单片机变频恒压供水系统设计论文

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1、 摘 要 本论文介绍了加压泵站自动控制系统软件硬件设计的主要内容。在硬 件上，本课题涉及了模数转换，数模转换，实时时钟，开关量输入，开关 量输出，打印机接口，MODEM控制，EEPROM，点阵图形式液晶显示， 红外遥控键盘等芯片和接口，并讨论了硬件的通用性和可扩展性。在软件 编制上，本课题将软件分为三个层次:系统层，驱动程序层和应用任务层，阐述了每层的结构和意义，并将本课题软件在三个层次上加以实现。在算法上，本课题利用单片机实现了增量式PID控制算法，并利用PID控制算 法实现了变频恒压供水。在功能上，本课题实现了基于PID控制的变频恒 压供水系统，自动进水系统，自动供水系统和无人值守自动供水

2、系统。本 课题还利用由MODEM和公用电话网组成的通讯线路实现了对远程无人值 守自动控制系统的监控。最后，讨论了本系统的通用性及其研究意义。 关键词:增量式PID控制;变频恒压供水;自动控制系统;通用性; MODEM远程通讯 1.前言 本课题是导师吴锤红教授受阂候县自来水公司委托，为某加压泵站进行技术改造的一个项目。本课题主要是为了配合自来水公司一个大型用水用户(某大型饮料厂供水方案的技术改造而进行的。该饮料厂原供水方案是:厂区蓄水池从自来水管网进水，泵房从蓄水池取水并加压后送入生产线。根据该饮料厂的新生产要求，该饮料厂决定撤消蓄水池，由自来水公司加压泵站提供恒定压力的供水，并直接送入生产线。

3、1.1本课题研究的现状 根据该饮料厂的生产线对进水压力要求，泵站必须提供 24小时不间断的恒定压力的供水，供水压力在0.38Mpa以上。本课题拟采用变频恒压供水方案.计算机系统根据出水压力与目标压力的差值，通过 PID调节控制变频器的输出频率，从而控制水泵的出水压力保持在一个恒定值。 泵站配备有一个蓄水量达 800吨的水池 (以下简称水池 A)，直接由自来水公司的主管网进水。进水阀门原采用手动控制，由工作人员根据管网的压力，调节阀门的开度从而调节进水量。本课题拟采用自动进水方案.计算机系统根据当前的管网压力，实时调整进水阀门 (电动调节阀)的开度，以保证管网压力在给定的范围内。 泵站的计算机系

4、统简称计算机A. 泵站同时还给一个工厂生活区供水。这个生活区与泵站距离约三公里。生活区有两个水池，分别为后山水池 以下简称水池B)和大后山水池 (以下简称水池C)其中后山水池B由泵站供水。值班人员当水池C缺水时，启动生活区泵房水泵，从水池B给水池C供水。由于自来水公司不准备在生活区泵房安排值班人员，本课题拟采用无人值守自动供水系统 (以下简称为计算机 B)，安装在生活区的泵房。该系统用于检测两个水池的水位情况，并且在水池 C水位低于进水水位时，自动启动泵房水泵，由水池B向水池C供水。 为保证水池B的供水，本课题拟采用白动供水方案。当水池B低于某一水位时无人值守自动供水系统通知泵站启动水泵，由水

5、池A给水池B供水。由于工厂生活区与泵站相距较远，计算机A与计算机B之间的通讯拟采用MODEM十公用电话网建立联系。1.2本课题研究的意义 本课题研究可以分为四个子系统:变频恒压供水系统，自动进水系统，自动供水系统和无人值守自动供水系统。其中自动供水系统和无人值守自动供水系统实际上是一套完整的远程测控系统，本节将其作为一个整体进行讨论。1.2.1变频恒压供水系统研究的意义 一般给水管网中的水压 (自来水厂的一次供水压力)已很难满足用户的用水需求，除建筑低层可由市政管网直接供水外，其余高层用户或大型用水单企业)均须加压供水。 目前常用的加压方案，无论是水塔、高位水箱、还是气压罐，都必须由水泵以高出

6、用户实际所需水压的压力进行 “提升.，从而造成能源的浪费。 采用水塔或高位水箱式供水.用户管网水压较稳定，具有一定的蓄水能力。但水塔 (或水箱)的存在，增加了建筑物结构的承重和建筑造价，同时造成了水质的二次污染，且高层最不利配水点水压不能满足用户需要。 气压式供水其实是把高位水箱移到了地面。它虽然可减少污染，并一定程度上消除 “水锤”现象，但气压罐的有效容积有限，水泵电机启停十分频繁，管网压力波动较大;气压罐为钢制压力容器，还需使用胶囊隔膜或补气装置，运营费用高，潜在费用较高。 变频恒压供水系统以管网水压 (或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实

7、现管网水压的闭环调节 (PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值:即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大:用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”;采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。 新型的变频恒压供水与传统的水箱和气压供水方式相比，不论是设备的投资额，运行的经济性，还是系统的稳定性，可靠性，节能效果、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，这些优越性引起了几乎所有供水设备厂家的高度重视，争相研制、开发这一新技

