基于微机的高楼供水控制系统设计

摘要

基于微机的高楼供水控制系统设计

摘要

随着社会的高速发展城市的高层建筑越来越多，高层建筑的供水显得更加重要。高楼供水与人民生活、生产、卫生安全等密切相关。供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失。例如压力过高，会导致管路泄露、水源流失；水压过低会导致用户供水不足。因此，保证稳定的压力是很必要的，为此，一套安全、可靠、高质量的生活供水系统供给高层建筑用水己迫在眉睫。随着微芯片技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强的控制系统将是高楼供水系统研究的方向。

本文采用以单片机为核心的交流调压调速控制系统，设计全自动恒压变频交流供水系统，以解决高层建筑供水问题。该系统根据用户用水量的变化，经单片机运算并与给定参数进行比较，随时调节水泵电机转速和水泵开启台数，从而调节供水量，实现恒压变流量供水。

本文进行了控制系统硬件和软件的设计，硬件设计部分给出了A/D和D/A转换模块、传感器和放大器模块、电机控制模块、键盘及显示模块等；软件部分设计了主程序模块、检测程序模块、水泵控制程序模块等；最后对系统进行了调试及仿真。 关键词：单片机；恒压供水；变频调速；智能控制

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Abstract

Design of a Control System for Pressure Water Suplly to

High Buildings Based on Microcomputer

Abstract

With the rapid development of society more and more city of high-rise buildings, high-rise building water supply appear more important. With the people's life, tall water production, health and safety, and so closely related. Water supply system, out-of-control will give people's work and life bring trouble, even cause great losses. For example, can lead to high pressure pipeline leak, water erosion; Water pressure is too low will cause the user not enough water. Therefore, ensure stable pressure is very necessary, therefore, to provide a secure, reliable and high quality of life high-rise building water supply water system has imminent. With the development of microchip and frequency conversion technology , the new generation of constant hydraulic pressure water supply system should have the excellence of simple equipment, less investment, high reliability, strong anti-interference ability ,higher efficiency and energy savings.

In this paper, a microcontroller as the core of the AC voltage speed control system, automatic design of frequency AC constant pressure water supply system, high-rise buildings to solve water supply problems. The system changes in water according to the user, the microcontroller operation and to compare with the given parameters, at any time adjust the pump motor speed and pump the number of open units, which regulate water supply, constant pressure variable flow water supply.

This was the control system hardware and software design, hardware design part gives the A / D and D / A converter module, sensor and amplifier modules, motor control module, keyboard and display module; the software part of the design of the main program module, testing program modules, water pumps, modules and other control procedures; Finally, debugging and simulation systems.

Key words: Single-chip microcomputer; Water supply with constant hydraulic pressure; Frequency conversion; Pressure sens

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目录

目录

摘要 ............................................................................................................................ I Abstract...................................................................................................................... II 第1章 绪论 ............................................................................................................. 1 1.1 本课题研究的背景及意义 .......................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................... 1 1.3 变频调速恒压供水原理 .............................................................................. 2 1.3.1 水泵机组的调速基本原理 ................................................................. 2 1.3.2 变频恒压供水系统原理 ..................................................................... 3 第2章 控制系统总体方案设计 ............................................................................. 7 2.1 系统设计任务及要求 .................................................................................. 7 2.2 控制系统基本组成及工作原理 .................................................................. 7 2.3 系统硬件和软件总体规划 .......................................................................... 9 第3章 控制系统硬件设计 ....................................................................................11 3.1 控制单片机的选择 .................................................................................... 11 3.1.1 8051内部资源 ................................................................................... 11 3.1.2 8051的管脚及功能 ........................................................................... 11 3.2 传感器及变送电路 .................................................................................... 13 3.3 模拟量输入接口 ........................................................................................ 14 3.3.1 ADC0809芯片及概述 ....................................................................... 14 3.3.2 ADC0809的应用电路 ....................................................................... 15 3.4 模拟量输出接口 ........................................................................................ 16 3.4.1 DAC0832芯片及概述 ...................................................................... 16

