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1、黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业设计 恒压供水控制系统的设计 院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气09-3班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二一三年六月本科生毕业设计摘 要本文提出的系统设计方案是以ATMEL公司的AT89C51为基础，同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件控制系统和相应的软件控制系统。充分发挥了单片机成本低，易于使用的特点。因为电机的转速与水泵耗电功率的三次方形成正比关系，所以会使水泵调速运行的节能效果变得更加显著，平均耗电量较一般的供水方式节也能节省近四成。系统本身使用51型单片机进行控制，可以实现主泵变频，副泵软启动，工作时具有短路保护、过流保护等
2、功能，性能上具有工作稳定可靠，延长电机使用寿命等优点。随着社会经济的飞速发展与城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源也是一项艰巨任务。因此，有利于节能节水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛的应用。本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析,描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。关键词： 变频调速；恒压供水；AT89C51单片机；电机转速；水泵 ABSTRACT This paper discusses the frequency conversion sp
3、eed adjusting water supply system and energy-saving principle of speed control，and mainly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. The proposed system design is based on the companys AT89C51 based ATMEL, also described includin
4、g the transducer and sensor control system including hardware, software control systems and the corresponding. Give full play to the single chip low cost, ease of use. Because the three party motor speed and pump power consumption of the formation of proportional relationship, so the effect of energ
5、y saving pump speed becomes more and more obvious, the average power consumption than the general way of water festival also can save nearly four into. The system uses 51 monolithic integrated circuits to control, realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft starting, in opera
6、tion has circuit protection, over-current protection and other functions, in the performance has the operation stability to be reliable, prolongs electrical machinery service life and other merits. With the Progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge，
7、increasing of population and standard of living of people continuously improved，more and more demanding to quantity，quality and stability of water supply bring for ward in city. Build a conservation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conse
