基于单片机的高楼恒压供水系统设计.pdf

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3)、式(4)可知,基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。3、传感器简介(1)传感器的基本概念传感器能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。在科学研究和基础研究中,传感器能获取人类感官无法获得的大量信息。如利用传感器和传感技术,可以观察到10?(-10)cm的微粒;能测量10?(-24)s的时间;一艘宇宙飞船可以看作是一个高性能传感器的集合体,可以捕捉和收集宇宙之中的各种信息:一辆小轿车上所用的传感器有百余种之多,利用传感器可以测量油温、水温、水压、流量、排气量、车速、姿态等。(2)传感器的分类1)根据输入物理量可分为:位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。2)根据工作原理可分为:电阻式、电感式、电容式及电势式等。3)根据输出信号的性质可分为:模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号,)根据能量转换原理可分为:有源传感器和无源传感器。有源传感器将非:..电量转换为电能量,如电动势、电荷式传感器等;无源程序传感器不起能量转换作用,只是将被测非电量转换为电参数的量,如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。(3)传感器的选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一项具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测盆的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。2)灵敏度的选择通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3)频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定延迟,希望延迟时间越短越好。:..可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。4)线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。5)稳定性传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。6)精度精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。4、系统硬件设计(1)系统硬件电路设计本控制器的总体结构如图4所示,分为输入、主机、输出三个模块。:..LED光设定驱动驱动A/DBUS电水压STC89C52驱动报警隔RST继电驱动器组离输入模块主机模块输出模块图4硬件框图1)输入模块输入模块采用一片8通道8位A/D转换器ADC0831。水压设定和水压均为0-5V电压信号。2)主机模块主机模块包括STC89C52为核心部件的智能控制单元。STC89C52本身有4KEPROM,所以不用外扩EPROM。3)输出模块输出模块包括PWM滤波输出、报警输出和继电器组的控制。PWM电路如图5所示,输出的模拟电压信号为0-5V,以调节水泵电机的转速,控制水压。VCCVCCNOTR64N25OPAMPR4R5+C6VCC3123EL20181R32C5+EL2018图5PWM滤波电路:..使电机水泵机组工作在变频或工频状态下,即实现电机水泵机组工作状态的切换。4)抗干扰措施与互锁保护接口与过程通道是单片机与外部设备、被控对象进行信息交换的渠道,对于接口和过程通道侵入的噪声主要是因为公共地线引起,其次,在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电噪声和电磁噪声的干扰。双绞线抗共模噪声能力强,可作为接口用连接线,为集成电路与驱动器之间的连线。使用光电隔离电路,当组件之间接地电位有差值时,或在噪声电平高的地方,光电耦合器作为数字量、开关量的隔离电路用于开关接口,能收到很好的效果。光电耦合电路如图6所示:D1VCCRLY1D216R3A116R5A161R6AOPTOISO111R4AQ261R2Q3图6光电耦合电路采用555定时器设计一个“WatchDog”电路监督程序的正常运行,然后采用组合逻辑电路进行互锁保护,使任意时刻变频器只驱动一台水泵电机工作,任意时刻水泵电机只工作在变频或工频一种状态,保证变频器的安全运行。(2)机型及器件选择在单片机高楼供水系统中将用STC89C52来完成控制功能。现在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位到犯位,数不胜数,应有尽有,有与主流C5l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。可以预示单片机的发展趋势,大致有::..CMOS化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。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。STC89C52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,而且其输出引脚和指令系统与都MCS-51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。STC89C52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:0Hz—24Mz;三级程序存储器保密;128*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。STC89C52是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0H[z,并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式(IdleMode)和掉电方式(PowerDownMode)。