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随着我国现代化的进程不断加快#xff0c;城市居民生活水平不断提高#xff0c;随之而来的是房屋的翻新和重建#xff0c;但建筑层数的不断增高#xff0c;使得供水所需压力不断提高#xff0c;若建筑设计时对压力判断不足#xff0c;会导致供水时无法供应到高楼层…摘 要
随着我国现代化的进程不断加快城市居民生活水平不断提高随之而来的是房屋的翻新和重建但建筑层数的不断增高使得供水所需压力不断提高若建筑设计时对压力判断不足会导致供水时无法供应到高楼层给人们的正常生活带来极大的不便利。 本文在充分了解恒压供水发展由来国内外变频器发展历史及研究现状以及国内常用的几款控制器的基础上确定了以单片机与变频器结合的方式实现恒压供水其中主控制部分的控制核心单片机选用AT89S52型单片机其内部具有PID自整定程序可对检测回来的压力信号进行自动调整在此基础上并对外接模块进行设计和芯片选择压力转换模块其选用TLC549作为核心芯片、输出模块选用TLC5620芯片、驱动模块采用ULN2803芯片、键盘显示模块采用ZLG7290B芯片、存储模块采用X5045芯片、通讯模块采用MAX232芯片。 本次设计的恒压供水控制器将选用单片机与变频器相互结合的方式由于单片机本身的特性因此具有价格便宜编程方便的特点。加之变频控制器本身具有的节能、实时调节、延长寿命的优点使得本次的设计更加具有现实意义。
关键词单片机恒压供水系统PID控制变频调速
Constant pressure water supply controller design based on single chip microcomputer
Abstract With the accelerating the process of modernization in our country and city residents living standards improve, followed by the renovation and reconstruction of the building, but the increasing construction layer, make the water pressure increasing, when building design judgment to pressure is insufficient, can lead to water supply when unable to supply to the upper floor, to people’s normal life brings great convenience. Based on fully understand the development origin, constant pressure water supply inverter development history and research status at home and abroad, and domestic commonly used a few controller, on the basis of preliminary established with combination of single-chip microcomputer and converter to realize constant pressure water supply, the main control part choose type AT89S52 single chip microcomputer control core of the single chip microcomputer, the internal PID self-tuning procedure can be automatically adjusts for the detection of the pressure signal back;On this basis and external modules such as: pressure conversion module selection of its eight bits as the core chip, the output module TLC5620 ULN2803, keyboard display module, drive module USES the ZLG7290B X5045, communication module, storage module USES a design using MAX232, etc. The design of constant pressure water supply controller will choose mutual combination of single-chip microcomputer and converter, due to the characteristics of the micro-controller itself, so it is cheap, convenient programming.Combined with frequency conversion controller itself has the advantages of energy saving, real-time adjustment, prolong life, makes the design more realistic.
Key WordsSingle chip microcomputerConstant-pressure Water SupplyPID ControlVariable Frequency Speed Regulation
目 录