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目录

3.4.2 DAC0832的应用电路 ...................................................................... 17 3.5 交流电机变频控制 .................................................................................... 18 3.6 键盘及显示模块设计 ................................................................................ 20 第4章 控制系统软件设计 ................................................................................... 23 4.1 内部资源分配 ............................................................................................ 23 4.2 主程序 ........................................................................................................ 24 4.3 中断处理程序 ............................................................................................ 24 4.4 键盘处理程序 ............................................................................................ 25 4.5 PID控制程序 ............................................................................................. 25 4.5.1 PID控制规律 .................................................................................... 25 4.5.2 PID控制器的分析 ............................................................................ 26 4.5.3 PID控制的原理和特点 .................................................................... 27 4.5.4 PID控制器的参数整定 .................................................................... 28 4.5.5 PID控制实现 ................................................................................. 28 4.6 显示程序 .................................................................................................... 29 第5章 系统调试及仿真 ....................................................................................... 31 5.1 软件仿真 .................................................................................................... 31 5.1.1 KEIL软件概述 .................................................................................. 31 5.1.2 仿真结果 ........................................................................................... 31 5.2 硬件仿真 .................................................................................................... 32 5.2.1 PROTEUS软件概述 ......................................................................... 33 5.2.2 仿真结果 ........................................................................................... 33 第6章 结论 ........................................................................................................... 35

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目录

谢辞 ......................................................................................................................... 36 参考文献 ................................................................................................................. 37 附录A：外文翻译——英文原文 ......................................................................... 38 附录B：外文翻译——中文译文 ......................................................................... 42 附录C：控制系统原理图 ..................................................................................... 45 附录D：程序流程图 ............................................................................................. 46 附录E：程序源代码

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第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。这种用水难问题在大城市表现尤为突出。

针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水控制器，该控制器是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵;用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水。”采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。

随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使用交流调速。

随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。本文主要研究采用8051单片机控制的恒压供水系统的系统结构及供水原理.，给出了硬件电路的构成和软件设计。通过传感器检测水压信号，输入给单片机，与给定压力值比较，输出给变频器，由变频器改变水泵电机的转速，达到恒压供水的目的。

1.2 国内外研究现状

交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术之人成的一项先进技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域，是电气传动的发展方向。随着电力电子技术的飞速发展，电力电子器件的理论研究和制造土艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类刑等方面得到了很大的发展，变频调速技术己日臻完善。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。交流变频调速装置不仅仅可以大幅度节能，而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。现代楼宇自控中，采用变频调速技术将会改善系统的品质，并产生巨大的经济效益。

目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验。但在这个行业，仍处于发展期。经调查，北京、天津的高校、科研院所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法，研究出来的成果是论文的较多，看重在生产实际应用的较少;在上海，新型单片机测控装置与系统的研究、生产基础较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。因此，上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术，更看重的是生产实际应用，对研究理论、算法、成果是论文的较少;深圳在研制新型

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测控装置与系统领域也比较有成绩，尽管与其他国家开发者比尚有距离，但是，深圳的高校、科研院所的最大特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑，这里的工程技术和科研人员关心的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑的是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。

一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其他发达国家相比还存在距离，但是，我国的科研人员能够克服很多困难，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。

1.3 变频调速恒压供水原理

1.3.1 水泵机组的调速基本原理

水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。

如图1-1所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0.当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

图1-1节能分析曲线图

(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。

(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利

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点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。

(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。

根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3

式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠。

采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。

目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：

n=120(1-s)/p （式1-1）

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。

1.3.2 变频恒压供水系统原理

（1）交流电机变频调速原理 交流电机转速特性：

n=60（1-s）/p (式1-2) 其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数，电机选定之后s、p为定值。电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速，各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

流量与转速成正比：

Q∝N

转矩与转速的平方成正比：

T∝N2

功率与转速的三次方成正比：

P∝N3

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功

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率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系；

P变= N3P额= Q3P额

其中，P为功率,N为转速,Q为流量。

例如设定当前流量为水泵额定流量60%，则采用变频调速时

P=Q3P=0.216P （式1-3） 而采用阀门控制时P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，节电=（P*P）/P*100=71.6%

由此可见从理论上计算结果可以看到技能效果非常显著，而且在实际运行变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的变频恒压供水系统能自动控制一台或多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量约1/6~1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

（2）变频恒压供水系统组成及特点 ①系统组成

变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内用水量的变化引起水压变化，即使将信号反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或加减速，使得管网的水压与控制压力一致。

②参数选取

1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水，这个目的的实现关键就在于恒压控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制。另一个就是泵出口压力恒压控制。

2）变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行转台的必要手段。变频器根据负载的转动惯性的大小，在启动和停止电机时所需的时间就不同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流，在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变应变能力差，系统易处于短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常覆盖，但是变频器达不到最佳运行状态，所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2~20秒之间。

③系统特点

本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应.

