基于单片机恒压供水系统的设计(本科毕业论文)

第一篇：基于单片机恒压供水系统的设计(本科毕业论文)

中文摘要...............................................................................................................................1 中文摘要...............................................................................................................................2 1 绪论...................................................................................................................................3 1.1 课题研究的目的与意义..........................................................................................3 1.2 国内外发展的状况..................................................................................................3 1.3 变频供水系统应用范围..........................................................................................5 1.4 恒压供水的实现......................................................................................................5 2 变频调速系统能耗分析...................................................................................................7 2.1 供水系统分析..........................................................................................................7 2.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析..............................................................8 3 系统结构与设备选型.....................................................................................................11 3.1 系统总体设计........................................................................................................11 3.2 变频调速................................................................................................................11 3.3 单片机....................................................................................................................16 3.4 控制算法................................................................................................................17 4 系统硬件设计.................................................................................................................20

4.1 系统工作过程说明................................................................................................20 4.2 变频器部分硬件设计............................................................................................21 4.3 单片机部分硬件设计............................................................................................23 5 系统软件设计.................................................................................................................29 5.1 主程序流程............................................................................................................29 5.2 继电器动作控制流程............................................................................................30 5.3 PID控制流程..........................................................................................................31 结论.....................................................................................................................................33 致谢.....................................................................................................................................34 参考文献.............................................................................................................................35 附录1..................................................................................................................................36 附录2..................................................................................................................................37 单片机恒压供水系统的设计

摘要：建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据居民用水时间集中，用水量变化较大的特点，因此居民原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用压力反馈，PID控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，电机的使用寿命大大延长。

关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动控制

The Design base on MCU for pressure water

supply system Abstract：Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task.According to the users water used time and the water consumption changing characteristic, so the resident original water supply system has many problems.E.g.the existence cost to be high, the reliability is low, the water resources waste, and the pipe network system need consummation.Through the way of using pressure feedback, PID control, together with the converter, microcontroller, pressure sensors, etc, according to the network management pressure, control water pump rotational speed through the inverter.So that the pressure in the pipe network is always maintained at a appropriate scope.Through this way, we solve the problem that the high floor case inadequate pressure and energy consumption high when the flow is low.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, therefore the water pump velocity modulation gets an obvious energy conservation effect.The average power consumption saves 40% than usual water supply method.Combination of relays, it can achieve the main pump frequency adjust, the deputy pump soft start, with the function of short circuit protection and over current protection.It is stable and reliable further more greatly extend the life of the motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM, differential pressure water supply, automatic control 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水控制器，该控制器是基于单片机为核心，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)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。传统的蓄水加压办法有：高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水的方式，靠水的势能向用户提供一定压力的生活用水和生产用水。这种办法显然比较落后，一是投资大，二是不利与维护和抗震。将增加房屋强度设计要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是将产生二次污染。1982年以后开始出现气压供水设备，虽比前者有所改进，但仍有很多不足之处，如占地面积大，水罐和泵房投资高，电机频繁启动，耗电量大且供水压力不稳。[1]究竟采用何种供水方式效果更好呢？根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。由此可见，采用交流变频调速恒压供水系统即可做到用水量和供水量的统一，又极大地降低了电耗。近几年随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的推广应用，上述想法已成为现实。

1.2 国内外发展的状况

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现

和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水用的变频器。它将PID调节器和P LC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。[2] 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2k-30w)，无需外接PLC和PID可完成。最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究迁是不够的。

采用变频调速恒压供水，利用反馈控制来进行恒压供水设计时还存在的问题有：由于供水系统的供水管道长、拐弯多, 难于确定系统的数学模型;且该系统具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。

变频恒压供水系统主要特点：

（1）节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。（2）占地面积小，投资少，效率高。

（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

（4）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。

（5）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。

（6）通过通信控制，可以实现无人职守，节约了人力物力。[2] 1.3 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135kw~320kw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

1.4 恒压供水的实现

系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用浩捷PTJ207压力传感器测量水管压力，其输出为数字量。STC89C52单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。作为变频器（ABB ACS510）的给定，通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。

控制算法的设计：由于供水系统难于确定系统的数学模型且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。[3]而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题[4]。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。变调速系统能耗分析

2.1 供水系统分析

水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源频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，保持管网压力恒定，达到节能效果。

如图2.1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2.1 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[5]。

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

（2.1）

式中s为电机的转差率（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。

2.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析

管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种

hs=hy+hj

（2.2）

沿程损失

hy= LQ2

（2.3）

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）；A-过水截面的面积。

（2.4）

式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。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

（2.5）

由式（2.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线

图2.2 水泵工作点的确定

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，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2.3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[5]。

图2.3 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

运行在C点泵的轴功率

两者之差：

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。

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。

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。系统结构与设备选型

3.1 系统总体设计

该系统以AT8052单片机为核心，由单片机、变频器、测量与转换、显示及用户设定等几个主要部分组成。如图3.1所示。

图3.1 系统总体设计框图

该系统采用压力反馈的单闭环控制，通过对出水口压力采样反馈与压力给定值做比较，计算出e（k）。通过控制算法输出给定给变频器来驱动泵来调节转速，从而达到恒压控制的目的。系统控制原理如图3.2所示。

图3.2 系统控制原理图

3.2 变频调速

3.2.1 变频器简介

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时

期内，占整个电力拖动系统80％左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。

但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；

（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：（1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养；

（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。

与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的传统控制，所以节能效果非常明显。

对电动机的调速范围和精度要求不高，通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。

在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1:1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。

3.2.2 电动机的机械特性

当定子电压Us和电源角频率1恒定时，可以改写成如下形式：

Uss1Rr'Te3np(sRR')2s22(LL')2

sr1lslr12当s很小时，忽略分母中含s各项，则

UsTe3np1s1，转矩近似与s成正比，R'sr2机械特性Tef(s)是一段直线，见图3.1。当s接近于1时，可忽略分母中的Rr'，则Us1Rr'1Te3nps[R22(LL')2]s，s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，1s1lslrTef(s)是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直2线段逐渐过渡到双曲线段，如图3.3所示。[6]

nsn00smTemaxTe10TemaxTe

图3.3 恒压恒频时异步电机的机械特性

3.2.3 变频器的控制方式

目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。

1)V/f恒定控制简介。V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压（Voltage）与频率(Frequency)的比，称为V/f恒定控制。

此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。

控制原理如下：

异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机

的同步转速随着改变。当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。

保持V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。

电动机定子的感应电动势：

E1＝4.44Kw1Фm f 1 N(3-1)式中

Kwl——电动机绕组系数；

f1 ——电源频率；

N1 ——电动机绕组匝数；

Фm——每极磁通。

电动机端电压和感应电动势的关系式为：

Ul＝E1+(r1+jx1)I1，(3-2)在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式(2-1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，电动机的磁通Фm将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。[7]在变频控制时，保持E / f恒定，可以维持磁通恒定。

2）矢量控制简介。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。

直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90°；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭

环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。

根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制[7]。

矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数(主要是转子电阻R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景[8]。

3.2.4 变频器的选择

通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。

根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器(也称无跳闸变频器)和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩(TL∝n2)，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。[9] 大多数变频器容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。

变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为:

Pnv≥1.1Pn

(3-3)式中： Pnv—变频器额定功率，kW；

Pn—电动机额定功率，kW 3.3 单片机

3.3.1 单片机简介

单片机又称单片微控制器,它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。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机.它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别[10]。

早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。

3.3.2单片机的选择

1.单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O引脚数量

2.单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

3.Flash和OTP（一次性可编程）相比较，最好是Flash。

4.封装IP（双列直插），PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。DIP封装在做实验时可能方便一点。

5.工作温度范围，工业级还是商业机。如果设计户外产品，必须选用工业级。6.功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个mA,。

7.工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.8-3.6V电压范围内工作。[10] 3.4 控制算法

该系统采用PID控制方法，将PID算法编入单片机自动运行。其算法程序流程如图3.4所示：

图3.4 PID算法流程

3.4.1 PID控制介绍

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。其控制规律为：

(3-4)1.比例（P）控制

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（Steady-state error）。

2.积分（I）控制

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（System with Steady-state Error）。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。

3.微分（D）控制

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（delay）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。

3.4.2 数字PID控制算法实现 1.数字PID位置型控制算法：

把式(3-4)变换为差分方程，为此可作如下近似

式中：T为采样周期，k为采样序号。

可得数字PID位置型控制算式为：

(3-5)

式(3-5)的控制算法提供了执行机构的位置u（k），如阀的开度，所以被称为数字PID位置型控制算式。[11] 2.数字PID增量型算法

由式(3-5)可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i），不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，对此可将式(3-5)进行如下改进：

其中

称为比例增益；

称为积分系数；

称为微分系数。

(3-6)

为编程方便，可将式（3-6）改写成如下形式

(3-7)

其中系统硬件设计

系统的硬件设计分为两部分：

1）以单片机为核心的硬件部分设计。主要包括：A/D转换采样及PID控制，用户按键输入及显示屏显示，单片机与变频器通信。

2）变频器部分的硬件电路设计。主要包括：主电路和控制电路。系统硬件结构如图4.1所示。

图4.1 系统硬件结构示意图

图4.2 实际供水系统示意图

实际供水系统如图4.2电机M1工作工频直接接入电网，M2作变频调速电机。其中气压供水罐根据情况选配，不一定必须配置，其作用是增加系统阻尼。除了气压供水罐外，其它设备是必需的。

4.1 系统工作过程说明

1）两个泵的供水方式

结合图4.3，这个恒压供水系统由两个泵，其中一台泵(M1)工作在工频，在系统处于低用水量时，由它供水。这时变频器不工作，电机M2不工作。当用水量上升，水压下降超过设定，这时变频器工作，动态的调节水压。当用水量回到低用水量带时，变频器又停止工作，只由泵M1供水。在低用水量区水压在容许范围了波动，只有当水压低于一定程度，变频器才工作。依靠水压在容许范围，必要时配合气压罐来增大系统阻尼。这样变频器就不需要在低频率下长期运行，同时本系统采用V/F控制不能在过低频率下运行的问题也得到解决。