8、术产品，最近几年，随着交流变频调速技术的成熟和普及，变频恒压供水系统以其技术之先进，得到了飞速的发展。目前该产品正向着高可靠性、全数字化、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、网络供水调试和整体规划要求的必然趋势川。 因此，研究变频恒压供水系统的意义在于提供一种经济，节能，稳定且高品质的供水方案。1.2.2自动进水系统研究的意义 管网水压力是供水系统的重要参数，中华人民共和国建设部发行的行业标准中有许多与自来水管网的水压力相关，甚至做了严格的规定。这里列举 建筑给水排水设计规范(GBJ 15-88(公告6)中与水压力相关的部分条例，如下: 第 2

9、.1.4条 生活用水定额、水压及用水条件，应按工艺要求确定。生活用水定 额、水压及用水条件，应按工艺要求确定。 第 2.2.4条 生活饮用水管道不得与非饮用水管道连接。在特殊情况下，必须以 饮用水作为工业备用水源时，两种管道的连接处，应采取防止水质 污染的措施。在连接处，生活饮用水的水压必须经常大于其他水管 的水压。 第2.3.4条 高层建筑生活给水系统的竖向分区，应根据使用要求、材料设备性 能、维修管理、建筑物层数等条件，结合利用室外给水管网的水压 合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压，住宅、旅馆 院宜为300-350kPa:办公楼宜为350-450kPa. 由此可见，供水管网压力是白

10、来水传输的一个极为重要的基本参数。供水太低，将使某些管段得不到充足的用水供应;供水压力过高，爆管机率增加，量越大，水资源浪费越严重。 由于泵站直接从自来水公司主管网中取水，泵站的进水量对管网压力影响极在项目实施过程中，在对进水阀门进行实验时，曾将进水阀门全部打开，管网力几乎降至OMpa. 因此，研究自动进水系统的意义在于根据管网的当前压力，调整泵站的进水以保证管网的压力处于正常值。1.2.3自动供水系统研究的意义 研究自动供水系统和无人值守自动供水系统的现实意义在于为生活区提供的生活用水，系统根据水位情况自动取水，保证了居民的生活用水。 研究自动供水系统的通用性意义在于，该系统实现了一个完整的

11、远程测控系并研究了通过MODEM和公用电话网(PSTN)进行远程测控的方法。1.3本课题的研究内容 本课题研究的主要内容:研究变频恒压供水系统、自动进水系统、自动供统和无人值守自动供水系统的软硬件设计和实现。 硬件方面主要研究多种芯片和外设的接口，包括:模数转换，数模转换，时钟，开关量输入，开关量输出，打印机接口.MODEM控制，EEPROM，点形式液晶显示模块，红外遥控键盘等。 软件方面主要研究软件的分层设计方法。本课题将软件分为三种层次:系统驱动程序层和应用任务层。其中，系统层主要提供系统的总体结构并提供系统干扰措施，驱动程序层提供了芯片和外设的接口，应用任务层实现了系统的具育旨。1.4本

12、课题的研究目标 本课题研究要求达到以下目标: (1)实现24小时不间断变频恒压供水，供水压力可实时调整; (2)保证管网压力在允许值范围内自动进水; (3)实时测量进水压力和出水压力: (4)实现水池C无人值守白动供水: (5)实现水池B自动供水: (6)实现计算机B机与计算机A的MODEM通讯; (7)实现系统异常情况时报警; (8)保存报替情况并提供打印接口:(9)提供中文液晶显示:2.加压泵站供水设备及其控制特性2.1加压泵站供水系统简图 泵站供水系统简图如图2.1所示。 图2.1泵站供水系统简图 1:压力传感器，用于检测自来水公司主供水管线的当前水压: 2:电控调节阀，用于控制泵站水池

13、进水量: 3, 7: 45KW和37KW变频器，分别用于给45KW水泵 1和 15KW水泵提供频率可变的三相电压; 4:电动控制阀门，用于控制45KW水泵1的出水管道: 5:压力传感器，用于检测出水管道的当前水压: 6:止回阀门，当 15KW水泵出水水压高于一定值时，自动打开:当出水压力低于一定值时，自动关闭阀门: 8: 45KW自祸减压起动箱，用于控制45KW水泵2的启动与停止; 9:电动控制阀门，用于控制45KW水泵2的出水管道: 10: 28KW自祸减压起动箱，用于控制28KW水泵的启动与停止; 11:止回阀门。 水池水位的检测采用力普浮球开关。2.2供水水泵泵站共有4台供水水泵。其主要

14、参数及控制方式如表2.1所示。 表2.1水泵及其控制方式 对于配置电动阀门的水泵，在开机和关机都必须遵守一定的顺序。开机顺序为:先关闭阀门，再启动电机，经一段时间 (约 30秒)水泵水压建立后，再开闭电动阀门。关机顺序为:先关闭阀门，确定阀门关闭 (对于本课题使用的电动阀门需要 巧秒以上)后，关闭电机。2.2.1水泵特性分析及节能原理 水泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如式2.1所示。 式2.1表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的辅功率P(kW)可按式2.2计算。 图2.2是泵的

