单片机控制的变频调速恒压供水系统(0617103119).pdf
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1、. 本科毕业设计(论文) 单片机控制的变频调速恒压供 水系统 * 燕 山 大 学 2012 年6 月 . . 本科毕业设计 (论文) 单片机控制的变频调速恒压供水系统 学院(系):里仁学院 专业:* 学生 姓名: * 学号:* 指导教师:* 答辩 日期:2012 年 6 月 17 日 . . 燕山大学毕业设计(论文)任务书 学院:电气工程学院系级教学单位:电气工程 学 号 * 学生 姓名 * 专 业 班 级 08-2 题 目 题目名称单片机控制的变频调速恒压供水系统 题目性质 1.理工类:工程设计() ;工程技术实验研究型() ; 理论研究型() ;计算机软件型() ;综合型() 。 2.管理
2、类() ; 3.外语类() ;4.艺术类() 。 题目类型1.毕业设计( )2.论文() 题目来源 科研课题()生产实际()自选题目() 主 要 内 容 1、学习电机的变频调速原理 2、了解恒压供水系统的设计要求 3、学习单片机编程 4、设计软件电路和硬件电路 基 本 要 求 1.熟悉掌握变频调速的基本原理; 2.给出电路设计的具体方案; 3. 绘制 A0 图纸一张,论文一本。翻译英文文献一篇。 参 考 资 料 1、何超交流变频调速技术北京:北京航空航天大学出版社,2006.8, 2、 张迎新 单片微型计算机原理、应用及接口技术国防工业出版社,2003, 3、恒压供水控制相关文献 周 次14
3、周58 周912 周1316 周1718 周 应 完 成 的 内 容 查阅相关的中 文资料,熟悉 控制方法的工 作原理,翻译 一篇英文资料 工作原理学习 主电路的确定 控 制 方 案 的 确定,控制电 路的设计 系 统 软 硬件 设计 撰写论文,答辩 指导教师: * 职称:讲师2011 年 12 月 30 日 系级教学单位审批: 年月日 . . 摘要 随着社会经济的飞速发展, 城市建设规模的不断扩大, 人口的增多以及 人们生活水平的不断提高, 对城市供水的数量、 质量、稳定性提出了越来越 高的要求。 建设节约型社会, 合理开发、 节约利用和有效保护水资源也是一 项艰巨任务。 因此,有利于节能节
4、水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛 的应用。本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析。描述了 变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。本文提出的系统设计方案是以 ATMEL 公司的 AT89C51为基础,同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件 控制系统和相应的软件控制系统。充分发挥了单片机成本低, 易于使用的特 点。 关键词 :变频调速;恒压供水; AT89C51单片机 . Abstract With the Progress development of social economic and the construct scale of city continuously enl
5、arge,increasing of population and standard of living of people continuously improved,more and more demanding to quantity,quality and stability of water supply bring for ward in city. Build a conservation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources
6、conservation is a difficult task. Therefore, it is conducive to saving energy and Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply System has been more widely used. This paper discusses the frequency conversion speed adjusting water supply system and energy-saving principle of speed control,and mai
7、nly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. The proposed system design is based on the companys AT89C51 based ATMEL, also described including the transducer and sensor control system including hardware, software control system
8、s and the corresponding. Give full play to the single chip low cost, ease of use. Keywords : frequency control; constant pressure water supply;AT89C51 mcu . 目录 摘要 Abstract LXVI 第 1 章绪论 70 1.1 变频调速技术概况 . 70 1.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义. . 71 1.2.1 传统供水方式 71 1.2.2 变频恒压供水系统主要特点 72 1.2.3 变频调速恒压供水节能分析 72 1.2
9、.4 变频供水系统应用范围 75 1.3 研究意义 . . 76 1.4 变频调速恒压供水系统的发展. . 77 1.5 本文主要研究内容 . 78 1.6 本章总结 . 78 第 2 章单片机概述 78 2.1 单片机简介 . . 78 2.2 单片机的发展史 . . 79 2.3 单片机的发展趋势 . . 80 2.4 AT89C51 单片机简介 . 82 2.5 本章总结 . 83 第 3 章变频调速恒压供水系统的工作原理 83 3.1 变频调速的基本原理 . . 84 3.2 系统工作过程 . . 84 3.3 系统的参数选取及调速范围. . 86 3.4 本章总结 . . 87 第
10、4 章变频调速恒压供水系统的硬件设计 87 4.1 主控单片机引脚说明 . . 89 4.2 反馈压力检测电路. 91 . 4.3 输出控制电路 . . 92 4.4 控制输入电路 . . 93 4.5 系统电压监控及Watchdog电路 . 94 4.6 本章总结 . . 95 第 5 章变频调速恒压供水系统的软件设计 96 5.1 单片机接口地址分配和控制端口功能. 96 5.2 软件程序设计 . 96 5.3 本章小结 . 99 结论 99 致谢 . 101 参考文献 . 101 附录 1. . 104 附录 2. . 107 附录 3. . 114 附录 4. . 119 附录 5.