8、rvation is a difficult task. Therefore, it is conducive to saving energy and Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply System has been more widely used.Keywords: Frequency control; Constant pressure water supply; AT89C51 mcu; Motor speed; Water pumpII目 录摘要ABSTRACT第1章 引言11.1 恒压供水控制系统的介绍11.2 恒
9、压供水控制系统的设计方案及主要特点11.3 恒压供水控制技术的背景及研究意义2第2章 恒压供水控制系统的工作原理42.1 恒压供水控制系统的工作过程52.2 变频调速的基本调速原理62.3 水泵变频调速节能分析82.4 系统的参数选取及调速范围92.5 本章小结10第3章 恒压供水控制系统的硬件设计113.1 主控单片机说明及引脚113.2 系统主要组成电路133.2.1 反馈压力检测电路133.2.2 输出控制电路143.2.3 看门狗电路143.3 LED数值显示电路153.4 压力报警电路173.5 键盘开关设置电路173.6 电源电路183.7 光电耦合电路193.8 供水设备的选择2
10、03.8.1 水泵电机的选择203.8.2 变频器的选择213.8.3 压力传感器的选择213.9 本章小结22第4章 恒压供水控制系统的软件设计234.1 主程序框图234.2 继电器控制子程序244.3 A/D子程序244.4 PID控制子程序254.5 本章小结26参考文献27致谢28结束语29附录A30附录B39第1章 引言1.1 恒压供水控制系统的介绍随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，人性化的多层次住宅组合成为了当前住宅建筑的规划趋向，人们追求的不仅仅是立面和平面的美观和合理，空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念成为了人们眼中的重
11、点，特别是在市场经济的浪潮中，土地使用效率最大化尤为重要。就在供水系统面临新的挑战的时候，一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式出现了。那就是变频调速恒压供水，它是一种在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。这样既可满足各部位的用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，造成电能的浪费
12、。为实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。均匀改变交流电动机定子绕组的电源频率f，可以平滑地改变电动机的同步转速电动机转速。变慢轴功率就相应减少，电机输入功率也随之减少这就是水泵变频调速的节能作用。为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持电动机磁通恒定。因此，要求定子绕组电压也要做相应的调节，变频调速即兼有调频调压两种功能变频调速器，就是基于此原理而实现调速的。在供水系统中应用变频调速技术实现水泵的运行速度，由实际用水的多少来进行自动调节，比水泵在额定转速下运行可以大大节省电能，并且可以实现供水的全面自动化，因此变频恒压供水
13、的技术得到了广泛的应用1。1.2 恒压供水控制系统的设计方案及主要特点1.设计方案系统以单片机为核心，将一个远传压力表安装在水泵的出水管道上，来检测管道压力，把出口压力数值转换成05 V或420 mA的模拟信号，送到单片机系统A/D转换器的输入端，经A/D转换器变为相应的数字信号，送入AT89C51单片机中进行数据处理。经过单片机运算后与设定的压力值进行对比，得出数据的偏差值,最后通过PID调节得出控制参数，送到D/A转换变成05 V或010 V的模拟信号，最终送入变频器中，来控制其输出频率的变化，以此调节水泵的电机转速,从而达到控制管道中压力的目的。系统检测到给定压力大于管道压力时，变频器输
14、出的频率逐渐升高，电机转速同时加快，管道压力升高；相反，变频器频率降低，同时电机转速减小，使管道压力下降，如此上下调整多次，最终达到偏差值为零。通过这样的方式使实际压力围绕设定的压力值附近上下波动，达到供水压力恒定2。所以现代化城市供水的发展方向就是变频调速恒压供水，系统采用单片机控制，具有性能优越,工作可靠，实现容易，价格低廉等特点，是目前为止较理想的控器3。2.主要特点(1) 节约能源，电能的节省高达20%40%，实现绿色用电。(2) 占地面积小，需要的投资少，使用的效率高。(3) 机器的配置灵活，自动化程度比较高，达到的功能齐全。(4) 设备运行合理，由于是软启和软停，可以消除一些不良效
15、应，而且因为电机轴上的磨损和平均扭矩减小，从而减小了维修费用，增大了水泵的寿命。(5) 变频恒压调速从水源直接供水，防止了很多污染和疾病的传播。(6) 通过单片机控制，可实现变频器和继电器的合理启动与停止，节约了人力物力。1.3 恒压供水控制技术的背景及研究意义目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。以往区域的供水系统都是在市政管网经过二次加压或水塔和天而水池来供水，以满足用户对供水压力的需求。加压泵通常是在供水系统中为了适应最