2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性，

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4)在变频调速恒压供水系统中，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运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

6)水泵的电气控制柜，有远程和就地控制的功能，数据通讯接口能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

7)系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

（3）变频调速恒压供水工况分析 ①管路水力损失及性能曲线

管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种

Hs=Hy+Hj (式1-4)

沿程损失

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Hy=yLQ (式1-5) 式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；Q-过水截面的面积。

当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失

Hx=Hsj+Hs (式1-6)

由式（1-6）可以得到如图1-2所示的Hs-Q管路性能曲线

图1-2本泵工作点的确定

②水泵变频调速节能分析

水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，

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采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1.在图2-5中水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图1-3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1-3变频调速恒压供水单台水泵工况调节图

求出运行在B点的泵的轴功率 NB =kQBHB 运行在C点泵的轴功率 NC=kQCHC 两者之差：

ΔN=NB?NC =

Q2(HB-HC) 102? = Q2?H102? (KW) （式1-7）

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔN的功率被白白浪费了，而且会损耗阀门的使用

寿命。

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。

③调速范围的确定

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，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。在此范围内，电动机的负载率在50%~100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。

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第2章 控制系统总体方案设计

2.1 系统设计任务及要求

作为一个实用的应用系统，该系统必须满足安全可靠，操作简单，性价比高的三大特点。首先必须满足安全可靠的要求，所以该系统不但要求硬件具有非常高的稳定系数，而且要求该系统的软件功能也必须具有非常高的可靠性，而且还必须具有强大的纠错功能。第二，该系统是为了能够自动对变频器进行控制，进而使三相异步电动机实现变频调速的功能。最后一个要求就是性价比高，任何一个设计要想成为有用的产品，就必须在提高其性能的同时，想尽一切办法降低其成本，而降低成本的具体途径有降低生产成本和降低使用成本。以上要求具体到要求指标的话有以下几条：

(1) 节能：水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受；

(2) 系统监控工作中的管网压力，并实时显示； (3) 设定压力可调；

(4) 考虑系统的经济性能和实用价值，采用最优化设计。

2.2 控制系统基本组成及工作原理

本系统主电路按整机功能看主要是为压力控制部分。传感器采用远传压力表，为压阻器件，用于检测水管道的压力，并将水压转换为0-5V的模拟信号。控制部分由8051系列单片机为核心部件。根据传感器检测到的水压完成变频器调速及泵组切换的控制。变频调速部分是由空气开关、交流接触器、变频调速器组成，为系统的动力电供给和执行机构。水泵组部分包括三台交流异步电动机拖动的三台离心式水泵。

传感器 控制器 变频调速 水泵组 图2-1 系统结构框图

欲稳定水压，需构成一个压力闭环控制系统。该系统由单片机、变频器等器件构成。该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的远传压力变送传感器，把出口压力变成（0-5V）的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A/D变换成数字信号传送到单片机，经单片机与给定参量进行比较，得出调节参量△E，对△E进行PID运算后输出控制信号，经由D/A变换成模拟量作用到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵机组的转速，按实际用水量供水并使供水压力恒定。单片机控制变频调速供水系统控制原理如图2-2所示。

Ht ΔE 单片机 控制系统 Hb A/D 图2-2 控制原理图

压力传感器 D/A 变频器 电动机 水泵机组 H 7

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若△E>0，则供水压力小于设定值，是因用水量增加造成供水压力下降，单片机将通过计算提高变频器的输出频率，从而使电机水泵机组转速增加(n∝f1)，使供水压力增加并恢复到设定值；如果△E<0，则供水压力大于设定值，说明用水量减少导致供水压力上升，单片机通过计算控制变频器使其输出频率下降，电机水泵机组转速下降，使供水压力减小恢复到设定值。通过单片机控制水泵电机的状态，实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压达到节能、恒压目的。

变频器主要由电力电子器件和微处理器(CPU)组成。它能根据频率设定的输入信号输出相应频率的交流电，在供水系统中，其作用是在单片机控制下，通过D/A转换器输出的模拟电压控制变频器，输出相应频率的交流电给水泵机组，用以改变电机水泵机组的转速，即变频调速，从而达到调节供水压力的目的。

为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能，如图2-3所示。

变频器 单片机 配电部分 传感器 水泵1 水泵2 水泵3 进水

图2-3 变频恒压供水系统的组成

根据不同场合、不同需要可以采取多种工作方式，如表2-1。

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表2-1 水泵切换程序表

工作方式 泵 压力 0＜p＜p1 Ⅰ号泵 Ⅱ号泵 Ⅲ号泵 备注 1 变频 停止 停止 p：检测压力 2 p1≤p＜2p1 2p1≤p＜3p1 工频 变频 停止 p1：每台泵设定最高的压力值 3 工频 工频 变频 2.3 系统硬件和软件总体规划