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。(3)硬件设计电路原理1)CPU的引脚本系统控制电路所采用的单片机是STC89C52,它是40引脚,DIP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。STC89C52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7各引脚分布和功能如下:A、主电源引脚:..需要电能,就少不了通过一个引脚给单片机提供电源。单片机使用的是电源,在本系统中,有专门的辅助电源,产生+5V电压,从接入,一般要接+5V电源,加引脚是一个接地引脚。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STC89C52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,X2和Xl就分别是放大器的输入和输出端。在本系统中,我们选用单片机的振荡周期为6MHZ。所以,采用外接6MHZ晶体振荡器,同时外加22PF电容,构成时钟振荡。图7CPU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STC89C52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:..19引脚,X2和Xl就分别是放大器的输入和输出端。在本系统中,我们选用单片机的振荡周期为6MHZ。所以,采用外接6MHZ晶体振荡器,同时外加22PF电容,构成时钟振荡。B、I/-,-,-,-,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STC89C52的4个并行I/O接口,完成数据的传送和控制。C、控制信号引脚ALE:地址锁存允许输出信号。当单片机进行系统扩展后,如果外接了外部存储器,那么在访问外部存储器时,就需要输出16位的地址信号,。这就要用到P0、P2这两个口,P0输出地址的低8位,P2口输出地址的高8位,这是引脚的第二功能。单片机就根据这个16位地址来访问外部存储器,从这个单元读出的数据与将要写入这个单元的数据都要从P0口输入、输出。这样一来,P0口不仅要输出地址的低8位,还要输入输出要读写的数据,是一个数据地址的复用口。那么P0口上的信号什么时候是地址,什么时候又是数据呢?这就需要用一个信号加以定义,这个信号就是ALE信号。规定ALE高电平期间,P0口上如果出现信息就作为地址信息;在低电平的时候,如果有信息就作为数据信息。但我们知道,要访问一个存储单元,比如将一个数据写入某个存储单元,地址信息和数据信息要同时有效。而P0口本身在输出、输入数据时肯定不能保存地址,所以要提供一个地址锁存器。利用在ALE引脚输出脉冲的下降沿,将P0口上地址信息锁存到地址锁存器中。而在ALE低电平期间的数据信息不需要锁存。这样就实现低位地址和数据的隔离。对于P2口,并不是数据、地址分时复用的,就不需要这样的地址锁存信号了。ALE信号是以晶体振荡频率的六分之一的固定频度周其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同现正脉冲。因此可以将这个正脉冲作为外部时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。:..PSEN:外部程序存储器读信号(存储器输出允许信号)。从片外程序存储器读取指令或常数时,用于命令程序存储器做输出动作。每个机器周期内信号激发两PSEN次,和ALE配合。但要注意的是,在访问片内程序存储器和访问数据存储器时,并不激发PSEN信号。比如用MOVC指令从外部程序存储器中读数据时,要产生PSEN信号。当使用8031等没有内部程序存储器的单片机时,因为要从外接的程序存储器中读取指令并加以执行,因此,就算不执行MOVC指令时,也会激发PSEN信号。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。反之,若PC值超出内部程序存储器的容量范围,自动转去执行外部程序存储器的程序。所以当EA为高平时,如果地址小于4K(对于8051、8751、STC89C52来说,内部有4K的程序存储器),访问内部程序存储器,地址大于K4时访问外部程序存储器。当EA为低电平时,只访问外部程序存储器,而不管是否存在内部程序存储器。在本系统设计中,用STC89C52芯片,使用的是它内部的程序存储器,因此将EA引脚接高电平。所以,在31引脚,加+5V高平,使用内部程序存储器。如果使用原来的8031芯片,那么EA就必须接地,强制单片机机去访问外接的程序存储器。不这样的话,如果这个引脚出现高电平,并且当PC值大小4K时,单片机就会寻找内部程序存储器,但由于8031内部没有程序存储器,就势必导致程序运行出错。2)单片机引脚信号的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数。那么如何才能解决这个供需矛盾呢?正像有的人为了增加收入,要做一些兼职工作。单片机也同样如此,当引脚数量有限时,“兼职”是唯一可行的办法,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,其此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,单片机甚至还不能工作呢。A、I/O口的第二功能P0~P3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:第二功能是在访问外部存储器时,用于分时使用的低8位地直输出和8位数据总线的输入/输出。Pl口:只有在52子系列中,。在51子系列中,Pl口就作为通用的阳口使用。P2:口:第二功能是在访问外部存储器时,输出高8位地址。P3: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1给出了P3口的第二功能。,,,,,不需要用指令来转换。、、RD信号,当单片机外接RAM或有外部如口时,