16、不利水压的要求，来确定相关扬程的设计，然后根据水泵组流量的变化情况来选配，最后确定水泵的运行方式。由于在季节和时段变化时，水体本身也有很大的变化，日常供水的运行控制只能常采用水泵的运行方式进行调整，加上出口阀开度调节来调节供水的水量和水压，消耗在出口阀而产生了很大的浪费，而且水池“二次污染”也是个很严重的问题。在给水泵站上应用变频调速技术，成功解决了能耗和污染两大难题。在科学技术的进步带动下，大规模集成电路和微机技术也有了迅速的发展,变频调速技术也在日趋完善,交流异步电动机调速中使用变频调速器，达到的性能可以超过其他任何一种交流调速方式。基于单片机的变频调速恒压供水系统,最典型的应用就是就是微
17、机技术和变频调速技术,在我国近几年的发展中也逐渐盛行起来，它具有节能、供水压力稳定、自动化程度高、造价低、安全、保护设备等优点,主要适用于高层建筑的自动供水，安装调试方便也是一共重要优点,抗干扰能力强，功能全面可靠性高,系统性能完全可以满足设计要求。本设计中用到的AT89C51系列单片机控制系统是供水系统的核心,压力传感器送来的模拟信号被转换器转换成相应的数字量，再通过与系统设定的信号进行比较，计算差值来得到偏差信号, 通过预先设定的控制算法得出单片机的最佳控制参数, 最后输出一个信号来调节变频器的频率，用以控制工频泵启停的转换和电机水泵机组的转速，保持供水系统的供水压力恒定。自动变化用户实际
18、需要的供水量，在供水系统中，变频器主要组成部分分为电力电子器件和微处理器，水或其他液体的机电装置通过水泵机组传送，最终将储水池中的水以一定的压力和流量通过供水管道输送到用户使用4。给排水现在已经成为与人民生活密切相关的任务。假如供水的压力不稳定，将会导致很多不良的后果。比如水压过高，将会造成管路泄露和水源流失；水压过低，也会导致供水强度不足。因此，维持在一个恒定的水压是供水系统很重要的。一些传统的解决方案有：水塔式供水，用水泵把水抽到水塔中供用户使用。当检测到水塔中的水位比设定水位的下限低时，水泵开始启动；当水塔中的水位比设定水位的上限高时，水泵逐渐停止。恒压供水系统尽管可以基本满足人们的日常
19、用水要求，可是系统中也存在着很多的不足之处。本文主要介绍了由单片机控制的无塔式恒压变频供水系统。该系统通过检测水管中水的压力，控制水泵的转速，使水管中水压在一个很小的范围内变化，实现恒压供水5。变频调速技术的应用和推广，在工农业生产中无非是解决两大问题一是节能，二是改善生产过程。我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，我们国家的电机总装机容量已经超过4亿千瓦，每年的耗电量大约占到全国用电量的60%以上，可是能源利用率却非常低，特别是电机驱动系统，大概比国外平均水平还要低20%，有很多电机只能相当于国际20世纪50年代的技术水平，而且电机驱动系统能效也要比国外低20%左右，电能浪费特别严重
20、6。众所周知，对于人们生活最重要的就是水资源，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们国家水资源和电能十分短缺，长期以来，在高层建筑供水、市政供水、工业生产循环供水等方面的发展程度一直比较落后，自动化程度也比较低。对于每个人来说饮水工程都是非常重要的，所以供水系统在现代工业中无处不在7。第2章 恒压供水控制系统的工作原理在变频调速供水系统中，为了调节供水流量必须通过变频调速来改变水泵的转速，最终改变水泵工作点来达到目的。反应水泵运行工程状况的工作点被称为水泵工况点，是指在管路系统确定的时候，实际运行时水泵所具有的流量、扬程以及相应的功率、效率等参数。水泵转速的调节过程中，调节水泵的工况点是一
21、个特别关键的问题。假如水泵工况点与设计工作点差距较大，不但会使水泵运行的效率大幅降低、使用功率提高或者引生严重的气穴现象，还有可能会产生不稳定的管网压力，从而使供水设备受到影响。在实际运行时，水泵的工作点取决于管路水力损失、水泵性能、以及实际中所需要的扬程，改变其中任何一条因素，水泵的运行工况都会发生改变。因此，这三者与水泵工况调节和水泵工况点的确定和是密切相关的。图2.1就是一个典型的由8951单片机控制的恒压调速供水系统。图2.1 变频恒压供水系统组成框图系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2.2所示。AT89C51单片机在这里主要起
22、压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。图2.2 单片机的变频恒压调速系统原理框图2.1 恒压供水控制系统的工作过程在实际操作过程中，选择一台水泵在白天供水，可以满足生产生活用水的需要，小机工频运行，作为一个恒速的水泵使用，功率大的电机变频运行，作为变量水泵；在用水低量比较低时，只需要启动一台功率大的电机就可以满足日常供水的使用，因此可采用两台水泵搭配进行使用，把1号水泵电机（15KW）和2号水泵电机（30KW）放在一起，用单片机控制系统根据运行时间来控制不同的机组运行。分析控制系统机组水泵的工作过程，大致可以分为三种工作状态：1号电机变频启动；
23、1号电机工频运行，同时2号电机变频运行；2号电机单独变频运行。在通常状况下，电机和水泵都处于这三种工作状态中，在管网的压力发生改变的时候，这三种工作状态就要发生对应的改变，因此必须设计三个种换过程来改变这三种工作状态。切换过程 11号电机开始变频启动，频率稳定到50Hz，此时1号电机在工频条件下运行，2号为变频。当整个系统开始工作后，检测到管网中的水压低于设定压力P，按下相应的按钮，机组1开始运行，在单片机控制下，KM2接通，1号电动机接至变频器的输出端，然后接通变频器的FWD端。1号泵的电动机接到信号开始软启动，电机运行一段时间后，运行频率逐渐增大，当增至工频f0时，单片机系统会发出指令，使
