰的精心指導，王老師治學嚴謹，學識淵博，為我營造了一種良好的學習氛圍。在王老師的指導過程中，不僅我的思想觀念煥然一新，也改善了我的思考方式，解決了一個又一個難題。最終才得以完成此次畢業設計。在此祝福王老師合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位幫助我的師長。感謝老師在這半年的畢業設計中對我的幫助和鼓勵!同時感謝同組同學在我的畢業設計過程其中對我莫大的鼓勵與幫助。！

回顧這段時間的學習和生活，還有許多的老師和同學給予我各個方面的幫助和支持，讓我堅持到了最后，在此感謝所有關系和支持我的人，今后我會繼續努力，不辜負你們對我的期望！

致謝

參考文獻

附錄

附錄一：A/D數據采集轉化及顯示子程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P3^2;sbit oe=P3^1;sbit eoc=P3^0;uchar codetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//數碼管顯示段碼

uchar codetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先擇數組 uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x[8];//八通道數據待存數組 void delaynms(uint x);//nms延時程序 void display();//顯示程序 void ad0809();//芯片啟動程序 void key();//鍵掃描程序 main(){ number=1;P1=0x00;while(1){ ad0809();//調AD0809 啟動子程序 key();//調按鍵子程序

ad_0809=x[number];//把相關通道數據給ad_0809 display();//調顯示 }} //nms 延時程序 void delaynms(uint x){

附錄

uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//讀得的數據乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//讀得的數據乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//讀得的數據乘以2 再乘以98%再分出個位

for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小數點后第二位顯示 P2=0x07;//選通第一個數碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小數點后第一位顯示 P2=0x0b;//選通第二個數碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整數顯示 P0_7=0;//點亮第三個數碼管小數點 P2=0x0d;// 選通第三個數碼管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道號顯示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//選通通道

電子科技大學學士學位畢業論文

oe=0;//以下三條指令為起動AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待轉換結束 oe=1;//取出讀得的數據 x[m]=P2;//送相關通道數組 oe=0;m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延時判誤

if(!P3_5)//再一次判斷P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 為高電平number++;//通道號顯示加一 if(number>8)number=1;//八通道 }}}

附錄

附錄二：PID控制子程序

#include #include #include

struct _pid {

int pv;/*integer that contains the process value*/

int sp;/*integer that contains the set point*/

float integral;

float pgain;

float igain;

float dgain;

int deadband;

int last_error;

};

struct _pid warm,*pid;

int process_point, set_point,dead_band;

float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;

/*----------

pid_init

DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure

to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are

integer pointers.----------*/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)

{

struct _pid *pid;

pid = warm;

pid->pv = process_point;

pid->sp = set_point;

}

/*----------

pid_tune

電子科技大學學士學位畢業論文

DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of

a pid control structure _pid.----------*/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)

{

pid->pgain = p_gain;

pid->igain = i_gain;

pid->dgain = d_gain;

pid->deadband = dead_band;

pid->integral= integral_val;

pid->last_error=0;

}

/*----------

pid_setinteg

DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the

pid controller at start up.----------*/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)

{

pid->integral = new_integ;

pid->last_error = 0;

}

/*----------

pid_bumpless

DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing

setpoints, or when restarting the PID equation after an

extended pause, the derivative of the equation can cause

a bump in the controller output.This function will help

smooth out that bump.The process value in *pv should

be the updated just before this function is used.----------*/

附錄

void pid_bumpless(struct _pid *pid)

{

pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);

}

/*----------

pid_calc

DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a.This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim.Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control.RETURN VALUE The new output value for the pid loop.USAGE #include “control.h”*/

float pid_calc(struct _pid *pid)

{

int err;

float pterm, dterm, result, ferror;

err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;

result = pterm + pid->integral + dterm;

}

else result = pid->integral;

pid->last_error = err;

return(result);

}

void main(void)

{

float display_value;

int count=0;

pid = &warm;

// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);

process_point = 30;

set_point = 40;

p_gain =(float)(5.2);

i_gain =(float)(0.77);

d_gain =(float)(0.18);

dead_band = 2;

integral_val =(float)(0.01);

printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);

printf(“Enter the values of Process pointn”);

while(count<=20)

{

scanf(“%d”,&process_point);

pid_init(&warm, process_point, set_point);

pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);

pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);

//Get input value for process point

pid_bumpless(&warm);

附錄

// how to display output

display_value = pid_calc(&warm);

printf(“%fn”, display_value);

//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);

count++;

}

電子科技大學學士學位畢業論文

外文資料原文 Input/Output Accessing In this article, we will look at the three basic methods of I/O accessing － programmed I/O, interrupt-driven I/O, and direct memory access(DMA).The key issue that distinguishes these three methods is how deeply the processor is involved in I/O operations.The discussion emphasizes interrupt-driven I/O, because it is based on the concept of interrupt handling, which is a general problem that goes beyond Input/Output operations.The study of interrupt handling also aids in understanding the general concept of exception processing, which is an important issue not only for I/O, but also for interfacing a computer with other system control functions.Addressing I/O Registers

Input/Output devices communicate with a processor through Input/Output ports.Through the input ports, s processor receives data from the I/O devices.Through the output ports, a processor sends data to the I/O devices.Each I/O port consists of a small set of registers, such as data buffer registers(the input buffer and/or the output buffer), the status register, and the control register.The processor must have some means to address these registers while communicating with them.There are two common methods of addressing I/O register － memory-mapped I/O and direct I/O.1.Memory-Mapped I/O Memory-mapped I/O maps the I/O registers and main memory into a unified address space in the computer system.I/O registers share the same address space with main memory, but are mapped to a specific section that is reserved just for I/O.Thus, the I/O register can be addressed in ordinary memory reference instructions as if they are part of the main memory locations.There are no specially designed I/O instructions in the instruction set of the system.Any instruction that references a location in this areais an I/O instruction.Any instruction that can specify a memory address is capable of

