基于单片机的水泵智能控制系统

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1、基于单片机的水泵智能控制系统 39摘要本文拟设计一种节能的压力水罐式恒压供水智能控制系统。该系统利用单片机作为控制单元的核心部件，应用灵活的单片机控制泵组-压力水罐供水系统。该系统充分利用现代化新型、先进的元器件，设计泵组压力水罐恒压供水智能控制系统。设计的智能恒压供水控制系统具有可靠性高、每个水泵工作时间均衡化、节能效率高等特点。该系统的关键技术包括单片机控制泵组是按负载均衡的原则设计的。系统有3台供水水泵，水泵的启停是按先起先停、先停先起原则设计的。本文结合水泵的具体应用，基于传感器，单片机元器件组成的智能供水控制系统的方案，给出了系统硬件设计及软件实现方法，实现对水泵运行的智能控制。该系

2、统比较适用于对供水质量要求不高的城乡居民小区自来水二次供水系统，尤其适合于高层建筑楼的二次供水系统。关键词：单片机，水泵，传感器，压力水罐，智能监控，负载均衡化ABSTRACTThis paper designed a pressure tank-type energy-saving intelligent control system for constant pressure water supply. The system uses microcomputer control unit as the core component, flexible, microprocessor con

3、trolled pump - pressure tank water supply system. The new system, full use of modern, advanced components, design pump - pressure tank Water Supply Control System. Design of intelligent control system for constant pressure water supply with high reliability and working time equalization for each pum

4、p, energy-saving high efficiency. The key technology, including microprocessor controlled pump is based on the principle of load balancing design. 3 sets of water system pumps, pump start and stop at first according to the first stop, first stop from the first principles of design. In this paper, th

5、e specific pump application, based on sensors, microcontroller devices composed of intelligent control system for water supply scheme, given the system hardware design and software implementation methods to realize the intelligent control of pump operation. The system is more suitable for less deman

6、ding on the water quality of urban and rural residential area of secondary water supply system, especially suitable for building high-rise building secondary water supply system.Key words: SCM, pumps, sensors, pressure tank, intelligent monitoring, load equalization目 录1 绪论-11.1单片机的发展趋势及应用-11.2水泵在生活中

7、的应用-32水泵的节能降耗-52.1 水泵的动力分析-52.2 水泵的能耗分析-63水泵智能控制系统的组成及工作原理-83.1 系统总体结构设计-83.2 系统控制设计方案分析-93.3 系统控制设计优化-114主要芯片的结构与特点-124.1 80C51单片机结构特点-12 4.2 压力传感器原理与应用-145水泵智能控制硬件设计-175.1 80C51单片机的复位和振荡电路-175.2 80C51单片机驱动水泵电路-185.3 80C51单片机驱动LED电路-195.4 单片机与A/D转换器的接口电路-235.5 单片机与AT24C02的应用电路-265.6 单片机与键盘的接口电路-29参

8、考文献-致谢-1 绪论随着国内城市高层建筑的增多，城市居民的生活用水的时段集中，高层用户供水成为关注的问题，工业园区企业生产用水集中，供水管网的水压不足，出于满足生产需求又节能考虑用较少的设备完成大量不间断供水需求，过去的贮水池继电器控制水泵加压供水系统较单片机实现的电自控泵组稍显落后，压力水罐供水方式可以节能有效地提供生产所需用水。该系统虽然沿用很久，但因为技术不复杂，设备简单，所在我国的二次供水中一直长期使用。上世纪九十年代后，许多高层建筑逐渐采用“贮水池+变频调速水泵”的供水系统。这种系统的低楼层用户仍由市政管网直接供水，对高楼层用户，则通过设定水泵的供水压力，在变频器的控制下，水泵的转