24、变频器BX端接通，FWD端断开，KM2失电，1号电机变频器输出端断开，KM1得电，使1号电机变为工频运行。在1号电机变为工频运行后，打开1号水泵的阀门开关，然后接通KM3，变频器输出端接通2号电机，变频器FWD端接通，变频器BX端断开，使2号电动机开始实现软启动，当系统工作一段时间后，打开2号水泵的阀门，2号电机仍然工作在变频状态。最终实现1号水泵由变频变为工频的电网运行状态，2号水泵接入变频器并且启动运行，系统自动调节，使变频器的输出频率增大，最后达到管网水压设定值（PiPPm）为止。切换过程 2当1号电机工频运行2号电机变频运行时，2号电机转换为单独变频运行状态。当夜间用水量降低时，水压变
25、大，变频器控制2号水泵电机，输出频率逐渐下降，电机转速也随之下降，水泵输出流量逐渐变少，当变频器输出频率逐渐下降到开始设定的数值fmin，电机的转速也同时降低到设定值，而水管的水压比提前设定的上限Pk高时（2号电机，f=fmin，PPk），单片机控制器发出信号，1号水泵由工频运行变为停止，2号水泵电机仍然在变频器拖动下继续运行。切换过程 3将2号电机由变频运行转变为变频停止，而1号电机仍然保持变频运行状态。当白天用水量增大时，2号电动机变为调速运行状态，当变频器的输出频率增大道工频fi（即50Hz），同时检测到水管的水压比设定的水压上限Pi低时（2号电机f=fi，PPi），使变频器BX端接通，
26、FWD端断开，使KM3断开，2号电机的变频器输出端断开；使KM2得电，变频器输出端接到1号电机；接通变频器FWD端，同时变频器BX端断开，实现1号电机的软启动。整个系统又转变到最初的工作态，开始新重新循环。2.2 变频调速的基本调速原理水泵机组应用变频调速技术，即是指为了改变电动机转速，必须改变电动机的定子电源效率，也可以把水泵转速及工况改变，最终使扬程与流量适应管网需求的水量变化，保持管网内的水压恒定，实现节约的效果。H0：管网末端的服务压力，H1：水泵出口压力，A：管路特性曲线，n：水泵特性曲线。当用日常水量到达最大值Qmax时，水泵达到全速运行状态，全部打开出口阀门，实现满负荷运行，用水
27、管特性曲线A0与水泵的特性n0汇交于点b，这时，水泵的输出口压力值为H，管网末端的服务压力刚好为H0。在日常用水量从Qmax变小到Q1过程中，单片机会输出不同的控制方案，水泵的能耗也会有不同的变化。（1）水泵在全速运转的时候，必须关小水泵出口的阀门来控制水量；这时，水泵工况点由b点逐渐上升到c点，而管路中的扬程由b点下降到d点，从而使管路阻力特性曲线逐渐变陡（A2），这种情况下cd两点的扬程差值就是水泵全速运行时所浪费的能量。（2）水泵在变速运转的时候，必须以水泵出口的压力恒定来控制；当用水量从Qmax变小时，为了改变其特性，必须让控制系统降低水泵的转速。可是工作方式是采用泵出口压力恒量，因此
28、水泵工况点是在H上平移。当日常用水量到达Q1时，水泵特性曲线逐渐向nx接近。而管路的特性曲线却向上平移到A1，两条曲线的交点e就是此时水泵的工况点，因此，在水量减少到Q1点时，将会使管网的不利点水压升高至H0H1，则H1即为水泵运行时浪费的能量。节能曲线如图2.3所示。图2.3节能分析曲线图（3）当电动机水泵变速运行时，控制的方法是依靠管网不利点的水压恒定；这时，用水量由Qmax逐渐降到Q1，水泵转速降低，水泵特性曲线n1中水泵工况点为d，恰好在管网特性曲线A0上，因此就能使水泵的工况点沿着曲线A0滑动，保持管网的服务压力H0不发生改变，系统阻力与水泵扬程互相适应，实现能量零浪费。与泵出口恒压
29、松散水相比，这个方案的能耗下降了h1。根据水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/P2=(n1/n2)*3式中，n、Q、H、P分别为转速、泵流量、水管压力和轴功率。也就是说通过控制转速来达到减少轴功率的效果。综上所述，供水管网最不利点的选择是很重要的，控制参数是指所允许范围内的最低压力，压力信号必须通过压力传感器获得，形成闭环压力自动控制调速系统，使水泵的转速保持在与所设定的控制压力值附近，自控技术和调速技术互相结合，达到最好的节能效果。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性
30、。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为n=120(1-s)/p式中s为电机的滑差（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为N=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.3 水泵变频调速节能分析水泵运行工况点A是管道