摘 要 I Abstract II 引 言 1 1 绪论 2 1.1 恒压供水背景及意义 2 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文主要研究内容 3 2 恒压供水节能原理及设计方案 5 2.1 变频恒压供水系统节能原理 5 2.2 设计方案及要求 7 2.3 系统结构 8 2.4 系统原理 10 3 恒压供水控制器硬件设计 12 3.1 硬件电路总体设计 12 3.2 晶振与复位模块 12 3.3 键盘显示模块 14 3.4 模拟量输入模块 16 3.5 模拟量输出模块 17 3.6 开关量输出模块 19 3.7 参数记忆模块 21 3.8 数字量输入模块 22 3.9 ISP下载模块 23 3.10 稳压电源模块 26 4 恒压供水控制器软件设计 28 4.1 PID控制算法 28 4.2 水泵切换条件分析 30 4.3 程序流程 33 设计总结 37 参 考 文 献 38 附录A 附录内容名称 39 致 谢 40
引 言
在城市建设飞速发展的今天人们对住房的要求条件越来越高楼房层数的不断提高使得供水难度不断加大住户用水难的问题不断发生对人们的生活带来了接连不断的麻烦。在这些问题面前如何研发出一套高性能、高稳定性、高可靠度的恒压供水器已显得迫在眉睫。 所谓恒压供水就是通过使用变频调速技术使得在任何条件下保证用户用水压力保持恒定。管道压力通过压力传感器采集后经压力转换模块在控制器中进行增量式PID控制调节当管导压力过小时变频器使频率提高加快水泵运行以此来提高水流量使得管道内水压升高。反之使水泵转速降低减少用户供水量使管网压力下降保证供水的压力不变。 在本次设计中控制器的核心器件我将采用单片机作为主控制器。相对于可编程控制器PLC以及恒压供水基板来说单片机由于其较低的价格短时间的开发周期以及无需专业的技术人员即可编写等特点脱颖而出。综上所述这次设计中控制器的核心将会采用单片机来进行制作。 变频调速技术作为近些年来的尖端技术其融合了一系列广泛学科和技术如变频调速技术、电机控制技术以及机械设计变频调速由于其卓越的调速能力以及高效的能量节约已被广泛应用到工业生产的各个方面。从上世纪70年代变频技术被应用到供水领域中至今使用变频器装置的控制器已经发展到具有一系列的完备功能从节能运行发展到系统稳定可靠运行均已经得到社会的普遍认可。因此在本次的设计系统硬件的选择与搭配、如何实现水泵之间的无缝切换以及有效的PID控制将成为侧重点。
1 绪论
1.1 恒压供水背景及意义 在如今时代水作为人们生活中必要的资源水在我们日常生活以及工业生产中有着不可或缺的重要地位。随着基础建设的不断发展人们对水资源的质量和供水稳定性的要求越来越提高。而且用水量的大小是根据其自身需求经常发生变化的因此用不上水和水量过多的情况在各地时有发生。而用水和供水之间的问题在于如何使这两个量在某一值达到平衡即为需水量大时供水量也大需水量小时供水量也小。现阶段摆在我们面前的主要问题是如何保证管网压力值的稳定使水资源消耗和水资源供给之间达到一个稳定状态进而提高了供水的效率和质量。 如今在我国的城市供水厂中水泵的控制方式基本利用电力拖动的运行方法水泵在工频状态下持续运行同时在最初设计时水泵的容量选择大多都偏大而在实际运行中水泵往往不能满负荷运行不只是造成了电能的无意义使用并且水泵的功能遭到重大影响。在实际运行中各地的用水量大小与设计初始供水量大小不符使得电机平均负载率低电机未能满负荷运转从而使自身身效率的变低。在传统的供水方式中管网水压的大小是通过调节供水阀的开启量来调节的这种方式便捷便宜但有着许多缺点如能源消耗严重水泵使用寿命变短等。当用户用水量增加时增加阀门开度当用户用水量减小时减小阀门开度但无论在哪种情况下水泵一直处于工频运行状态有相当一部分能量被损耗在阀门阻碍水流方面并且因为电机是工频启动并不使用变频器来开始软启动所以其所需求的启动时间较短管道中的水流从零迅速到达上限流量进而使得管道内的过压或欠压[1]产生了所谓的“水锤效应”这种效应对管道有着巨大的危害在管道内压过高时会引起水管的破损并伴随着较大的噪声反之管网内压过低时又会因压力不足而塌陷还有可能会损坏阀门和固定件。由于上述原因传统的供水模式在不仅相似的水平上存在着利用率低、稳定性不好、自动化程度不高的一系列不足[2]无法满足现在的工业生产和生活的要求。所以在如今以节约水电资源为主题的今天研究节能型、高自动化程度的恒压供水控制器是当紧迫的需要。 1.2 国内外研究现状 变频恒压供水的技术是成型较晚。这种技术是在变频调速技术成型后建立的。在初期的阶段因为技术发展的不成熟国外制造的变频器功能有限只能实现频率变换正转与反转切换、升速与降速以及电机保护这些功能。在控制系统中变频器仅仅作为一个环节而存在实现对用户需水的要求仅仅是一个方面另一方面是为了保证供水管道内的压力的为一固定值需要在变频器的外接模块添放压力检测装置以此来控制压力的实时变化。从浏览的文献中我了解到外国的恒压变频供水控制工程在建造时普遍利用一对一的模式即一台水泵只由一台变频器拖动。基本不存在一拖多的情况由此初期投入的成本比较多。在上世纪60年代丹麦的丹佛斯公司设计并首先推出了第一台控制器。在变频器发展逐渐完善后恒压供水的诸多优点如能耗低、控制效果好、高包靠性被国际上所认可之后许多国外的公司开始着手研究开发具有恒压供水的控制器。像瑞典、瑞士的ABB公司设计并生产了HVAC控制器恒压供水基板其制造商为施耐德公司这种供水基板包含“变频泵固定”、“变频泵循环”两种切换方式。这种供水基板采用了高度的集成技术将控制器和变频器集合在了一起再通过编写代码即可实现对水泵的拖动只需配备对应的组件单元便可以通过设备中的继电器进行工作供水系统所能拖动电机上限为7台[2]。为了减少制作时的成本这种控制器使用了卫华里结构导致了输出的功能受限且控制器的能力受限因而影响了稳定性而且使设备的容量缩小由此在正常使用时往往无法达到预期指标。 如今我国有很多厂家在做控制器设备但他们使用的控制器核心变频器大多都是从国外进而来几乎没有我国自主研发的。在恒压供水控制器上控制单环的核心不外乎三种他们为可编程控制器、单片机、供水基板。但国内生产的恒压供水控制器就使用效果来说和国外的还有较大差距无法对所有客户提出的要求进行满足。艾默生电气公司和成都希望公司也都生产过专用的供水控制器这种控制器将控制核心集成在控制盒内部可直接使用所允许拖动的水泵上限位4台可以实现水泵的循换切换、按时起动、暂停和定时循环、从属泵启动等功能。