9、速随供水量的变化而改变，这种系统最大的好处是水压恒定，避免高楼层用户用水水压变化过大。这种供水系统性能较优越，恒压效果好，且比较节能，但系统较复杂，投资较大，适合于对供水要求比较高的场合使用。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用不断深入,带动控制技术日新月异。目前对供水控制的研究以及已开发的系统各有所长。随着微芯片技术及变频技术的发展,设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强。水泵的运行正常直接影响到居民生活，工厂生产，所以对每台水泵的实时监控，智能控制非常有必要，本文结合水泵的具体应用，基于传感器，单片机元器件组成的智能供水控制系统的方案，给出了系统硬件设计及软件实现方法，实现对水泵运行的

10、智能控制。1.1 单片机的发展趋势及应用单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而

11、对体积要求严格的控制设备当中。31.1.1 单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗高达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。如80C51就采用了HMOS(即高密度金属

12、氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗比如象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片

13、机包含的单元电路就更多，功能就更强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有特色的单片机芯片。现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品、ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(

14、RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，以其价低质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品和日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，而不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。31.1.2 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电

15、压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用

16、现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。（6）在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，

17、微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。5在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。（7）单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，制动系统等等。6在单片机的控制系统中，为了实现系统的自动控制，需要把控制现场的各种状态信息输入到单片机，18由单片机按控制要求、对系统的各种状态进行处理，并输出相应的控制命令

18、到执行机构，实现对机电系统的自动控制。本课题就是通过对单片机的设计方法和研制过程的研究，来实现对智能设备（空压机）运行的监控。71.2 传统水泵在生活中的应用在智能恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就其设备、运行方式、安全性等方面逐一分析。（1）恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。（2）恒速泵加水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水

19、，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能

20、进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。（3）恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。但这种供水方式供水压力稳定，运行安全可靠。（4）恒速泵-气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制

21、泵的起停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地面上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。由于该系统取消了设于楼宇顶部的高位水箱，对建筑物结构安全有利。但由于气压罐供水依赖于气体的可压缩性，同时气压罐也不能无限加大容积，所以水泵启停频繁，管网压力波动较大，一般相差01MPa，约10m水柱。为维持管网压力稳定需在出水管上安装调压阀，综合造价与水泵水箱联合供水系统相近，但此种供水方式运行费用稍高。相对与传统的高位水箱和供水水塔，压力罐供水具有体积小、造价低、供水压力大、自动化程度高和易于解决冬季保温防冻等优点，近年来应用日益广

22、泛。随着资源的日益紧张，节能技术应用已愈来愈受到人们的关注。在水泵供水领域能否应用调速技术，在节能降耗的同时改善水泵性能，提高供水品质就成为研究方向。92 智能水泵节能降耗2.1 水泵的能耗分析随着地球资源的日益紧张，节能技术应用已愈来愈受到人们的关注。在水泵供水领域能否应用智能控制技术，在节能降耗的同时改善水泵性能，提高供水品质就成为研究方向。2.1.1 智能恒压供水方式目前，常见的智能恒压供水方式有两种，即变频调速供水方式和压力水罐智能恒压供水控制方式。1变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵

23、转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速恒压供水设备是一种在保持供水压力不变（理想状态）的情况下，按需供水的新型自动供水设备。电源的频率与水泵的转速成正比，水泵的转速与供水量成正比，变频调速控制柜通过改变水泵电源的频率，控制水泵的转速，进而调整水泵的供水量，实现对用户按需供水的目的。变频调速控制柜通过压力传感器采集用户管网的供水压力，进行PID运算，使用户管网的供水压力始终稳定在设定压力的一定范围内，这就是变频调速恒压供水的原理。此系统由于无需设置高位水箱或压力水罐，所以占地更少，可有效地增加建筑使用面积。目前变频器多为进口设备，所以初次投资费用一般稍高，但随着技术进步