31、性能曲线R1和水泵性能曲线n1的交点。在日常供水系统当中，一般使用阀门来控制流量，关小阀门时就可以减少流量，管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点从水泵性能曲线上的A点移动到D点，水泵的扬程从H0点上升到H1点，用水量从Q0逐渐变小到Q1。使用变频调速技术控制用水量时，管路性能曲线R1始终不变，转速决定水泵的特性，假如把水泵的转速从n0减小到n1，把水泵的性能曲线由n0平移到n1，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1，水泵工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点。在图2.4中，水泵运行在B点时运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比。运行在C
32、点泵的轴功率 求出运行在B点的泵的轴功率也就是说，采用阀门控制流量时有V的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。从图2.4上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显。图2.4 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图2.4 系统的参数选取及调速范围为了实现系统低能耗的恒压供水，必须合理选取压力控制参数，实现这个目的的关键就是选取恒压控制参数，一般选择两个管网压力控制点：一是泵出口压力的恒压控制；二是管网
33、最不利点的压力恒压控制。为了保证系统达到最佳运行状态，变频器在投入使用后的调试是必要手段。可以根据变频器负载的转动惯性大小，电机在启动和停止时所需的时间不同，设定时间如果过短会造成变频器在加速时的电流过大，当减速时系统会采用过电压保护；假如设定时间过长，在调速运行时将会使变频器的调节变得缓慢，反应迟钝，应变能力差，使整个系统处在一个不稳定的状态中。给变频器一个不跳闸保护措施，目前许多变频器的加减速时间会被设置的很长，所带来的问题也很明显，就是会被覆盖在设备外表里，从而使变频器不能运行在最佳状态，因此使用时要根据负载的不同性质，来测试出允许最短加减速时间，最后进行设定。对于一般的水泵电机，加减速
34、时间为0.2-20秒之间。考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不能过多的降低变频器的效率，为了避免水泵会运行在低效率状态，用户所需扬程和水泵自身的特性决定了水泵的调速范围，当选定水泵的型号确定时即可确定它的最大调速范围，然后由用户的扬程来选定可降低的调速范围，为了使水泵的扬程工作在高效区，水泵的调速范围将进逐渐变小，使变频器的变化范围提高到40Hz以上，即转速下降在20%以内。在这个范围以内，电动机的负载率的变化范围是50%-100%，所以电动机的工作效率基本上都在高效区。2.5本章小结本章从管网特性曲线和水泵理论分析入手讨论了如何确定水泵工作点等问题。接着介绍
35、了如何对水泵进行工况调节。在恒压供水控制系统中，只有改变水泵性能曲线才可以实现水泵的工况调节。本章重点对恒压供水控制系统中水泵能耗机理问题进行了比较深入的研究，得到以下几个结论：1. 水泵的工作点是指在同一个坐标系当中管路性能曲线和水泵性能曲线的交点，水泵运行的理想工作点也就是水泵工作点，在实际运行中水泵的工作点一般都是可以变化的。2. 水泵工况的调节就是采用改变水泵性能曲线或者改变管路性能曲线的方法，达到移动工作点的目的，最终使其符合要求。综上所述，与传统供水方式相比，变频调速恒压供水系统最大的特点就是采用改变电源供电频率的方式调节水泵转速，从而改变供水量。由对电机特性的分析可知，通过改变转
36、速节流调压，比传统方式用闸阀增加阻力节流消耗功率更小，节能效果明显。由电子系统控制供水压力恒定比传统的人工控制更加稳定准确，同时系统为自适应平衡调节，比之传统方式对水压变化的反应也更迅速，所以大大提高了供水质量。另外系统供水压力可根据需要自行随意调节，因而对不同工作环境的适应性也非常出色。 第3章 恒压供水控制系统的硬件设计 3.1 主控单片机说明及引脚1.AT89C51单片机简介本文设计的系统主要采用AT89C51作为控制。AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能、低电压型CMOS 8位单片机。片内带有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器。它是由ATMEL公
37、司制造的，使用了高密度的非易失存储器技术，和工业使用中标准的输出管脚相或MCS-51指令集互相兼容。所以ATMEL公司的AT89C51单片机是一种功能强大、性价比很高的微控制器，在各种控制领域得到广泛的应用。AT89C51单片机的主要特性有：与MCS-51兼容，4KB可编程控制的闪烁存储器，1000次的擦写循环周期，10年数据保留时间，0Hz-24MHz全静态工作，三级程序存储器锁定， 1288位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式以及片内振荡器和时钟电路。AT89C51单片机引脚分布具体说明如图3.1所示：图3.1 单片
38、机AT89C51管脚图2.AT89C51单片机引脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH
39、编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4