该公司制造的变频设备PID控制与水泵循环启动功能结合在控制盒里面来完成设备功能尽管大大节省了设备的占用空间但由于其较小的体积使得拖动设备的容量较小同时参数设计不人性化且无数据传输因而只会在低端场合使用。根据上述的国内外变频器产品的生产现状我们能够知道在现今的这个阶段国内外的变频恒压供水控制器仍处于不完善的阶段仍有很多不足之处。因而变频恒压供水控制器的功能仍有进步空间为了使其能够自动适应工业和日常生活的不同需求[3]我们需要进行深入研究。 1.3 本文主要研究内容 本文主首先经过对现有变频恒压供水系统学习与探讨根据现有用户对供水系统的需要确立了以高可靠性、应用便捷、检修便利、编程容易的控制设备变频器和单片机作为主要设备来设计恒压供水控制器系统以此来保障设计出的产品有保障的基础上体现出造价便宜节约能量等特点。详细而言论文主要包含以下内容 1本次设计首先对设计题目进行剖析和研讨的之后提出了自己对恒压供水的看法以及系统设计的思路 2研究和讨论了恒压供水的节能原理明确了设计的要求并简要说明了控制器的原理与使用步骤。 3论文就变频恒压供水控制器中的整体设计做出了规划并对电源电路、最小系统电路、模拟量输入输出电路、数字量输入输出电路、ISP下载电路、键盘显示电路进行了设计。 4论文主要对PID控制原理、水泵如何切换进行了讨论并对单片机控制主程序流程、控制程序框架、PID控制流程等问题设定进行探讨研究。
2 恒压供水节能原理及设计方案
2.1 变频恒压供水系统节能原理 图2.1中的两条曲线的特性存在的前提条件是要保持阀门的开度恒定。由图2.1可以看出在扬程特性曲线中流量与扬程近似成反比关系流量增大的话扬程就会变小。为了研究流量的快慢与用户耗水量的多少有关需要使其它变量保持某一恒定数值。因而由图中曲线我们可以发现扬程函数曲线所表示的为扬程H与用户耗水量Q(u)的函数。在水泵转速恒定时才能表示出管道阻力的函数曲线这条曲线被定义为在阀门恒定为某一数值不变扬程H与流量Q之间的函数关系。管阻函数曲线所反映的是异步电机克服水压阻力做功的大小。由图2.1可知扬程H与流量Q成正比例函数即在阀门开度为某一相同值的条件下H的增加会引起Q的增加[4]。因为阀的启程度实时变化其实质上是在扬程值确定的条件下改变管网对提供水的能力的大小。因而管阻函数曲线所展示的是扬程H和供水流量的函数表达式Hf()。这两条函数特性曲线的交点被叫做供水工作点其为图2.1的A点。在这上面系统的供水量与用户的耗水量在误差允许范围内可以近似看做一样。进行供水时在管网内既可以维持扬程特性又满足了管阻特性于是在这个点上整个环节可以稳定运行。 图2.1 供水系统的基本特征
在变频供水中供水设备构成主要是由大型电机、水泵电机、管网以及阀门构成。一般系统运行中水泵由电机拖动运转在设计时我们把水泵和电机看做一个整体利用变频器改变频率以此来调节运行速率最后通过水泵来改变管内压。因而通过电动机带动水泵运转调速就是其工作本质。异步电动机的调速原理是改变电压频率进而来改变电机转速来实现的。异步电机的转差率定义为 2.1 异步电机的同步速度为 2.2 异步电机的转速为 2.3 从公式2.1、2.2、2.3我们可以看出当p为某一恒定值时转速n与频率f成正比例关系。因而电机同步转速是由供电的电压频率来进行调节的这样转子的转速可以根据电压频率而自由变化。在电机进行变速时采用变频调速的优点在于无论转速如何变化电机转差率拨动较小因而变频调速体现出了其机械硬度高、调速范围广、调节时平滑、稳定性高等的一系列特点[5]。因而变频调速在工业生产中得到了普遍应用尤其是在调速设备中有着较为突出的优点。在供水控制系统中恒压控制的方法有两种。其一是阀门控制法这种方法的前提条件是要保持电机的转速恒定不变在此基础上改变阀门开启程度来控制水流的多少。这种方法实质上利用阀门开启程度大小来阻挡水流来改变水路中的阻力来实现压力调节。因而管道内的阻力只是由阀门的开启程度来决定的。但这种方式的问题是在实际生活总用水量的大小是实时变化的采用这种方法必将使阀门的开启程度在某一时间段不变这样会由于阀门开度不变使管网内压力过大或过小。第二种调节方法是转速控制法这种方法是在阀门开启程度保持恒定的前提下利用变频器调节水泵电机的转速来改变管网内流量其本质是改变水的流速快慢来调节流量。因而管阻要不能改变而扬程会根据电机的速率变化而变化。变频调速属于转速控制模式。这种方式水泵电机根据用户用水量变化自动调节转速使管网压力保持某一数值不变用水量增加水泵运转变快反之用水量减少水泵运转变慢[6]。 图2.2 管网及水泵的运行特性曲线
当采用调速控制法时假设设定压力是变频器接入的水泵转速是管阻特性曲线是扬程特性曲线为这是系统的特性点从E改变高D。这是由这四个点所构成的矩形的面积为 2.4 再由图中我们可以发现使用调速方式相比于阀门控制节能的大小为 2.5 因此当采用第一种方法时有的功率被消无意义耗了而且随着阀门的开启程度减小直至全部合并管道内的阻力不断升高由此管阻的函数也会升高系统运行的工作点也会上升于是压力增大而被在这个过程中被浪费的能量也就变大。依照变频器控制运行的规律速度变化的各个变量的比例关系为 2.6 在式中下标为1的表示速度变化前的各个变量下标为2的表示速度变化后的各个变量。通过这三个等式我们看出在能量消耗的方面采用调速方式的节能效果明显优于采用阀门的方法因而在本次设计中会选用调速方式作为恒压控制方式。 2.2 设计方案及要求 本次设计方案为使用通用变频器与以单片机为中心的PID控制器的恒压供水方案其外围配有键盘与显示模块参数记忆模块电机驱动模块。这种方式具备器件价格低制作简单检修和设定方便的特点加之相对于可编程控制器其以低廉的价格与较短的开发周期成为设计的不二之选。 在本次设计中要求以AT89S52单片机为中心[7]采用多台水泵组合方式运行实现恒压供水水泵的工作方式可以灵活配置。模拟量信号采用标准的电流或电压电信号开关量信号应进行安全隔离系统以增量式PID方式进行闭环调节PID参数可根据现场状况自由设定。系统具备友好的人机界面具有参数记忆功能。 设计参数 1控制器可实现最多4台水泵组合运行包含三台大泵和一台从属泵。 2系统中只有一台变频运行的电机其他电动机不运行或处于工频运行。 3三台主电机以按设定模式启动或停止。 4管网水压过小时可利用的第4台泵附属泵工作。 2.3 系统结构 若想全部完成变频恒压供水的流程不能单单只考虑如何设计实现恒压控制器功能而且要考虑到供水过程中各个流程的配合。欲使压力实现自主调节需要在检测器、控制器、变频器、水泵机组之间构成一个PID闭环调节系统[8]。该系统经过安装在水管上的压力传感器将压力信号检测回来再经过以单片机为中心的控制器进行压力调节再将调节后的参数送入变频器最后对水泵进行调节。恒压供水的控制流程图大致如下 图2.3 系统控制原理图
