单片机控制的变频调速恒压供水系统(0617103119).pdf
. 本科毕业设计（论文） 单片机控制的变频调速恒压供 水系统 * 燕 山 大 学 2012 年6 月 . . 本科毕业设计 （论文） 单片机控制的变频调速恒压供水系统 学院（系）：里仁学院 专业：* 学生 姓名： * 学号：* 指导教师：* 答辩 日期：2012 年 6 月 17 日 . . 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院：电气工程学院系级教学单位：电气工程 学 号 * 学生 姓名 * 专 业 班 级 08-2 题 目 题目名称单片机控制的变频调速恒压供水系统 题目性质 1.理工类：工程设计（） ；工程技术实验研究型（） ； 理论研究型（） ；计算机软件型（） ；综合型（） 。 2.管理类（） ； 3.外语类（） ；4.艺术类（） 。 题目类型1.毕业设计（ ）2.论文（） 题目来源 科研课题（）生产实际（）自选题目（） 主 要 内 容 1、学习电机的变频调速原理 2、了解恒压供水系统的设计要求 3、学习单片机编程 4、设计软件电路和硬件电路 基 本 要 求 1.熟悉掌握变频调速的基本原理； 2.给出电路设计的具体方案； 3. 绘制 A0 图纸一张，论文一本。翻译英文文献一篇。 参 考 资 料 1、何超交流变频调速技术北京：北京航空航天大学出版社，2006.8， 2、 张迎新 单片微型计算机原理、应用及接口技术国防工业出版社，2003， 3、恒压供水控制相关文献 周 次14 周58 周912 周1316 周1718 周 应 完 成 的 内 容 查阅相关的中 文资料，熟悉 控制方法的工 作原理，翻译 一篇英文资料 工作原理学习 主电路的确定 控 制 方 案 的 确定，控制电 路的设计 系 统 软 硬件 设计 撰写论文，答辩 指导教师： * 职称：讲师2011 年 12 月 30 日 系级教学单位审批： 年月日 . . 摘要 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。 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。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。 关键词 ：变频调速；恒压供水； AT89C51单片机 . Abstract With the Progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge，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 conservation is a difficult task. Therefore, it is conducive to saving energy and Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply System has been more widely used. This paper discusses the frequency conversion speed 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 company's AT89C51 based ATMEL, also described including 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. Keywords : frequency control; constant pressure water supply;AT89C51 mcu . 目录 摘要 Abstract LXVI 第 1 章绪论 70 1.1 变频调速技术概况 . 70 1.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义. . 71 1.2.1 传统供水方式 71 1.2.2 变频恒压供水系统主要特点 72 1.2.3 变频调速恒压供水节能分析 72 1.2.4 变频供水系统应用范围 75 1.3 研究意义 . . 76 1.4 变频调速恒压供水系统的发展. . 77 1.5 本文主要研究内容 . 78 1.6 本章总结 . 78 第 2 章单片机概述 78 2.1 单片机简介 . . 78 2.2 单片机的发展史 . . 79 2.3 单片机的发展趋势 . . 80 2.4 AT89C51 单片机简介 . 82 2.5 本章总结 . 83 第 3 章变频调速恒压供水系统的工作原理 83 3.1 变频调速的基本原理 . . 84 3.2 系统工作过程 . . 84 3.3 系统的参数选取及调速范围. . 86 3.4 本章总结 . . 87 第 4 章变频调速恒压供水系统的硬件设计 87 4.1 主控单片机引脚说明 . . 89 4.2 反馈压力检测电路. 91 . 4.3 输出控制电路 . . 92 4.4 控制输入电路 . . 93 4.5 系统电压监控及Watchdog电路 . 94 4.6 本章总结 . . 95 第 5 章变频调速恒压供水系统的软件设计 96 5.1 单片机接口地址分配和控制端口功能. 96 5.2 软件程序设计 . 96 5.3 本章小结 . 99 结论 99 致谢 . 101 参考文献 . 101 附录 1. . 104 附录 2. . 107 附录 3. . 114 附录 4. . 119 附录 5. . 124 . 第 1 章绪论 1.1 变频调速技术概况 变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现 电能频率参量的控制与变换， 以实现电力的某些使用目的， 并提高其使用质 量与效率的一种技术。变频技术在经历了早期电子管、晶闸管整流器（60 年代）和集成电路技术（ 70 年代）几个阶段后，从80 年代至今一直沿用基 于电力电子技术的功率集成电路技术，并随着技术的进步继续发展 1。而变 频调速技术就是在变频的基础上调整电机转速的技术，其基本原理是根据电 机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f（1-s）p， （式中 n、f、 s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电 动机工作电源频率实现转速的改变。 变频调速技术已深入我们生活的每个角落，在国民经济和日常生活中占 有重要地位 :应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术;是节约 能源的高新技术 ;是国际上技术更新换代最快的领域;是高科技领域的综合性 技术。交流变频调速技术， 已成为国内外公认的最理想、 最有发展前途的电 机调速方式。