（1）使水压稳定，节电节水；

（2）整个控制系统自动化程度高、控制精确、操作简便、成本低、体积小； （3）有一个方便良好的人机界面。

各个硬件的连接框图如下图2-4所示 传保译显 感持码 器 器 器 示

参数存储 单 A/D 转换片 器 控制 机

电源检测

D/A转换器 复位

键盘 时钟

图2-4 单片机控制系统接口方框图

根据以上硬件系统要求，系统软件采用模块化设计，该系统应用程序由主程序、子程序模块和中断服务程序等组成。系统应用程序采用结构化模块设计，从功能上看，主要包括：主程序、键盘扫描程序、显示程序、PID调节、水泵控制等。主程序首先完成系统硬件的初始化任务，包括堆栈指针、特殊功能寄存器、扩展接口8155及数据区和标志位等的初始参数设置，然后调用数据处理子程序，将采样获得的现场数据或由键盘输入的数据进行数制变换及标度处理，最终环节调用显示子程序供用户观察。PID调节模块由1号定时器中断进入该模块，单片机将设定值与采样值进行比较，完成PID运算并将现行输出值

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送到输出寄存器，由2号定时器中断时进行PWM转换，改变变频器的输出频率，控制水泵转速。

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第3章 控制系统硬件设计

3.1 控制单片机的选择

MCS—51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。它是该公司于1980年推出的高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有许多，如8051、8031、8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。而8051是其系列单片机中的代表产品，因此，本设计选用8051。

3.1.1 8051内部资源

8051的内部资源为： 1) 8位CPU；

2) 时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz—12MHz的时钟频率； 3) 128字节内部RAM数据存贮器； 4) 2个16位定时器/计数器；

5) 5个中断源、两级中断优先级的中断控制器； 6) 一个全双工的异步串行I/O口； 7) 4KB字节掩膜ROM程序存贮器

3.1.2 8051的管脚及功能

8051单片机是高性能单片机，它采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚排列如图3-1所示，40条引脚按功能可分为四部分。

1 40 VCC P1.0

P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD

RXD P3.0 TXD P3.1 INT P3.2 INT1 P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 WR P3.6 RD P3.7 XTAL2 XTAL1

VSS

2 3

8051

39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

图 3-1 8051引脚图

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各引脚功能说明如下： (1)电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：接+5V电源 Vss（20脚）：接地端

(2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。要检查8051的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

（3）控制信号引脚： RST/VPD（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当振荡器运行时，在此引脚上加上两个机器周期的高电平将使单片机复位。复位后，应使此引脚电平为≤0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。

掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5?0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。

：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程PSEN（29脚）

序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动8个TTL负载。

EA/VPP（31脚）：当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC

值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当EA端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。

(4)输入/输出引脚：

输入/输出（I/O）口引脚包括4个并口，即P0、P1、P2和P3口。 P0口（P0.0～P0.7）：为双向8位三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总路线低8位及数据总路线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总路线口使用。

P1口（P1.0～P1.7）：是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻成高电平。

P2口（P2.0～P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总路线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总路线

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的高8位使用。

P3口（P3.0～P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口,可驱动4个TTL负载。

3.2 传感器及变送电路

1、压力传感器选用PTP501型压力传感器，具体参数见表3-1。

表3-1 PTP501型压力传感器具体参数 产品特点及结构 用途 主要技术参数 量 程 综合精度 输出信号 供电电压 介质温度 环境温度 负载电阻 绝缘电阻 密封等级 长期稳定性能 振动影响 电气接口(信号接口) 机械连接(螺纹接口) 采用进口弹性体原件，电路中关键元器件均采用国际著名品牌，316不锈钢全封焊 广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制造 楼宇供水等压力的测量与控制 0～1～150(MPa) 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制) 24DCV(9～36DCV) -20～85℃ 常温(-20～85℃) 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ 大于2000MΩ (100VDC) IP65 0.1%FS/年 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计 2、由于张力传感器传感器输出的信号很微弱，所以要经过运算放大器来放大，这样才能用于后面的系统，因此通过各个方面的考虑与分析，主要是精度的考虑， 最终选择放大器的型号是AD620，它的放大电路如图3-2，图3-3为脚位示意图：