图4.3 泵启停与用水量关系图

2）系统的启动与运行

系统启动将首先将电机M1投入运行。这时如图4.4，继电器KM1吸合，KM2与KM3断开，直到电机M1启动结束。电机M1的起动过程，变频器相当于软启动器的作用。电机M1起动结束后，变频器停止输出同时KM1断开，KM3吸合，再经过一个软件延时后KM2吸合。这时电机M1直接接入电网，电机M2直接接到变频器。当压力偏差超过设定时变频器工作输出电机M2运行。变频器停止工作取决于是否在低用水量区，但用户需要的用水量难以测量。故通过单片机对变频器的频率输出（u(k)）与压力偏差e(k)，来判断用户用水量。显然在u(k), e(k)都小于设定值的

情况下，用户需要的用水量必然在低用水量区，这时让单片机控制变频器停止工作。

4.2 变频器部分硬件设计

4.2.1主电路

图4.4 变频器部分电路接线图

如图4.4。电机M1的作用是在供水系统用水量最小的情况时，维持管道水压。在这种情况下M2可以停机休息。当负载增加，水压减少到一值时再将M2投入运行。M2采用变频器V/F恒压频比控制，根据负载动态的调整电机转速。

4.2.2控制电路

图4.5 控制电路梯形图

如图4.5，图中A部分为当失控时，通过变频器设置且断开QF2、闭合QF3，QF4设置为手动控制。此时为一开环控制的方式。可以通过按键控制电机正反转，通过电位器来控制变频器的输出频率，来控制系统水压。

B部分为自动运行情况下的控制图。其中KM11，KM22为单片机控制的接触器的触点。自动运行过程如下：首先单片机发出指令让KM11闭合，这时KM1工作，电机M1与变频器接通，变频器起软启动器的作用。当时间继电器延时到，M1启动到工频，M1与变频器断开直接接到电网运行。之后单片机根据需要控制KM22使之投入运行，根据负载的不同，通过V/F控制改变M2转速。

4.3 单片机部分硬件设计

4.3.1 主要部分电路

图4.6 单片机硬件结构图

如图4.6图中包括了以单片机为核心的五个部分。其总体硬件图见附录1。1）系统供电电路

图4.7 电源模块

如图4.7，系统供电将220V的市电转换成5V直流电。系统首先通过变压器将220V的交流电降压为9V交流，再通过整流桥变为直流。电容C1、C2起滤波作用。LM7805为稳压模块。将电压稳定在5V。

2）单片机的晶振电路

图4.8 晶振电路

如图4.8，该电路为单片机提供稳定的12MHz的外部时钟频率。其中以一块12MHz的晶震为核心。

3）单片机继电器电路

图4.9 单片机控制的继电器电路

系统有两套这样的继电器电路与单片机相连，该继电器的作用相当于辅助继电器。通过它来控制图4.5中的KM11和KM22的打开或吸合，进而控制主继电器KM1和KM2来控制电机的接入或断开。

4）单片机的外部通信电路

图4.10 通信模块

单片机与变频器的通信，单片机通过MAX232芯片进行串行通信。在变频器端，再通过一个RS232转RS485的转换卡，将信号转换成变频器能识别的信号来完成通信过程。

5）A/D转换采样电路

图4.11 A/D转换模块

A/D转换电路以ADC0809为核心，将采集的压力传感器的信号（4~20mA信号），加以电阻网络转换成0~5V的电压信号。通过ADC0809的模拟量输入口（IN-0~IN-7）进行AD采样。模拟信号通道地址A、B、C由74LS373（三态输出锁存器）的Q0、Q1、Q2提供。时钟通过单片机ALE用74LS74（D触发器）进行二分频得到。当转换结束后EOC为高电频，作为中断，单片机调用中断程序，读采样数据。

4.3.2 其它部分电路 1）显示电路

图4.12 显示模块

显示部分采用循环扫描的方式，P0口传输显示的内容，P2.0至P2.3的作用是选择对应的LED工作。

2）看门狗电路

图4.13 看门狗电路

X25045芯片包含一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。时间到后由RESET输出一个高电平信号。看门狗定时器的预置时间通过X25045的状态寄存器相应的位来设定：

WD1=0，WD0=0，预置时间为1.4s WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6s WD1=0，WD0=0，预置时间为0.2s WD1=0，WD0=0，禁止看门狗工作

看门狗的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长。编程时在适当的位置加一条喂狗指令即可。当系统跑飞，用软件陷阱等方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时到，迫使系统复位。系统软件设计

5.1 主程序流程

开始系统初始化固定参数设置可变参数设置 N A/D压力数据采集 Y 有参数修改？计算压力偏差e（k）并显示采样植继电器动作判断及输出延时PID控制控制信号输出

图5.1 主程序流程图

单片机上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、各种程序模块的初始化等；然后，程序进入主循环；最后进入PID计算及各种控制信号的输出部分。

5.2 继电器动作控制流程

开始读取标志位，判断M1是否停止状态？ N Y 从I/O口输出控制信号，使继电器KM11闭合 KM11标志位置位；并进行延时KM22_0标志位置零延时输出e(k)与u（k）是否超过预设值其它情况 u(k)<设定e(k)<设定输出控制信号使变频器停止工作 KM22标志位是否置位 N Y 位 KM22_0标志位置从I/O口输出控制信号，使继电器KM22闭合 KM22标志位置位

图5.2 继电器控制程序流程图

判断M1是否启动，M1未启动则系统处于停机状态。这时KM11闭合控制，变频器起到软启动器的作用，带动电机到工频后变频器停止输出，继电器自动将电机切换到电网。

经过延时之后通过e（k），判断是否需要电机M2投入运行若需要就KM22继电器输出，同时标志位KM22_0置位，使M2电机接到变频器。

5.3 PID控制流程

开始 KM22、KM220，判断电机M2是从停止到运行？读取标志位Y；KM22=1，KM220=0 N；KM22=1，KM220=1 u(k-1)=e(k-1)=e(k-2)=0 3.4节中式（3-7）PID增量算法计算△u(k)输出u(k)=△u(k)+ u(k-1)e(k-1)；u(k)→u(k-1)存储e(k-1)→e(k-2)；e(k)→采样时刻到？ Y N

图5.3 PID算法流程图

该系统的调节采用PID控制算法。在工业中，由于对象的精确数学型难以确定，系统参数又经常发生变化，人们常常采用PID控制算法。这里采用的PID增量式算法。

这里读取标志位KM22，KM220来判断电机M2是否是从停机状态到运行状态，作用是保证控制的各种初状态为0。因为前一状态若为停止，则前一个输出和e（k）都应为零，而单片机记录的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停机前一个状态的参数，应该要归零处理。其具体程序参见附录2。

结论

本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一台水泵工作于工频，另一台调速的控制系统。随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水控制器，该控制器是基于单片机为核心，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)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。

在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，方案中采用Ｖ/Ｆ控制。来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在很大程度上减少能量损耗，能够明显节能。水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

致谢

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在合肥工业大学的四年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

恒压供水是变频调速应用的比较成熟领域，老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师林勇老师。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，他都费尽心血。没有林勇老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。

回顾这段时间的学习和生活，许多的老师和同学给予我各个方面的帮助和支持，让我坚持到了最后，在此感谢所有帮助和支持我的人。

甘

恒

二○一○年六月十日

参考文献

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附录1 以单片机为主的主要硬件图

附录2 主要程序

1）A/D转换程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE

START: CALL INIT_ADDR CALL INITTIME1 JMP $

intserve: CLI MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL STI RET INIT_ADDR: MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI

IRET INITTIME1: MOV AL,01110111B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL MOV DX,0F041H MOV AL,00H MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX DX,AL RET

2）PID控制程序 AD_7 EQU 00H DA1_ADDR EQU 40H A0 EQU 4FH A1 EQU 61H A2 EQU 13H

data segment uk1 DW 0H ek2 DB 0H ek1 DB 0H ek DB 0H DATA ENDS STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDS CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE,DS:DATA

START: CALL INITTIME2 CALL INIT_ADDR JMP $ MOV DX,AD_7 MOVX AL,DX SUB AL,80H MOV BX,OFFSET ek MOV [BX],AL MOV DL,A0 IMUL DL;A0*ek MOV DX,AX PUSH DX MOV BX,OFFSET ek1 MOV AL,[BX] MOV DL,A1 IMUL DL;A1*ek1 POP DX ADD AX,0H SUB DX,AX;-A1*ek1 JNO NOVER2 JS NG2 MOV DH,80H JMP NOVER2

NG2: MOV DH,7FH

intserve: CLI

NOVER2: NG3: MOV DH,7FH

NOVER3: MOV BX,OFFSET uk1

NG: MOV DH,7FH NOVER: PUSH DX MOV BX,OFFSET ek2 MOV AL,[BX] MOV DL,A2 IMUL DL;A2*ek2 POP DX ADD DX,AX;+A2*ek2 JNO NOVER3 JS NG3 MOV DH,80H JMP NOVER3 MOV AX,[BX] ADD DX,AX;uk1+A0*ek JNO NOVER JS NG MOV DH,80H JMP NOVER MOV AX,DX MOV AL,AH MOV BX,OFFSET uk1 MOV [BX],DX ADD AL,80H

MOV DX,DA1_ADDR MOVX DX,AL MOV AL,20H MOVX 20H,AL MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV BX,OFFSET ek1 PUSH BX MOV DX,[BX] MOV BX,OFFSET ek2 MOV [BX],DX MOV BX,OFFSET ek MOV DX,[BX] POP BX MOV [BX],DX STI IRET MOV BX,0FH*4 MOV AX,OFFSET intserve MOV WORD PTR[BX],AX MOV AX, SEG intserve MOV WORD PTR[BX+2],AX STI RET MOV AL,01110110B MOV DX,0F043H MOVX DX,AL

INIT_ADDR: INITTIME2:

MOV DX,0F041H MOV AL,10H MOVX DX,AL MOV AL,0B7H MOVX DX,AL RET

第二篇：基于51单片机恒压供水系统设计

基于51单片机恒压供水系统设计

摘要

建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用自来水恒压供水和水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、单片机、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。