经测算，电机采用变频调速技术运行后，一般可节电20%一 40%，因此这项技术具有广阔的使用前景，可被广泛应用于改造锅炉、 风机、 水泵、制冷机等设备的运行方式， 以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗 2 。我国现有的 100 万 kw 以上的大型电厂中，每套30 万 kw 的发电机一般 都配备 30-35 台辅机驱动用电动机。一个大型电厂，其辅机电动机多达250 台左右。火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水 泵、空压机和磨煤机等，据初步调查，其中50%-60%的风机、水泵可以改 为调速运行。 如果这些设备都实现变频调速运行，按节电 20%计算，年节电 可达 200亿 kW.h，相当于装机 400 万 kw 容量的发电设备 3。因此，应用电 力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业，就可以获 得很好的社会效益和经济效益。 近几年来，随着电力电子技术、 计算机技术、 自动控制技术的迅速发展， 电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速 取代直流调速、 计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。在 这种环境下， 电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电、改善 . 工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技术进步的一种主要手段。 1.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义 我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的 重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。另外，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、经济、稳定性提出了越来越高的要求 4 。 供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和企业的生产效率。要安全、稳 定、 经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、 先进的自动化供水控制系统。 但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、 工业 生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。究其原因， 主要是由于受供水设备和供水方式的限制。 1.2.1 传统供水方式 1.恒速泵直接供水方式 这种供水方式， 水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄 水池也没有，直接从城市公用水网中抽水， 严重影响城市公用管网压力的稳 定。这种供水方式， 水泵整日不停运转， 有的可能在夜间用水低谷时段停止 运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水 质量极差。 2.水塔/水箱的供水方式 这种方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用户供水。 这 种供水压力比较恒定， 且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水 的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部 5。即使如此，在大型 建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长的 供水需求。同时，由于在建筑物顶部形成很大的负重， 所以增加了结构面积， 也妨碍了美观。另外这种供水方式的水质容易受到污染，系统的开、停，将 完全由人操作，这将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 3.气压供水方式 模糊控制变频调速恒压供水系统的研究与设计这种方式是利用封闭的 . G HT HL HB 0QNQ A N HT HN HO HB 图 1-1 供水系统的基本特性 Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system 气压罐代替高位水塔 /水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐 的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上， 设备的成本 比水塔水箱要低得多。 而且气压罐是密封的， 所以大大减少了水质因异物进 入而被污染的可能性，灵活性大、建设快、不妨碍美观，且可以通过改变压 力罐的压力来满足不断增加的供水需求。但缺点是需要压力罐，其体积大、 投资大，又因其压力变化快、 运行效率低， 因此电能消耗大， 运行费用高 6 。 综上所述，传统的供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下， 且可靠性低， 严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。它们还有一个共 同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。 所以开发一种新 型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。 1.2.2 变频恒压供水系统主要特点 a. 节能，可以实现节电20%40%，能实现绿色省电。 b. 占地面积小，投资少，效率高。 c. 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。 d. 运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上 的平均扭矩和磨损减小， 减小了维修量和维修费用， 并且水泵的寿命大大提 高。 e. 由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染， 防止了很多传染疾病。 f. 通过通信控制，可以实现五人职守，节约 了人力物力。 1.2.3 变频调速恒压供水节能分析 变频调速恒压供水系统最突出的特点就 是节能。在该系统中，最主要的是对水泵的 控制，在日常生活及工农业生产中，由离心 泵组成的供水系统普遍存在，下面就以离心 泵为例分析变频调速节能的原理。 一、供水系统的特性和工作点 . 1扬程特性以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下， 全扬程 HT 与流量 Q 间关系的曲线 HT=f(Q)，称为扬程特性曲线，如图1-1 中的曲线所示。扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。 2管阻特性以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全 扬程 HT 与流量 Q 间关系的曲线 HT=f(Q)，称为管阻特性曲线。如图1-1 中 的曲线所示， 管阻特性是表明由管阻 （阀门开度） 来控制供水能力的特性 曲线。 3供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供 水系统的工作点，如图 1-1 中的 N 点在这一点，供水系统既满足了扬程特性， 也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。 4供水功率供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（KW）称为供 水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：PG=CPHTQ（1-1）式中 CP比例常数。 由图 1-1 中可以看出：供水系统的额定功率与面积0ANG 成正比 7。 二、调节流量的方法与比较 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从 考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。 1.阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变 （通常为额定转速）。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是 通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的需求。 这 时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 如图 1-2 所 示 ， 设 用 户 所 需 流 量QX 为 额定 流 量 的 60%（ 即 QX=60%QN） ，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬 程特性仍为曲线，故供水系统的工作点移至E 点，这时：流量减小为QE （=QX） ；扬程增加为 HE；由式（1-1）知，供水功率 PG 与面积 0DEJ 成正 比。 2.转速控制法即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持 不变（通常为最大开度） 。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来 适应用户对流量的需求。 当水泵的转速改变时， 扬程特性将随之改变， 而管 . 阻特性则不变。仍以用户所需流量等于60%QN 为例，当通过降低转速使 QX=60%QN 时，扬程特性为曲线，管阻特性仍为为曲线，故工作点移至C 点。这时，流量减小为QE（=QX ） ，扬程减小为HC，供水功率PC 与面积 0DCK 成正 比。 图1-2调节流量的方法与比较 Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow 3两种方法的比较比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需 流量小于额定流量（QX100%QN）的情况下，转速控制时的扬程比阀门 控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得 多。两者之差 ?P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ（图中 的阴影部分）成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。 4从水泵的工作效率看节能 G 0QNQ A N HN HO HB Hg J K D QE HC P 阀门关 小 阀门 全开 额定 转速 转速 下降 扬程特性 管阻特性 . (1)工作效率的定义水泵的供水功率PG 与轴功率 PP（输入功率，即电 动机的输出功率）之比，即为水泵的工作效率，符号是P ： P=PG/PP（1-2） (2)水泵工作效率的近似计算据有关资料介绍，水泵工作效率相对值* 的近似计算 公式如下： P*=C1（Q*/n* ） C2(Q*/n*)2 (1-3) 式中， P* 、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值；C1、C2 常数，由 制造厂家提供， C1 与 C2之间，通常遵循如下规律:C1C2=1 (3)不同控制方式时的工作效率由式（1-3）可知，当通过关小阀门来减 小流量时，由于转速不变， n*=1，比值 Q*/n*=Q* ，可见，随着流量的减小， 水泵工作的效率降低十分明显。 在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速 n*是成 正比的，比值 Q*/n* 不变。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率 总是处于最佳状态。 所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。 这是 变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。 5从电动机的效率看节能在设计供水系统时，由于：对用户的管 路情况无法预测； 管阻特性难以准确计算； 必须对用户的需求留有足够 的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大。 所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也常 常处于轻载状态， 其效率和功率因数都较低。 采用了转速控制方式后， 可将 排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机在低频运行时， 变频器具有能 够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。 这是 变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。 综上所述，变频调速恒压供水系统的节能显而易见，所以要大力发展变 频调速技术。 1.2.4 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三 . 