基于51单片机的变频恒压供水系统的设计与仿真.doc

前言 设计背景 随着社会经济的飞速发展，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。尤其高层建筑越来越多，这为高层建筑的供水提出了挑战，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。传统高层供水通常是采用固定在建筑上的供水塔或楼顶高位水箱，以来自水局部加压的形式供水，但由于其造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐被发展起来的气压供水所取代，这种气压供水虽然可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积小，然而它也存在着明显的弱点，首先气压供水设备笨重，且主要部件气压罐式采用电容器，其生产工艺复杂，钢材耗用量大，投资成本高，其次，由于气压罐的调节容积较小，水泵启动频繁，这既影响了其电控装置中的电磁元件和水泵电机的寿命，同时大的供水泵电机功率又耗电，气压供水压力变动较大，直接影响水管网、阀、水表等使用寿命。 过去经常出现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供大于 求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。 针对上述问题，本文研制了变频恒压供水系统，该系统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[1]。 此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 设计目标 本设计以单片机AT89C51做为控制核心并协调整个系统工作，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，实现管网水压的调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值，实现恒压供水。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。采用该供水系统不需建造高位水箱或水塔，是一种理想的现代化建筑供水方案。本次设计的预期目标是：完成系统硬件电路的设计，并绘制出相应的原理电路图；完成所需控制软件的流程设计和编程任务，并在proteus上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。 总体方案设计 通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。 方案比较 方案一 方案一系统由泵机和可变频网络组成。如图2.1所示，以80C196为核心构成控制器，将设定值与压力反馈值进行运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来，构成闭环系统。 单 单 片 机 开关 A/D转换 恒速泵压机 变频泵压机 D/A转换 压力传感器 管网水压 图2.1 方案一的原理框图 方案二 方案二系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对二台三相380/50Hz,异步电动机行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图2.2所示。从下图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。 4位LED显示 4位LED显示 上位机通信 四位独立式键盘 AT89C51 变频器 M2 A/D转换 D/A输出 压力传感器 M1 图2.2 方案二的原理框图 方案三 系统由专用变频器、压力传感器、水泵等组成。如图2.3。专用变频器就是指有内置PID功能的变频器。随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对变频调速恒压供水设备进行合理的设计。国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新