15、流量Q与扬程H的关系曲线。图中，曲线1为泵在转速n1下的扬程一流量(H-Q)的特性:曲线5为泵在转速n2下的扬程一流量(H-Q)的特性;曲线2为泵在转速nl下的功率一流量(P-Q)的特性;曲线3, 4为管阻特性。 假设泵的标准工作点A点的效率最高，输出流量Q为1000%，此时轴功率P1与Q1, Hl的乘积面积AH10Q1成正比。根据生产工艺要求.当流量从Ql减小到Q2时，如果采用调节阀门方法(相当于增加管网阻力)，使管阻特性从曲线3变到曲线4.系统由原来的工作点A变到新的工作点B运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2与面积BH20Q2成正比。 如果采用变频器控制方式，泵转速由nl降到n2，在满足同

16、样流量Q2的情况下，扬程H3大幅降低，轴功率P3与面积CH30Q3成正比。轴功率P3与PI, P2之和相比较，将显著减小。节省的功率损耗P与面积BH2H3C成正比，节能效果十分显著 2.3变频器 (SANKEN ) 泵站共有两台三垦力达电气 (江阴)有限公司生产的 SANKEN变频器，分别为SPF-37K一和SPF-45K-A。变频器的主要参数如表2.2所示。 在本系统中。使用控制回路端子启动和停止变频器，使用0-5v的计算机可控的模拟电压来设定变频器的输出频率。 控制特性:需要两路开关量输出，及两路0-5V的数模转换电路。2.4自祸减压起动箱 系统共有两台自祸减压起动箱，分别为XJOI-45

17、和XJOI-28。主要参数是:额定电压3相380V,频率SOHz.容量分别为45KW和28KW，最大启动时间120秒. 白拙a.压起动箱提供一个“起动”按钮和一个“停止”按钮。通过继电器直接并入自祸减压起动箱的端子排，利用继电器触点控制自祸减压起动箱的起动和停止。计算机通过控制继电器触点的通断来控制自祸减压起动箱。 控制特性:需要两路开关量输山信号。2.5电动调节阀 (802) 电动调节阀为天律北方阀门控制设备公司生产的 802电动调节阀门。型号为802.120-1，主要参数如下: (1)电源:三相交流电源380V，50Hz; (2)功率:370W; (3)阀位电位器:560 0 ; (4)开

18、向行程限位开关和关向行程限位开关; (5)全自动手电动切换结构，无切换用的手柄。 厂家未提供从全开至全关所需的时间参数。经过实验，开度从0%至 100%或从100%至0%平均需要 15秒。 由控制中心通过控制线 (长度约为20米)给阀位电位器提供 5V电压，并返回电位器电压值。经过实验，当开度为0%时，电位器电压为0.02V，当开度为100%时.电位器电压值为3.67V. 系统需要通过两组交流接触器提供正反转三相电源，以控制电动调节阀开向运转或关向运转。计算机通过输出两个开关量，控制两个可控硅开关，由可控硅控制交流接触器的线圈，以控制交流接触器的通断。 控制特性:需要两路开关量输出，并提供一路

19、5V模拟信号的测量。2.6电动阀门 (LQA) 电动阀门为天津北方阀门控制设备公司生产的LQA电动阀门。型号为LQA40-1,主要参数如下: (1)输入电压:三相380V, (2)功率:90W; (3)阀位电位器:5600; (4)开向行程限位开关和关向行程限位开关: (5)全自动手电动切换结构，无切换用的手柄。 经过实验，阀门开度从0%至100%或从100%至0%平均需要15秒。系统没有使用阀门提供的电位器，只需要对阀门进行全开和全关操作。 系统需要通过两组交流接触器提供正反转三相电源，以控制电动调节阀开向运转或关向运转。系统通过输出两个开关量，控制两个可控硅开关，由可控硅控制交流接触器的线

20、圈，以控制交流接触器的通断。 由于电动阀门只有两种互斥的状态:全开和全关。计算机只需要输出一路开关量信号即可。以“0即低电平表示阀门打开，以“1”即高电平表示阀门关闭。 控制特性:需要一路开关量输出。2.7水压传感器 根据应用系统的测压范围、精度要求、工作环境等因素，本系统选用安徽传感器集团天诚传感器有限公司设计的NS-F压力传感器。该传感器的技术指标如下:171 (1)量程:0-0.6MPa; (Z)电源电压:24V; (8)输出为电压量:0-5V;满量程输出:Wt零点输出:续100mv; (4)综合精度:0.050.5 %FS; (5)温度漂移:0.25 % FS/; (6)过载能力:2倍

21、; (7)工作方式:绝压、表压、差压: (8)工作温度:40-120r; (9)测量介质:对不锈钢不腐蚀的气、液体。 控制特性:需要系统提供24V直流电源，提供一路模拟量输入的模数转换电路。2.8浮球开关 本课题使用乐清力普电气有限公司生产液位浮球开关 MAC3-1 测量水池的水位。该液位浮球开关能够测量桶，槽或井中液位的。它采用一次性密封成形，便于安装，安全可靠，免予维修，无毒环保。每个浮球开关可以提供两种水位状态，常用于直接控制水泵的动作。主要技术参数如下: (1)额定电流:10 (8A) 250V 10 (4) A380V; (2)额定功率:1KW; (3)工作温度:-10摄氏度-90摄