图3-2 AD620放大电路图

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RG ﹣IN +IN 2 － + 3 1 8 RG 7 +V 6 OUTPUT -V 4 图3-3 AD620脚位示意图

5 REF

3.3 模拟量输入接口

3.3.1 ADC0809芯片及概述

ADC0809是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。

多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。ADC0809的引脚图及内部结构逻辑如图3-4所示。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码等组成。

图3-4 ADC0809引脚图

(1)主要特性：

1)8路8位A/D转换器，即分辨率8位。 2)具有转换起停控制端。 3)转换时间为100μs。 4)单个＋5V电源供电。

5)模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 6)工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

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7)低功耗，约15mW。

（2）引脚功能说明如下：

IN0～IN7：8路模拟量输入端。 2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋5V。 GND：接地。 3.3.2 ADC0809的应用电路

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

8位模拟开关的地址输入通道的关系见表3-2。模拟开关的作用和8选1的CD4051（数据选择器）作用相似。但输入和输出都不是数字量而是模拟量。

表3-2 8位模拟开关功能表

C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 被选的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

ADC0809芯片的转换速度在最高时钟频率下为100us左右，在和CPU接口时要求采用查询方式或中断方式。在ALE=1期间，模拟开关的地址存入地址锁存器；在ALE=0时，地址被锁存。输入启动信号START的上升沿复位ADC0809，它的下降沿启动A/D转换。EOC为输出的转换结束信号，正在转换时为0，转换结束时为1。OE为输出允许控制端，在转换完成后用来输出打开三态门，以便从0809输出这次转换结果。

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它与8051单片机的地址连接采用地址译码器74LS138的Y7来片选，它们的连接图如图3-5所示：

图3-5 ADC0809与8051的连接图

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可中断方式。把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

3.4 模拟量输出接口

3.4.1 DAC0832芯片及概述

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

DAC0832的引脚图及内部结构逻辑如图3-6所示。 各引脚的功能定义如下：

CS——片选信号，它和允许输入锁存信号ILE合起来决定WR1是否起作用。 ILE——允许锁存信号。  WR1——写信号1，它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS、ILE同时有效。

WR2——写信号2，它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号XFER必须有效。

XFER——传送控制信号，用来控制WR2。

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DI7～DI0——8位数据输入端，DI7为最高位。

IOUT1——模拟电流输出端，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

IOUT2——模拟电流输出端，IOUT2为一个常数与IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常数。

Rfb——反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

UREF——参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接负电压，范围为+10～-10V。外部标准电压通过UREF与T形电阻网络相连。

UCC——芯片供电电压，范围为+5~+15V，最佳工作状态是+15V。 AGND——模拟量地，即模拟电路接地端。 DGND——数字量地。

图3-6 DAC0832管脚图

3.4.2 DAC0832的应用电路

在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。

另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出。

图3-6中，当ILE为高电平、CS和WR1为低电平时，LE1为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当WR1由低电平变高时，LE1成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样，输入寄存器的输出端不再随外部数据的变化而变化。

对第二级锁存器来说，XFER和WR2同时为低电平时，LE2为高电平，这时，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化。此后，当WR2由低电平变高时，LE2变为低电平，于是，将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。

本设计中它的工作方式为单缓冲方式 ：即只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将WR2和XFER

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都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1接CPU系统总线的IO/W，这样便可以通过一条OUT指令选中该端口，使CS和WR1有效，启动D/A转换。

单缓冲连接方式的电路图如下图3-7所示：

图3-7 DAC0832的单缓冲连接方式

它与8051的连接应用电路如下图3-8所示：

图3-8 DAC0832与8051的连接图

3.5 交流电机变频控制

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本设计中选用ABB系列的ACS-150变频器。其ACS-150的连接器和开关如图3-9所示。

图3-9 ACS-150的连接器和开关

变频器输入功率电缆连接接线图，其中接线过程如下：

1.对于IT(不接地)系统和角接地TN系统，请拆除内部的EMC滤波器。对于三相U型变频器（型号代码为ACS150-03U-)，EMC的螺丝在工厂内就已经被取下，并用一个塑料螺丝进行了替换。

2.将输入功率电缆的接地导体(PE)紧固在接地线夹下。将各相电缆紧固到U1、V1和W1端子上。请使用0.8 Nm(7 Ibf in.)的紧固力矩。

3.剥开电机电缆并将屏蔽层编成一根短辫子。将编好的屏蔽层紧固到接地线夹下。将各相电缆分别接到U2、V2和W2端。请使用0.8 Nm(7 Ibf in.)的紧固力矩。

