毕业设计(论文)-基于单片机的水泵智能控制系统.doc
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1、基于单片机的水泵智能控制系统 42摘要本文拟设计一种节能的压力水罐式恒压供水智能控制系统。该系统利用单片机作为控制单元的核心部件,应用灵活的单片机控制泵组-压力水罐供水系统。该系统充分利用现代化新型、先进的元器件,设计泵组压力水罐恒压供水智能控制系统。设计的智能恒压供水控制系统具有可靠性高、每个水泵工作时间均衡化、节能效率高等特点。该系统的关键技术包括单片机控制泵组是按负载均衡的原则设计的。系统有3台供水水泵,水泵的启停是按先起先停、先停先起原则设计的。本文结合水泵的具体应用,基于传感器,单片机元器件组成的智能供水控制系统的方案,给出了系统硬件设计及软件实现方法,实现对水泵运行的智能控制。该系
2、统比较适用于对供水质量要求不高的城乡居民小区自来水二次供水系统,尤其适合于高层建筑楼的二次供水系统。关键词:单片机,水泵,传感器,压力水罐,智能监控,负载均衡化ABSTRACTThis paper designed a pressure tank-type energy-saving intelligent control system for constant pressure water supply. The system uses microcomputer control unit as the core component, flexible, microprocessor con
3、trolled pump - pressure tank water supply system. The new system, full use of modern, advanced components, design pump - pressure tank Water Supply Control System. Design of intelligent control system for constant pressure water supply with high reliability and working time equalization for each pum
4、p, energy-saving high efficiency. The key technology, including microprocessor controlled pump is based on the principle of load balancing design. 3 sets of water system pumps, pump start and stop at first according to the first stop, first stop from the first principles of design. In this paper, th
5、e specific pump application, based on sensors, microcontroller devices composed of intelligent control system for water supply scheme, given the system hardware design and software implementation methods to realize the intelligent control of pump operation. The system is more suitable for less deman
6、ding on the water quality of urban and rural residential area of secondary water supply system, especially suitable for building high-rise building secondary water supply system.Key words: SCM, pumps, sensors, pressure tank, intelligent monitoring, load equalization目 录1 绪论-11.1单片机的发展趋势及应用-11.2水泵在生活中
7、的应用-32水泵的节能降耗-52.1 水泵的动力分析-52.2 水泵的能耗分析-63水泵智能控制系统的组成及工作原理-83.1 系统总体结构设计-83.2 系统控制设计方案分析-93.3 系统控制设计优化-114主要芯片的结构与特点-124.1 80C51单片机结构特点-12 4.2 压力传感器原理与应用-145水泵智能控制硬件设计-175.1 80C51单片机的复位和振荡电路-175.2 80C51单片机驱动水泵电路-185.3 80C51单片机驱动LED电路-195.4 单片机与A/D转换器的接口电路-235.5 单片机与AT24C02的应用电路-265.6 单片机与键盘的接口电路-29参
8、考文献-致谢-1 绪论随着国内城市高层建筑的增多,城市居民的生活用水的时段集中,高层用户供水成为关注的问题,工业园区企业生产用水集中,供水管网的水压不足,出于满足生产需求又节能考虑用较少的设备完成大量不间断供水需求,过去的贮水池继电器控制水泵加压供水系统较单片机实现的电自控泵组稍显落后,压力水罐供水方式可以节能有效地提供生产所需用水。该系统虽然沿用很久,但因为技术不复杂,设备简单,所在我国的二次供水中一直长期使用。上世纪九十年代后,许多高层建筑逐渐采用“贮水池+变频调速水泵”的供水系统。这种系统的低楼层用户仍由市政管网直接供水,对高楼层用户,则通过设定水泵的供水压力,在变频器的控制下,水泵的转
9、速随供水量的变化而改变,这种系统最大的好处是水压恒定,避免高楼层用户用水水压变化过大。这种供水系统性能较优越,恒压效果好,且比较节能,但系统较复杂,投资较大,适合于对供水要求比较高的场合使用。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用不断深入,带动控制技术日新月异。目前对供水控制的研究以及已开发的系统各有所长。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。水泵的运行正常直接影响到居民生活,工厂生产,所以对每台水泵的实时监控,智能控制非常有必要,本文结合水泵的具体应用,基于传感器,单片机元器件组成的智能供水控制系统的方案,给出了系统硬件设计及软件实现方法,实现对水泵运行的
10、智能控制。1.1 单片机的发展趋势及应用单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而
11、对体积要求严格的控制设备当中。31.1.1 单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗高达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。如80C51就采用了HMOS(即高密度金属
12、氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗比如象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片
13、机包含的单元电路就更多,功能就更强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有特色的单片机芯片。现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品、ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(
14、RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,以其价低质优的优势,占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品和日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,而不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。31.1.2 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:(1)在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电
15、压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。(2)在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。(3)在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。(4)在计算机网络和通信领域中的应用
16、现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。(5)单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。(6)在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机,看似简单的功能,
17、微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。如:音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。5在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。(7)单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,制动系统等等。6在单片机的控制系统中,为了实现系统的自动控制,需要把控制现场的各种状态信息输入到单片机,18由单片机按控制要求、对系统的各种状态进行处理,并输出相应的控制命令
18、到执行机构,实现对机电系统的自动控制。本课题就是通过对单片机的设计方法和研制过程的研究,来实现对智能设备(空压机)运行的监控。71.2 传统水泵在生活中的应用在智能恒压供水技术出现以前,出现过许多供水方式。以下就其设备、运行方式、安全性等方面逐一分析。(1)恒速泵直接供水系统这种供水方式,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)恒速泵加水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水
19、,再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止,水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式,水泵工作在额定流量额定扬程的条件下,水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电,其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大,占地面积也最大;水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话,水泵不能
20、进行自动的开、停,这样水泵的开、停,将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。(3)恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的,只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价与设计都有影响,同时水箱受建筑物的限制,容积不能过大,所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏,这样系统的开、停,将完全由人操作,使系统的供水质量下降能耗增加。但这种供水方式供水压力稳定,运行安全可靠。(4)恒速泵-气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制
21、泵的起停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小,而且可以放在地面上,设备的成本比水塔要低得多。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。由于该系统取消了设于楼宇顶部的高位水箱,对建筑物结构安全有利。但由于气压罐供水依赖于气体的可压缩性,同时气压罐也不能无限加大容积,所以水泵启停频繁,管网压力波动较大,一般相差01MPa,约10m水柱。为维持管网压力稳定需在出水管上安装调压阀,综合造价与水泵水箱联合供水系统相近,但此种供水方式运行费用稍高。相对与传统的高位水箱和供水水塔,压力罐供水具有体积小、造价低、供水压力大、自动化程度高和易于解决冬季保温防冻等优点,近年来应用日益广
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