22、氏度: (d)工作气压:1大气压: (5)工作寿命:5000次; (6)引线长度:4米 (特殊长度可按要求订制)。 本课题采用该浮球开关用于测量水池的水位。为提高水位测量的精确性，每一个浮球开关仅用于测量一个水位。 控制特性:需要提供一路开关量的测量电路。3.设计概述 加压泵站自动控制系统原理图如图3.1所示。该系统由计算机A和计算机B组成，两个计算机之间通过MODEM进行远程通讯。 3.1计算机A 如图3.1所示，计算机A由自动进水系统、变频恒压供水系统和自动供水系统组成。3.1.1自动进水系统 自动进水系统要求在保证自来水管网水压在设定范围 (即不影响自来水公司其它客户的用水)的前提下，进

23、行进水。控制原理如图3.2所示。 自来水管网的压力传感器提供 0-5v的压力信号，经过模数转换电路，将压力信号转换为数字量，单片机根据压力值与设定值之间的差值，控制电控调节阀动作。 泵站水池 (以下简称水池A)共安装4个浮球开关，用于检测1米，1.8米，2.6米，3.5米四个水池水位。系统将四个水位开关的电压信号 到达该水位时电压在 0-0.3V之间，未到达该水位时电压值在4.7V至5.O V之间)，经过模数转换电路转换为数字信号。据此，计算机分析得出水池的水位情况.并作相应的处理。 系统将电控阀门的开度电位器输出的电压信号经过模数转换电路转换为数字信号。计算机分析该数据，并在中文液品显示屏上

24、显示阀门的开度值。3.1.2变频恒压供水系统 该系统提供24小时不间断恒定压力的供水，并根据实际用水量自动选择 15KW水泵或 45KW水泵进行供水。该系统要求严格，在运行期间要求压力不低于设定值(通常为0AMpa)，在切换期间压力不低于(0.3Mpa，时间不超过1分钟)o 变频恒压供水系统原理如图3.3所示。 恒压供水管道的水压力信号经过模数转换为数字信号，单片机根据当前的水压力与当前的目标压力，进行 PID控制。通过改变变频器的输出频值，调整水泵的转速.从而调节输出的压力值。本系统采用 SANKEN变频器，可以通过 。-5V电压信号控制变频器的输出频率 (在 0-60Hz之间线性变化)。在

25、系统中，0-5V的变频器频率设定模拟电压(0-5v)由数模转换电路提供。3.1.3自动供水系统 无人值守自动供水系统将水池B与水池C的水位情况自动通过MODEM+电话线传送至泵站.泵站根据该水位情况控制 “45KW水泵 2，开始向水池 B供水或停止向10d.R供水.当两个水池水位情况发生异常 (水位过低或溢流)时进行报警。3.2计算机B(无人值守自动供水系统) 水池B共安装4个浮球开关，用于检测1米 (最低水位)，1.8米 (进水水位)，3.2米 (高水位)，3.3米 (溢流水位)四个水池水位。水池 c共安装 3个浮球开关，用于检测1米 (最低水位)，2.6米 (进水水位)，3.3米 (溢流水

26、位)三个水池水位; 无人值守自动供水系统测量水池B与水池c的水位情况，自动通过MODEM+电话线传送至泵站，并根据水位情况，自动启动或停止泵房的水泵，开始或停止由水池B给水池c供水。3.3通讯系统结构 由图3.1可以看出，加压泵站自动控制系统由计算机A和计算机B组成。计算机A安装在泵站控制间，计算机B安装在距离泵站约3公里的生活区泵房中。计算机A和计算机B利用Modem，通过公用电话交换网(PSTN)进行通讯。通讯结构图如图3.4所示。 本系统直接采用标准的外置式调制解调器。由于MODEM 自身具有提挂机、主动呼叫、自动应答等功能，计算机A可以主动与计算机B联系，取得当前计算机B的运行情况，而

27、计算机B也可以主动与计算机A联系，将计算机B的当前情况通知计算机A。有关通讯的具体情况请参见4.6节及5.3.5节。3.4水位检测模块和可控硅模块 模块化设计是硬件设计中常用的一种设计方法。将常用的或易于损坏的硬件电路作为一个单独的模块，有利于提高系统的稳定性和可维护性。 在本系统中。水位检测及可控硅输出作为单独的模块，并通过连接线与主板相接。由于本系统计算机中，水池 c与计算机 B相隔近 200米，且通过电线杆在山区采用架空布线，极易受到雷击。因此，将水位开关作为易损件单独设计，并针对避雷问题在印刷电路板设计上采用特殊的设计电路。每一块水位检测模块可以提供4路的水位检测。电路设计请参见附录A

28、和附录B. 可控硅电路由于直接控制220V交流电的通断，由于泵站自发电的质量无法得到保证，极易受到浪涌电流的冲击，导致可控硅保护电容被击穿。因此，也将该模块作为易损件单独设计。每一块可控硅输出模块可以提供5路可控硅输出。电路设计请参见附录A和附录B。水位检测及可控硅输出模块均采用光祸与主板隔离。4.硬件描述 计算机A及计算机B的电路原理图如附录A所示。下文主要描述计算机A的硬件系统，并对计算机B相应部分进行说明。4.1单片机及系统扩展 单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器CPU, RAM,程序存储器 (RO