外文資料原文

performing I/O operations.The Motorola MC68000 is an example of a computer system that uses this addressing method.2.Direct I/O The method of addressing I/O registers directly without sharing the address space with the main memory is called direct I/O or I/O-mapped I/O.In other words, I/O registers are not mapped to the same address space with the main memory.Each I/O register has an independent address space.As a result, instructions that reference the main memory space cannot be used for Input/Output.In the instruction set of the computer system, special I/O instructions must be designed for I/O operations.In these I/O instructions, distinct I.D.numbers must be used to address different I/O communication channels(i.e., I/O ports).They are called port numbers.The I/O registers of an I/O port are connected to the system I/O bus, through which the processor can reference the I/O registers directly to send/receive data to/from an I/O device.An I/O port number is not from the same address space as main memory.The Pentium is an example of a computer system that uses the direct I/O addressing method.It has a 64 GB memory address space(32 address bits)and, at the same time, a 64 KB I/O address space(16 bits I/O address/port number).Programmed I/O Programmed I/O requires that all data transfer operations be put under the complete control of the processor when executing programs.It is sometimes called polling, because the program repeatedly polls(checks)the status flag of an I/O device, so that its input/output operation can be synchronized with the processor.A general flowchart of such a program is shown in Figure 1.The program continuously polls the status of an I/O device to find out whether(1)data is available in the input buffer or(2)the output device is ready for receiving data from the processor.If the status shows “available” the program will execute a data transfer instruction to complete the I/O operation;otherwise, the busy status of the I/O device will force the program to circulate in a busy-waiting loop until the status becomes available.Such a busy-waiting loop, which continuously checks the status of data availability(for input)or device availability(for out-put), forms the typical program structure of programmed I/O.It is this time-consuming busy-waiting loop that wastes processor time and makes programmed I/O very inefficient.The processor must be involved

電子科技大學學士學位畢業論文

continuously in the entire I/O process.During this time interval, the processor cannot perform any useful computation, but only serve a single I/O device.For certain slow I/O devices, this busy-waiting loop interval may be long enough that the processor could execute millions of instructions before the I/O event occurs, e.g., a key stroke on a keyboard.The operational mode lf programmed I/O stated above is characterized by the busy waiting loop of the program, during which the processor spends time polling an I/O device.Because of the dedication of the processor to a single task, this mode of programmed I/O is called dedicated polling or spin polling.Although dedicated polling is highly inefficient, sometimes it is necessary and even unavoidable.In a particular case, if an urgent event needs an immediate response without delay, then dedicated polling by a dedicated processor may be the best way to handle it.Once the expected event happens, the processor can tract to it immediately.For example, certain real time systems(e.g., radar echo processing systems)require a reaction to incoming data that is so quick that even an interrupt response is too slow.Under such a circumstance, only a fast dedicated polling loop may suffice.Another mode of operation of programmed I/O is called intermittent polling or timed polling.In this mode, the processor may poll the device at a regular timed interval, which can be expected or prescheduled.Such a device can be found in many embedded systems where a special-purpose computer is used for process control, data acquisition, environmental monitoring, traffic counting, etc.these devices, which measure, collect, or record data, are usually polled periodically in a regular schedule determined by the needs of the application.Such a method of intermittent polling can help save time lost in spin polling and avoid the complexity of interrupt processing.However, it should be noted that intermittent polling may not be applicable in some special cases, in which there is only one device to be polled and the correct polling rate must be achieved with the assistance of an interrupt-driven clock.Using timed polling in this case would result in simply swapping one interrupt-driven clock.Using time polling in this case would result in simply swapping one interrupt requirement for another.Interrupt-Driven I/O

Interrupt-driven I/O is a means to avoid the inefficient busy-waiting loops, which characterize programmed I/O.Instead of waiting while the I/O device is busy doing

第四篇：基于單片機的恒壓供水系統的設計與實現

湖南科技大學畢業設計（論文）

題目作者學院專業學號指導教師

二〇一一年四月八日

單片機構成的恒壓供水控制系統設計李鐵雄信息與電氣工程自動化

0704020117 沈宏遠老師

IV 湖南科技大學畢業設計（論文）

前言.................................................................1 1 緒論...............................................................1 1.1 恒壓供水系統的概念..............................................1 1.2變頻器的基本概念

1.3變頻恒壓供水系統主要特點.........................................2 1.4 恒壓供水技術實現................................................2 2 變頻恒壓調速供水系統的工作原理.....................................3

2.1 系統工作過程..................................................4 2.2 變頻調速的基本調速原理........................................6 2.3 水泵變頻調速節能分析..........................................7 2.4 本章小結......................................................8 3 變頻恒壓調速供水系統硬件設計.......................................8

3.1 硬件總體說明..................................................9 3.2 555定時器復位電路............................................9 3.3 LED數值顯示 D/A數值采集 D/A數值反饋........................11

3.3.1 LED數值顯示模塊........................................11 3.3.2 數據采集A/D轉換電路...................................12 變頻恒壓調速供水系統軟件設計......................................13

4.1 編程軟件.....................................................13

4.1.1 C051編譯器介紹.........................................13 4.1.2 KEIL編譯器.............................................14 4.2 單片機資料...................................................14 4.3 軟件的程序設計圖.............................................15 5 結論..............................................................17 附錄................................................................19 參考文獻............................................................26

V 湖南科技大學畢業設計（論文）

基于單片機恒壓供水系統設計

前言

隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水的質量和安全可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、通訊技術、網絡技術等應用到供水領域，成為對供水企業新的要求。在大力提倡節約能源的今天，研究高性能、經濟型的恒壓供水監控系統。所以，對于某些用水區提高勞動生產率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。恒壓供水是指在供水管網中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水壓力值是根據用戶需求確定的，傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現，隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調節器、傳感器、PLC等器件的有機組合，構成控制系統，調節水泵的輸出流量，實現恒壓供水。緒論

1.1 恒壓供水系統的提出

采用電動機調速裝置與可編程控制器（PLC）構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現的工業過程的閉環控制。即將壓力控制點測的壓力信號（4~20ｍＡ）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置PID運算將結果轉換為頻率調節信號調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。

供水系統選用原則水泵揚程應大于實際供水高度。水泵流量總和應大于實際最大供水量。

變頻調速恒壓供水技術其節能、安全、供水高品質等優點，在供水行業得到了廣泛應用。恒壓供水調速系統實現水泵電動機無級調速，依據用水量的變化（實際上為供水管網的壓力變化）自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當今先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中如何充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻器調速恒壓供水設備，降低成本、保證產品質量等有著重要意義。

變頻器的基本概念

1、基本概念

（1）VVVF



改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）的縮寫。

（2）CVCF 湖南科技大學畢業設計（論文）

 恒電壓、恒頻率（Constant Voltage and Constant Frequency）的縮寫。各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實現這種轉換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。

變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中不僅有電機（例如空調等），還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。

1.2 變頻恒壓供水系統主要特點

a.節能，可以實現節電20%~40%，能實現綠色省電。b.占地面積小，投資少，效率高。

c.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。

d.運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。

e.由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。

f.通過通信控制，可以實現五人職守，節約了人力物力。

1.3 恒壓供水技術實現

長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調速技術在給水泵站上的應用，成功解決了能耗和污染兩大難題[1]。湖南科技大學畢業設計（論文）變頻恒壓調速供水系統的工作原理