关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动

引言

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选择一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式，对我们供水系统设计带来了新的挑战。

恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。变频恒压供水系统主要特点 1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。

2.占地面积小，投资少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.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。

5.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。

6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。1.2 传统定压方式的弊病

1.管理不便，因与大气连通容易引起管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物，藻类寄生，还可能对系统造成二次污染，所以定压水箱都需要定期维护，并由卫生部门检测。

3.定压水箱需占用较大的空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵长期在高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的启停泵，造成水泵、电机及开关部件寿命缩短。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户压力不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小时要采用减压阀、节流孔板等来调节水流量，这样大量的能量消耗在阀上，造成了电能的浪费。

1.3恒压供水设备的主要应用场合

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

6.各种流体恒压控制系统。1.4恒压供水技术实现

通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。1.5变频节能理论

1.5.1交流电机变频调速原理

交流电机转速特性：，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∝ 功率与转速的三次方成正比：T∝N

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= NP额= QP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=QP=0.216P，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。1.6变频恒压供水系统及控制参数选择 1.6.1变频恒压供水系统组成

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。1.6.2变频恒压供水系统的参数选取

（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。1.7变频恒压供水系统的特点

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，(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。

变频恒压调速供水系统的工作原理

在变频调速供水系统中，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流量的目的。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。

图2-1 变频恒压供水系统组成框图

图3-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统。系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图3.2所示。8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。

图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图

2.1系统工作过程

根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要，因此可以采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。

分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：（1）1#电机变频启动；（2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；（3）2#电机单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。切换过程Ⅰ

变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。切换过程Ⅱ

由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Pk时（2#电机，f=fmin，P＜Pk），在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机在工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。3切换过程Ⅲ

由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fi（即50Hz），水管水压低于设定水压上限Pi时（2#电机f=fi，P≦Pi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端，于此同时变频器BX端断开。1#电机开始软启动。控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。

图2-3 1#和2#机组工作过程流程图 2.2变频调速的基本调速调速原理

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2.4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2-4节能分析曲线图

(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，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。

H1/H2=(n1/n2)*2

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

（2.3.1）

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。

2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 2.3.1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

（2.3.2）沿程损失

（2.3.3）

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）；A-过水截面的面积。

将式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.3.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。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

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线

图2-5本泵工作点的确定

2.3.2水泵变频调速节能分析

比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2-6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2-6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

运行在C点泵的轴功率

两者之差：

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。

2.3.3调速范围的确定

本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手讨论水泵工作点的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得到以下几个结论：

1.水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点。水泵工作点是水泵运行的理想工作点。实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

2.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。

变频恒压调速供水系统硬件设计

系统单元设计主要包括CPU基本控制单元、电路定时复位电路、A/D转换电路、D/A转换电路、显示电路和相应的开关电路。

图3-1 系统硬件结构框图

3.1硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3-1所示。

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口，简化了硬件结构。系统的显示采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD,DXD。93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定的原始参数。采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象。74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚外接RC电路，用于开机时使74S273的输出端清零，用于防止继电器的误动作，对变频器起到了保护作用。在报警输入端与CPU 之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。系统A/D输入采用8位TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光耦离式D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路。P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大电路后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调节输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到了滤波的作用。3.2 555定时器复位电路

用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。NE555封装和内部结构图

图3-2 NE555封装图

如图3-3和图3-4上可知，NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周期和脉冲的宽度。调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。

脉冲宽度计算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振荡周期计算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。

图3-3 NE555内部结构

图 3-4 NE555定时电路及工作波形 3.3 5V单片机供电电源电路

如图3-5所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

图3-5 LM7805稳压电源

3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈 3.4.1 LED数值显示模块

数码管由7 个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理.基本的半导体数码管是由7 个条状的发光二极管（LED）按图1 所示排列而成的，可实现数字“0～9”及少量字符的显示。另外为了显示小数点，增加了1 个点状的发光二极管，因此数码管就由8 个LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列顺序如下图3-6。

图3-6 共阴数码管引脚图

图3-7 数码管封装

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类

① 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

② 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。

图3-8 共阴极4位8段数码显示 3.4.2 数据采集A/D转换电路 1.AD0809的逻辑结构

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3-9 AD0809内部结构 2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 条模拟量输入通道

ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条。

ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如图表3-10所示。

图3-10 AD0809通道选择表

数字量输出及控制线：11 条

3.ADC0809应用说明

（1）． ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2）．初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）．在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5）．是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。

（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。4.AD0809转换电路

电路见图3.4.2.4，主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51 及显示用数码管组成。AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us后才变为无效的低电平。这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89S1 与SUN7474连接经与7474的ST脚提供AD0809 的工作时钟。AD0809 的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ 时，其转换速度为128us。

AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。

图3-11 A/D转换电路 5． D/A转换模块

本系统采用的一个光耦隔离式串行D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，电路图如图3-12。

图3-12 光耦隔离式D/A 这里运用到了脉宽调制(PWM)的方法来控制电压模拟量，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。6.PWM控制原理

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

图3-13 PWM占空比

图3-13显示了三种不同的PWM信号。（a）是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。（b）和（c）显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

变频恒压调速供水系统软件设计

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明

系统软件程序由主程序，定时中断显示和频率输出子程序组成。采用软件模块化设计，引入了先进的模糊逻辑控制技术，并增加了容错技术和抗干扰算法。系统采用了定时复位软件设计方案（1秒钟复位一次），以消除程序运行时的死机现象。数字滤波采用平均值滤波方法，以消除干扰对输入信号的影响。4.2 8051系列单片的编程语言

51单片机在有四种语言支持，即汇编、PL/MC、C和BASIC。

C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化语言，可产生紧凑代码。C语言结构是以括号{}而不是以字和特殊符号表示的语言。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编语言相比，C语言有很多优点。

（1）对单片机指令系统不要求了解，仅要求了解对8051的存储器结构有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理；程序规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化

（3）具有将可变选择和特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；关键字及运算函数可用于近似人的思维过程方式使用；

（4）编程和程序调试时间显著缩短，从而提高效率；

（5）提供的库包括许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；

（6）已编好的程序可以很容易地移植入新程序，因为C语言具有方便的模块化编程技术；

虽然C语言有诸多优点，但是并不是说汇编语言就要被抛弃，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM作为变量的优势，因为片外变量需要几条几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时，只有具备汇编编程经验，才能避免生成庞大的、效率低的程序，所有现在所有的对速度要求高的内核程序都是用汇编编写完成的。4.3 编程软件

4.3.1 C051编译器介绍

现在比较流行的51系列编程软件

（1）American Automation：编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系统的配套软件工具

（4）Dunfield Shareware：非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等

（5）KEIL：KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。它支持浮点或长整数、重入和递推。使用单片机模式，KEIL是最好的选择

（6）Intermetrics：使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。

编译器的算法技术支持（float和long）很重要。生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统采用KEIL编译器。4.3.2 KEIL编译器 KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。

（1）uVision2 for Windows:是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。

（2）CX51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块。

（3）AX51宏汇编器：从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。

（4）BL51链接器/定位器：组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。

（5）LIB51库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件。

（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。4.4 单片机资料

单片微型计算机简称为单片机，有称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

l P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用；

2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）

编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）

接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？他起什么作用呢？当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PORG为编程脉冲的输入端：在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

（8051扩展2KB EEPROM电路，PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

EA/VPP 访问和序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取内部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

3、8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：电源+5V输入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。

ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。

4.5 软件的设计 4.5.1 程序设计图（1）主程序框图

图 4-1 主程序流程图

（2）继电器控制子程序

图4-2 继电器控制流程图

（3）A/D子程序

图4-3 A/D子程序流程图

（4）PID控制子程序

图4-4 PID计算子程序流程图结论

本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一拖多的控制系统，在这个毕业设计中有如下认识；

1.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

2.通过对供水控制模式进行分析，发现传统的生产控制模式是一种被动的控制方式，没有对供水管网的水量平衡进行综合考虑。针对传统控制模式的缺陷，提出了综合考虑水压和水量平衡的自适应平衡调节方法，为该供水控制系统的设计提供了依据。

参考文献

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第三篇：基于单片机的恒压供水系统设计

摘要

关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动

ABSTRACT

ABSTRACT Buiding the conservation-oriented society,the reasonable development,saves and the effective protecting water resources is an arduous task,according to the university water used time,the water consumption change major characteristic,analyzed the campsus original water supply system existence cost to be high,the reliability was low,the water resources waste,the pipe network system treated the consummation the question.Proposed that draws water the way which using the runing water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies,and matches by the inverter,the soft starter,SCM ,Micro reveals the compensator,the pressure transmitter,the fluid position sensor and so on.According to the network management pressure,controls water pump’s rotational speed through the inverter,causes in water pipe’spressure maintains at throughout the appropriate scope,thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery ratational speed is proportional three cubed the relations,therefore the water pump velocity madulation movement’s energy conservation effect is obvious,the sverage power consumption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller,mayrealize the main pump frequency conversion,the auxiliary pump soft start,has the short circuit protection,the overflow protection,function stably,the work reliable,lengthened electrical machinery greatly.Key words:Constant pressure frequency conversion watersupply, SCM, differential pressure water supply,automatic control

第一章引言..............................................................................................................1 1.1 变频恒压供水系统主要特点.............................................................................1 1.2 传统定压方式的弊病.............................................................................................1 1.3恒压供水设备的主要应用场合..............................................................................2 1.4恒压供水技术实现..................................................................................................2 1.5变频节能理论..........................................................................................................3

1.5.1交流电机变频调速原理...............................................................................3 1.6变频恒压供水系统及控制参数选择......................................................................3

1.6.1变频恒压供水系统组成...............................................................................3 1.6.2变频恒压供水系统的参数选取...................................................................4 1.7变频恒压供水系统的特点......................................................................................4 第二章变频恒压调速供水系统的工作原理..........................................................6

2.1系统工作过程..........................................................................................................7 2.2变频调速的基本调速调速原理..............................................................................9 2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析....................................................10