4.按照步骤3介绍的方法，将带有屏蔽电缆的制动电阻选件连接到BRK+和BRK-端。 5.保证变频器外部的电缆连接牢固。

变频器I/O端子排，接线过程如下： 1.模拟信号（如果接入）：剥开模拟信号电缆的外面绝缘层，并将露出的屏蔽层360度接地。

2.将导线连接到相应的端子上。

3.将模拟信号电缆中的每对接地导体拧成一束并接到SCR端。

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4.数字信号：将电缆接到相应的接线端子上。

5.将数字信号电缆的接地导体和屏蔽层（如有）拧成一束并接到SCR端。 6.确保变频器外部的接线牢固。 变频器与电机的连接如下图3-10所示。

图3-10 变频器与电机的连接

3.6 键盘及显示模块设计

键盘及显示是通过8155芯片的A、B、C三个口进行扩展的，一共有十六个键，其中有数字键10个、压力时间程序设置键、下行显示窗显示切换键、参数设置键、自动/手动切换键、数值增加键、数值减小键。采用的是线反转法进行键盘扫描，有六个共阴极的LED显示器，前三个是显示设定压力值，后三个显示实时压力值，一般单片机系统键盘的软件设计是通过定时扫描的方法实现的，但本系统是通过外部中断0加扫描的方法来实现的。当其中的任意一个键被按下后，就会发出单片机的外部中断0。单片机进入中断程序后，通过线反转法莱查看是哪个键被按下，然后进入相应的程序段继续执行。

1、8155各引脚如图3-11，其各引脚功能说明如下：

RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。

AD0～AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。

RD：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。

WR：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。 CE：片选信号线，低电平有效。

IO/M：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/M＝0时，则选择8155的片内

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RAM，AD0～AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00H～FFH）；当IO/M＝1时，选择 8155的I/O口，AD0～AD7上的地址为8155 I/O口的地址。

ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE，IO/M的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。

PA0～PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。 PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。

PC0～PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。

TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。 TIMER OUT：定时/计数器输出端。 VCC：＋5V电源。

图3-11 8155的引脚图

2、8155的工作方式

在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线CE提供，CE＝0，选中该片。当CE＝0，IO/M＝0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H～FFH；当CE＝0，IO/M＝1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0确定。

8155的I/O工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄

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存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图所示。

在ALT1～ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下： ALT1：A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。 ALT2：A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。

ALT3：A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3～PC5为输出。

ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。

8155扩展的键盘及显示电路如图3-12所示：

图3-12 8155扩展的键盘及显示电路

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第4章 控制系统软件设计

4.1 内部资源分配

8051单片机中有2个外部中断、2个定时器、128个bit位，合理使用它们，会使程序设计简单有效，用户可用的内存单元128个，数量非常有限，为了设计简化，并没有扩展外部RAM，因此，对内存单元的合理划分也是非常必要的。

(1)RAM地址分配：

8051的RAM数据存储分配如下表4-1。

表4-1 RAM数据存储分配 2AH 2BH 30H 31H~44H 45H 50H~52H 7AH 7BH 7CH 60H 7DH 7EH 7FH 压力值 压力A/D转换值 压力PID计算值 PID算法寄存空间 压力PID最大值 键盘设定压力存储单元 压力设定值显示高位 压力设定值显示中间位 压力设定值显示低位 检测压力值存储单元 压力检测值显示高位 压力检测值显示中间位 压力检测值显示低位 (2)系统硬件中各个芯片的地址分配表如表4-2。

表4-2 芯片的地址分配表 序号 1 芯片名 8155 地址译码 地址译码关系 1100000000000000 1100000000000001 1100000000000010 1100000000000011 1111111111111010 地址值 C000H C001H C002H C003H FFFAH Y6 A口 2 8155I/O口 B口 C口 3 AD0809 Y7 23

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表4-2 芯片的地址分配表 序号 4 5 芯片名 DA0832 2764 地址译码 地址译码关系 0001111111111111 0011111111111111 地址值 1FFFH 3FFFH Y0 Y1 4.2 主程序

主程序要完成以下功能：

1、对单片机系统进行自检。 2、对单片机系统进行初始化。

3、检测中断、并执行相应中断子程序。

4、进行键盘扫描，检测功能键的闭合情况，并执行相应的子程序。 5、检测各开关的输入量。

整个系统的主程序流程图见附录D图1所示。

4.3 中断处理程序

在中断服务程序编程时，首先要对中断系统进行初始化，也就是对几个特殊功能寄存器的有关控制位进行赋值。具体来说，就是完成下列工作：开中断和允许中断源中断；确定各中断源的优先级；外部中断就应该规定是电平触发还是边沿触发方式。