在變頻調速供水系統中，是通過變頻調速來改變水泵的轉速從而改變水泵工作點來達到調節供水流量的目的。反應水泵運行工程的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。調節水泵轉速的過程中，水泵工況點的調節是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發生嚴重的氣穴現象，還可能導致管網壓力不穩定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發生變化，水泵的運行工況都會發生變化因此水泵工況點的確定和工況調節與這三者密切相關。

圖2-1 變頻恒壓供水系統組成框圖湖南科技大學畢業設計（論文）

圖2-1就是一個典型的由8051單片機控制的恒壓調速供水系統。系統由微機控制器、交流變頻調速器、水泵機組、供水管網和壓力傳感器等組成，控制系統結構原理如圖2-2所示。8051單片計算機在這里主要起壓力采集，PID調節器計算、功能判斷處理、消防處理、邏輯切換、壓力顯示和聲光報警等作用[2]。

圖2-2 單片機的變頻恒壓調速系統原理框圖

2.1 系統工作過程

根據現場生產的實際狀況，白天一般只需開動一臺水泵，就能滿足生產生活需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就滿足供水需要，因此可采用一大一小搭配進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，自動控制系統可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。

分析自動控制系統機組Ⅰ（1#、2#水泵機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態：a.1#電機變頻啟動；b.1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；c.2#電機單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態中，當管網壓力突變時，三種工作狀態就要發生相應變換，因此這三種工作狀態對應著三個切換過程。

切換過程Ⅰ

1#電機變頻啟動，頻率達到50Hz，1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統開始工作時，管網水壓低于設定壓力下限P。按下相應的按鈕，選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟啟動，1#電機啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電，1#電機切換至工頻運行，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后，開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開，2#電機開始軟啟動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態。從而實現1#水泵由變頻切換至工頻電網運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統調節下變頻器輸出頻率不斷增加，湖南科技大學畢業設計（論文）

直到管網水壓達到設定值（Pi＜P＜Pm）為止。

切換過程Ⅱ

切換過程Ⅲ

圖2.1-1 1#和2#機組工作過程流程圖湖南科技大學畢業設計（論文）

2.2 變頻調速的基本調速原理

如圖2.2-1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0.當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同[3]。

圖2.2-1 節能分析曲線圖

★ 水泵全速運轉，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。

★ 水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統降低水泵轉速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致湖南科技大學畢業設計（論文）

管網不利點水壓升高到H0﹥H1，則H1即為水泵的能量浪費。

★ 水泵變速運轉，靠管網取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點式中沿著A0滑動，管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1。

根據水泵相似原理：

Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉速。即通過控制轉速可以減少軸功率。根據以上分析表明，選擇供水管網最不利點允許的最低壓力為控制參數，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環壓力自控調速系統，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調速技術和自控技術相結合，達到最佳節能效果。

目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速n為

n=120(1-s)/p 式中s為電機的滑差（s=0.02），p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無級調速的。

由流體力學知：管網壓力P、流量Q和功率N的關系為 N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率[4]。

2.3 水泵變頻調速節能分析

水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規供水系統中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變為R2。運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉速，如果水泵轉速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q0減少到Q1。在圖2.3-1中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2-6上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節能效果明顯。湖南科技大學畢業設計（論文）

圖2.3-1 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖

求出運行在B點的泵的軸功率 NB?kQyHy 運行在C點泵的軸功率 NC?kQyHy 兩者之差 hj??j2j2??Q 2g2gA2也就是說，采用閥門控制流量時有ΔV的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。相反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節能效果顯著。

2.4 本章小結

a.水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點，水泵工作點是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。

b.水泵工況的調節就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。變頻恒壓調速供水系統硬件設計湖南科技大學畢業設計（論文）

3.1 硬件總體說明

單片機系統的硬件結構框架圖如圖3.1-1所示。

本系統以8951單片機為核心，它有4KEPROM,所以不用外擴EPROM,這樣可以利用P0、P2口作為輸入、輸出I/O口，簡化了硬件結構。系統的顯示采用4片74LS164驅動LED，使用8951的串行通訊口TXD，DXD。93C46為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數[5]。

圖3.1-1 系統硬件結構框圖

3.2 555定時器復位電路

用NE555組成的硬件定時復位系統，可以有效地防止程序死機現象。

NE555封裝湖南科技大學畢業設計（論文）

圖3.2-1 NE555封裝圖

如圖3.2-1和圖3.2-2可知，NE555定時電路V0口輸出連續的脈沖信號至RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產生RC定時電路，用于設定脈沖的周期和脈沖的寬度。調節RW或者電容C，可以得到不同的時間常數。

脈沖寬度計算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C 振蕩周期計算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。內部結構圖

圖3.2-2 NE555內部結構湖南科技大學畢業設計（論文）

圖 3.2-3 NE555定時電路及工作波形

3.3 LED數值顯示 D/A數值采集 D/A數值反饋

3.3.1 LED數值顯示模塊

數碼管由7 個發光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極。通過解碼電路得到的數碼接通相應的發光二極而形成相應的字，這就是它的工作原理。基本的半導體數碼管是由7 個條狀的發光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現數字“0～9”及少量字符的顯示。另外為了顯示小數點，增加了1 個點狀的發光二極管，因此數碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發光二極管命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列順序如下圖3.3.1-1。

圖3.3.1-1 共陰數碼管引腳圖湖南科技大學畢業設計（論文）

3.3.2 數據采集A/D轉換電路

a.AD0809的邏輯結構

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成，如圖3.3.2-1。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。

圖3.3.2-1 AD0809內部結構

b.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道

ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路[6]。

c.AD0809轉換電路

電路見圖3.3.2-2，主要由AD 轉換器AD0809，頻率發生器SUN7474，單片機AT89S51及顯示用數碼管組成。AD0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號START啟動后開始轉換，EOC 信號在START 的下降沿10us后才變為無效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉換完成后，EOC 輸出高電平，再由OE 變為高電平來輸出轉換數據。我們在設計程序時可以利用EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉換的數據，也可以在啟動AD0809 后經適當的延時再讀入已轉換的數據。AT89S51的輸出頻為晶振頻的1/6（2MHZ），AT89S1 與SUN7474連接經與7474的ST腳提供AD0809 的工作時鐘。AD0809 的工作頻范圍為10KHZ-1280KHZ,當頻率范圍為500KHZ 時，其轉換速度為128us。湖南科技大學畢業設計（論文）