2.3.1管路水力损失及性能曲线.........................................................................10 2.3.2水泵变频调速节能分析.............................................................................11 2.3.3调速范围的确定.........................................................................................12 2.4本章小结................................................................................................................13 第三章变频恒压调速供水系统硬件设计............................................................14

3.1硬件总体说明........................................................................................................14 3.2 555定时器复位电路.............................................................................................15 3.3 5V单片机供电电源电路......................................................................................17 3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈...................................................17

3.4.1 LED数值显示模块....................................................................................17 3.4.2 数据采集A/D转换电路...........................................................................19 第四章变频恒压调速供水系统软件设计............................................................25

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明.......................................................25 4.2 8051系列单片的编程语言...................................................................................25 4.3 编程软件...............................................................................................................26

4.3.1 C051编译器介绍.......................................................................................26 4.3.2 KEIL编译器..............................................................................................26

III

4.4 单片机资料...........................................................................................................27 4.5 软件的设计...........................................................................................................30

4.5.1 程序设计图................................................................................................30 结论..............................................................................................................................33 致谢..............................................................................................................................34 参考文献......................................................................................................................35 附录..............................................................................................................................36 附录一：A/D数据采集转化及显示子程序..............................................................36 附录二：PID控制子程序..........................................................................................39 外文资料原文.............................................................................................................44 Input/Output Accessing................................................................................................44 翻译文稿......................................................................................................................49 输入/输出访问............................................................................................................49

第一章引言

1.1 变频恒压供水系统主要特点

1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。2.占地面积小，投资少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.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。

5.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。

6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。

1.2 传统定压方式的弊病

1.管理不便，因与大气连通容易引起管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物，藻类寄生，还可能对系统造成二次污染，所以定压水箱都需要定期维护，并由卫生部门检测。

3.定压水箱需占用较大的空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵长期在高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的启停泵，造成水泵、电机及开关部件寿命缩短。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成电子科技大学学士学位毕业论文

部分用户压力不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

1.3恒压供水设备的主要应用场合

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。6.各种流体恒压控制系统。

1.4恒压供水技术实现

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。

第一章引言

1.5变频节能理论

1.5.1交流电机变频调速原理

交流电机转速特性：n60(1s)/p，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：T∝N3

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，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。

1.6变频恒压供水系统及控制参数选择

1.6.1变频恒压供水系统组成

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。电子科技大学学士学位毕业论文

1.6.2变频恒压供水系统的参数选取

1.7变频恒压供水系统的特点

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。

(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。

第一章引言

(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。电子科技大学学士学位毕业论文

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

图2-1 变频恒压供水系统组成框图

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图

2.1系统工作过程

1.切换过程Ⅰ

变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，电子科技大学学士学位毕业论文

开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。2.切换过程Ⅱ

图2-3 1#和2#机组工作过程流程图

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

2.2变频调速的基本调速调速原理

图2-4节能分析曲线图

(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 电子科技大学学士学位毕业论文

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

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

（2.3.1）

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。

2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析

2.3.1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

（2.3.2）

沿程损失

（2.3.3）

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

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）；A-过水截面的面积。

将式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

Hx=Hsj+Hs

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线

图2-5本泵工作点的确定

2.3.2水泵变频调速节能分析

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2-6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2-6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

运行在C点泵的轴功率

两者之差：

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。

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。2.3.3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

第二章变频恒压调速供水系统的工作原理

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。

2.4本章小结

2.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。电子科技大学学士学位毕业论文

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

系统单元设计主要包括CPU基本控制单元、电路定时复位电路、A/D转换电路、D/A转换电路、显示电路和相应的开关电路。

图3-1 系统硬件结构框图

3.1硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3-1所示。

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

外接RC电路，用于开机时使74S273的输出端清零，用于防止继电器的误动作，对变频器起到了保护作用。在报警输入端与CPU

之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。系统A/D输入采用8位TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光耦离式D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路。P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大电路后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调节输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到了滤波的作用。

3.2 555定时器复位电路

用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。NE555封装和内部结构图

图3-2 NE555封装图

脉冲宽度计算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振荡周期计算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。电子科技大学学士学位毕业论文

图3-3 NE555内部结构

图 3-4 NE555定时电路及工作波形

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

3.3 5V单片机供电电源电路

图3-5 LM7805稳压电源

3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈

3.4.1 LED数值显示模块

图3-6 共阴数码管引脚图

图3-7 数码管封装

① 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种示

方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

图3-8 共阴极4位8段数码显示

3.4.2 数据采集A/D转换电路

1.AD0809的逻辑结构

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地电子科技大学学士学位毕业论文

址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3-9 AD0809内部结构

2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 条模拟量输入通道

ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条。

图3-10 AD0809通道选择表

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

数字量输出及控制线：11 条

ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。3.ADC0809应用说明（1）． ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2）．初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）．在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5）．是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。

（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

4.AD0809转换电路

AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。电子科技大学学士学位毕业论文

5． D/A转换模块

本系统采用的一个光耦隔离式串行D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，电路图如图3-12。

图3-11 A/D转换电路

图3-12 光耦隔离式D/A

第三章变频恒压调速供水系统硬件设计

这里运用到了脉宽调制(PWM)的方法来控制电压模拟量，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。6.PWM控制原理

图3-13 PWM占空比

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第四章变频恒压调速供水系统软件设计

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明

系统软件程序由主程序，定时中断显示和频率输出子程序组成。采用软件模块化设计，引入了先进的模糊逻辑控制技术，并增加了容错技术和抗干扰算法。系统采用了定时复位软件设计方案（1秒钟复位一次），以消除程序运行时的死机现象。数字滤波采用平均值滤波方法，以消除干扰对输入信号的影响。

4.2 8051系列单片的编程语言

51单片机在有四种语言支持，即汇编、PL/MC、C和BASIC。

（1）对单片机指令系统不要求了解，仅要求了解对8051的存储器结构有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理；程序规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化

（3）具有将可变选择和特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；关键字及运算函数可用于近似人的思维过程方式使用；

（4）编程和程序调试时间显著缩短，从而提高效率；

（5）提供的库包括许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；（6）已编好的程序可以很容易地移植入新程序，因为C语言具有方便的模块化编程技术；

4.3 编程软件

4.3.1 C051编译器介绍

现在比较流行的51系列编程软件

（1）American Automation：编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系统的配套软件工具

（4）Dunfield Shareware：非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等（5）KEIL：KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。它支持浮点或长整数、重入和递推。使用单片机模式，KEIL是最好的选择

（6）Intermetrics：使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。

编译器的算法技术支持（float和long）很重要。生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统采用KEIL编译器。4.3.2 KEIL编译器

KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。

（1）uVision2 for Windows:是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。

（2）CX51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块。

（3）AX51宏汇编器：从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。（4）BL51链接器/定位器：组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。

（5）LIB51库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件。（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。

第四章变频恒压调速供水系统软件设计

4.4 单片机资料

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

l P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用；

2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）

接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM 电子科技大学学士学位毕业论文

中的信息不会丢失。

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？他起什么作用呢？当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

（8051扩展2KB EEPROM电路，PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

EA/VPP 访问和序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取内部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我第四章变频恒压调速供水系统软件设计

们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。3、8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：电源+5V输入

VSS：GND接地。

ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。电子科技大学学士学位毕业论文

4.5 软件的设计

4.5.1 程序设计图（1）主程序框图

图 4-1 主程序流程图

第四章变频恒压调速供水系统软件设计

（2）继电器控制子程序

图4-2 继电器控制流程图

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（3）A/D子程序

（4）PID控制子程序

图4-4 PID计算子程序流程图

图4-3 A/D子程序流程图

第四章变频恒压调速供水系统软件设计

结论

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致谢

在即将毕业之际，毕业设计已近尾声，我想借此机会对关心支持我的所有人表示感谢！

我在毕业设计期间，得到导师王冰峰的精心指导，王老师治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的学习氛围。在王老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，解决了一个又一个难题。最终才得以完成此次毕业设计。在此祝福王老师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。感谢老师在这半年的毕业设计中对我的帮助和鼓励!同时感谢同组同学在我的毕业设计过程其中对我莫大的鼓励与帮助。！

回顾这段时间的学习和生活，还有许多的老师和同学给予我各个方面的帮助和支持，让我坚持到了最后，在此感谢所有关系和支持我的人，今后我会继续努力，不辜负你们对我的期望！

致谢

参考文献

附录

附录一：A/D数据采集转化及显示子程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P3^2;sbit oe=P3^1;sbit eoc=P3^0;uchar codetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//数码管显示段码

uchar codetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先择数组 uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x[8];//八通道数据待存数组 void delaynms(uint x);//nms延时程序 void display();//显示程序 void ad0809();//芯片启动程序 void key();//键扫描程序 main(){ number=1;P1=0x00;while(1){ ad0809();//调AD0809 启动子程序 key();//调按键子程序

ad_0809=x[number];//把相关通道数据给ad_0809 display();//调显示 }} //nms 延时程序 void delaynms(uint x){

附录

uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//读得的数据乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出个位

for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小数点后第二位显示 P2=0x07;//选通第一个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小数点后第一位显示 P2=0x0b;//选通第二个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整数显示 P0_7=0;//点亮第三个数码管小数点 P2=0x0d;// 选通第三个数码管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道号显示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//选通通道

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oe=0;//以下三条指令为起动AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待转换结束 oe=1;//取出读得的数据 x[m]=P2;//送相关通道数组 oe=0;m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延时判误

if(!P3_5)//再一次判断P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 为高电平number++;//通道号显示加一 if(number>8)number=1;//八通道 }}}

附录

附录二：PID控制子程序

#include #include #include

struct _pid {

int pv;/*integer that contains the process value*/

int sp;/*integer that contains the set point*/

float integral;

float pgain;

float igain;

float dgain;

int deadband;

int last_error;

};

struct _pid warm,*pid;

int process_point, set_point,dead_band;

float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;

/*----------

pid_init

DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure

to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are

integer pointers.----------*/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)