24、，市场竞争，价格会逐新下降，运行费用可与水泵水箱联合供水持平。近年来，变频供水系统已实现水泵电机的软启动、无冲击电流，有效地保护电网及水泵。由于变频供水是水泵通过变频器调整泵转速达到流量调节目的的，其流量设计每秒流量范围为0至系统最大流量。所需配置的贮水箱容积最大小时用水量减去平均小时用水量的1.2倍。变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、供水系统最不利点恒压控制。(1)出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小的情况，整个供水系统的压力可以看作是恒定的，但这

25、种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。(2)出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。(3)最不

26、利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过14程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。用户在选购供水设备时，水泵的供水能力都是按用水峰值时段选型，否则无法满足需要。但不同时段用户用水量变化较大，某居民小区采用的设备是没有附加特别节能措施的普通变频恒压供水设备，需要水泵在额定状态下工作的时间不到1/10，绝大多数时间用水量不到额定流量的1/3。要在保持供水压力不变的情况下适应这种变化，就必须调整水泵的供水量。方法有两种：1、水泵在额定状态下工作，在供水主

27、管道安装泻流阀门，当用水量小于额定供水量时，把多余的水排放掉。2、采用变频调速恒压供水控制柜改变水泵的供水量，自动适应这种变化。控制过程是：用水量增加频率上升转速上升输出功率增加；用水量减小频率下降转速下降功率减小。即“多用水，多耗电”；“少用水，少耗电”。由此可以看出，采用变频供水技术比水泵单纯工作在额定状态下节能，经测算最大可以达到40的节能效果。变频调速恒压供水设备是直供设备，水泵停机，用户就停水，即便没有用水，水泵也会低速运转维持水压。在小流量供水和维持水压时段，水泵的输出功率接近额定功率的1/2，这是一个很大的浪费。针对节能问题，供水设备内含气压供水功能，需要小流量供水和维持管网水压

28、时，自动切换到气压自动供水程序，需要大流量供水时又自动切换到变频调速恒压供水程序。2压力水罐智能恒压供水系统压力水罐式供水工程安装示意图如图21所示。供水工程中水泵的流量及扬程，均是根据管网所需最大时供水量及供水压力来选择的。而实际运行中取用的水量，大部分时间低于设计用水量，只有在用水高峰时才能与设计最大时供水量持平。压力水罐式供水既是将水泵输入管网多余的水进入压力水罐，使罐内水位上升，压力增大，当压力升至电接点压力表的控制上限时，触点接通、电源接通、电源切断、立即停泵；依靠罐内的压缩空气将水压入管网，水位降低压力也随之下降，当压力降至电接点压力表的控制下限时，触点接通、电源接通、水泵启动，输

29、入管网多余的水量又将进入压力水罐，重复前述过程。压力水罐在供水工程中的作用：一是用以临时存储管网运行中出现的富余水量；二是当管网中产生很大的水锤冲击力时，可起到保护管道的作用；三是利用供水自动控制，供水压力大且易于调整。本文就是要设计智能压力水罐控制系统用以解决如上的总总问题。2.2 压力水罐的设计依据压力水罐容积的大小是根据水泵流量、管网用水量及水泵的启停次数等因素来确定的，一般可按下式选取其中U为压力水罐的容积(m3),Pm为管网所需的最小工作压力(kg / cm2)一般可按计算所需总供水压力H总压的90%计算，ah为最小与最大压力比值(以绝对压力计，压力水罐工作压力比)，一般采用0. 6

30、5-0.85,Vc为压力水罐的最大调节容积(m3)VC =(Vp-Vr)t （2-1）其中VP为所选水泵出水量(m3/ h), Vr为某一时段内供水管网实际用水量(m3/ h)，一般可取设计用水量的70%一80%, t为压力水罐由最小工作压力到达最大工作压力的时间(h)，一般可取O.O5h左右。由上述公式可以看出，压力水罐容积大小与下述因素有关：(1)所选水泵流量与管网实际时用水量的差值；(2)确定的电接点压力表的最小值和最大值；(3)拟定的从最小控制工作压力上升至最大控制工作压力所用的叶问；(4)当水泵流量与管网实际时用水量相等时，所需压力水罐的容积为零，此时电接点压力表的读数不变化。2.2