AD0809 的數據輸出公式為：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數據。

圖3.3.2-2 A/D轉換電路變頻恒壓調速供水系統軟件設計

4.1 編程軟件

4.1.1 C051編譯器介紹現在比較流行的51系列編程軟件

a.American Automation：編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言。b.IAR: 瑞典的IAR是支持分體切換的編譯器。

c.Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系統的配套軟件工具湖南科技大學畢業設計（論文）

d.Dunfield Shareware：非專業的軟件包，不支持floats，longs或結構等

e.KEIL：KEIL在代碼生成方面處于領先地位，可以產生最少的代碼。它支持浮點或長整數、重入和遞推。使用單片機模式，KEIL是最好的選擇

f.Intermetrics：使用起來比較困難，要由可執行的宏語句控制編譯、匯編和鏈接，且選項很多。

編譯器的算法技術支持（float和long）很重要。生成代碼的大小比編譯速度重要，這里KEIL具有性能領先、緊湊的代碼和使用方便等優點，所以本系統用KEIL編譯器[7]。

4.1.2 KEIL編譯器

KEIL開發工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序、鏈接和定位目標文件及庫，創建HEX文件以及調試目標程序。

a.uVision2 for Windows：是一個集成開發環境。它將項目管理、源代碼編輯和程序調試等組合在一個強大功能的環境中。

b.CX51國際標準優化C交叉編譯器：從C源代碼產生可重定位的目標模塊。c.AX51宏匯編器：從8051匯編源代碼產生可重定位的目標模塊。

d.BL51鏈接器/定位器：組合有CX51和AX51產生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。

e.LIB51庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的庫文件。

f.OH51目標文件至HEX格式的轉換器：從絕對目標模塊生成Intel HEX文件。g.RTX-51實時操作系統：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計[8]。

4.2 單片機資料

ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內容和鎖存器輸出一致。

PORG為編程脈沖的輸入端：在8051單片機內部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執行的程序的，通過編程脈沖輸入才能湖南科技大學畢業設計（論文）

寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。

EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號

a.接高電平時： CPU讀取內部程序存儲器（ROM）。

擴展外部ROM：當讀取內部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。

b.接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。在前面的學習中我們已知道，8031單片機內部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。

c.8051寫內部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

VCC：電源+5V輸入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區別于使用CISC指令集的8051，他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。

ARM實際上就是32位的單片機，它的內部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了[9]。

4.3 軟件的程序設計圖

a.主程序框圖湖南科技大學畢業設計（論文）

圖 4.3-1 主程序流程圖

b.繼電器控制子程序

圖4.3-2 繼電器控制流程圖

c.A/D子程序湖南科技大學畢業設計（論文）

圖4.3-3 A/D子程序流程圖

d.PID控制子程序

圖4.3-4 PID計算子程序流程圖結論湖南科技大學畢業設計（論文）

a.在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f，來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的，分析水泵工況點激流調節和變速調節能耗比較土，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時。流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節流相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節能。水泵轉速的工礦調節必須限制在一定范圍以內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。

b.通過對供水控制模式進行分析，發現傳統的生產控制模式是一種被動的控制方式，沒有對供水管網的水量平衡進行綜合考慮。針對傳統控制模式的缺陷，提出了綜合考慮水壓和水量平衡的自適應平衡調節方法，為該供水控制系統的設計提供了依據。湖南科技大學畢業設計（論文）

附錄1： A/D數據采集轉化及顯示子程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P3^2;sbit oe=P3^1;sbit eoc=P3^0;uchar codetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//數碼管顯示段碼

ad_0809=x[number];//把相關通道數據給ad_0809 display();//調顯示 }} //nms 延時程序 void delaynms(uint x){ uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} 湖南科技大學畢業設計（論文）

void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//讀得的數據乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//讀得的數據乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//讀得的數據乘以2 再乘以98%再分出個位 for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小數點后第二位顯示 P2=0x07;//選通第一個數碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小數點后第一位顯示 P2=0x0b;//選通第二個數碼管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整數顯示 P0_7=0;//點亮第三個數碼管小數點 P2=0x0d;// 選通第三個數碼管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道號顯示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//選通通道

oe=0;//以下三條指令為起動AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待轉換結束 oe=1;//取出讀得的數據 x[m]=P2;//送相關通道數組 oe=0;湖南科技大學畢業設計（論文）

m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延時判誤

if(!P3_5)//再一次判斷P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 為高電平number++;//通道號顯示加一 if(number>8)number=1;//八通道 } } }

附錄2： PID控制子程序

#include #include #include

struct _pid {

int pv;/*integer that contains the process value*/

int sp;/*integer that contains the set point*/

float integral;

float pgain;

float igain;

float dgain;

int deadband;

int last_error;

};

struct _pid warm,*pid;

int process_point, set_point,dead_band;

float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;

/*----------湖南科技大學畢業設計（論文）

pid_init

DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure

to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are

integer pointers.----------*/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)

{

struct _pid *pid;

pid = warm;

pid->pv = process_point;

pid->sp = set_point;

}

/*----------

pid_tune

DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of

a pid control structure _pid.----------*/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)

{

pid->pgain = p_gain;

pid->igain = i_gain;

pid->dgain = d_gain;

pid->deadband = dead_band;

pid->integral= integral_val;

pid->last_error=0;

}

/*----------

pid_setinteg

DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the

pid controller at start up.----------*/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)

{

pid->integral = new_integ;湖南科技大學畢業設計（論文）

pid->last_error = 0;

}

/*----------

pid_bumpless

DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing

setpoints, or when restarting the PID equation after an

extended pause, the derivative of the equation can cause

a bump in the controller output.This function will help

smooth out that bump.The process value in *pv should

be the updated just before this function is used.----------*/

void pid_bumpless(struct _pid *pid)

{

pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);

}

/*----------

pid_calc

float pid_calc(struct _pid *pid)

{

int err;

float pterm, dterm, result, ferror;

err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;

result = pterm + pid->integral + dterm;

}

else result = pid->integral;

pid->last_error = err;

return(result);

}

void main(void)

{

float display_value;

int count=0;

pid = &warm;

// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);

process_point = 30;

set_point = 40;

p_gain =(float)(5.2);

i_gain =(float)(0.77);d_gain =(float)(0.18);

dead_band = 2;

integral_val =(float)(0.01);

printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);

printf(“Enter the values of Process pointn”);

while(count<=20)

{

Scanf(“%d”,&process_point);湖南科技大學畢業設計（論文）

pid_init(&warm, process_point, set_point);

pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);

pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);

//Get input value for process point

pid_bumpless(&warm);

// how to display output

display_value = pid_calc(&warm);

printf(“%fn”, display_value);

//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);

count++;