类： (1) 小区供水 ( 加压泵站 ) 变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、 高层建筑供水、 乡村 加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw 以下，控制系统简 单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方 式。 (2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类 变频器电机功率在135kw320kw之间，电网电压通常为220V或 380V。受中 小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频 器。 (3) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、 多数采用高压变频系统。 这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用 了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 1.3 研究意义 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， 目前我国电机的总装机容量己达4 亿千瓦， 年耗电量约占全国用电量的60% ， 但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低 20% ， 70% 的电机只相当于国际20世纪 50 年代的技术水平电机驱动系统能效 比国外低 20% 左右，电能浪费十分严重。 众所周知， 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成 为时代特征的现实条件下， 我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在 市政供水、 高层建筑供水、 工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自 动化程度低。 饮水工程对于每个人来说都是非常重要的，供水系统也在现代 工业中无处不在。 然而，作为饮水工程中最重要的供水这一环目前却存在着 很多问题，传统供水方式己经不能满足当前社会的发展和需求。 . 要解决生产过程中能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外， 变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性日益得到了 国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济 价值及社会价值。 变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、 节省投资调节能力大、 运行稳定可靠的优势， 具有广阔的应用前景和明显的 经济效益与社会效益 。 1.4 变频调速恒压供水系统的发展 变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以 谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看看交流变频调速技术的发展。交流 变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子器件最初是普通 晶闸管，它主要是电流控制型开关器件。以小电流控制大功率的变换，但其 开关频率低，只能导通不能自关断。20 世纪 70 年代电力电子器件开发的电 力晶体管 (GTR)和门极关断 (GTO)晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电 子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展 和普及奠定了基础。 20 世纪 80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，它是一 种电压 (场控)型自关断的电力电子器件， 具有在任意时刻用基极 (栅极、门极) 信号控制导通或关断的功能从而使变频调速技术又向前迈进了一步。电力电 子器件发展逐步把控制、 驱动、保护等功能集成化起来， 出现了智能化功率 集成电路 (IGBT)。 模块和智能功率模块 (IPM) ，它们实现了开关频率的高速化、低导通电 压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传 感及测量的电路功能， 为交流变频调速技术开辟了新的天地。电力电子技术 的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的结合推动了变频调速应用 于恒压供水系统中。 电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小 型化、 智能化和低成本化。这无疑将推动交流变频调速技术向新的方向发展。 我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展， 变频技术逐步 应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们 . 还要大力发展自己的电力电子技术。国外交流变频调速技术高速发展，随着 工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在 机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经 济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高 电压大电流的 SCR、GTO、IGBT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展 应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 1.5 本文主要研究内容 本文主要论述了变频调速的基本原理及单片机在变频调速恒压供水系 统中的应用。 为了表述如何利用单片机完成对电机的变频调速控制，实现变 频调速恒压供水，本文提出了一个基于AT89C51 单片机的变频调速恒压供 水系统，并设计了该系统的硬件控制系统和软件控制系统。 1.6 本章总结 本章主要介绍了变频调速供水系统的产生背景及研究意义，对比分析了 传统供水方式的弊病， 突出了变频恒牙供水系统的特点，并针对此系统最大 的优势节能进行了详细的说明。 第 2 章单片机概述 2.1 单片机简介 单片机是一种集成在电路芯片， 采用超大规模集成电路技术把具有数据 . 