当偏差值大于0时,表明供水压力过小现阶段的管网压力过小需要增加单片机经过PID运算后将信号传给变频器利用其提高水泵转速升高管网压力[9]当偏差值小于0时表明供水压力过大现阶段的管网压力过大需要减少单片机经过PID运算后将信号传给变频器利用其降低水泵转速减小管网压力。使用单片机控管理水泵的状态管网的压力围绕设定压力值附近波动进而使管网压力维持不变达到设计的目的。 在强电电路中变频器的主电路输出端子通过接触器接入到三相异步电动机上三台水泵均具备变频、工频两种运行模式因而每台水泵均要求经过两个接触器分别连接工频电网和变频的变频器。系统强电部分电路图如图2.4所示
图2.4 系统强电结构图
变频器[13]的构成元件为电力电子器件以及控制核心微处理器。它能依照根据设定的上下限输出这之间的任意频率。在供水系统中变频器的作用是受控制器的控制经过控制器输出的模拟电压或电流控制变频器再由变频器输出合适的信号控制水泵运转进一步改变水泵的转速这个过程即为变频调速通过这种方式最终可以达到恒压供水的目的。 本次设计采用三台主水泵加一台附属泵构成恒压供水控制系统来确保压力的实时可以调节正常情况下三台主水泵工作用水量较少时关闭主水泵开启从属泵。水泵电机启动时为软启动方式具备变频器故障和欠压检测停止的系统功能可设定压力限值。 2.4 系统原理 系统的运行步骤如下所示 1初始阶段系统上电控制器上电向变频器发出信号利用变频器拖动水泵M1软启动在读回压力表压力值后经过单片机根据读取的压力与设置的参数进行比照后进行PID调节再输出给变频器从而调节水泵M1的转速当输出的压力与设定的相差不多时说明供水达到稳态值这时水泵转速才会稳定在某一恒定值这时M1运行状态为变频运行。 2当用户的用水量持续变大引起管网压力变小时需要通过PID调节提高水泵电机的转速使电机转速提高到另一个平衡值。当用户的用水量减小使管网压力变大时经过PID调节使水泵电机的转速变慢使管网水压改变为另一个新的平衡值。 3当消耗的水量持续变多若变频器的输出频率已将达到上限频率50Hz时如果此时的管网实际压力仍不能使得压力平衡且符合增泵条件系统将变频器从M1上切断将水泵M1转换为功率状态运行M1进入工频运行状态同时将变频器接入水泵M2使之软启动然后进入变频状态运行系统使用水泵M2进行变频调节再次进行调节管网压力上升。如果供水量仍无法满足条件且符合增泵条件将再次发生水泵切换并将水泵M3接入变频器。当水泵M3投入运行系统处于满负荷运行在选择时要考虑用户压力上限。 4当由于用水量减少而使管网压力变大时变频器使水泵减速。当变频器频率达到设定下限值若此时管网压力仍无法降低到设定值并且满足切泵条件系统将最先开启的且在工频状态下运行的水泵关闭使得管网压力再次下降。若管网压力还过大并且满足切泵条件将继续发生上述切换直到系统中只存在一台水泵且这台水泵为变频运行。 5当系统中只留有一台水泵在变频状态工作并且这台水泵的运行频率已经降低到下限频率时若此时满足使用从属小泵条件则关闭主水泵。系统开启从属泵M4进行小压力供水。若附属泵已经达到设定的限值且此时从属泵提供的管网压力无法满足用户压力值则经过一段时间延时后关闭附属泵将变频器接入主水泵利用实施变频控制再次进行循环工作过程同2、3、4步。
3 恒压供水控制器硬件设计
3.1 硬件电路总体设计 经过第二章所描述的恒压供水原理及对市场上的恒压供水设备了解后系统的设计图如图3.1所示 图3.1 系统硬件框图
在上面的硬件框图中A/D转换将采用TLC549芯片D/A转换将采用TLC5620芯片键盘与显示模块选用ZLG7290键盘显示复用芯片参数的记忆与存储选用X5045多功能芯片系统故障与缺水需要的或门选用74LS32芯片。 3.2 晶振与复位模块 AT89S52单片机是一种具备电能消耗低、只需要5V电压、性能调节好等特点的8位单片机。其存储器为一个4K且具有可重复编写只读存储器在设计时芯片采用CMOS工艺并且利用高密度良好的保存性的存储器技术输出的指令系统与其它51系列的单片机有较好的兼容性。由于其采用Flash存储器在编程时可以直接在系统内编程[10]。由于51系列的单片机造价便宜且具有良好的兼容性已经被广泛应用到生产和生活的各个领域。 AT89S52内部含有一个8位的CPU程序存储器容量为4K数据存储器的容量为256个字节具有P0-P3四组I/O口串行口的工作模式为双工型模式可同时接收和触发6个中断源。由于芯片制造技术和工艺的不断规模化大型化使51系列的单片机的制造成本越来越便宜是简单设计的首选芯片所以本次在设计中选用其作为主控制器模块。其最小系统如图3.2所示
图3.2 最小系统电路
在最小系统模块中晶振大小选为12MHz这种频率的晶振使用最为广泛可以适用工业当中且复位电路采用最简单的RC复位电路电阻R的作用是控制系统复位的时间的长短电容的充电时间与RC值的大小成正比例关系。 3.3 键盘显示模块 在单片机的应用系统中显示模块通常采用数码管动态扫描、LCD、液晶显示屏等方式。下面对各个方法进行详细阐述。 方法一采用数码管显示器。数码管显示器体积小编写程序容易但显示字符内容有限。 方法二采用LCD显示器。LCD显示器具有显示信息量大能耗低体积小等一系列优点。 方法三采用液晶显示屏。采用液晶显示屏可以显示比前两种方法等多的字符和字母但其缺点是价格昂贵。 对以上这三种方式进行对比以及考虑到变频恒压供水控制器的成本以及显示相对简单不需要显示中文只需显示数值因此选择第一种方式。 对于键盘显示模块我选用ZLG7290B作为控制芯片。这个芯片为键盘显示专用芯片可以自动滤除抖动并对按键进行识别。接口可以选用I2C总线并具有连击判断功能。控制器使用ZLG7290B芯片作为键盘的接口芯片这个芯片作为国产芯片其价格较为便宜且接线少。ZLG7290B的驱动上限为8位共阴极结构的LED数码管并且最多可以对64个按键进行扫描识别。由于ZLG7290B采用C总线连接方式。端口占用少且键盘显示复用降低了编程难度。 在设计的键盘显示中共使用四个按键具有系统开启与停止功能切换数值增减的功能。如图其中按键S2具有系统的启动与停止功能初始状态下按下S2系统启动按键S3为功能切换系统正常运行时LED上显示实时压力值当按一次按键时系统进入上限压力设定模式。当按下两次按键时系统进入下限压力设定模式。当按下三次按键时系统进入小压力设定模式。当再次按下按键时系统恢复显示界面。按键S4和S5是用于在各个模式时对压力增加和减少所使用的。 图3.3 键盘显示系统图