}

} 湖南科技大學畢業設計（論文）

參考文獻：

[1] 何立民：MCS-51系列單片機應用系統設計，北京航空航天大學出版社，1990，P122-P130 [2] 秦進平、官英雙：基于單片機的恒壓供水系統，黑龍江工程學院學報，2005，P103-P112 [3] 解宏基、任光：一種多功能變頻恒壓供水單片機供水控制系統，大連海事大學輪機工程研究所，P258-P262 [4] 周黎輝、馮正進：變頻器在多泵并聯調速系統中的應用，機電一體化，1999，P35-P40 [5] 王幸之、鐘愛琴：AT89系列單片機原理及接口技術，北京航空航天大學出版社，2004，P76-P94 [6] 蘇夯：控制恒壓供水系統的設計，大連交通大學，2009，P76-P80 [7] 童占：新概念51單片機C語言教程，電子工業出版社，2003，P275-P284 [8] 馬忠梅、籍順心、張凱：單片機的C語言應用程序設計，北京航空航天大學出版社，2003，P241-P249 [9] 南建輝、熊鳴、王軍茹：MCS-51單片機原理及應用實例，清華大學出版社，2003，P286-P294

第五篇：本科畢業論文(設計)參考（本站推薦）

新鄉學院畢業論文

論文題目:

天然氣催化燃燒催化劑的研究進展

學位申請人姓名

李義朋化學與化工學院化學（師范）2008級1班郭俊勝副教授

院(系)名稱

專年業級

名班

稱級

指導教師姓名指導教師職稱

內容摘要.......................................................................................................................1 關鍵詞.......................................................................................................................1 Abstract..........................................................................................................................1 Key words......................................................................................................................1 前言...............................................................................................................................2 1.催化劑的基體...........................................................................................................2 1.1陶瓷基體............................................................................................................2 2.1 金屬基體...........................................................................................................2 2.催化劑的載體...........................................................................................................2 2.1 氧化鋁載體.......................................................................................................3 2.2 CeO2-ZrO2 固溶體載體....................................................................................3 2.3 新型Ce-Mg-O載體.........................................................................................3 2.4 鋁酸鹽載體.......................................................................................................3 3.催化劑的活性組分...................................................................................................4 3.1 貴金屬...............................................................................................................4 3.2 非貴金屬.........................................................................................................5 前景展望.......................................................................................................................9 參考文獻.....................................................................................................................11 致謝.............................................................................................................................12

內容摘要：研究甲烷催化燃燒催化劑的研究現狀，介紹近年來有關Pd，Pt，Rh，Au 等貴金屬和非貴金屬催化劑的催化性能方面的研究結果。主要從甲烷燃燒催化劑組成部分：活性組分、載體分別加以論述，分析各種載體的優缺點，討論各種貴金屬和非貴金屬催化劑優劣性。從而找出評價甲烷燃燒催化劑性能的關鍵因素。

關鍵詞：甲烷

催化劑

貴金屬

非貴金屬

載體

Abstract：The literature of methane catalytic combustion catalyst, introduces the recent research status on Pd, Pt, Rh, Au precious metals and non-noble metal catalysts such as catalytic performance results is studied.Mainly from methane combustion catalyst components: the active component, carrier are discussed respectively, analyzes the advantages and disadvantages of various vector to discuss all kinds of precious metals and non-noble metal catalyst inferiority.So as to find out the combustion catalyst performance evaluation methane key factors.Key words: Methane catalyst precious metals non-noble metal carrier

前言

天然氣儲量豐富、價格低廉、熱效應高等優點，是目前最清潔的能源之一。[1]甲烷是天然氣的主要成分，但甲烷是最穩定的烴類，通常很難活化或氧化，且甲烷催化燃燒工作溫度較高，燃燒反應過程中會產生大量水蒸氣，同時天然氣中含少量硫。因此，甲烷催化燃燒催化劑必須具備較高的活性和較高的水熱穩定性，以及一定的抗中毒能力。因此，研發具有低溫高活性、高溫熱穩定性、抗機械和熱沖擊能力強、抗中毒能力和再生能力良好、整個生命周期符合節能綠色環保要求的廉價催化劑材料以提高燃燒效率就顯得十分重要，也是今后研究的方向，以推動甲烷催化燃燒的工業化進程。催化燃燒具有高效、節能、環保等諸多優點，是一種環境友好的能源利用方式。[2]與普通燃燒方式相比，催化燃燒具有較高的燃燒效率與能量利用率。甲烷燃燒的催化劑體系一般由活性組分、載體和基體組成。

1.催化劑的基體

1.1 陶瓷基體

最常用的是堇青石(5SiO2·3Al2O3 ·2MgO)陶瓷材料，具有較好的熱穩定性堇青石會變軟并且硅會擴散到表面，使催化劑中毒失活。其它陶瓷材料有氧化鋁(常用的高溫陶瓷，強度高，耐熱沖擊，但1100℃左右會發生晶型轉變，比表面下降)、氧化鋯(使用溫度可高2210℃，但難和催化劑粘結)、莫來石(3Al2O3 ·2SiO2 或2Al2O3 ·SiO2)、六鋁酸鹽等。這些材料的抗熱沖擊性能大多成問題，影響了它們的應用。

1.2 金屬基體

金屬基體一般由卷起的波浪形金屬薄片構成，材質通常為鐵鉻鋁合金(FeCrAlloy)或鋁鉻鈷合金(Co2CrAlloy)等。與陶瓷基體相比，金屬基體具有機械強度高、起燃較快、耐熱沖擊等優點，但熱膨脹系數較大，難與載體或催化劑涂層匹配。

2.載體

大多數基體的比表面都非常小，不適合負載金屬活性相，為了提高比表面，需要在基體壁上沉積一層高比表面載體涂層，該涂層的熱膨脹系數應與基體相匹配。作為催化劑體系的主要組成部分，載體不僅作為活性金屬的支撐體，而且對

活性金屬的分散、分布及催化劑的活性、選擇性和穩定性都有很大的影響。通過有目的地改變載體的組成可以修飾催化劑表面性質，使活性金屬在載體上的幾何和電子學性能發生改變，從而改善催化劑的性能。[3]

2.1氧化鋁載體

氧化鋁是最常用的高比表面載體。但氧化鋁在高溫環境下會轉變成熱力學上穩定的α相，若有水蒸氣存在會加速相變過程，使比表面大量損失。研究表明在氧化鋁中添加堿金屬、堿土金屬及稀土元素時，其中BaO、La2O3、SiO2、LiO和K2O均可增加氧化鋁的熱穩定性和比表面積。