{

struct _pid *pid;

pid = warm;

pid->pv = process_point;

pid->sp = set_point;

}

/*----------

pid_tune

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DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of

a pid control structure _pid.----------*/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)

{

pid->pgain = p_gain;

pid->igain = i_gain;

pid->dgain = d_gain;

pid->deadband = dead_band;

pid->integral= integral_val;

pid->last_error=0;

}

/*----------

pid_setinteg

DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the

pid controller at start up.----------*/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)

{

pid->integral = new_integ;

pid->last_error = 0;

}

/*----------

pid_bumpless

DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing

setpoints, or when restarting the PID equation after an

extended pause, the derivative of the equation can cause

a bump in the controller output.This function will help

smooth out that bump.The process value in *pv should

be the updated just before this function is used.----------*/

附录

void pid_bumpless(struct _pid *pid)

{

pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);

}

/*----------

pid_calc

DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a.This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim.Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control.RETURN VALUE The new output value for the pid loop.USAGE #include “control.h”*/

float pid_calc(struct _pid *pid)

{

int err;

float pterm, dterm, result, ferror;

err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;

result = pterm + pid->integral + dterm;

}

else result = pid->integral;

pid->last_error = err;

return(result);

}

void main(void)

{

float display_value;

int count=0;

pid = &warm;

// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);

process_point = 30;

set_point = 40;

p_gain =(float)(5.2);

i_gain =(float)(0.77);

d_gain =(float)(0.18);

dead_band = 2;

integral_val =(float)(0.01);

printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);

printf(“Enter the values of Process pointn”);

while(count<=20)

{

scanf(“%d”,&process_point);

pid_init(&warm, process_point, set_point);

pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);

pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);

//Get input value for process point

pid_bumpless(&warm);

附录

// how to display output

display_value = pid_calc(&warm);

printf(“%fn”, display_value);

//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);

count++;

}

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外文资料原文 Input/Output Accessing In this article, we will look at the three basic methods of I/O accessing － programmed I/O, interrupt-driven I/O, and direct memory access(DMA).The key issue that distinguishes these three methods is how deeply the processor is involved in I/O operations.The discussion emphasizes interrupt-driven I/O, because it is based on the concept of interrupt handling, which is a general problem that goes beyond Input/Output operations.The study of interrupt handling also aids in understanding the general concept of exception processing, which is an important issue not only for I/O, but also for interfacing a computer with other system control functions.Addressing I/O Registers

Input/Output devices communicate with a processor through Input/Output ports.Through the input ports, s processor receives data from the I/O devices.Through the output ports, a processor sends data to the I/O devices.Each I/O port consists of a small set of registers, such as data buffer registers(the input buffer and/or the output buffer), the status register, and the control register.The processor must have some means to address these registers while communicating with them.There are two common methods of addressing I/O register － memory-mapped I/O and direct I/O.1.Memory-Mapped I/O Memory-mapped I/O maps the I/O registers and main memory into a unified address space in the computer system.I/O registers share the same address space with main memory, but are mapped to a specific section that is reserved just for I/O.Thus, the I/O register can be addressed in ordinary memory reference instructions as if they are part of the main memory locations.There are no specially designed I/O instructions in the instruction set of the system.Any instruction that references a location in this areais an I/O instruction.Any instruction that can specify a memory address is capable of

外文资料原文

performing I/O operations.The Motorola MC68000 is an example of a computer system that uses this addressing method.2.Direct I/O The method of addressing I/O registers directly without sharing the address space with the main memory is called direct I/O or I/O-mapped I/O.In other words, I/O registers are not mapped to the same address space with the main memory.Each I/O register has an independent address space.As a result, instructions that reference the main memory space cannot be used for Input/Output.In the instruction set of the computer system, special I/O instructions must be designed for I/O operations.In these I/O instructions, distinct I.D.numbers must be used to address different I/O communication channels(i.e., I/O ports).They are called port numbers.The I/O registers of an I/O port are connected to the system I/O bus, through which the processor can reference the I/O registers directly to send/receive data to/from an I/O device.An I/O port number is not from the same address space as main memory.The Pentium is an example of a computer system that uses the direct I/O addressing method.It has a 64 GB memory address space(32 address bits)and, at the same time, a 64 KB I/O address space(16 bits I/O address/port number).Programmed I/O Programmed I/O requires that all data transfer operations be put under the complete control of the processor when executing programs.It is sometimes called polling, because the program repeatedly polls(checks)the status flag of an I/O device, so that its input/output operation can be synchronized with the processor.A general flowchart of such a program is shown in Figure 1.The program continuously polls the status of an I/O device to find out whether(1)data is available in the input buffer or(2)the output device is ready for receiving data from the processor.If the status shows “available” the program will execute a data transfer instruction to complete the I/O operation;otherwise, the busy status of the I/O device will force the program to circulate in a busy-waiting loop until the status becomes available.Such a busy-waiting loop, which continuously checks the status of data availability(for input)or device availability(for out-put), forms the typical program structure of programmed I/O.It is this time-consuming busy-waiting loop that wastes processor time and makes programmed I/O very inefficient.The processor must be involved

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continuously in the entire I/O process.During this time interval, the processor cannot perform any useful computation, but only serve a single I/O device.For certain slow I/O devices, this busy-waiting loop interval may be long enough that the processor could execute millions of instructions before the I/O event occurs, e.g., a key stroke on a keyboard.The operational mode lf programmed I/O stated above is characterized by the busy waiting loop of the program, during which the processor spends time polling an I/O device.Because of the dedication of the processor to a single task, this mode of programmed I/O is called dedicated polling or spin polling.Although dedicated polling is highly inefficient, sometimes it is necessary and even unavoidable.In a particular case, if an urgent event needs an immediate response without delay, then dedicated polling by a dedicated processor may be the best way to handle it.Once the expected event happens, the processor can tract to it immediately.For example, certain real time systems(e.g., radar echo processing systems)require a reaction to incoming data that is so quick that even an interrupt response is too slow.Under such a circumstance, only a fast dedicated polling loop may suffice.Another mode of operation of programmed I/O is called intermittent polling or timed polling.In this mode, the processor may poll the device at a regular timed interval, which can be expected or prescheduled.Such a device can be found in many embedded systems where a special-purpose computer is used for process control, data acquisition, environmental monitoring, traffic counting, etc.these devices, which measure, collect, or record data, are usually polled periodically in a regular schedule determined by the needs of the application.Such a method of intermittent polling can help save time lost in spin polling and avoid the complexity of interrupt processing.However, it should be noted that intermittent polling may not be applicable in some special cases, in which there is only one device to be polled and the correct polling rate must be achieved with the assistance of an interrupt-driven clock.Using timed polling in this case would result in simply swapping one interrupt-driven clock.Using time polling in this case would result in simply swapping one interrupt requirement for another.Interrupt-Driven I/O

Interrupt-driven I/O is a means to avoid the inefficient busy-waiting loops, which characterize programmed I/O.Instead of waiting while the I/O device is busy doing

第四篇：基于单片机的恒压供水系统的设计与实现

湖南科技大学毕业设计（论文）

题目作者学院专业学号指导教师

二〇一一年四月八日

单片机构成的恒压供水控制系统设计李铁雄信息与电气工程自动化

0704020117 沈宏远老师

IV 湖南科技大学毕业设计（论文）

前言.................................................................1 1 绪论...............................................................1 1.1 恒压供水系统的概念..............................................1 1.2变频器的基本概念

1.3变频恒压供水系统主要特点.........................................2 1.4 恒压供水技术实现................................................2 2 变频恒压调速供水系统的工作原理.....................................3

2.1 系统工作过程..................................................4 2.2 变频调速的基本调速原理........................................6 2.3 水泵变频调速节能分析..........................................7 2.4 本章小结......................................................8 3 变频恒压调速供水系统硬件设计.......................................8

3.1 硬件总体说明..................................................9 3.2 555定时器复位电路............................................9 3.3 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈........................11

3.3.1 LED数值显示模块........................................11 3.3.2 数据采集A/D转换电路...................................12 变频恒压调速供水系统软件设计......................................13

4.1 编程软件.....................................................13

4.1.1 C051编译器介绍.........................................13 4.1.2 KEIL编译器.............................................14 4.2 单片机资料...................................................14 4.3 软件的程序设计图.............................................15 5 结论..............................................................17 附录................................................................19 参考文献............................................................26

V 湖南科技大学毕业设计（论文）

基于单片机恒压供水系统设计

前言

随着社会经济的迅速发展，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。绪论

1.1 恒压供水系统的提出

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）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。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号（4~20ｍＡ）直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。

供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。

变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

变频器的基本概念

1、基本概念

（1）VVVF



改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。

（2）CVCF 湖南科技大学毕业设计（论文）

 恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。

变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

1.2 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。

1.3 恒压供水技术实现

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功解决了能耗和污染两大难题[1]。湖南科技大学毕业设计（论文）变频恒压调速供水系统的工作原理

在变频调速供水系统中，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流量的目的。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。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。

图2-1 变频恒压供水系统组成框图湖南科技大学毕业设计（论文）

图2-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统。系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2-2所示。8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用[2]。

图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图

2.1 系统工作过程

根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就满足供水需要，因此可采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。

分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：a.1#电机变频启动；b.1#电机工频运行，2#电机变频运行；c.2#电机单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。

切换过程Ⅰ

1#电机变频启动，频率达到50Hz，1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限P。按下相应的按钮，选择机组Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端。变频器对拖动1#泵的电动机采用软启动，1#电机启动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f0可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，湖南科技大学毕业设计（论文）

直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。

切换过程Ⅱ

切换过程Ⅲ

图2.1-1 1#和2#机组工作过程流程图湖南科技大学毕业设计（论文）

2.2 变频调速的基本调速原理

如图2.2-1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[3]。

图2.2-1 节能分析曲线图

★ 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。

★ 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，将导致湖南科技大学毕业设计（论文）

管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。

★ 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。

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[4]。

2.3 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，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2.3-1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2-6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。湖南科技大学毕业设计（论文）

图2.3-1 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kQyHy 运行在C点泵的轴功率 NCkQyHy 两者之差 hjj2j2Q 2g2gA2也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。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。