31、.2水泵的主要性能参数 a.吸程（Hd）：水泵中心至水面的垂直 高度b.扬程（Hs）：水泵中心至最高供水点垂直度 c.全扬程（Ht）：吸程高度和扬程高度之和 Ht=Hd+Hs d.流量（Q）：流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。 分为体积流量：单位，m3/h，L/min 质量流量：单位，t/h e.转速Ns（RPM）： Ns=120*F/N F：频率 N：电机级数2.2.3功率和效率泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴的功率，又称轴功率，用P表示泵的有效功率又称输出功率，它是单位时间从泵中输出去的液体在泵中获得的有效能量。 因为扬程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量，所以扬程和质

32、量流量及重力 加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输出液体的有效能量。用Pe表示Pe=gQH/1000泵的效率用表示: =Pe/P3 水泵智能控制系统的组成及工作原理3.1 系统总体结构设计图3-1 系统构成原理图 图3-2 主回路及控制回路压力水罐智能恒压供水系统由压力水罐、接点式压力表、单片机控制单元、信号转换单元及水泵组等5部分构成，如图31示。传感器采用接点式压力表，用于检测水管道的压力。控制部分由MCS-51系列单片机为核心部件以及由固态继电器、可控硅等组成的信号转换、变送功能和执行机构。根据传感器检测到的水压信号完成水泵组的切换和启停控制。本文开发的系统其水泵组部分包括三台交流异步电

33、动机拖动的三台离心式水泵。水泵组电动机利用固态继电器将单片机的5V直流电信号变换为380V交流信号，强电信号通过交流接触器作用于电动机，启动电动机运转。其中电路中串接有缺相保护电路等。3.2 系统控制原理欲稳定水压，需要构成一个压力闭环控制系统。该系统的控制单元和执行机构由单片机、以及由固态继电器、可控硅等器件构成。该自动控制系统通过安装在压力罐上的电接点压力表，把气压罐工作压力变成开关量信号传送到单片机，经单片机与给定参量进行比较和逻辑控制算法，运算后输出控制信号，作用到固态继电器，控制电机水泵机组的启停，按实际用水量供水并使供水压力恒定。单片机控制调速供水系统控制原理如图3-3示。 图3-

34、3 控制原理结构图电接点压力表传递的是开关量信号，分别代表压力水罐的最大工作压力与最小工作压力2个信号。控制器核心为MCS51系列单片机，根据开关量信号与泵组的工作状态，给出启停信号控制泵组的配套电机的运转与停机。泵组由多台异步交流电机拖动离心式水泵并联组成。控制器与泵组间加软起动器，缓起缓停水泵，平稳水压，延长水泵寿命该系统根据供水系统工作环境最大需要用水量，先选取系统配套泵组数量，由单片机取电接点压力表的开关量信号，通过软启动器，应用先起先停、先停先起原则，按需轮换启停泵组的各台泵机，最多全部泵投入工作，最少0台泵工作，选取不同启停轮询时间参数，控制泵组在不同用水量情况下启停，实现泵的循环

35、平衡负载。电接点压力表测量信号P共有四种分别表示压力报警上限信号Pu2、压力正常上限信号Pu1、压力报警下限信号Ps2、压力正常下限信号Ps1。这四个测量信号将压力水罐内部压力分为压力上限区： Pu1 P Pu2（3.2）压力下限区： Ps1 P Ps2（3.3）为保证充足的水量供应，本系统采用三台水泵构成的供水控制系统，具备同时控制三台水泵的功能。根据不同场合、不同需要可以采取任意台水泵组成水泵组。系统有管道漏水、水源状态、消防信号、远传表故障或欠压超时和水位报警指示，可设定上限保护压力，可设定泵的上电工作顺序，并具有手-自动切换功能。3.3 系统控制设计优化利用传感器等设备，对水泵站3台水