在系统运行时先通过IIC的接口即引脚P1.5与P1.6与单片机通讯后利用ZLG7290内部的寄存器来实现按键去抖与键值的读取最后通过显示缓冲寄存器来实现数据的显示。 在编写程序时最主要的是键值的读取与将所要显示的数据发送到显示缓冲区这两个子程序。 unsigned charZLG7290_GetKey(void) { unsigned char rece; rece0; IRcvStr(ZLG7290,1,rece,1); DelayMS(10); return rece; } 这个函数的功能为键值的读取若输出大于0则表有按键按下并读取其键值若输出为0则表示无按键按下。其中IRcvStr这个子函数为IIC中的读取多字节数据函数DelayMS表示延时函数其延时时间可以根据设计的要求来改变。 void ZLG7290_SendBuf(unsigned char * disp_buf,unsigned char num) { unsigned char i; for(i0;inum;i) { ZLG7290_SendCmd(0x60i,*disp_buf); disp_buf; } } 这个函数表示将读取的数据发送到显示缓冲区当中去输入的disp_buf为要发送数据的起始地址num为要发送的数据的个数通过这个函数就可以将想要的数据显示出来。其中ZLG7290_SendCmd的函数功能为发送数据命令。 3.4 模拟量输入模块 模拟量输入模块是将采集到的压力信号经过这个压力采集模块将模拟量转换为数字量供给单片机内部调用。 由于本次设计中所用到的端子比较多压力变换将采用串行模式用以节省I/O口因此采用TLC549来实现目标。TLC549作为美国德州仪器公司生产的具有8位串行功能的A/D转换芯片。可与通用微处理器连接。在连接时利用I/O 口、/CS、DATA 这三个端子进行串行通讯。在芯片内部包含一个4MHz的晶振时钟转换所需最多时间为可达17μsTLC549所允许的最大变换速率可达40000次/s。总失调误差最大是±0.5LSB通常的功率消耗为6mW。由于设计时的电压输入为差分式输入可以根据不同的量程来进行变换输出具有较强的抗干扰能力接地1V使用在较小信号的采样。图3.4为TLC549的内部框图及管脚名称
图3.4 TLC549引脚图
在设计时由于需要运算放大器其可以在LM358和LM1458之间选择由于在系统使用时需要±12V的电压供电并且LM358为单电压不满足设计需要而LM1458为双电源且其价格十分便宜因此选用LM1458作为运算放大器。
图3.5 LM1458结构图
如下图为压力采集模块电路其输入信号为压力表检测到的压力模拟信号压力信号经过压力采集模块电路转换为数字量信号再输送到下一环节中去再转换的数字量经过PID调节与变换输出到D/A转换电路。 图3.6 A/D转换电路图
系统工作时从压力表传输过来的模拟量压力信号首先通过第一个LM1458运算放大器进行模拟量信号的调节将其变换为电压大小符合芯片要求的信号但其数值与实际值正好相反因此需要再通过一个LM1458运算放大器使得信号的符号逆转过来。 3.5 模拟量输出模块 由于不同的变频器对模拟量输出有不同的需求有的为4-20mA标准电流信号有的为0-10V电压信号。考虑到这些因素因此在本次设计将采用TLC5620芯片作为D/A转换模块同时将TLC5620输出信号经过扩展模块分别输出电流、电压信号使得系统大大简化制版所需面积变小系统板的制作成本也就减少了。 TLC5620作为TI公司生产的8位D/A转换芯片其VCC所需电压为5V标准芯片电压芯片功耗低。这种芯片可以使用CMOS电压也可以与一般兼容串行输入只需要4根口线进行操作适合于工业级的芯片或单片机。适用于可编程电压源、数字控制放大器/衰减器、信号合成、移动通信等工业控制场合。其芯片结构图及管脚名称如图3.7所示
图3.7 TLC5620引脚图
单片机将PID调节后的信号经过DATA端子送入芯片中在TLC5620中进行D/A转换经过转换后的信号在被送入变频器中用于改变电机转速电路图如图所示运算放大器采用LM1458这种接线方式使用较少的引脚为系统节省了很多空间。对于0-10V的模拟量输出输出时利用LM1458输出电流电压两路信号利用其连接电阻的大小来控制放大倍数。其硬件图如下 图3.8 D/A转换电路
在使用时单片机转换来的信号首先通过P1.3进入转换芯片中然后由于TLC5620芯片输出的模拟量信号的大小是根据其REF端输入电压大小基准源来决定的其公式为 (3.1) 在公式中表示输出的转换而来的模拟量电压信号表示REF端接入电压的大小CODE表示从单片机中接收到的经过PID调节的数字量信号RNG表示增益的倍数在设计时取值为0对信号不进行放大使其从数字量转换成对应的模拟量。 3.6 开关量输出模块 开关量输出模块采用8路开关量输出可以控制8个继电器开关从而控制4台电机在工频或变频状态下运行[11]。本次驱动器选用ULN2803具有8路输出满足正常使用的要求并有一路没有接入电路作为备用。ULN28031-8脚为开关量输入信号9脚接GND10脚接负载电源。这个芯片一般使用时大多都接入感性负载如继电器、电磁阀等器件之所以在芯片内部设置了反接的续流二极管其目的是当1脚电压为0V时系统内部不能构成闭合回路从而防止芯片被烧坏。输入点位为TTL或5V的标准电压值。输出最大可达500MA/50V能够驱动大电流负载也可以直接驱动继电器可用于电平转换。其芯片引脚图如图3.9所示