处理能力的中央处理器CPU 随机存储器 RAM 、只读存储器 ROM、 多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调 制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路） 集成到一块硅片上构成的一 个小而完善的计算机系统。 单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到 一个芯片上。相当于一个微型的计算机， 和计算机相比，单片机只缺少了I/O 设备。事实上，单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的 几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用 电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2 部单片机。而 个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40 多部单片 机， 复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作的单片机的 数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不 尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机， 必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这 里的技术特征包括功能特性、 控制特性和电气特性等等， 这些信息需要从生 产厂商的技术手册中得到。 软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指 令特性即我们所说的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式， 输入输 出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性， 支持软件 (包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号 单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。 单片机控制系统因其体积小， 成本低，功能强大等特点， 正逐渐取代以 前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，其控制过程可以以软件控 制来实现，并能够实现智能化。 随着控制范畴的不断拓展， 单片机的应用领 域也将越来越广泛， 它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控 制技术的一次革命。 2.2 单片机的发展史 1974 年,美国仙童 (Firchild)公司研制出世界第一台单片微型机F8。 该机 有两块集成电路芯片组成,结构奇特 ,具有与众不同的指令系统,深受民用电 . 器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此,单片机开始迅速发展 ,应用领域也在 不断扩大。现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分 为一下几个发展过程。 第一代单片机 (1974-1976):这是单片机发展的起步阶段。在这个时期生 产的单片机特点是 ,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形。典型的代 表产品有 Fairchild 公司的 F8和 Mostek387公司的 3870 等。 第二代单片机 (1976-1978):这是单片机的第二发展阶段。这个时代生产 的单片机随然已能在单块芯片内集成CPU,并行口 ,定时器 ,RAM 和 ROM 等 功能部件 ,但性能低 ,品种少 ,应用范围也不是很广 ,典型的产品有Inrel 公司的 MCS-48 系列机。 第三代单片机 (1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和 前两代相比 ,不仅存储量和寻址范围大,而且中断源 ,并行 I/O 口和定时器 /计 数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口 电路。在指令系统方面,普遍增设了乘除法和比较指令。这一时期的单片机 品种齐全 ,可满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel 公司的 MCS-51 系 列机 ,Motorola 公司的MC6801 系列机 ,TI 公司的TMS7000 系列机 ,此 外,Rockwell,NS,GI 和松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。 第四代单片机 (1983 年以后 ):这是十六位单片机和八位高性能单片机并 行发展的时代 ,十六位机的特点是 ,工艺先进 ,集成度高和内部功能强,加法运 算速度可达到1us 以上 ,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如 PL/MPLUS C 和 Forth 语言等。代表产品有intel 公司的 MCS-96 系列,TI 公 司的 TMS9900,NEC 公司的 783× × 系列和 NS 公司的 HPC16040等。 我国开始使用单片机是在1982 年，从那时到现在 20 多年的时间里， 单 片机领域发生了翻天覆地的变化。国内的单片机发展在前几年以51 及其兼 容系列为主。直到现在51 系列的芯片还在中国市场占有相当大的比重。中 国单片机市场经过近三十年的发展，及在国家的支持下， 也产生了一些非常 优秀的单片机设计生产厂家。 2.3 单片机的发展趋势 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化， . 单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理为主的工作仍然是巨 型机在起作用， 故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片 机在出现时， Intel 公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embedded microcontroller） 。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备 中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。目前，用户对单片机的需要越来 越多，但要求也越来越高， 在这个刺激下， 单片机技术在很多方面都有了进 步。 首先，在内部结构方面， 单片机已集成了越来越多的部件。