29、M EPROM, Flash存储器)、1/O接口电路、定时器/计数器等部件集中在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机nn 随着技术的发展，片内Flash程序存储器己经成为单片机内的常见配置，容量越来越大，成本也很低。当片内程序存储器不够时，可以选择更大容量Flash程序存储器的单片机。而不需要通过三总线扩展程序存储器.使得系统硬件更为简单、可靠。 本系统采用 ATMEL公司的 89552作为系统的MCU. ATMEL公司新推出的可在系统编程的MCS51兼容单片机AT89S51/52。将全面替代AT89C51/52单片机11%4.1.1 AT89S52/51的新特性 AT89S51/52和A

30、T89C51 /52相比新增加了以下功能: (I)支持在系统编程 (1SP)，生产及维护更方便: (2)增加了片内看门狗，使用户的应用系统更坚固; (3)双数据指针使数据操作更加快捷方便; (4)速度更高，最高可使用33MHz的晶振。 尽管AT89S系列单片机新增加了不少功能，但用户也可以直接替换应用系统中的AT89C51/52.软件和硬件均不需作任何修改。4.1.2系统扩展方式的探讨 为了简化系统结构，提高系统的可靠性，主要使用串行总线来扩展外围器件。目前，单片机应用系统中使用的串行总线主要有 MOROROLA公司的串行外围接口SPI(Serial Peripheral Interface)

31、, NS公司的MICROWIRE/PLUS串行同步双式接口和Philips公司的IZC BUS(Inter IC BUS)，以及Dallas公司的单总线(One-Wire)。由于串行总线的发展，除了最必须的存储器扩展外，其它外围器件都可以通过串行扩展方法进行扩展。而近年推出的铁电存储器 (FRAM)，具有非易失 (掉电后数据可以保存 10年)、擦写次数多 (5V供电的FRAM擦写次数达 100亿次)、速度快 (串行总线FRAM的CLK频率高达20MHz，并且没有1Oms的写等待周期)，在要求不高的场合，完全可以替代并行存储器nzl。表4.1列出本系统所用的主要芯片及其总线形式。4.1.21/0

32、端口的需求和扩展 根据系统的设计要求，计算机A需要提供的可编程UO端口数如表4.2所示。由表4.2可知，计算机A需要提供50个端口，而AT89S52只提供32个可编程VO端口。因此，计算机A需要进行UO端口的扩展和复用，并通过以下措施来解决端口数不足的问题。 (1)通过两片373扩展出两个8位并口。由PO口直接作为液晶显示模块的数据口:扩展出的一片373的输出作为微型打印机的数据口，另一片373的输出作为开关量的输出口: (2)尽量选用I总线芯片; (3)使用AT89S52内部提供的看门狗定时器; (4)将四路开关量信号和三路模拟量信号通过八选一模拟开关Max4558接入一片TLC549进行模

33、数转换，实现多路模拟量和多数开关量信号输入: (5)采用红外遥控键盘，只需要占用一个外部中断口。计算机A的电路图如附录A所示。计算机A中实际的1/O端口分配如表4.3所示4.1.3 AT89S5x的在系统可编程接口 (ISP ) 用户可以通过AT89S5x的在系统可编程接口直接对电路板上的CPU进行直接编程。ISP编程需要使用芯片的四个引脚:E1.7, P1.6, P1.5及RST脚。用户可以根据ISP协议制作简单的编程器，也可以使用Atmel公司提供的ISP编程软件，通过PC机并口和专用线缆，对CPU进行编程。此时用户电路板需要提供一个 拍芯的插座，插座引脚的意义如图4.1所示。有关Atme

34、l下载ISP线缆的电路原理图请参见附录A.4.1.4实时时钟PCF8563PCF8563是 PHILIPS公司推出的一款工业级内含 11C总线接口功能的，具有极低功耗的多功能时钟旧历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路 (1. OV)以及两线制 12C总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后.内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。当然作为时钟芯片，,PCF8563解决了2000年问题。因而PCF8563是一款性价比极

35、高的时钟芯片，它己被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域9PCF8563具有以下特性: (1)宽电压范围1. 0-5. 5V，复位电压标准值V1ow=0.9V; (2)超低功耗典型值为0.25uA,VDD=3.OV,Tamb=25; (3)可编程时钟输出频率为32.768KHz, 1024Hz, 32Hz, 1Hz; (4)四种报警功能和定时器功能; (5)内含复位电路，振荡器电容和掉电检测电路: (6)开漏中断输出; (7) 400kHz VC总线(VDD=1.8-5.5V)，其器件地址:读，OA3H:写，OA2H. 4.1.5 EEPROM A

36、T24C32A本系统采用ATMEL公司的AT24C32A作为数据存储器。AT24C32A具有以下特性:(I)低电压和标准电压操作 (Vcc=2.7V至5.5V);(2) 4K字节的EEPROM单元:(3) 12C串行接口:(4) 400kHz高速时钟:(5)硬件写保护引脚;(6)自同步写周期IOms，典型时间5ms;(7)l百万次写周期;(8)页读写每页32字节:4.1.6带有看门狗的EEPROM X5045 计算机E采用X5045用于存储参数和提供外部看门狗。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行 EEPROM三种功能于一身的可编程电路.这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045