图3.9 ULN2803引脚图
系统驱动电路如图3.9所示通过AT89S52的P0口输出信号来控制驱动芯片驱动芯片ULN2803接收到信号好在控制继电器K1-K8进而控制异步电动机M1、M2、M3、M4的变频和工频运行。例如当P0.0端口收到的信号为“1”时2803控制继电器K1闭合电动机M1以工频状态运行当P0.4端口收到的信号为“1”时2803控制继电器K5闭合电动机M1以变频状态运行。其余电机的控制方式如上述所示。这样三台主电机运行在工频和变频状态的实际基本上近似相当这样避免了某一台电机过度工作和长时间不工作。为了防止在工频和变频状态切换时电路发生故障在设计时控制器要考虑到继电器保护和系统锁定以确保工作时的稳定、安全。
图3.10 驱动电路系统图 控制器工作时根据程序设计的工作流程单片机将信号发送给ULN2803A再通过其控制器继电器的吸附与断开。 3.7 参数记忆模块 系统利用存储模块来记忆设定值当系统关闭或失电时设定值能够被记忆在芯片中再开机上电时系统通过读取EEPROM中的数据进行运行无需在进行参数设定。串行EEPROM存储器多采用SPI总线和C总线接口接口接线大多使用4根线路来连接具有占用面积小传输速率快等优秀特点。因此本设计采用Intersil的X5045芯片。X5045芯片具有4合一的多种功能如复位和参数记忆功能。设计时采用这种芯片可以大大减少占用面积以及元器件的使用。其电路图如图3.11所示
图3.11 EEPROM电路图
如图所示X5045的RST引脚与单片机的复位引脚相连接在上电工作时X5045的RST引脚也会上电工作在有效状态时刻监视着系统状态防止系统工作在低电压状态或者在振荡器震荡时工作。在设计时本次只使用其复位和数据的记忆与读取功能。 在程序编写时最主要的是参数的写入和读取函数,其中写入函数为 Void Write_X5045(uchar Writer_data) //X5045写入数据 { unsigned char i; for(i0;i8;i) { SI(bit)(Writer_data0x80); SCLK0; SCLK1; Writer_data1; } SI0; //使SI处于确定状态 } 读取函数为 Uchar Read_X5045(void) //X5045读取数据 { unsigned char i,Read_data; for(i0;i8;i) { SCLK1; SCLK0; Read_data1; Read_data|(uchar)(SO); } return Read_data; } 3.8 数字量输入模块 在控制器的设计中需要对变频器故障以及管网缺水这一系列问题进行及时处理。所以在设计中将这些问题通过或门接入到单片机当中。因此在本分别为变频器故障和缺水报警信号其通过一个或门与单片机相连接只要其中一路信号有效控制器就会切断信号。每一路都经由光电耦合器输入用以保证输入信号的光电隔离避免强电电路对控制器产生电磁干扰。其输入电路如图3.12所示所示
图3.12 故障处理电路图
在使用时系统工作正常条件下变频器故障开关与缺水开关为开启状态或门输出值为0单片机对其不做任何反应一旦当其中某一个开关闭合时即为发生故障此时的或门输出值为1触发单片机的故障信号由于或门输出引脚接入了单片机的P3.3系统中断引脚发生故障系统立即进入中断模式使整个系统停止工作以此来保护设备。 3.9 ISP下载模块 RS-232做为计算机通讯接口的一种其是一种较为古老的异步接口方式。DB-9和DB-25位这种通讯模式的常用接口。由于现阶段的RS-485总线、CAN总线等的普变应用这种方式在长距离的通讯方面已经几乎被淘汰了。并且这种通讯接口的最大传输速率不能超过110Kbps相比于前几种总线速度略满。RS-232主要使用MAX232芯片对 MAX232芯片进行简要介绍一下 MAX232芯片是美信公司为232接口所生产的通讯芯片供电时Vcc所需电压为标准5V电压信号。设计时满座所有RS-232协议标准。功耗低所需要的供电电流为5mA。在MAX232芯片内部包含了2个RS-232C的驱动器。由于其设计时集成度较好外部只需添加4个电容就可以进行通讯。 图3.13 MAX232引脚图
单片机通过MAX232接口可以与PC机之间进行通讯。只需要4个电容进行电平转换即可使用。其接口电路如图所示 图3.14 通讯模块电路图
在电路图中MAX232芯片上要外接电容因为想要成功进行通讯必须要满足232的工作条件所以ISP通讯模块共分为两部分第一部分为电荷泵电路这部分电路由引脚1、2、3、4、5、6这六个引脚所连接的电容构成这几个引脚通过电容能够产生12V和-12V的电源供电给芯片使其能够正常工作。系统的第二部分为数据转换通道其由引脚7-14组成数据从T1IN引脚输入后经过芯片转换为RS-232协议的数据后从T1OUT端口送入计算机的DB9插头计算机再通过DB9插头将RS-232数据从R1IN输入转换成电平数据之后从R1OUT输出。 若要通过232实现单片机与计算机的成功通讯首先需要在计算机中安装232的驱动安装成功后期端口可正常使用如图3.15所示 图3.15 驱动安装图
在成功安装232驱动后通过stc-isp下载软件可以成功将编写生成的.hex文件成功下载进单片机中下载成功的界面如图3.16,3.17所示 图3.16 下载界面
图3.17 下载界面
3.10 稳压电源模块 稳压电源的构成部分有输入变压器、变流器、系统滤波、稳压调节这几大主要部分。变压器是利用绕组实现电压变化的器件。整流器能够将交流电黄钻变为直流电其可以由真空管、引燃管、汞弧等元件制成。滤波器是将杂波和特定频率的波过滤掉是抑制和防干扰的重要方法。稳压器是调整最终输出电压的部分其作用是过滤掉有较大部分的拨动并使小部分波动稳定在固定范围内。直流电源大致框架如图3.18所示 图3.18 直流电源框架