36、泵的电流、电压、压力、温度、压差等模拟信号、故障报警、启停等开关量信号实施集中监控，并对水泵实现程序自动控制。每台水泵的运行、停机时间在LED显示器上实时显示。通过键盘的设置和编程，进行三台水泵监控时间的切换。为了使系统突然失电后，数据不丢失，在单片机上加装了锁存器。如图3-5所示。目前，已运行的设备水泵大都采用继电器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在现场事故发生时无法自动采取紧急措施，严重影响了设备的安全运行。而我们所设计的自动监控设备，实现了水泵的智能控制，并且从长时间来看，3台水泵的启动、停止时间基本一样，避免了单台机器长时间持续运转，降低了机器的磨损程度，节约了能源，提高了水泵

37、的利用率和维修周期。 图3-5 空压机智能控制系统外部连接框图4 主要芯片的结构与特点4.1 80C51单片机结构特点MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或

38、少有些改变，以满足不同的需求，其中80C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。本文在单片机高楼供水系统中将用80C51来完成控制功能。4.1.1 单片机的组成单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器）等。他们之间相互连接图如2-6图，构成一个完整的微型计算机。图4-1 单片机结构框图4.1.2 80C51单片机的引脚描述CHMOS制造工艺的80C51单片机采用40引脚的双列直插封装

39、（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。下面按其引脚功能为四部分叙述这40条引脚功能。（1） 电源引脚VCC和VSS。其中：VCC接+5V电压。VSS接地。（2） 接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，该引脚悬浮。（3）

40、 控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。ST/VPD：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚接一个约5K的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10uf的电容，以保证可靠地复位。（4）VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。（5）ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正

41、脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。（6）RSEN：此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次PESN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。（7）EA/VPP：当EA端保持高电平时，访问内部

42、程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的80C51来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21伏的编程电源（VPP）。输入/输出I/O引脚P0、P1、P2、P3共32根。a)P0口：是双向8位三态I/O口，外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。b)P1口：是8位准双向I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐

43、存，故不是 真正的I/O口。门口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载，对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它的接收低8位地址。c)P2口（21脚28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它的接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。d)P3口（10脚17脚）：是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口，P

44、3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。作为第一功能用时，就作为普通的I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。表4-1 P3口各引脚第二功能口线 引脚 第二功能P3.0 10 RXD（串行输入口）P3.1 11 TXD（串行输出口）P3.2 12 INT0(外部中断0)P3.3 13 INT1(外部中断1)P3.4 14 T0（定时器0外部输入）P3.5 15 T1（定时器1外部输入）P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲）P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）值得强调的是，P3口的每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二功能。4.2 压力传感器原理与应用压力传感器是工

45、业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍压力传感器原理及其应用。4.2.1 压力传感器的原理力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。如图4-2所示，电阻应变片是一种

46、将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。（1）金属电阻应变片的内部结构它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝

47、缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。（2）电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。 （4-1）K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 （4-2）通常金属电阻丝的K0=1.74.6。我们以金属丝应变电阻

48、为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。4.2.2 压力传感器的应用压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中

49、更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。5 供水控制系统硬件设计5.1下面分别介绍压力水罐智能恒压供水系统的硬件电路原理、元件功能与选型及硬件结构设计。5.1.1系统硬件电路组成结构控制器的总体机构分为输入模块、主控制模块、输入模块三部分。如图51所示 图5-1硬件

50、框图1输入模块：电接点信号采样通道由R/V转换器转为电压信号，经电压比较器与基准电压比较后变为高、低电平，光电隔离后送入主控制模块。2主控制模块包扩核心8C51与LED显示模块，LED由74LS164驱动，显示方式为静态显示方式。LED用共阳极接法。3输出模块：包括继电器组控制和报警输出。继电器组实现泵组的配套电机的软起动。5.1.2元件选型在单片机高楼供水系统中将用89C51来完成控制功能。80C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器(EPROM)，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且