(1) T0中断子程序：该中断是单片机内部5s定时中断,优先级设为最低,但却是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成A/D数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前压力、与设定值进行比较,调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。程序流程如图4-1所示：

T0定时程序 设定堆栈指针 T0初始化 置初值 P10置0，开始计时 等待中断 图4-1 T0定时程序流程图

(2) T1中断子程序： T1定时中断嵌套在T 中断之中，优先级高于T 中断，其定时

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初值由PID算法子程序提供，T1中断响应的时间用于输出压力的控制信号。程序流程图4-2所示：

T1定时程序 设定堆栈指针 T1初始化 置初值 P11置0，开始计时 等待中断 图4-2 T1定时程序流程图

4.4 键盘处理程序

键盘中有数字键和功能键，在设计时要明确的区分开来。本系统采用线反转法来识别闭合键，查表比较的方式确定按得是哪个键，若只比较一次就相等，则键值为00H；若比较两次才相等，则键值为01H；若比较10次才相等，则键值为09H；该方法可使表格实际占用的单元数与键数相等，该方法来与一般的查表方法比较，少占用了许多内存单元，只不过执行时间稍长些。执行一遍后若A的内容为FFH,则无闭合键；若A的内容不是FFH则有键闭合，A的内容即为该闭合键的键值。子程序请参考附录程序KEY1。其程序流程图见附录D图2所示：

4.5 PID控制程序

系统算法采用工业上常用的位置型PID数字控制，PID控制是连续系统控制技术中最成熟，应用最广泛的一种。PID控制算法流程图见附录D 4.5.1 PID控制规律

1tde?t??? u?t??kp?e?t???e?t?dt?TD ? （式4-1）0Tdt?? G?s????U?s?1?（式4-2） ?kp?1??TsD? ?E?s??TIs?其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比

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较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输

1tde?t???出u(t)的关系为u?t??kp?e?t???e?t?dt?TD?，式中积分的上下限分别是0和t。因0Tdt??此它的传递函数为：G?s????U?s?1??kp?1??TsD?。其中?P为比例系数，?I为积分时间?TsE?s?I??常数，?D为微分时间常数。

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化的产品，使用中只需设定三个参数（?P，?I和?D）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。PID参数较易整定，也就是，PID参数?P,?I和?D可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

4.5.2 PID控制器的分析

在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。

因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。

PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。 虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送

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器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器，电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司都开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器，还有可实现PID控制的PC系统等等。

（1）开环控制系统

开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

（2）闭环控制系统

闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。

（3）阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

4.5.3 PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就

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应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

4.5.4 PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

4.5.5 PID控制实现

各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。

要实现闭环的PID控制功能，首先应将PID功能预置为有效。其方法有两种：一是通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃CVF-G2系列变频器，将参数H-48设为O时，则无PID功能；设为1时为普通PID控制；设为2时为恒压供水PID。二是由变频器的外接多功能端子的状态决定。例如安川CIMR-G7A系列变频器，在多功能输入端子Sl-S10中任选一个，将功能码H1-01～H1-10(与端子S1-S10相对应)预置为19，则该端子即具有决定PID控制是否有效的功能，该端子与公共端子SC“ON”时无效，“OFF”时有效。应注意的是大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品牌的变频器只有其中的一种方式。 在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用PI控制功能、不启动D功能就能满足需要，这样的系统调试过程比较简单。

欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的PID功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的PID控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。

将目标值(目标信号)的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方法，而归结起来大体上有如下两种方案：一是自动转换法，即变频器预置PID功能有效时，其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定。

由于目标信号和反馈信号通常不是同一种物理量。难以进行直接比较，所以，大多数变频器的目标信号都用传感器量程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在1.2MPa，压力传感器的量程为2MPa，则与1.2MPa 对应的百分数为60％，目标值就是60％。而有的变频器的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数。例如富士P11S变频器，将参数E40(显示系数A)设为2，即压力传感器的量程上限2MPa；参数E41(显示系数B)设为0，即量程下限为0，则目标值为1.2。即压力稳定值为1.2MPa。目标值即是预期稳定值的绝对值。

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各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确定一个为目标信号的输入通道，则其他输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通过相应的功能参数选择其中的一个使用。

P、I、D参数的预置与调整 (1) 比例增益P

变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益P是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。 (2) 积分时间Ｉ