在本次设计中所使用的5V电压设计中变压器采用一二次电压比为220/10即22倍将输入的工频电压220V转化为10V的电压。整流器采用桥式整流由于电路的输出并不是很大且需要考虑成本使用三相桥式电路会增加设计的复杂度和制作成本。所以我选用单相桥式的方式。为了使设计尽可能方便滤波器使用π型RC滤波电路。稳压器采用三端电压稳压器电路在设计时选择LM7805作为电子电压稳压器其具有成本低、效率高、体积小、文波小和稳定度高等优点所以本次设计将采用其作为稳压器。对于在设计中要使用的12V电压将选用LM7812和LM7912作为稳压器其稳压电源模块设计图如图3.19所示 图3.19 稳压电源电路图
4 恒压供水控制器软件设计
4.1 PID控制算法 在硬件部分我们主要对输入和输出的模拟量信号变换的硬件部分进行了主要的讲解但对于控制器如何实现却没有过多描述因此在这一部分我们将对PID实现过程进行论述。 在变频供水中变频器通过改变频率来控制水泵的运转速度异步电机的数学模型使得具有较多参数的系统表现出高阶次、线性度差、耦合性好等特点再加之城市地下管网的管阻特性具有死区和非线性的特点[12]。因此供水系统的数学模型具备阶次高、非线性、滞后大、耦合性强、变量参数多、参数变动快等特点经过研究和计算是很难得出既精确而又有效的表达式和得出准确的数学模型。此外在城市管网中管道的设计往往是根据城市的地形地质进行设计其结构往往较为复杂、弯道多使得参数变化无常无法建立准确的数学模型并且用户根据自身需求的大用量和小用量时间没有规律。另外如今是供水设施中多数利用三台及以上的水泵分时运行当水泵从工频向变频或从变频向工频变换时由于无法实现无扰动切换会使得电网电压产生波动这个波动等效于在控制中加入了一个干扰量严重影响系统的稳定性。PID的简易结构图如图4.1所示
图4.1 PID控制图
在工业生产中简单的PID控制模式为采用最多的控制模式PID控制器发展至今已经有快一个世纪其具有一系列优点如参数量少、表达式简单、稳定性好等一系列的优点而在工业控制中被广泛使用。常规PID比例、积分、微分控制由比例部分、积分部分和微分部分这三个部分构成一般PID调节器具备系统构造简易、性能稳定、有保障等优良特点在生活和生产中很方便调节和计算如今很多的高级控制是从常规PID演化而来的。PID控制器有以下三大功能1提供参数反馈控制2系统的稳态误差可以有积分作用减小甚至消除3通过微分作用来预测即将到来的变化。以上这些特点一方面是因为PID控制器执行方式简单并且通常不会有较大变动在正常使用的过程中都会体现出控制的鲁棒性在另一点上是由于在PID控制器中直接改变比例、积分、微分任意一个参数就可以改变结果。因此PID控制是如今控制算法中发展最完善、应用最普遍的控制[13]。PID控制具有如下特点技术发展成熟无需模型架构控制结果好易于上手和调节。作为线性控制器大类中的一类PID控制器的计算方法是利用偏差e(t)进行探究和设置: 4.1 参数首先经过比例、积分和微分运算后得到所需量u(t)再经过其对受控目标进行控制由此其被叫做PID控制器。系统的主要组成部分为PID控制器核被控制对象。其中PID控制规律为 4.2 式中参数意义为为比例系数为积分时间常数为微分时间常数。 下面我简要阐述下PID各环节作用 1比例环节作用比例调节是PID调节方式中最基础的调节方式比例调节顾名思义就是以一定的比例反应偏差的大小是最基本的调节规律。调节器输出P与其输入偏差e之间调节为线性调节方式。比例调节作用反应迅速由于其为一次函数所以不存在滞后但会出现调节余差。比例环节仅仅作为放大环节而存在即使系统中存在偏差系统的偏差会由于比例系数的变大而变小但不会消失在设计时比例系数要进行预估以防比例系数的过大过小使得系统的不稳定甚至震荡。 2积分环节作用积分环节是系统输出与偏差时间之间的函数关系。积分环节的基本作用是减小甚至消去静差。积分系数变大静差消除所需时间也就越短但如果积分系数设定值过大有可能会出现积分饱和导致系统的超调量超过预期设定值若积分系数设定过小会使得系统中会残留有静差调节准确度变低从而将延误响应速度延缓了调节时间使系统的静态性能和动态性能较差。 3微分环节作用微分环节是反应系统对偏差反应的快慢其能够预测偏差的变化在偏差信号偏离正常前在系统中加入一个调节信号使得系统回到正轨上从而减少调节时间。当微分系数设置过大时系统提前制动调节时间变长而且严重时系统的性能会被严重干扰。 比例调节、积分调节、微分调节这三种作用是互不影响的。改变PID其中一个环节只会对其所反应的现象进行改变。然而对于如今的控制系统来看只是用PID其中的一种都无法满足如今的控制需要。现阶段的设计大多是采用比例、积分、微分之中的两种甚至是三种才能得到理想的效果。 自从电脑被应用于控制系统中来之后电子计算机就成为PID参数控制的主要方式采用计算机控制系统具有更大的便利性和可靠性[14]参数更加多变可调。 在简单PID调节中有两种PID控制算法一种为增量式算法另一种为位置式控制算法。其中PID位置控制算法表达式 4.3 PID的位置算式是利用系统所有偏差进行计算的一方面需要对本次和前一次的偏差进行计算而且在计算时要把从系统开始到现在所有的偏差进行累加计算量非常大且易出现误差此外由于高额的累加对计算机的内存要求也非常高在另一个角度来看u(n)代表着设备运行过程中的各个参数偏差之和假使其中的某一部分发生问题将会导致累加的u(n)与预期偏离更严重的后果可能使设备输出改变导致发生事故这在实际应用中是被禁止的。因此在本次设计中PID设计将选用增量式PID控制算法[15]其数学解析式为 4.4 4.2 水泵切换条件分析 在系统的硬件部分中我们主要对继电器的工作过程做了简要论述但没有介绍继电器的工作顺序与工作流程因此在本节中将对水泵如何工作进行论述。 系统在进行变频恒压供水时首先变频器接入水泵M1再进行进行软启动后进行供水。在水泵M1运转期间内单片机根据压力传感输入的数据与设定值对比后通过PID调节将输出信号送给变频器以此来控制水泵M1进而维持管网水压恒定不变。若系统中需水量仍旧变大且变频器已经达到电网上限频率若这时若管网压力仍无法与设定值达到平衡经过一段时间延时后由单片机给出控制信号将水泵M1与变频器切断使水泵M1在工频状态下运行同时使变频器转接到水泵M2在进行软启动后控制其再变频状态下运行。若这时的居民耗水量仍在变大且水泵M2输入的频率上升到50Hz这时的两个工频运行的两个水泵提所提供的管内压仍无法满足用户的压力依照上述进程添加水泵台数直至满足用户水压要求。