2.2 CeO2 – ZrO2 固溶體載體

近年來CeO2 – ZrO2 固溶體儲氧材料載體備受關注，CeO2 –ZrO2固溶體作為載體，不只分散活性組分，有較大的比表面積，還能增強催化劑的活性。研究表明，Pt/Ce0.67 Zr0.33O2的活性要比Pt/Al2O3 高許多。但CeO2 – ZrO2 固溶體的高溫穩定性差，不能在1000℃以上使用。固溶體有著特殊的氧化、還原性質，被認為是烴類催化燃燒中的一種很有潛力的載體。[4]

2.3 新型Ce-Mg-O載體

在甲烷燃燒催化劑中，具有抗燒結性能、高穩定性的載體對催化劑具有顯著作用，因此通過納米水平的設計，提高這類材料的應用性能。Ce-Mg-O納米微粒還具有獨特的尺寸效應和較好的抗燒結能力，它的載體的催化活性與其組成關系很大，隨Mg 含量的增加，Ce-Mg-O 載體上甲烷完全氧化活性逐漸增加。Ce-Mg-O 納米微粒形成的高比表面和高表面能，也有大量的晶格氧空位和較高的O2-遷移能，使其表現出較好的氧性能。用于甲烷氧化的催化劑載體時顯示了較高的催化活性。而且該新型載體明顯提高了CeO2的還原性能及氧恢復性能，這些優點使該新型載體具有一定的應用價值。

2.4鋁酸鹽載體

鋁酸鹽載體在高溫下具有較好的熱穩定性和較大的比表面積，在高溫催化反應中具有優良的抗燒結和抗熱振蕩能力，有利于維持材料的較高比表面積和高溫穩定性，被認為是最具有前景的高溫催化材料。

載體的作用是使催化劑擁有大的比表面積，并擔載催化活性材料，因此要想得到好的催化效果，載體的選擇和活性材料的擔載方法也很重要。但是，往往載

體和催化活性材料之間會發生強相互作用，導致催化劑晶體結構的改變或晶相的轉變，同時引起表面積的減小，導致催化活性降低甚至消失。因此，為了得到期望的高活性晶體結構、好的分散性、合適的比表面積和孔隙結構，通常會添加一些催化助劑如: La、Ce、Nd、Ba 等稀土元素或堿土金屬元素。或直接采用其它的金屬氧化物MOx(M = Ti，Mn，Co，Zr，Sn 等)以及它們的混合物作為載體。

3.活性組分

3.1 貴金屬

貴金屬催化劑是一種優良的燃燒催化劑，不僅具有高活性，而且有較強的抗硫中毒能力。另外，Pt和Pd還容易在許多載體上形成高分散。但是，在溫度超過500℃時，Pt和Pd容易燒結或揮發導致催化劑失活，再加上昂貴的價格，使這類催化劑的應用受到一定限制，一般用在燃燒器中的低溫起燃階段。其中負載型Pd，Pt催化劑研究的最多，負載型Rh，Au催化劑則報道較少。為了提高催化劑的催化性能，將Pd和一種或多種金屬元素連用制成雙、多貴金屬催化劑，如負載型Pd-Pt，Pd-Rh 催化劑，應用于甲烷燃燒反應。[5] 3.1.1 Pd催化劑

由于Pd良好的低溫活性、抗硫中毒能力、溫度自控能力而在天然氣的催化燃燒中廣泛應用。Pd具有很好的溫度自控能力，防止了高溫燒結。與其他貴金屬相比，Pd表現出更為活潑的催化性能，其原因與氧化還原機理有一定的關系。比如，Pd比Pt 更易被還原，還原溫度低120～200 ℃，這就使得Pd在稀的甲烷混合氣氛下表現出高活性。Pd負載于高比表面積的載體上時其穩定性隨載體不同有明顯差異，有研究報道，SiO2 負載的Pd 催化劑較Al2O3 擔載的Pd催化劑有較弱的抗燒結能力和較高的活性及較短的活性反應時間，目前通過提高貴金屬的分散度，減小晶體的粒徑；利用具有特殊孔結構的載體；采用不同的處理方法使載體氧化物對活性金屬進行再修飾；用金屬摻雜等方法提高它的熱穩定性。3.1.2 Pt 催化劑

Pt跟Pd一樣有一個氧化還原過程，Pt向PtO2轉化的過程，與PdO相比，PtO2是高度不穩定的，它在非常低的溫度(大約400℃)即分解。此外PtO2是高度易變的，這個特性可用來解釋在純氧條件下Pt表面的重整是靠PtO2在納米尺度內輸運Pt 完成的.在富氧條件下，Pt主要保持金屬狀態。Pt表面的氧化程度是其催化

行為的一個關鍵因素，Pt表面氧化程度低的催化劑活性要優于表面氧化程度高的催化劑，因此在富O2條件下，應降低Pt表面的氧化程度。3.1.3 負載型Rh，Au 催化劑

相對Pd，Pt催化劑來說，負載型Rh，Au催化劑則報道較少。近年來，Au催化劑開始受到人們的關注.已經發現由共沉淀法、沉積沉淀等方法制備的過渡金屬氧化物負載型Au催化劑，對甲烷燃燒有較好的催化活性。由共沉淀法制備的負載型金催化劑，對甲烷燃燒反應的催化活性順序如下: Au/ Co3O4 >Au/ NiO> Au/ MnOx> Au/ Fe2O3-Au/ CeO2。對于甲烷燃燒反應，負載型金催化劑的活性高于Pt/ Al2O3的活性。活性最高的Au/ Co3O4催化劑具有已商品化的Pd/ Al2O3催化劑相當的活性。

3.1.4 雙、多貴金屬催化劑體系

為了保持催化活性在一個較高的水平，將Pd和一種或多種鉑族元素連用制成雙、多貴金屬催化劑，應用于甲烷燃燒反應.當用Pd-Pt代替Pd時，催化劑的活性和催化穩定性得到進一步提高.經研究認為催化穩定性的提高是由于復合催化劑中的Pt抑制了Pd/PdO的燒結，當把以Co3O4為載體的Au、Pt和Pd催化劑應用于甲烷催化燃燒，發現在Co3O4擔載的Au催化劑中引入Pt，可以明顯降低甲烷完全氧化反應的起燃溫度和完全轉化溫度。對甲烷完全氧化反應的活性優于貴金屬擔載量相近的Pd/Co3O4催化劑，這是由于在Co3O4載體上Pt 和Au之間存在的協同作用提高了氧化甲烷的活性。