51、其输出引脚和指令系统与都MCS51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因为80C51是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。80C51具有下列主要性能:4KB可改编程序Flash存储器(可经受1，000次的写入/擦除周期);全静态工作:OHz24MHz;三级程序存储器保密;128B字节内部RAM;32条可编程I/O线;2个16位定时器/计数器;6个中断源;可编程串行通道;片内时钟振荡器等。 80C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方

52、式(Power DownMode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作，在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。5.1.3硬件设计电路设计本系统控制电路所采用的单片机是89C51，它是40引脚，DPI封装的集成电路芯片。随着半导体工艺的成熟和生产的工业化，使它的价格越来越低，是经济型系统首选机型。89C51具有丰富的I/O接口，内置定时计数器和中断系统。CPU的引脚如图52示，各引脚分布和功能如下:1.主电源引脚单片机能够工作，需要电能，就少不了通过一个引脚给单片机提供

53、电源。单片机使用的是+5V电源，在本系统中，有专门的辅助电源，产生+5V电压，从31脚VCC接入，一般要接+5V电源，加引脚是一个接地引脚。图5-2 系统引脚2外接晶体振荡器的引脚单片机是一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。因为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在80C51的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。在原理图的18和19引脚，X1和X2就分别是放大器的输出和输入端。在本系统中，采用外

54、接12MHz晶体振荡器，同时外加30PF电容，构成时钟振荡。3.I/O口第一功能80C51有强大的I/O接口分别是P0.0P0.7，Pl.0P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7，一共有32个引脚，这32个引脚都可以作为输入/输出用，这32个引脚，就构成了80C51的4个并行I/O接口，完成数据的传送和控制。4.控制信号引脚:ALE:地址锁存允许输出信号。ALE信号是以晶体振荡频率的六分之一的固定频度周期性出现的正脉冲信号。每出现一次，就意味着CPU要进行一次从程序存储器取指令字节的操作。即使不访问外部存储器，也会在ALE引脚上以同样的频率了出现正脉冲。因此可以将这个正脉冲作为外部时

55、钟或外部定脉冲使用。RST:复位信号，用于单片机的初始化操作。EA:内部和外部程序存储器的访问控制信号。当EA为高电平时，既可访问片内程序存储器，也可访问外部的程序存储器。这就取决于PC值的大小。若PC值在内部程序存储器的容量范围内，就访问内部的程序存储器。所以当EA为高平时，如果地址小于4K(89C51内部有4K的程序存储器)，访问内部程序存储器。本系统的程序大约占2K的程序存储器，所以没有扩展外部程序存储器，故EA接为+5V高电平。5.I/O口第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限的。MCS-51系列把芯片引脚数目定为40个，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过这个

56、数，为解决这个矛盾，当引脚数量有限时，唯一可行的办法，即给其中的一些信号引脚赋以双重功能。对于同一系列中各种型号的单片机，其引脚的基本功能是相同的，所不同的是引脚的第二功能。有的引脚的第二功能比它的第一功能还有用，有时可以不利用它的基本功能，但是不能没有它的第二功能，缺少了它的第二功能，单片机甚至不能工作。P0P3口的基本功能都是作为通用的双向I/O口，它们的第二功能分别如下:P0口:该压力水罐智能供水系统仅用内部存储器时，所以仅使用P2口的通用I/O口的功能。Pl口:P1口只能作为通用的I/O口使用。P2口:该压力水罐智能供水系统仅用内部存储器时，所以仅使用P2口的通用I/O口的功能。P3:

57、在51单片机中，P3口的8引脚都具有特定的第二功能，而且都是很重要的功能。表53给出了P3口的第二功能。表5-3 P3口的第二功能单片机各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当单片机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，它们就自动充当着传输“写”或“读”信号的作用，不能作为通用I/O口时，也就是说，只要CPU执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明.P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号.因此在实际使用时，都是按需要选用其第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份做数据I/O口使用.5.1.4I/O口定义与