这些部件包 括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D 转换器， D /A 转换器， 串行通信接口， Watchdog电路，LCD 控制器等。 有的单片机为了构成控制 网络或形成局部网， 内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon 公司 的 C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM 中，内部还含有2 个 CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复 杂时，构成一个控制网络十分有用。 其次，是功耗、封装及电源电压方面。 现在新的单片机的功耗越来越小， 特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、 睡眠、空闲、节电等工作方式。Philips 公司的单片机P87LPC762是一个很 典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而在节电方式中，其功耗只有 0.5mA。 现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现， 单片机也大 量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。 扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的 目标之一。目前，一般单片机都可以在3.35.5V 的条件下工作。而一些厂 家，则生产出可以在2.26V 的条件下工作的单片机。 这些单片机有 Fujitsu 公司的 MB8919189195，MB89121125A，MB89130 系列等，应该说该 公司的 F2MC-8L 系列单片机绝大多数都满足2.26V 的工作电压条件。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作电压也是低达2.2V 的。 最后是工艺方面。现在的单片机基本上采用CMOS 技术，但已经大多 . 数采用了 0.6m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola 公司则已采 用 0.35m 甚至是 0.25m 技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内 部密度和可靠性。 综上所述，单片机的发展趋势主要有以下几个特点： 1 低功耗制作工艺全部CMOS 化。这主要是出于对低功耗的要求， 而且在单片机工作模式上，也有多种模式，如idel，sleep模式等。有的还使 用双晶振设计， 在空闲时候关闭高速晶振， 使用片内或外部低速晶振。 等机 功耗非常低。 2 资源丰富尽管单片机内部已经由最初的微处理器变为微控制器，实 现在单片化， 但是出于成本和稳定性的考虑，如A/D( 模/数转换器 )、D/A(数 /模转换器 )、PWM( 脉冲产生器 )以及 LCD(液晶)驱动器等也集成到内部，出 于开发和调试的方便，大多支持ISP 下载、片上调试、定时器 /计数器、上 电复位电路、 甚至集成有单运放电路。有些高档单片机， 如一些 32 位的单 片机，出于一些特殊市场， 还在内部集成有音频解码和合成，图片和视频解 码电路， DMA 通道， MMC 等。 3 共性和个性 共性，是指单片机的共同特性，8051 为代表的单片机架构和指令对整 个单片机领域产生了深远的影响， 其他单片机或多或少都会受到其加构的影 响。因此国内很多企业生产类似于51 系列的增强型的单片机，这些芯片， 保留了 8051 单片机的功能特性的同时，增强了其功能，比如采用流水线， 单周期执行周期等，使单片机运算速度提高十倍以上。个性是指一些面向 特殊领域、 特殊设计的单片机， 如用于特殊控制的简单电路， 有的单片机只 有一个定时器， 内部集成上电复位电路， ROM 只有 1K 的 SOP-8的单片机， 价格在 1 元人民币以下。 总之，单片机的发展将进一步多元化，单片机产品将更加丰富， 单片机 的尽用场合将进一步细化。单片机将更易用、性能更加稳定、价格更低，而 主流仍然是 8位机。 2.4 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 . 公司生产的低电压、高性能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。该器件采用ATMEL 公司的高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和 输出管脚相兼容。由于芯片中组合有多功能8 位 CPU 和闪烁存储器，ATMEL 的 AT89C51 是一种功能强大、性价比高的微控制器，广泛应用于各种控制 领域。 AT89C51 单片机的主要特性有：与MCS-51 兼容， 4KB 可编程闪烁存 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，128× 8 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。 2.5 本章总结 本章对单片机的“昨天”、 “今天”和“明天”做了大体上的阐述，着重 对本次设计中使用到的AT89C51 单片机进行了介绍。 第 3 章变频调速恒压供水系统的工作原理 在变频调速恒压供水系统中， 是通过变频调速来改变水泵的转速从而改 . 变水泵工作点来达到调节供水压力的目的。反应水泵运行工程的水泵工作点 也称为水泵工况点， 是指水泵在确定的管路系统中， 实际运行时所具有的扬 程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工 况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远， 不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能 导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于 水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化， 水泵的运行工况都会发生变化因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者 密切相关。 3.1 变频调速的基本原理 系统中的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。 由异步电动机的转速公式 11 60(1) /(1) p nfsnns (3-1) 式中， n 为电动机转速； 1 f 为电动机定子的供电频率；s 为转差率； np 为电动机定子绕组极对数；n1 为旋转磁场的同步转速。 由式(3-1)可知，