37、中的看门狗对微控制器提供了独立的保护系统。当系统出现故障时。在可选的超时周期(time-out interval)之后，X5045看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。用户可以从三个预置的值中选择此周期。利用 X5045所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存贮器部分是CMOS的40%位串行EEPROM，它在内部按512*8来组织。X5045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口(Serial Perpheral Interface. SPI)和软件协议。信号向CPU作出反应。用户可

38、以从三个预置的值中选择此周期。利用 X5045所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存贮器部分是CMOS的40%位串行EEPROM，它在内部按512*8来组织。X5045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口(Serial Perpheral Interface. SPI)和软件协议。4.2电源 根据硬件设计的要求，计算机需要提供以下五种电源: (I)系统电源:+5v; (2)水位开关模块电源:+9v, (3)传感器电源;十24V; (4) A/D转换器电源:+5V; (5) D/A转换器

39、电源:+5V,- 为防止外部干扰通过水位开关模块进入计算机系统，水位开关模块与主板利用变压器实现隔离.具体的电路示意图如图4.2所示: 计算机B只需要提供图4.2中水位开关模块电源和系统电源即可。计算机A与B的电源部分电路原理图请参见附录A. 泵站由农村电网供电，供电不正常，停电频率较高。为保证系统运行，电网停电时需采用自备发电机组发电。但该泵站的发电机组输出电能质量较差，在系统试运行期间，曾造成主板部分芯片损坏。为保证系统的正常运行，系统配备了一台300W的不间断电源 (UPS)，为系统提供稳定的交流电源，该交流电源同时为停电期间的报普电铃供电。4.2.1传感器电源 传感器电源配置是数据采集

40、系统的重要环节。数据采集模块是千扰侵袭的主要渠道，对电源配置要充分考虑到干扰的隔离与抑制。其电源配置一般要求具有功率小、高稳定度、高纯净度、有干扰隔离与抑制措施等特点8. 因为传感器要求的供电电压为 24V，而单片机应用系统工作电压一般为+5V.为了统一供电系统，本系统选用DC-DC变换器 MAX629升压芯片为传感器提供工作电源。DC-DC变换器的输入回路与输出回路是隔离的，这样就切断了系统的主电源与数据采集通道间的干扰渠道，起到电源隔离的作用，提高了数据采集系统的抗干扰能力。该电源配置电原理图请参见附录A. MAX629是MAXIM公司生产的 DC-DC变换器集成芯片。它可以实现低输入而输

41、出高电压功能，而且根据需要设计应用电路可以提供不同的电压输出主要技术参数和性能如下【“】: (1)输入电压:2.7-5.5V: (2)供电电流:典型值为80uA，最大值为120UA; (3)输出电压:-28V-+28V; (4)最大输出电流:20mA ; (5)最大转换频率:300KHz; (6)内置28V,多通道转换开关; (7)最大关断电流:IuA. MAX629转换输出+24V典型应用电路如图4.3所示6614.2.2 AID转换器电源和D/A转换器电源为保证A/D转换器与D/A转换器的精度，由高精度稳压器78LO5提供精确的+5V电源。电路请参见附录A. D/A转换器Max518根据美

42、信公司的应用笔记要求需要经过一个滤波网络后接入VDD引脚，请参见附录A.4.3人机通道 人机交互 (也称人机对话)模块，是在单片机应用系统与人之间的信息传递渠道。它包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果两个方面B,Id,15 在智能化仪器仪表、数据采集系统等应用中，对该模块的设计，在一定程度上影响着整个应用系统的智能化程度和操作的直观性。键盘、显示器是完成人机交互功能的常用外部设备。本系统采用遥控键盘和液晶显示器 (LCD)实现人机交互功能，其接口电路原理图见附录A所示。4.3.1红外遥控键盘接口 键盘是单片机应用系统的一个关键部件。能实现向单片机应用系统输

43、入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机应用系统的主要手段11e 随着单片机应用的深入广泛，在各种智能仪器仪表中，普遍使用本机键盘 如独立式按键、矩阵式键盘)。这种键盘因其抗干扰能力差，一般安装在仪器仪表的控制面板上，不能实现远距离操作。但是，在许多应用场合中。由于工作环境的特殊性如距离较远、无法进入或危险性大等，不适合使用本机键盘操作。目前，彩电遥控技术发展已趋成熟，许多红外遥控集成电路价格低廉、性能优良、抗干扰能力强，而且与单片机接口简单，在单片机应用系统中得到了广泛的应用16,17,18,19,201 本课题使用遥控键盘作为输入设备。使用的遥控键盘是用市面上很容易买到的Panasonic

44、彩电用遥控器改造而成的。改造后的键盘面板键布局如图 4.4所示，共 16个按键，分为数字键 (0至9共10个)和功能键 (6个)。4.3.1.1遥控键盘与单片机的接口 对遥控信号的解码可以有两种方式:即硬件解码和软件解码。采用硬件解码时，需耍外接遥控信号解码芯片;而采用软件解码不需外接任何芯片。软件解码相对硬件解码接口较为简单，但要编写较多的解码程序。本课题采用软件解码方式。遥控键盘与单片机之间的接口原理简图如图4.5所示，其电原理参见附录A.4.3.1.2遥控键盘工作原理 如图4.5所示，当用户按下遥控器按键时，遥控器发射的红外信号由集成红外接收头接收，把编码信号送到单片机系统。单片机系统对