40、个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当单片机的外部存储器被访问时，地址锁存器用于地位字节来锁存地址。在系统编程的时候，ALE管脚可以输入脉冲编程。在以往，ALE端能输出正脉冲信号并且有不变的周期频率，此频率与振荡器频率的比例为1/6。所以它可以用于定时目的或对外部输出的脉冲。但是最重要的是：在用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此
41、时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则这时外部程序存储器不管单片机系统有没有程序存储器在内部。当系统使用方式1进行加密时，/EA管脚锁定为RESET；在/EA端通过高电平时，使用内部程序存储器进行控制。在FLASH编程期间，该引脚也可以使用12V编程电源（VPP）。 XTAL1：内部时钟工作电路的输入
42、端和反向振荡放大器的输入端。 XTAL2：输出反向振荡器的放大信号。3.2系统主要组成电路3.2.1 反馈压力检测电路系统压力检测电路主要由压力传感器（或压力变送器）、压力设定电位器和0809A/D转换器等组成。压力检测电路如图3.2所示。图3.2反馈压力检测电路1.ADC0809的逻辑结构ADC0809转换器是8位逐次逼近型A/D转换器。它是由一个地址锁存译码器、一个8路模拟开关、一个三态输出锁存器和一个A/D 转换器组成。多路开关能选择8个模拟通道，可以让8 路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器实现转换。A/D 转换完的数字量锁存在三态输出锁器当中，当OE 端接通高电平时，会使三态输出
43、锁存器输出转换完的数据。2. AD0809的工作原理IN0IN7管脚为8 条模拟量信号的输入通道。AD0809 对输入信号的要求为，电压范围是0到5V，信号必须是单极性，假如输入信号太小，必须接入运算放大模块；保持输入的模拟量信号在转换过程中始终不变，假如若模拟量变化太快，必须使用采样保持电路放在输入之前。3. AD0809转换电路主要由AD 转换器AT89C51单片机和AD0809转换器组成。AD0809为脉冲启动，收到启动信号START之后，才可以开始转换，在START 的下降沿10us后，EOC 信号会变为无效的低电平。所以必须查询程序，等EOC无效以后再开始查询，完成转换之后，EOC
44、输出高电平信号，再由OE 变为高电平，最后输出转换数据。在设计程序的时候，可以利用EOC 信号通知单片机读入已经完成转换的数据。AT89C51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89C51提供AD0809 的工作时钟。3.2.2输出控制电路系统在运行中，将压力设定值和反馈值进行比较后再按PID算法进行计算，在将计算算结果u（k）经0832D/A转换后变成模拟控制电压信号，再作用于交流变频调速器。变频调速器按其控制信号u（k）的大小来调节水泵的速度，以达到恒压的目的。图3.3 输出控制电路3.2.3 看门狗电路 Watchdog电路，又叫Watchdog timer，俗称“看门狗电路”。是
45、一个定时器电路。在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自其他电磁场的干扰，使整个程序跑飞，而进入死循环程序中，打断正常的运行，造成单片机系统不能正常工作，使整个系统的变为停滞状态，产生严重的后果，所以为了实时监测单片机系统的运行状态，就产生了一种芯片，专门用来监测单片机程序的运行状态，即Watchdog。 Watchdog电路的应用，能在无人状态下使单片机连续工作，它的工作原理是，在单片机的一个I/O引脚接入Watchdog芯片，这个I/O引脚通过程序控制使它能定时的给Watchdog引脚上送入高低电平，分散的在Watchdog其他控制语句中间放入这一程序，假如单片机由
46、于受到其他干扰而造成程序跑飞，陷入某一程序段，使整个系统变成死循环，不能执行Watchdog引脚的程序，此时，Watchdog电路就不能接收单片机送来的信号，就会在单片机复位引脚和它相连的引脚上发出一个复位信号，使单片机系统复位，同时从单片器程序存储器的起始位置开始执行，实现单片机系统的自动复位。 本文采用MAX813作为Watchdog电路主芯片。MAX813是具有监控电路的微处理芯片，它具有独立的Watchdog计时器。基于MAX813的具体电路设计如图3.4所示。图3.4 定时控制电路3.3 LED数值显示电路数码管由7 个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。通
47、过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字，这就是它的工作原理。为了显示小数点，增加了1 个点状的发光二极管，因此数码管就由8 个LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为a,b,c,d,e,f,g,dp，排列顺序如下图。图3.5 共阴数码管引脚图数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。具体显示电路与单片机的连接方式如图3.6所示。图3.6 数值显示电路图3.4压力报警电路为了知