2.4 本章小结

a.水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，水泵工作点是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

b.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。变频恒压调速供水系统硬件设计湖南科技大学毕业设计（论文）

3.1 硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3.1-1所示。

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口，简化了硬件结构。系统的显示采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD，DXD。93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定的原始参数[5]。

图3.1-1 系统硬件结构框图

3.2 555定时器复位电路

用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。

NE555封装湖南科技大学毕业设计（论文）

图3.2-1 NE555封装图

如图3.2-1和图3.2-2可知，NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周期和脉冲的宽度。调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。

脉冲宽度计算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C 振荡周期计算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。内部结构图

图3.2-2 NE555内部结构湖南科技大学毕业设计（论文）

图 3.2-3 NE555定时电路及工作波形

3.3 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈

3.3.1 LED数值显示模块

数码管由7 个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字，这就是它的工作原理。基本的半导体数码管是由7 个条状的发光二极管（LED）按图1 所示排列而成的，可实现数字“0～9”及少量字符的显示。另外为了显示小数点，增加了1 个点状的发光二极管，因此数码管就由8 个LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列顺序如下图3.3.1-1。

图3.3.1-1 共阴数码管引脚图湖南科技大学毕业设计（论文）

3.3.2 数据采集A/D转换电路

a.AD0809的逻辑结构

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成，如图3.3.2-1。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3.3.2-1 AD0809内部结构

b.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 条模拟量输入通道

ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路[6]。

c.AD0809转换电路

电路见图3.3.2-2，主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51及显示用数码管组成。AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us后才变为无效的低电平。这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89S1 与SUN7474连接经与7474的ST脚提供AD0809 的工作时钟。AD0809 的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ 时，其转换速度为128us。湖南科技大学毕业设计（论文）

AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。

图3.3.2-2 A/D转换电路变频恒压调速供水系统软件设计

4.1 编程软件

4.1.1 C051编译器介绍现在比较流行的51系列编程软件

a.American Automation：编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。b.IAR: 瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。

c.Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系统的配套软件工具湖南科技大学毕业设计（论文）

d.Dunfield Shareware：非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等

e.KEIL：KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。它支持浮点或长整数、重入和递推。使用单片机模式，KEIL是最好的选择

f.Intermetrics：使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。

编译器的算法技术支持（float和long）很重要。生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统用KEIL编译器[7]。

4.1.2 KEIL编译器

KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。

a.uVision2 for Windows：是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。

b.CX51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块。c.AX51宏汇编器：从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。

d.BL51链接器/定位器：组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。

e.LIB51库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件。

f.OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成Intel HEX文件。g.RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计[8]。

4.2 单片机资料

ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

PORG为编程脉冲的输入端：在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，通过编程脉冲输入才能湖南科技大学毕业设计（论文）

写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

EA/VPP 访问和序存储器控制信号

a.接高电平时： CPU读取内部程序存储器（ROM）。

扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

b.接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

c.8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：电源+5V输入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051，他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。

ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了[9]。

4.3 软件的程序设计图

a.主程序框图湖南科技大学毕业设计（论文）

图 4.3-1 主程序流程图

b.继电器控制子程序

图4.3-2 继电器控制流程图

c.A/D子程序湖南科技大学毕业设计（论文）

图4.3-3 A/D子程序流程图

d.PID控制子程序

图4.3-4 PID计算子程序流程图结论湖南科技大学毕业设计（论文）

a.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

b.通过对供水控制模式进行分析，发现传统的生产控制模式是一种被动的控制方式，没有对供水管网的水量平衡进行综合考虑。针对传统控制模式的缺陷，提出了综合考虑水压和水量平衡的自适应平衡调节方法，为该供水控制系统的设计提供了依据。湖南科技大学毕业设计（论文）

附录1： A/D数据采集转化及显示子程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P3^2;sbit oe=P3^1;sbit eoc=P3^0;uchar codetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//数码管显示段码

ad_0809=x[number];//把相关通道数据给ad_0809 display();//调显示 }} //nms 延时程序 void delaynms(uint x){ uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} 湖南科技大学毕业设计（论文）

void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//读得的数据乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出个位 for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小数点后第二位显示 P2=0x07;//选通第一个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小数点后第一位显示 P2=0x0b;//选通第二个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整数显示 P0_7=0;//点亮第三个数码管小数点 P2=0x0d;// 选通第三个数码管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道号显示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//选通通道

oe=0;//以下三条指令为起动AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待转换结束 oe=1;//取出读得的数据 x[m]=P2;//送相关通道数组 oe=0;湖南科技大学毕业设计（论文）

m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延时判误

if(!P3_5)//再一次判断P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 为高电平number++;//通道号显示加一 if(number>8)number=1;//八通道 } } }

附录2： PID控制子程序

#include #include #include

struct _pid {

int pv;/*integer that contains the process value*/

int sp;/*integer that contains the set point*/

float integral;

float pgain;

float igain;

float dgain;

int deadband;

int last_error;

};

struct _pid warm,*pid;

int process_point, set_point,dead_band;

float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;

/*----------湖南科技大学毕业设计（论文）

pid_init

DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure

to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are

integer pointers.----------*/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)

{

struct _pid *pid;

pid = warm;

pid->pv = process_point;

pid->sp = set_point;

}

/*----------

pid_tune

DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of

a pid control structure _pid.----------*/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)

{

pid->pgain = p_gain;

pid->igain = i_gain;

pid->dgain = d_gain;

pid->deadband = dead_band;

pid->integral= integral_val;

pid->last_error=0;

}

/*----------

pid_setinteg

DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the

pid controller at start up.----------*/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)

{

pid->integral = new_integ;湖南科技大学毕业设计（论文）

pid->last_error = 0;

}

/*----------

pid_bumpless

DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing

setpoints, or when restarting the PID equation after an

extended pause, the derivative of the equation can cause

a bump in the controller output.This function will help

smooth out that bump.The process value in *pv should

be the updated just before this function is used.----------*/

void pid_bumpless(struct _pid *pid)

{

pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);

}

/*----------

pid_calc

float pid_calc(struct _pid *pid)

{

int err;

float pterm, dterm, result, ferror;

err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;

result = pterm + pid->integral + dterm;

}

else result = pid->integral;

pid->last_error = err;

return(result);

}

void main(void)

{

float display_value;

int count=0;

pid = &warm;

// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);

process_point = 30;

set_point = 40;

p_gain =(float)(5.2);

i_gain =(float)(0.77);d_gain =(float)(0.18);

dead_band = 2;

integral_val =(float)(0.01);

printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);

printf(“Enter the values of Process pointn”);

while(count<=20)

{

Scanf(“%d”,&process_point);湖南科技大学毕业设计（论文）

pid_init(&warm, process_point, set_point);

pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);

pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);

//Get input value for process point

pid_bumpless(&warm);

// how to display output

display_value = pid_calc(&warm);

printf(“%fn”, display_value);

//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);

count++;

}

} 湖南科技大学毕业设计（论文）

参考文献：

[1] 何立民：MCS-51系列单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1990，P122-P130 [2] 秦进平、官英双：基于单片机的恒压供水系统，黑龙江工程学院学报，2005，P103-P112 [3] 解宏基、任光：一种多功能变频恒压供水单片机供水控制系统，大连海事大学轮机工程研究所，P258-P262 [4] 周黎辉、冯正进：变频器在多泵并联调速系统中的应用，机电一体化，1999，P35-P40 [5] 王幸之、钟爱琴：AT89系列单片机原理及接口技术，北京航空航天大学出版社，2004，P76-P94 [6] 苏夯：控制恒压供水系统的设计，大连交通大学，2009，P76-P80 [7] 童占：新概念51单片机C语言教程，电子工业出版社，2003，P275-P284 [8] 马忠梅、籍顺心、张凯：单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003，P241-P249 [9] 南建辉、熊鸣、王军茹：MCS-51单片机原理及应用实例，清华大学出版社，2003，P286-P294

第五篇：本科毕业论文(设计)参考（本站推荐）

新乡学院毕业论文

论文题目:

天然气催化燃烧催化剂的研究进展

学位申请人姓名

李义朋化学与化工学院化学（师范）2008级1班郭俊胜副教授

院(系)名称

专年业级

名班

称级

指导教师姓名指导教师职称

内容摘要.......................................................................................................................1 关键词.......................................................................................................................1 Abstract..........................................................................................................................1 Key words......................................................................................................................1 前言...............................................................................................................................2 1.催化剂的基体...........................................................................................................2 1.1陶瓷基体............................................................................................................2 2.1 金属基体...........................................................................................................2 2.催化剂的载体...........................................................................................................2 2.1 氧化铝载体.......................................................................................................3 2.2 CeO2-ZrO2 固溶体载体....................................................................................3 2.3 新型Ce-Mg-O载体.........................................................................................3 2.4 铝酸盐载体.......................................................................................................3 3.催化剂的活性组分...................................................................................................4 3.1 贵金属...............................................................................................................4 3.2 非贵金属.........................................................................................................5 前景展望.......................................................................................................................9 参考文献.....................................................................................................................11 致谢.............................................................................................................................12

内容摘要：研究甲烷催化燃烧催化剂的研究现状，介绍近年来有关Pd，Pt，Rh，Au 等贵金属和非贵金属催化剂的催化性能方面的研究结果。主要从甲烷燃烧催化剂组成部分：活性组分、载体分别加以论述，分析各种载体的优缺点，讨论各种贵金属和非贵金属催化剂优劣性。从而找出评价甲烷燃烧催化剂性能的关键因素。

关键词：甲烷

催化剂

贵金属

非贵金属

载体

Abstract：The literature of methane catalytic combustion catalyst, introduces the recent research status on Pd, Pt, Rh, Au precious metals and non-noble metal catalysts such as catalytic performance results is studied.Mainly from methane combustion catalyst components: the active component, carrier are discussed respectively, analyzes the advantages and disadvantages of various vector to discuss all kinds of precious metals and non-noble metal catalyst inferiority.So as to find out the combustion catalyst performance evaluation methane key factors.Key words: Methane catalyst precious metals non-noble metal carrier