45、编码信号进行软解码后，得到用户按键信息。对遥控键盘的编码结构及软解码方法将在软件设计中作详细介绍。4.3.2液晶显示接口 在智能仪器仪表设计中，通常都需要对测控信息进行显示。受仪器功耗、体积及其它条件的限制，一般 CR7，显示器 (阴极射线管显示器)往往不太适用。而目前广泛采用的半导体数码管及液晶数码显示器，虽能适用于对数码及少数字母的显示却无法灵活显示各种文字、图形、表格等，有着较大的局限性。近年来，随着液晶显示技术的飞速发展，图形式液晶显示器由于体积小、耗电省、显示信息量大 (可显示各种汉字图形)、与微机接口简单等优点，被广泛地用于各种智能仪器仪表中g1,22.23.24.251 本课题采

46、用深圳光大生产的 ACM-12832液晶显示器。它主要由行驱动、列驱动器及128X32全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示2X8个(16X1点阵)汉字。其主要技术参数和性能如下231. (1)单一电源:VDD:十5V: (2)显示内容:128(列)X32(行)点; (3)全屏幕点阵; (4七种指令: (5)与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和5条控制线; (6)占空比1/32; (7)工作温度:-10一+550C，存储温度:-20C-+60C . 该液品显示器与单片机系统的接口电原理图请参见附录A.4.3.3微型打印机接口 在单片机应用系统中，微型打印机是主要硬拷贝输出设备。

47、本课题采用沈阳新荣达电子公司生产的 MP-D16-8十前换纸面板式普通针式打印机 (采用 EPSON公司M-150- I(普通针式机头)。该打印机采用撞击式点阵打印方式。特别为安装在仪器或设备的垂直面板上而设计。D型微打独有三项专利技术，彻底改变目前市场同类产品卜纸、易断裂、不易操作。具有工作稳定可靠，打印效果完美。 该打印机采用通用 ESC/P打印控制命令。支持字符、汉字、图形的正向、反向、左右旋转打印，反白、加重、上下划线、左右划线打印以及任意变高、变宽，行间距、字间距调整、水平制表、垂直制表、曲线打印、条型码打印等功能以及以上功能的混合打印。 该打印机支持的打印字符有:全部448个字符，

48、包括:全部%个ASC II字符，352个希蜡文、德文、法文、俄文等字母、日语片假名、部分中文字、数学文字、打印符号、块图符、32个用户可定义字符。字符组成，标准字符:5X7点阵。块图符:6X8点阵。用户定义字符:6X8点阵。国标汉字:12 X 12. 16 X 16. 该打印机支持并行接口(26线针型扁平电缆插座)，与CENTRONICS标准兼容。 本课题采用并口方式与打印机接口，同时提供一根控制线 STB(选通)和一根状态线Busy(打印机忙)用于检测打印机状态。4.4前向通道 当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必

49、要的原始参量信号是系统的核G,任务，对于控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。 对被测对象状态的测试一般都离不开传感器和敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。 对被测对象的信号拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求. 因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道.在单片机中，对信号输入、传感、

50、变换应作广义理解，例如开关量的信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有 TTL电平的状态开关。只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。 本课题的前向通道涉及到三种不同类型的测量对象:水压力，阀门开度，水位。对T这三种测量对象，分别对应采用水压力传感器、电位器、浮球开关三种敏感元件测量。4.4.1传感器信号的检测 NS-F水压力传感器输出电压量为 0-5V,满量程输出 5V,零点输出蕊100mv,综合精度为 0.050.5%FS。由于传感器线路长 (约20米)，且线路存在干扰，信号线必须采用屏蔽线缆。传感器信号需要经过一个:型滤波网络输入到计算

51、机系统的模数转换电路。4.4.2电控调节阀开度信号的检测 经过实验得知，当电位器两端加上5V电压时，电控调节阀电位器的输出电压量为0.02-3.67V。开度为0%时输出为0.02V，开度为 100%时输出为3.67V。同样，电控调节阀的开度信号线采用屏蔽线缆，并需要经过一个n型滤波网络输入到计算机系统的模数转换电路。由于电控调节阀的开度信号不作为系统控制的主要依据，对其的线性度不做要求.当需要显示电控调节阀的开度时，需要进行内部标定，将得到的AD值转换为开度的百分比。4.4.3开关量 (水位)检测 系统从水位开关模块取得开关信号，硬件的抗干扰措施由水位开关模块完成。系统对开关量的检测采取两种不

52、同的方式。 计算机 A将开关量视同模拟量，接入模数转换电路中。其软件抗干扰措施与水压力信号和阀门开度信号一样. 计算机B将开关量直接接入CPU的1/O口，由】/0读取开关量信号。4.4.4模数转换芯片TLC549 TLC549是美国德州仪器公司生产的s位模数转换器。它是以s位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS模数转换器。TLC549通过3态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行连接，仅用输入/输出时钟 (嘟 CLOCK)和芯片选择 (巴)输入作数据控制。TLC549具有以下特点1251. (1) 8位分辨率A/D转换器: (2)微处理器外设或独立工作: (3)差分基准输入电