3.2 非貴金屬

非貴金屬催化劑可以克服貴金屬耐熱性差、容易燒結、價格昂貴等缺點，金屬氧化物催化劑由于其具有低溫高活性的吸附氧和高溫高活性的晶格氧，燃燒活性接近貴金屬催化劑，原料價廉易得，熱穩定性更高，有望在將來部分甚至完全取代貴金屬催化劑，其中鈣鈦礦型催化劑和六鋁酸鹽催化劑是金屬氧化物催化劑研究的焦點。以Cu，Co，Mn，Cr，Ni等單一過渡金屬氧化物為活性組分的催化劑，對甲烷催化燃燒也有較好的活性，對這些金屬氧化物進行摻雜可以使其催化性能發生顯著改變。這些氧化物的活性主要是由金屬原子的d層電子結構所決定的。當d層電子數為3，6，8時，一般其氧化物催化活性較高。而當d層電子數為0，5，10時，其活性相對較低。當溫度超過1000℃使用時，大多數單氧化物催

化劑還易燒結。為解決熱穩定性的問題，一般采用復合氧化物催化劑，如鈣鈦礦型化合物、六鋁酸鹽、尖晶石型氧化物、螢石型復氧化物、燒綠石型化合物，其中最具發展潛力的是前兩者。[6] 3.2.1 過渡金屬氧化物及類鈣鈦礦催化劑

這類催化劑的活性接近貴金屬。過渡金屬中Fe、Co、Mn的氧化物表現出較好的催化活性。其中Fe2O3作為活性組分，具有穩定性好、CO2選擇性高等優點。鈣鈦礦型金屬氧化物催化劑的通用式為ABO3，催化性能取決于A、B離子的種類和過渡金屬B的價態。通常A離子為催化活性較低但起穩定作用的元素，而B離子是過渡金屬元素，起主要活性作用。通過更換A離子或B離子的種類，可改善催化材料的氧吸脫附性能，從而提高催化活性。鈣鈦礦型金屬氧化物催化劑比表面積的大小主要依賴于其制備方法，其制備方法一般有檸檬酸鹽法、共沉淀法、濺射干燥法、硅酸鹽法、冷凍-干燥法等。為了克服鈣鈦礦型催化劑比表面小、成型困難等缺點，采用浸漬法將鈣鈦礦活性組分負載在Al2O3、SiO2、LaAlO3、ZrO2等這些具有較高比表面、足夠強度的載體上，已取得了令人滿意的效果。所以有人認為鈣鈦礦型催化劑尤其是經過改性的稀土鈣鈦礦型催化劑，是一種有望在未來部分甚至完全取代貴金屬催化劑的新型甲烷完全燃燒催化劑。3.2.2 六鋁酸鹽系列催化劑

六鋁酸鹽系列催化劑具有較好的熱穩定性能以及較高的機械強度。從這些方面看，六鋁酸鹽及取代型六鋁酸鹽被認為是高溫催化燃燒最有應用前景的催化劑和活性載體。六鋁酸鹽型催化劑可以用AAl11O19表示，A通常是堿金屬、堿土金屬或稀土金屬.由于它們的薄層結構(由單分子氧化物分離的尖晶石塊組成)，六鋁酸鹽型催化劑具有高的熱力學穩定性。A位陽離子的半徑和價態決定了六鋁酸鹽催化劑的晶體結構類型。制備方法對六鋁酸鹽型催化劑的高熱穩定性、比表面積和甲烷燃燒活性有較大影響。六鋁酸鹽型催化劑的合成一般采用粉末固態反應法、醇鹽水解法、共沉淀法、微乳法等.未經摻雜的催化劑具有高的熱力學穩定性，但催化活性非常低，摻雜后催化活性得到提高，通過向六鋁酸鹽骨架中引入與Al3+直徑相近的Mn3+、Co3+、Fe3+、Ni2+等活性組分，可顯著提高催化劑的甲烷燃燒活性，其中又以Mn的活性最高。[7]

采用超臨界干燥法制備的BaAl12O19和BaMn-Al11O19催化劑的透射電鏡照片 6

分別如圖1所示:(a)為BaAl12O19催化劑，(b)為BaMnAl11O19催化劑.由圖1(a)看出，未用Mn 離子取代的樣品經1200℃焙燒后，生成片狀結構，但仍有一些針狀結構存在，片狀結構是六鋁酸鹽的典型晶貌結構，說明在1200℃時已經生成了六鋁酸鹽相，針狀結構說明仍有尖晶石相存在，這和XRD的表征結果相一致。1個Mn 離子取代的TEM 照片如圖1(b)所示，其形貌為單一的薄片狀結構，屬于六鋁酸鹽晶體的特征形貌，直徑約為200nm。這種由TEM反映的片狀結構是六鋁酸鹽的特征微觀結構的宏觀反映，具有這種結構的材料在橫向和縱向的聚集生長受到表面張力的約束，進一步阻止催化劑的高溫燒結，有利于維持材料的較高比表面積和高溫穩定性.圖1 催化劑的TEM 照片(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19 BaMnxAl12?xO19的物相分析如圖2所示，在1200℃焙燒4h后催化劑主要為晶相六鋁酸鹽，和BaAl12O19[26-0135]的標準譜圖較好地吻合。對于未被Mn 離子取代的BaAl12O19催化劑，晶相中仍有BaAl2O4[17-0306]相存在，2θ分別在19.6°，45.0°，45.9°和57.8°出現BaAl2O4的特征峰。隨著六鋁酸鹽中引入Mn 離子，BaAl2O4 相消失，當Mn 離子取代數為1，2時，催化劑為單一的六鋁酸鹽晶相，Mn 離子的取代量繼續增加至3 時，又有BaAl2O4 晶相析出，當Mn離子取代量為4 時，BaAl2O4相增多.這說明Mn 離子的引入有利于六鋁酸鹽的生成，但過多的Mn 離子會導致晶格發生形變，導致BaAl2O4 相析出，這是由于六鋁酸鹽為尖晶石結構單元，與BaO 構成的鏡面交替堆積成層狀結構晶體，Mn 離子的離子半徑大于 7

Al3+的離子半徑，過量的Mn 離子會使得六鋁酸鹽中的晶體發生形變或膨脹，使BaAl2O4鏡面發生偏移，從而導致BaAl2O4出現.根據Groppi 等的研究，Mn取代量小于1 時，Mn 容易以Mn2+的形式取代里面體配位的Al3+，隨著Mn 取代量的增加，Mn 逐漸以Mn3+形式取代八面體配位的Al3+，二價和三價Mn 的離子半徑分別為0.080 和0.066 nm，均大于Al3+(0.051 nm)，所以用Mn 取代Al 后引起晶面間距增加(110 晶面的晶面間距見表2)，反映在2θ角上，會導致2θ 減小。Mn—O鍵長大于Al—O鍵，隨著Mn 取代量的增加，六鋁酸鹽晶格畸變的程度增加。畸變越大，造成六鋁酸鹽的熱穩定性越差。