在整个系统运行的过程中要使起初工作于变频状态的水泵顺利切换到工频状态工作新启动的水泵应在变频状态下工作在水泵的工作过程中变频器只能拖动一台水泵进行变频调节[16]。 当用户用水量减少时单片机通过PID控制作用反应给变频器降低水泵电机运转速度来维持用户用水压力的恒定。若变频器的输出频率为设定最小的时候用户耗水量仍超过设定为了防止误操作在经过设定的时间延时之后按照先启动先停止的规律单片机发出指令关闭系统中最先工作在工频状态下的水泵PID再根据变化的偏差算出所需要升高的频率再发送给变频器以满足用户用水压力的要求从而维持管道中水压的恒定。 若整个环节中只有一台电机在变频运行时若用户耗水量仍然下降并且变频器的输出值抵达了设定最低值若这时若无法降低到设定压力经过一段时间延时后断开水泵电机将边变频器接入到辅助泵水泵M4用其进行小幅供水。 为了使系统在较长时间内各个水泵运行较为均匀以此来避免水泵长期放置或一直处于工作的状态出现供水状态的切换方法按照“有效状态循环法”的原则进行操作。 有效状态循环法的原则为在整个系统中有N台水泵进行变频调速则满足“先启先停”的原则的最大有效状态数为。将来的供水状态就会在这些有效状态内来回循环[17]。 在本次设计中由上述公式可以知道有10种水泵的运行状态其转换方式如图所示 图4.2 供水状态流程图
水泵运行的各个状态如图4.2所示。在图中我们可以发现供水状态的转换关系不仅与其各个水泵的运行状态有关还与其切换条件有关。 各个状态之间的转换时按照变频器上下限品频率以及管网压力上下限来设定的。设变频器上限和下限频率为F1用户用水压力最低压力为P2用户用水压力最高压力为P3。 从从属小泵转换到大泵需要满足P2 从大泵切换到从属小泵需要同时满足F1和P3 增加水泵需要同时满足F1和P2 切除水泵需要同时满足F1和P3。 通过上述介绍我们了解了水泵的转换方式接下来我们对变频和工频的切换做简要介绍。从从属小泵切换到主泵只需要将变频器从属小泵上切掉即可并将变频器接入到主水泵对主泵进行软启动使之运行在变频状态下即可。 水泵电机切除的过程相对容易只需要直接将工频水泵电机直接切除即可。由于水泵增加需要进行软启动而水泵切除并不需要所以其较为麻烦其需要将即将进入工频状态的水泵和变频器脱离后使之运行在工频状态下同时变频器需要接入新的水泵并对其进行软启动[18]。在水泵运行的各个过程中禁止有变频器控制多台水泵的情况出现。 4.3 程序流程 根据设计的硬件的各个部分在程序编写时需要进行模块化方式编写基本的程序模块应该包括主程序、中断服务程序、各个功能模块子程序。实现的功能应该包括压力的检测与读取模拟量与数字量之间的相互转换键盘与显示功能、PID控制等。 在主程序中首先定义各个接线端口并对各个芯片以及参数进行初始化设置在这之后进入不断的循环中等待中断在系统出现中断后调用键盘显示子程序在这个子程序中通过键盘来改变设定参数值的大小来改变压力上下限值的大小。然后反馈到四位数码管上来。 主程序流程图如图4.3所示
图4.3 主程序流程图
在初始状态下系统上电系统根据已设置好的参数工作。若根据实际情况需要改变压力的上下限程序进入参数设置支路[19]。在这个支路中首先进行按键检测若为误按则返回主程序若在延时去抖后发现确实有键按下则进入参数设定程序在这个程序中可以对频率上限、下限、附属小泵启动频率进行设定。在参数设定完成后将其保存到存储模块中在系统关闭重新启动后仍可以以设定值运行。在参数保存后返回主程序接着执行循环。若没有参数变化程序进入工作状态将压力信号读入到单片机内部与设定的压力进行若满足设定压力的要求则维持现状不必进行PID调节若不满足要求则进行PID调节将调节后的参数输出到变频器当中去再由变频器拖动电机改变其转速实现压力控制。 对于PID调节通过TLC549将压力模拟信号转变为单片机可用的数字信号然后在单片机内部进行增量式PID的调节。相对于位置式方式的种种缺点增量式方式有着误差小发生故障影响小调节效果好等优点。若在实际应用中根据不同场合的需要要改变PID设定的参数只需要在PID子程序中改变其对应的值即可改变。
图4.4 PID调节流程图
设计总结
经历差不多一个学期的时间本次毕业设计通过本次的毕业设计我基本了解到了设计的基本流程首先要明确设计的基本任务以及设计产品所要满足的技术指标的要求并且对设计产品所应用到的实际系统进行了解。接下来要对整个设计的系统进行方案论证计算并对实际的生产条件、资金状况、需求量大小等一系列条件进行评估确立自己的设计方案然后根据自己的设计方案搭建硬件电路在搭建电路时要考虑元器件的性能和价格。在软件部分的设计中首先要明确设计参数绘制程序流程图搞清楚各部分所要实现的功能但由于本人能力有限所以目前还有很多不足之处有待进一步的提高和改善。 恒压供水是目前城市供水的发展目标使用单片机作为核心控制器来实现恒压供水系统具有操作简便造价便宜维护方便等优秀特点是较为理想的控制器。在本次设计中主要完成了以下内容设计出以AT89S52为控制核心的恒压供水控制器。在实现恒压供水时利用增量式PID来控制输入压力的变化以此来完成恒压控制。同时还设计了RS-232通讯接口使得控制器可以和上位机进行通信进行程序修改。
参 考 文 献
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附录A 系统电路图
致 谢
在即将毕业之际毕业设计的工作已经接近尾声我想通过这个机会对关心和支持我的所有人表示感谢 首先我衷心感谢我的导师他在我的学习过程中给予了我很大的帮助并在设计过程中提出了很多宝贵且中肯的意见同时在我有困难的方面给予我悉心的指导。如果没有他的大力帮助我不可能完成这篇论文。 由于我认真地学习了专业课程基础知识具有了一定的设计理论基础和独立设计能力。但是毕业设计的课题是一种整体性的系统性的设计我十分努力地去做但还是感到力不从心因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性。不过我通过这次毕业设计还是提高了知识层面学到了许多东西。所以我还要感谢所有的任课老师是您们得到教育和培养才使得问我学有所获。 最后我要向在我论文中倾注了大量心血和提供了许多帮助的各位老师、同学表示深深的敬意和谢意。
