AT89C51單片機(jī)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

論述了變頻調(diào)速恒壓供水的原理及由AT89C51組成的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方法。

1工作原理

變頻調(diào)速恒壓供水與水塔或樓頂?shù)母呶凰涔┧啾龋哂型顿Y省、節(jié)約能源、水質(zhì)遭二次污染的機(jī)會(huì)少等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的城市和生活小區(qū)已經(jīng)或正打算采用變頻調(diào)速恒壓供水。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

其工作原理是：控制器通過檢測(cè)實(shí)際水壓值，比較設(shè)定水壓值和實(shí)際水壓值的差別，按PID控制規(guī)律運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)至變頻器，變頻器則根據(jù)控制器的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。

當(dāng)用水量增加時(shí)，控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率加大，水泵轉(zhuǎn)速升高，出水量增加;當(dāng)用水量減少時(shí)，控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，出水量減少。通過這種控制方式，就可以使自來水管道壓力保持在設(shè)定值上。

由于變頻器的價(jià)格較高，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通常采用多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，幾臺(tái)水泵共用一臺(tái)變頻器。工作時(shí)，控制器根據(jù)用水量的大小，控制配電系統(tǒng)自動(dòng)選擇所需投入運(yùn)行的水泵數(shù)量，一般方法是保持其中一臺(tái)水泵處于變頻器控制下，其它水泵則根據(jù)供水量的變化，在工頻下全速運(yùn)行或停機(jī)待命。

2單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制器及變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的原理接線圖如圖2。系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為控制CPU(因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)片內(nèi)具有4KB的Flash　Memory);為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，采用MAX813作為系統(tǒng)的電壓監(jiān)控及Watchdog電路;壓力變送器送來的4～20mA的壓力信號(hào)經(jīng)IC7轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào);由A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809將壓力傳感器的檢測(cè)水壓值和設(shè)定電位器的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供單片機(jī)使用;D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832，將單片機(jī)輸入的控制量轉(zhuǎn)換為4～20mA電流環(huán)，控制變頻器的輸出頻率。由單片機(jī)到配電部分的控制信號(hào)及系統(tǒng)的一些控制開關(guān)命令，均通過光電耦合電路進(jìn)行隔離，以減少?gòu)?qiáng)電回路對(duì)單片機(jī)的影響。

2.2軟件設(shè)計(jì)

假設(shè)供水系統(tǒng)共有2臺(tái)水泵，其中水泵1為變頻運(yùn)行，水泵2為工頻運(yùn)行，由接觸器分別啟動(dòng)或停止，單片機(jī)通過繼電器控制接觸器的工作。軟件設(shè)計(jì)如下：

2.2.1單片機(jī)接口地址分配和控制端口功能

A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809：80XXH～87XXH;壓力傳感器為IN0通道，設(shè)定電位器為IN1通道。

D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832：08XXH。

水泵1繼電器控制P1.0：當(dāng)P1.0=0時(shí)，水泵1開;當(dāng)P1.0=1時(shí)，水泵1停。

水泵2繼電器控制P1.1：當(dāng)P1.1=0時(shí) ，水泵2開;當(dāng)P1.1=1時(shí)，水泵2停。

開機(jī)命令P1.2：當(dāng)P1.2=0時(shí)，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)P1.2=1時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

2.2.2軟件程序設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的單片機(jī)控制器軟件包括主程序、控制量計(jì)算子程序、繼電器控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、延時(shí)子程序等。

主程序包括系統(tǒng)初始化，開機(jī)命令的檢測(cè)等，主程序框圖見圖3。

T1中斷服務(wù)程序包括了除主程序以外的所有子程序的管理和應(yīng)用，程序框圖見圖4。

A/D轉(zhuǎn)換采用定時(shí)轉(zhuǎn)換方式，啟動(dòng)A/D后，用軟件延時(shí)150μs，再讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

繼電器控制子程序完成水泵2的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止控制。由于變頻器的控制量與水泵1的運(yùn)轉(zhuǎn)速度直接相關(guān)，因此程序根據(jù)變頻器的控制量大小就可判斷水泵1的工作狀態(tài)。如控制量為零，說明系統(tǒng)壓力過高，水泵1已經(jīng)調(diào)至最低轉(zhuǎn)速，這時(shí)需要水泵2停止工作;如果控制量為最大值，說明系統(tǒng)壓力過低，水泵1已經(jīng)調(diào)至最高轉(zhuǎn)速，這時(shí)需要水泵2投入運(yùn)行。由于供水系統(tǒng)壓力的變化慣性較大，所以當(dāng)控制量出現(xiàn)最大值或最小值后，需延時(shí)一段時(shí)間，在延時(shí)階段經(jīng)過反復(fù)測(cè)量，如果控制量一直不變，再進(jìn)行切換。系統(tǒng)多于2臺(tái)水泵時(shí)，切換原理相同，但需增加判斷多臺(tái)水泵開、停狀態(tài)的循環(huán)判斷程序。

繼電器控制子程序框圖見圖5。

控制量計(jì)算子程序包括變頻器控制量的計(jì)算和控制量的輸出，其中控制規(guī)律采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。

控制量計(jì)算子程序框圖見圖6。

3結(jié)論

變頻調(diào)速恒壓供水是現(xiàn)代化城市和生活小區(qū)供水的發(fā)展方向，采用單片機(jī)控制的變頻供水系統(tǒng)具有工作可靠、實(shí)現(xiàn)容易、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是較理想的控制器。