前言

天然气储量丰富、价格低廉、热效应高等优点，是目前最清洁的能源之一。[1]甲烷是天然气的主要成分，但甲烷是最稳定的烃类，通常很难活化或氧化，且甲烷催化燃烧工作温度较高，燃烧反应过程中会产生大量水蒸气，同时天然气中含少量硫。因此，甲烷催化燃烧催化剂必须具备较高的活性和较高的水热稳定性，以及一定的抗中毒能力。因此，研发具有低温高活性、高温热稳定性、抗机械和热冲击能力强、抗中毒能力和再生能力良好、整个生命周期符合节能绿色环保要求的廉价催化剂材料以提高燃烧效率就显得十分重要，也是今后研究的方向，以推动甲烷催化燃烧的工业化进程。催化燃烧具有高效、节能、环保等诸多优点，是一种环境友好的能源利用方式。[2]与普通燃烧方式相比，催化燃烧具有较高的燃烧效率与能量利用率。甲烷燃烧的催化剂体系一般由活性组分、载体和基体组成。

1.催化剂的基体

1.1 陶瓷基体

最常用的是堇青石(5SiO2·3Al2O3 ·2MgO)陶瓷材料，具有较好的热稳定性堇青石会变软并且硅会扩散到表面，使催化剂中毒失活。其它陶瓷材料有氧化铝(常用的高温陶瓷，强度高，耐热冲击，但1100℃左右会发生晶型转变，比表面下降)、氧化锆(使用温度可高2210℃，但难和催化剂粘结)、莫来石(3Al2O3 ·2SiO2 或2Al2O3 ·SiO2)、六铝酸盐等。这些材料的抗热冲击性能大多成问题，影响了它们的应用。

1.2 金属基体

金属基体一般由卷起的波浪形金属薄片构成，材质通常为铁铬铝合金(FeCrAlloy)或铝铬钴合金(Co2CrAlloy)等。与陶瓷基体相比，金属基体具有机械强度高、起燃较快、耐热冲击等优点，但热膨胀系数较大，难与载体或催化剂涂层匹配。

2.载体

大多数基体的比表面都非常小，不适合负载金属活性相，为了提高比表面，需要在基体壁上沉积一层高比表面载体涂层，该涂层的热膨胀系数应与基体相匹配。作为催化剂体系的主要组成部分，载体不仅作为活性金属的支撑体，而且对

活性金属的分散、分布及催化剂的活性、选择性和稳定性都有很大的影响。通过有目的地改变载体的组成可以修饰催化剂表面性质，使活性金属在载体上的几何和电子学性能发生改变，从而改善催化剂的性能。[3]

2.1氧化铝载体

氧化铝是最常用的高比表面载体。但氧化铝在高温环境下会转变成热力学上稳定的α相，若有水蒸气存在会加速相变过程，使比表面大量损失。研究表明在氧化铝中添加碱金属、碱土金属及稀土元素时，其中BaO、La2O3、SiO2、LiO和K2O均可增加氧化铝的热稳定性和比表面积。

2.2 CeO2 – ZrO2 固溶体载体

近年来CeO2 – ZrO2 固溶体储氧材料载体备受关注，CeO2 –ZrO2固溶体作为载体，不只分散活性组分，有较大的比表面积，还能增强催化剂的活性。研究表明，Pt/Ce0.67 Zr0.33O2的活性要比Pt/Al2O3 高许多。但CeO2 – ZrO2 固溶体的高温稳定性差，不能在1000℃以上使用。固溶体有着特殊的氧化、还原性质，被认为是烃类催化燃烧中的一种很有潜力的载体。[4]

2.3 新型Ce-Mg-O载体

在甲烷燃烧催化剂中，具有抗烧结性能、高稳定性的载体对催化剂具有显著作用，因此通过纳米水平的设计，提高这类材料的应用性能。Ce-Mg-O纳米微粒还具有独特的尺寸效应和较好的抗烧结能力，它的载体的催化活性与其组成关系很大，随Mg 含量的增加，Ce-Mg-O 载体上甲烷完全氧化活性逐渐增加。Ce-Mg-O 纳米微粒形成的高比表面和高表面能，也有大量的晶格氧空位和较高的O2-迁移能，使其表现出较好的氧性能。用于甲烷氧化的催化剂载体时显示了较高的催化活性。而且该新型载体明显提高了CeO2的还原性能及氧恢复性能，这些优点使该新型载体具有一定的应用价值。

2.4铝酸盐载体

铝酸盐载体在高温下具有较好的热稳定性和较大的比表面积，在高温催化反应中具有优良的抗烧结和抗热振荡能力，有利于维持材料的较高比表面积和高温稳定性，被认为是最具有前景的高温催化材料。

载体的作用是使催化剂拥有大的比表面积，并担载催化活性材料，因此要想得到好的催化效果，载体的选择和活性材料的担载方法也很重要。但是，往往载

体和催化活性材料之间会发生强相互作用，导致催化剂晶体结构的改变或晶相的转变，同时引起表面积的减小，导致催化活性降低甚至消失。因此，为了得到期望的高活性晶体结构、好的分散性、合适的比表面积和孔隙结构，通常会添加一些催化助剂如: La、Ce、Nd、Ba 等稀土元素或碱土金属元素。或直接采用其它的金属氧化物MOx(M = Ti，Mn，Co，Zr，Sn 等)以及它们的混合物作为载体。

3.活性组分

3.1 贵金属

贵金属催化剂是一种优良的燃烧催化剂，不仅具有高活性，而且有较强的抗硫中毒能力。另外，Pt和Pd还容易在许多载体上形成高分散。但是，在温度超过500℃时，Pt和Pd容易烧结或挥发导致催化剂失活，再加上昂贵的价格，使这类催化剂的应用受到一定限制，一般用在燃烧器中的低温起燃阶段。其中负载型Pd，Pt催化剂研究的最多，负载型Rh，Au催化剂则报道较少。为了提高催化剂的催化性能，将Pd和一种或多种金属元素连用制成双、多贵金属催化剂，如负载型Pd-Pt，Pd-Rh 催化剂，应用于甲烷燃烧反应。[5] 3.1.1 Pd催化剂

由于Pd良好的低温活性、抗硫中毒能力、温度自控能力而在天然气的催化燃烧中广泛应用。Pd具有很好的温度自控能力，防止了高温烧结。与其他贵金属相比，Pd表现出更为活泼的催化性能，其原因与氧化还原机理有一定的关系。比如，Pd比Pt 更易被还原，还原温度低120～200 ℃，这就使得Pd在稀的甲烷混合气氛下表现出高活性。Pd负载于高比表面积的载体上时其稳定性随载体不同有明显差异，有研究报道，SiO2 负载的Pd 催化剂较Al2O3 担载的Pd催化剂有较弱的抗烧结能力和较高的活性及较短的活性反应时间，目前通过提高贵金属的分散度，减小晶体的粒径；利用具有特殊孔结构的载体；采用不同的处理方法使载体氧化物对活性金属进行再修饰；用金属掺杂等方法提高它的热稳定性。3.1.2 Pt 催化剂

Pt跟Pd一样有一个氧化还原过程，Pt向PtO2转化的过程，与PdO相比，PtO2是高度不稳定的，它在非常低的温度(大约400℃)即分解。此外PtO2是高度易变的，这个特性可用来解释在纯氧条件下Pt表面的重整是靠PtO2在纳米尺度内输运Pt 完成的.在富氧条件下，Pt主要保持金属状态。Pt表面的氧化程度是其催化

行为的一个关键因素，Pt表面氧化程度低的催化剂活性要优于表面氧化程度高的催化剂，因此在富O2条件下，应降低Pt表面的氧化程度。3.1.3 负载型Rh，Au 催化剂

相对Pd，Pt催化剂来说，负载型Rh，Au催化剂则报道较少。近年来，Au催化剂开始受到人们的关注.已经发现由共沉淀法、沉积沉淀等方法制备的过渡金属氧化物负载型Au催化剂，对甲烷燃烧有较好的催化活性。由共沉淀法制备的负载型金催化剂，对甲烷燃烧反应的催化活性顺序如下: Au/ Co3O4 >Au/ NiO> Au/ MnOx> Au/ Fe2O3-Au/ CeO2。对于甲烷燃烧反应，负载型金催化剂的活性高于Pt/ Al2O3的活性。活性最高的Au/ Co3O4催化剂具有已商品化的Pd/ Al2O3催化剂相当的活性。

3.1.4 双、多贵金属催化剂体系

为了保持催化活性在一个较高的水平，将Pd和一种或多种铂族元素连用制成双、多贵金属催化剂，应用于甲烷燃烧反应.当用Pd-Pt代替Pd时，催化剂的活性和催化稳定性得到进一步提高.经研究认为催化稳定性的提高是由于复合催化剂中的Pt抑制了Pd/PdO的烧结，当把以Co3O4为载体的Au、Pt和Pd催化剂应用于甲烷催化燃烧，发现在Co3O4担载的Au催化剂中引入Pt，可以明显降低甲烷完全氧化反应的起燃温度和完全转化温度。对甲烷完全氧化反应的活性优于贵金属担载量相近的Pd/Co3O4催化剂，这是由于在Co3O4载体上Pt 和Au之间存在的协同作用提高了氧化甲烷的活性。

3.2 非贵金属

非贵金属催化剂可以克服贵金属耐热性差、容易烧结、价格昂贵等缺点，金属氧化物催化剂由于其具有低温高活性的吸附氧和高温高活性的晶格氧，燃烧活性接近贵金属催化剂，原料价廉易得，热稳定性更高，有望在将来部分甚至完全取代贵金属催化剂，其中钙钛矿型催化剂和六铝酸盐催化剂是金属氧化物催化剂研究的焦点。以Cu，Co，Mn，Cr，Ni等单一过渡金属氧化物为活性组分的催化剂，对甲烷催化燃烧也有较好的活性，对这些金属氧化物进行掺杂可以使其催化性能发生显著改变。这些氧化物的活性主要是由金属原子的d层电子结构所决定的。当d层电子数为3，6，8时，一般其氧化物催化活性较高。而当d层电子数为0，5，10时，其活性相对较低。当温度超过1000℃使用时，大多数单氧化物催