如上所述，比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大(或减小)，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。 (3) 微分时间D

微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。

(4) P、I、D参数的调整原则

P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。

4.6 显示程序

一般显示中动态显示是通过延时来达到显示多个LED数码管，由于人的肉眼观察不出来它有个短暂的熄灭过程，就好像是一直亮着一样。显示的过程是通过8155输出的，而且是用到了两个口因此编程时要注意位控与字控的延时结合。系统中显示也分两种情况，第一种情况是在设置时，把按键数字显示出来；第二种情况是系统在正常运行时显示即时压力值。第一种情况子程序请参考附录程序DISP。流程图如图4-3所示。

第二种情况比第一种要复杂得多，需要显示压力的大小，具体请参考附录子程序DISP1。流程图见附录D图4所示。

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开始 从50H~55H取键值 送8155PC口 取位控字送8155PB口 延时10ms 返回 图4-3 显示子程序流程图

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第5章 系统调试及仿真

5.1 软件仿真

5.1.1 KEIL软件概述

本系统软件程序用是Keil C51仿真软件进行软件的仿真。Keil C51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM 语言和 C 语言的程序设计，界面友好，易学易用。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

5.1.2 仿真结果

系统的程序汇编完成后，新建项目“王存超“保存,选择ACTEL系列core8051单片机，新建汇编文本文档，把编好的程序拷贝在文本编辑窗内点击保存按钮，注意在保存时文件名的后缀用“.asm”。保存完之后，在target1项目中点击右键添加文件把刚保存的“王存超.asm”添加进来。点击运行按钮 Keil c51会自动识别关键字，并以不同的颜色提示用户，这样可以很方便检查错误。软件调试仿真如图5-1至图5-3所示。

图5-1 软件程序仿真图

在调试的过程中，没有出现错误提示，说明程序基本达到了要求。

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图5-2子程序调试结果图

图5-3 主程序调试结果图

5.2 硬件仿真

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5.2.1 PROTEUS软件概述

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

5.2.2 仿真结果

由于在Proteus 软件中，AT89C51为常见元器件，故用其代替本设计中8051单片机进行仿真。

打开Keil，新建Keil项目，选择AT89C51单片机作为CPU，新建汇编源文件，编写程序，并将其导入到“Sourse Group 1”中，在Options for Target对话窗口中，选中Output选项卡中的Creat HEX File选项和Debug选项卡中的“Use：Proteus VSM Simulator”选项。编译汇编源程序，改正程序中的错误。

在Proteus ISIS中，选中AT89C51并单击，打开“Edit Component”对话窗口。设置单片机晶振频率为12MHz，在此窗口中的Program file栏中，选择先前用Keil生成的，HEX文件。在Proteus ISIS的菜单栏中选择File→Save Design，保存设计。在Proteus ISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中Use Remote Debug Monitor选项，以支持与Keil的联合调试。

在Keil的菜单栏中选择Debug→Start/Stop Debug Session，或者直接单击工具栏中的“Debug→Start/Stop Debug Session”图标，进入程序调试环境，安按F5键，顺序运行程序。调出Proteus ISIS界面，验证程序功能。

本次仿真中，进行了ADC0832与单片机之间的仿真，显示的是实时压力数值。调节压力传感器的数值，显示器的数值就会相应的增加或减少。如图5-4和5-5.

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D0D1D2D3D4D5D6D7+5VD0D1D2D3D4D5D6D7RP1U219XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD3938373635343332212223242526272810111213141516178756D0D1D2D3D4D5D6D7123456789U1:B74HC04U1:C74HC041246D0D1D2D3D4D5D6D7U1:D74HC04K13K2518XTAL29+5V293031RSTPSENALEEAM1PTP50149.1k0k1k2k312345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51net=OE123456U3VCCCLKDIDOADC0832CSCH0CH1GND1234K313+5VR151kC122p+1.80Volts 图5-4 ADC0832的仿真

D0D1D2D3D4D5D6D7+5VD0D1D2D3D4D5D6D7RP1U219XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD3938373635343332212223242526272810111213141516178756D0D1D2D3D4D5D6D7123456789U1:B74HC04U1:C74HC041246D0D1D2D3D4D5D6D7U1:D74HC04K13K2518XTAL29+5V293031RSTPSENALEEAM1PTP50131.6k0k1k2k312345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51net=OE123456U3VCCCLKDIDOADC0832CSCH0CH1GND1234K313+5VR151kC122p+1.01Volts 图5-5 数值仿真比较

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