53、压: (9)最大转换时间:17us; (5)每秒可完成40, 000次转换: (6)片内软件可控采样、保持; (7)总不可调整误差(Total Unadjusted Error):士0.5LSB Max; (8) 4MHz典型内部系统时钟: (9)宽电源范围:3V-6V; 00)低功耗:15mW Max; 11能理想地用于包括电池供电便携式仪表的低成本、高性能应用; 12. CMOs工艺。 从上面分析知道，TLC549转换速度快、接口简单、功耗低，在精度要求不高的场合，是模数转换器的理想选择。4.4.5多通道参数检测 在本应用系统中，系统需要两路水压力传感器、四路水位开关量信号和一路阀门开度信

54、号进行检测。这些信号均为电压量，而且都不大于 5V。为了利用单一的A/D转换器对这些电压信号进行检测，选用多路模拟开关芯片来解决这一问题。 MAX4558是一种8选1模拟开关，它包括8个输入端、1个输出端和3个开关选择控制端，引脚与CD4051完全兼容。与CD4051相比，Max4558具有更优异的性能，适合应用于要求抗干扰的场合。CD4051与MAX4558的比较如表4.4所示。 单片机控制MAX4558开关选择控制端 (ABC)，即可使得一个输入端Xi(i=0-7)与输出端X接通。将MAX4558的输出X作为A/D转换器模拟信号输入，即可实现对八路输入的电压信号进行循环检测。由MAX455

55、8和A/D转换器TLC549构成的多通道模数转换器接口原理简图如图4.6所示，其具体应用电原理图如附录A所示。 由上分析知道，在多参数检测场合中，这种应用电路具有接口简单、扩展性能好等特点。系统预留了一路水压传感器的输入通道和硬件插座，当需要增加一路信号时，只需要将新的水压传感器输出电压接入预留的插座即可。4.5后向通道 后向通道是单片机系统对控制对象实现控制操作的通道。单片机完成控制处理后，总是以数字信号通过1/0口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数膜转换成模拟量控制信号

56、e4.5.1数模转换芯片Max518 MAX518是8位电压输出型数摸转换器，采用I的双总线串行接口，支持多个设备的通信，内部有精密输出缓冲源，支持双极性工作方式，工作电源电压为 5V.MAX518由两片DAC集成，具有两路输出。MAX518的两块 DAC均由电源电压提供参考源，无需外部接入。数据传输速率可高达400Kbps. MAX518有如下特点: (1)单独5V电源供电: (2)简单的双线接口: (3)与1C总线兼容; (4)输出缓冲放大双极性工作方式; (5)基准输入可为双极性: (6)上电复位将所有锁存器清零; (7) 4uA掉电摸式: (8)总线上可挂四个器件 通过ADO. ADI

57、选择)。4.5.2开关量输出 计算机A提供9路开关量输出信号，计算机s提供2路开关输出信号。开关量输出信号通过控制可控硅输出模块，控制交流接触器或普通接触器的通断，进而控制设备的运行。系统利用开关量控制五种不同类型的对象。 (1)电控调节阀的控制。需要两个开关量分别用于控制开向和关向运转。由于自动控制的需要，导通时间一般只为0.5秒。 (2)电动阀门的控制。只需要一个开关量信号。用低电平表示阀门开向运转，高电平表示阀门关向运转。对于电动阀门来说，需要提供两种不同的三相交流电，用于控制电机正转或反转。系统将开关量信号经过一个非门，转换为两种不同的互弃电平，用于控制电动阀门的动作。 (3)自祸减压

58、起动箱的起动与停止控制。需要两个开关量分别用于控制起动与停止。导通时间一般只为2秒。 (4)变频器的起动与停止控制。SANKEN变频器可以通过一个控制端子来控制自身的运行状态。当该端子接通时，变频器运行，当该端子断开时，变频器停土。因此，需要一个开关量来控制变频器的运转。 (5)报警电铃。系统通过控制 220V电铃的电源来控制铃的报赞动作。需耍一个开关量来控制。导通时间通常为 巧秒。当系统处理紧急情况时，需要长时间导通报警。 开关量主要通过不断刷新输出端口来抵抗干扰。4.53控制SANKEN变频器 如前所述，控制 SANKEN变频器需要提供两种信号:开关量及 0-5V可控的模拟电压。开关量用于

59、控制变频器的运转，模拟电压用于控制变频器的输出频率。其中0-5V可控的模拟电压由Max518 D/A转换芯片提供。4.6通讯接口 通讯接口部分由来电检测电路、MODEM电源控制电路和单片机与外置MODEM的接口电路组成。这三个部分之间的关系如下: (1)“来电检测电路”检测到来电，并计算响铃次数; (2)检测到一定次数响铃，接通外置MODEM电源; (3)与对方进行通讯; (4)通讯结束后，断开外置MODEM电源。 MODEM电源控制电路较为简单，请参见附图A.4.6.1来电检测电路 来电检测电路的原理图如图4.7所示。 (1)当未有来电时，光祸截止，电容E7通过R10放电，7404的一个非门输入端为低电平，其输出端 (PhoneTest)为高电平。 (2)当来电话时，响铃的交流信号通过电容C3，使光藕