化剂还易烧结。为解决热稳定性的问题，一般采用复合氧化物催化剂，如钙钛矿型化合物、六铝酸盐、尖晶石型氧化物、萤石型复氧化物、烧绿石型化合物，其中最具发展潜力的是前两者。[6] 3.2.1 过渡金属氧化物及类钙钛矿催化剂

这类催化剂的活性接近贵金属。过渡金属中Fe、Co、Mn的氧化物表现出较好的催化活性。其中Fe2O3作为活性组分，具有稳定性好、CO2选择性高等优点。钙钛矿型金属氧化物催化剂的通用式为ABO3，催化性能取决于A、B离子的种类和过渡金属B的价态。通常A离子为催化活性较低但起稳定作用的元素，而B离子是过渡金属元素，起主要活性作用。通过更换A离子或B离子的种类，可改善催化材料的氧吸脱附性能，从而提高催化活性。钙钛矿型金属氧化物催化剂比表面积的大小主要依赖于其制备方法，其制备方法一般有柠檬酸盐法、共沉淀法、溅射干燥法、硅酸盐法、冷冻-干燥法等。为了克服钙钛矿型催化剂比表面小、成型困难等缺点，采用浸渍法将钙钛矿活性组分负载在Al2O3、SiO2、LaAlO3、ZrO2等这些具有较高比表面、足够强度的载体上，已取得了令人满意的效果。所以有人认为钙钛矿型催化剂尤其是经过改性的稀土钙钛矿型催化剂，是一种有望在未来部分甚至完全取代贵金属催化剂的新型甲烷完全燃烧催化剂。3.2.2 六铝酸盐系列催化剂

六铝酸盐系列催化剂具有较好的热稳定性能以及较高的机械强度。从这些方面看，六铝酸盐及取代型六铝酸盐被认为是高温催化燃烧最有应用前景的催化剂和活性载体。六铝酸盐型催化剂可以用AAl11O19表示，A通常是碱金属、碱土金属或稀土金属.由于它们的薄层结构(由单分子氧化物分离的尖晶石块组成)，六铝酸盐型催化剂具有高的热力学稳定性。A位阳离子的半径和价态决定了六铝酸盐催化剂的晶体结构类型。制备方法对六铝酸盐型催化剂的高热稳定性、比表面积和甲烷燃烧活性有较大影响。六铝酸盐型催化剂的合成一般采用粉末固态反应法、醇盐水解法、共沉淀法、微乳法等.未经掺杂的催化剂具有高的热力学稳定性，但催化活性非常低，掺杂后催化活性得到提高，通过向六铝酸盐骨架中引入与Al3+直径相近的Mn3+、Co3+、Fe3+、Ni2+等活性组分，可显著提高催化剂的甲烷燃烧活性，其中又以Mn的活性最高。[7]

采用超临界干燥法制备的BaAl12O19和BaMn-Al11O19催化剂的透射电镜照片 6

分别如图1所示:(a)为BaAl12O19催化剂，(b)为BaMnAl11O19催化剂.由图1(a)看出，未用Mn 离子取代的样品经1200℃焙烧后，生成片状结构，但仍有一些针状结构存在，片状结构是六铝酸盐的典型晶貌结构，说明在1200℃时已经生成了六铝酸盐相，针状结构说明仍有尖晶石相存在，这和XRD的表征结果相一致。1个Mn 离子取代的TEM 照片如图1(b)所示，其形貌为单一的薄片状结构，属于六铝酸盐晶体的特征形貌，直径约为200nm。这种由TEM反映的片状结构是六铝酸盐的特征微观结构的宏观反映，具有这种结构的材料在横向和纵向的聚集生长受到表面张力的约束，进一步阻止催化剂的高温烧结，有利于维持材料的较高比表面积和高温稳定性.图1 催化剂的TEM 照片(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19 BaMnxAl12−xO19的物相分析如图2所示，在1200℃焙烧4h后催化剂主要为晶相六铝酸盐，和BaAl12O19[26-0135]的标准谱图较好地吻合。对于未被Mn 离子取代的BaAl12O19催化剂，晶相中仍有BaAl2O4[17-0306]相存在，2θ分别在19.6°，45.0°，45.9°和57.8°出现BaAl2O4的特征峰。随着六铝酸盐中引入Mn 离子，BaAl2O4 相消失，当Mn 离子取代数为1，2时，催化剂为单一的六铝酸盐晶相，Mn 离子的取代量继续增加至3 时，又有BaAl2O4 晶相析出，当Mn离子取代量为4 时，BaAl2O4相增多.这说明Mn 离子的引入有利于六铝酸盐的生成，但过多的Mn 离子会导致晶格发生形变，导致BaAl2O4 相析出，这是由于六铝酸盐为尖晶石结构单元，与BaO 构成的镜面交替堆积成层状结构晶体，Mn 离子的离子半径大于 7

Al3+的离子半径，过量的Mn 离子会使得六铝酸盐中的晶体发生形变或膨胀，使BaAl2O4镜面发生偏移，从而导致BaAl2O4出现.根据Groppi 等的研究，Mn取代量小于1 时，Mn 容易以Mn2+的形式取代里面体配位的Al3+，随着Mn 取代量的增加，Mn 逐渐以Mn3+形式取代八面体配位的Al3+，二价和三价Mn 的离子半径分别为0.080 和0.066 nm，均大于Al3+(0.051 nm)，所以用Mn 取代Al 后引起晶面间距增加(110 晶面的晶面间距见表2)，反映在2θ角上，会导致2θ 减小。Mn—O键长大于Al—O键，随着Mn 取代量的增加，六铝酸盐晶格畸变的程度增加。畸变越大，造成六铝酸盐的热稳定性越差。

图2 BaMnxAl12−xO19在1200℃焙烧4h的XRD 谱图

(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19;(c)BaMn2Al10O19;(d)BaMn3Al9O19;

(e)BaMn4Al8O19 8

3.2.3 氧化锡、二氧化锡基催化剂

SnO和SnO2都具有较好的催化燃烧活性，但在高温下易烧结、活性较差。通过Cr、Cu、Co 引入SnO2，发现催化活性进一步提高.采用双股并流共沉淀法将过渡金属铜加入氧化锡制备了SnCuO 系列催化剂，发现具有较大比表面积的SnCu4 具有最高的催化活性，500℃下即可将98% 的甲烷转化为CO2，并且该催化剂起燃温度为300℃。采用浸渍法制备了负载型MOx-SnO2(M= Ce、Co)催化剂，结果表明，MOx负载量的提高，催化剂的比表面积增大，晶粒减小，进而影响到催化剂的物化性能和反应活性。3.2.4 Ce-Zr固溶体催化剂

固溶体作为一种新型催化材料以其较大的比表面积、良好的热稳定性和较高的储氧能力被广泛用于各类催化反应。尤其是Ce-Zr 固溶体，即所谓的储氧材料(OSM)，有着特殊的氧化∀ 还原性质，被认为是烃类催化燃烧中的一种很有潜力的载体。实验结果表明，Ce-Zr-Co 系列催化剂对于甲烷催化燃烧反应具有良好的活性和稳定性，在空速30000h-1下可在580℃将甲烷完全催化转化。反应气体总空速对催化剂反应活性的、影响较大，空速降低，甲烷完全转化温度也随之降低。

3.2.5 其他金属氧化物催化剂

以Cu、Co、Mn、Cr、Ni等单一过渡金属氧化物为活性组分的催化剂，对甲烷催化燃烧也有较好的活性，对这些金属氧化物进行掺杂可以使其催化性能发生显著改变，如CuO/ Al2O3、CuO/ Fe2O3、CuO/ Mn3O4 等。Choudhary 等发现在氧化锆中掺杂过渡金属如Mn、Co、Cr、Fe 等，使甲烷及丙烷的燃烧活性有很大的提高。研究表明，过渡金属掺杂的氧化锆催化剂，活性要高于钙钛矿型催化剂，与负载型贵金属催化剂相当。此外，由Ca，Mn，Nd 等掺杂的CeO2催化剂也显示了较没有掺杂的CeO2催化剂更好的活性，而加入PdO 却降低了催化活性.在NiO中加入La 和Zr 能够控制催化剂的晶体尺寸和还原性能，这是由于掺杂后的样品还原性较好，因此改性的NiO催化剂使甲烷氧化活性提高。加入过渡金属，如Ag和Cu 也可以提高样品的甲烷燃烧活性。

前景展望

甲烷催化燃烧有着很好的发展前景。在甲烷催化燃烧过程中所用催化剂存在

两个关键问题:热稳定性和低温活性.故高活性、高稳定性、成本较低的催化剂的开发是其能否实现工业化的关键。所用的贵金属催化剂具有很高的催化活性，能使甲烷具有较低的起燃温度和完全燃烧温度。如何提高催化剂的比表面积以及活性相和载体之间的协同效应，催化剂的制备方法尤为重要，通过提高贵金属的分散度，选择合适的载体和制备方法，采用适宜的非贵金属掺杂等进一步提高催化活性和热稳定性，并降低其成本是下一步要解决的问题。非贵金属催化剂中钙钛矿型催化剂和六铝酸盐系列催化剂表现出很好的高温催化活性，因其价格较低，有着更好的发展前景。固溶体对于甲烷催化燃烧反应也有良好的催化活性和稳定性，但对此类催化剂的研究还较少，应引起研究者的重视。另外，将纳米微粒制备技术应用于催化剂的制备，也能有效地提高催化剂的活性。总之，开发具有低温高活性、高温热稳定性、抗机械和热冲击能力强、抗中毒能力和再生能力良好、整个生命周期符合节能绿色环保要求的廉价催化剂是催化研究的总体方向。微尺度和均相反应也将成为未来催化燃烧的一个崭新领域。

参考文献

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致

谢

本论文是在导师文书堂副教授的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学士学位论文的，同窗之间的友谊永远长存。

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