圖2 BaMnxAl12?xO19在1200℃焙燒4h的XRD 譜圖

(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19;(c)BaMn2Al10O19;(d)BaMn3Al9O19;

(e)BaMn4Al8O19 8

3.2.3 氧化錫、二氧化錫基催化劑

SnO和SnO2都具有較好的催化燃燒活性，但在高溫下易燒結、活性較差。通過Cr、Cu、Co 引入SnO2，發現催化活性進一步提高.采用雙股并流共沉淀法將過渡金屬銅加入氧化錫制備了SnCuO 系列催化劑，發現具有較大比表面積的SnCu4 具有最高的催化活性，500℃下即可將98% 的甲烷轉化為CO2，并且該催化劑起燃溫度為300℃。采用浸漬法制備了負載型MOx-SnO2(M= Ce、Co)催化劑，結果表明，MOx負載量的提高，催化劑的比表面積增大，晶粒減小，進而影響到催化劑的物化性能和反應活性。3.2.4 Ce-Zr固溶體催化劑

固溶體作為一種新型催化材料以其較大的比表面積、良好的熱穩定性和較高的儲氧能力被廣泛用于各類催化反應。尤其是Ce-Zr 固溶體，即所謂的儲氧材料(OSM)，有著特殊的氧化? 還原性質，被認為是烴類催化燃燒中的一種很有潛力的載體。實驗結果表明，Ce-Zr-Co 系列催化劑對于甲烷催化燃燒反應具有良好的活性和穩定性，在空速30000h-1下可在580℃將甲烷完全催化轉化。反應氣體總空速對催化劑反應活性的、影響較大，空速降低，甲烷完全轉化溫度也隨之降低。

3.2.5 其他金屬氧化物催化劑

以Cu、Co、Mn、Cr、Ni等單一過渡金屬氧化物為活性組分的催化劑，對甲烷催化燃燒也有較好的活性，對這些金屬氧化物進行摻雜可以使其催化性能發生顯著改變，如CuO/ Al2O3、CuO/ Fe2O3、CuO/ Mn3O4 等。Choudhary 等發現在氧化鋯中摻雜過渡金屬如Mn、Co、Cr、Fe 等，使甲烷及丙烷的燃燒活性有很大的提高。研究表明，過渡金屬摻雜的氧化鋯催化劑，活性要高于鈣鈦礦型催化劑，與負載型貴金屬催化劑相當。此外，由Ca，Mn，Nd 等摻雜的CeO2催化劑也顯示了較沒有摻雜的CeO2催化劑更好的活性，而加入PdO 卻降低了催化活性.在NiO中加入La 和Zr 能夠控制催化劑的晶體尺寸和還原性能，這是由于摻雜后的樣品還原性較好，因此改性的NiO催化劑使甲烷氧化活性提高。加入過渡金屬，如Ag和Cu 也可以提高樣品的甲烷燃燒活性。

前景展望

甲烷催化燃燒有著很好的發展前景。在甲烷催化燃燒過程中所用催化劑存在

兩個關鍵問題:熱穩定性和低溫活性.故高活性、高穩定性、成本較低的催化劑的開發是其能否實現工業化的關鍵。所用的貴金屬催化劑具有很高的催化活性，能使甲烷具有較低的起燃溫度和完全燃燒溫度。如何提高催化劑的比表面積以及活性相和載體之間的協同效應，催化劑的制備方法尤為重要，通過提高貴金屬的分散度，選擇合適的載體和制備方法，采用適宜的非貴金屬摻雜等進一步提高催化活性和熱穩定性，并降低其成本是下一步要解決的問題。非貴金屬催化劑中鈣鈦礦型催化劑和六鋁酸鹽系列催化劑表現出很好的高溫催化活性，因其價格較低，有著更好的發展前景。固溶體對于甲烷催化燃燒反應也有良好的催化活性和穩定性，但對此類催化劑的研究還較少，應引起研究者的重視。另外，將納米微粒制備技術應用于催化劑的制備，也能有效地提高催化劑的活性。總之，開發具有低溫高活性、高溫熱穩定性、抗機械和熱沖擊能力強、抗中毒能力和再生能力良好、整個生命周期符合節能綠色環保要求的廉價催化劑是催化研究的總體方向。微尺度和均相反應也將成為未來催化燃燒的一個嶄新領域。

參考文獻

[1] 亓新華，谷永慶，王紅娟.甲烷催化燃燒催化劑研究進展[J].天然氣工業，2007，27(2)：125～127.[2] 陸富生.甲烷催化燃燒催化劑催化理論與應用研究進展[J].化工時刊, 2009，23(2)：36～39.[3] 陳敏，王月娟，李君等.甲烷催化燃燒的新型載體[J].中國稀土學報, 2006, 24(1)：121～124.[4] 林聰.沼氣技術理論與工程[M].北京：化學工業出版社：21～37.[5] 嚴河清，張甜，王鄂鳳等.甲烷催化燃燒催化劑的研究進展[J].武漢大學學報，2005，51(2)：161～166.[6] 陳明，王新，焦文玲等.甲烷催化燃燒機理及催化劑研究進展[J].煤氣與熱力，2010, 30(11)：34～37.[7] Xu X F, Pan Y F, Cui X Y, et al.Catalytic Combustion of Methane over Ti-Pillared Clay Supported Copper Catalysts [J].J.Nat.Gas Chem., 2004, 13(3)：204～208.11

致

謝

本論文是在導師文書堂副教授的悉心指導下完成的。導師淵博的專業知識，嚴謹的治學態度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學術目標、掌握了基本的研究方法,還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此,謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝！

本論文的順利完成，離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助，在此表示深深的感謝。沒有他們的幫助和支持是沒有辦法完成我的學士學位論文的，同窗之間的友誼永遠長存。

久久99精品久久久久久琪琪,久久人人爽人人爽人人片亞洲,熟妇人妻无码中文字幕,亚洲精品无码久久久久久久

基于單片機恒壓供水系統的設計(本科畢業論文)

第一篇：基于單片機恒壓供水系統的設計(本科畢業論文)

第二篇：基于51單片機恒壓供水系統設計

第三篇：基于單片機的恒壓供水系統設計

第四篇：基于單片機的恒壓供水系統的設計與實現

第五篇：本科畢業論文(設計)參考（本站推薦）

相關范文推薦

本科畢業論文(設計)規范

本科畢業論文(設計)原創保證書

本科畢業論文(設計)致謝

本科畢業論文(設計)致謝[本站推薦]

51單片機畢業論文大全

變頻器恒壓供水教學演示系統設計

2014年本科畢業論文(定稿)提交系統使用說明

本科畢業論文