11、. 124 . 第 1 章绪论 1.1 变频调速技术概况 变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现 电能频率参量的控制与变换, 以实现电力的某些使用目的, 并提高其使用质 量与效率的一种技术。变频技术在经历了早期电子管、晶闸管整流器(60 年代)和集成电路技术( 70 年代)几个阶段后,从80 年代至今一直沿用基 于电力电子技术的功率集成电路技术,并随着技术的进步继续发展 1。而变 频调速技术就是在变频的基础上调整电机转速的技术,其基本原理是根据电 机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n =60 f(1-s)p, (式中 n、f、 s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差
12、率、电机磁极对数);通过改变电 动机工作电源频率实现转速的改变。 变频调速技术已深入我们生活的每个角落,在国民经济和日常生活中占 有重要地位 :应用面广,是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术;是节约 能源的高新技术 ;是国际上技术更新换代最快的领域;是高科技领域的综合性 技术。交流变频调速技术, 已成为国内外公认的最理想、 最有发展前途的电 机调速方式。经测算,电机采用变频调速技术运行后,一般可节电20%一 40%,因此这项技术具有广阔的使用前景,可被广泛应用于改造锅炉、 风机、 水泵、制冷机等设备的运行方式, 以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗 2 。我国现有的 100 万 kw 以上的
13、大型电厂中,每套30 万 kw 的发电机一般 都配备 30-35 台辅机驱动用电动机。一个大型电厂,其辅机电动机多达250 台左右。火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水 泵、空压机和磨煤机等,据初步调查,其中50%-60%的风机、水泵可以改 为调速运行。 如果这些设备都实现变频调速运行,按节电 20%计算,年节电 可达 200亿 kW.h,相当于装机 400 万 kw 容量的发电设备 3。因此,应用电 力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业,就可以获 得很好的社会效益和经济效益。 近几年来,随着电力电子技术、 计算机技术、 自动控制技术的迅速发展, 电气
14、传动技术面临着一场历史革命,即交流调速 取代直流调速、 计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。在 这种环境下, 电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电、改善 . 工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技术进步的一种主要手段。 1.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义 我国国民经济正处于迅猛发展时期,能源紧缺是制约我国经济发展的 重要因素,节能节水是我国经济持续发展的基本国策。另外,随着社会经济 的飞速发展,城市建设规模的不断扩大, 人口的增多以及人们生活水平的不 断提高,对城市供水的数量、 质量、经济、稳定性提出了越来越高的要求 4 。 供水质量的好坏直接影响着
15、人民的生活水平和企业的生产效率。要安全、稳 定、 经济可靠的管理好遍布全城的供水管网,一定要有一个满足供水特点的、 先进的自动化供水控制系统。 但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、 工业 生产供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低,效率低下。究其原因, 主要是由于受供水设备和供水方式的限制。 1.2.1 传统供水方式 1.恒速泵直接供水方式 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
16、严重,水压不稳,供水 质量极差。 2.水塔/水箱的供水方式 这种方式是水泵先向水塔或水箱供水,再由水塔或水箱向用户供水。 这 种供水压力比较恒定, 且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水 的,为此,需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部 5。即使如此,在大型 建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求,且难于满足不断增长的 供水需求。同时,由于在建筑物顶部形成很大的负重, 所以增加了结构面积, 也妨碍了美观。另外这种供水方式的水质容易受到污染,系统的开、停,将 完全由人操作,这将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 3.气压供水方式 模糊控制变频调速恒压供水系统的研究与设计这种方
17、式是利用封闭的 . G HT HL HB 0QNQ A N HT HN HO HB 图 1-1 供水系统的基本特性 Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system 气压罐代替高位水塔 /水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐 的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小,而且可以放在地上, 设备的成本 比水塔水箱要低得多。 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,灵活性大、建设快、不妨碍美观,且可以通过改变压 力罐的压力来满足不断增加的供水需求。但缺点是需要压力罐,其体积大、 投资大,又因其压力变化快、
18、运行效率低, 因此电能消耗大, 运行费用高 6 。 综上所述,传统的供水系统浪费了很多水力资源和电力资源,效率低下, 且可靠性低, 严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。它们还有一个共 同的致命缺点是自动化程度不高,跟不上时代发展的需求。 所以开发一种新 型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。 1.2.2 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
19、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。 1.2.3 变频调速恒压供水节能分析 变频调速恒压供水系统最突出的特点就 是节能。在该系统中,最主要的是对水泵的 控制,在日常生活及工农业生产中,由离心 泵组成的供水系统普遍存在,下面就以离心 泵为例分析变频调速节能的原理。 一、供水系统的特性和工作点 . 1扬程特性以管路中的阀门开度不变为前提,表明在某一转速下, 全扬程 HT 与流量 Q 间关系的曲线 HT=f(Q),称为扬程特性曲线,如图1-1
20、 中的曲线所示。扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。 2管阻特性以水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下,全 扬程 HT 与流量 Q 间关系的曲线 HT=f(Q),称为管阻特性曲线。如图1-1 中 的曲线所示, 管阻特性是表明由管阻 (阀门开度) 来控制供水能力的特性 曲线。 3供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供 水系统的工作点,如图 1-1 中的 N 点在这一点,供水系统既满足了扬程特性, 也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态,系统稳定运行。 4供水功率供水系统向用户供水时所消耗的功率PG(KW)称为供 水功率,供水功率与流量和扬程的乘积成正比:PG
21、=CPHTQ(1-1)式中 CP比例常数。 由图 1-1 中可以看出:供水系统的额定功率与面积0ANG 成正比 7。 二、调节流量的方法与比较 在供水系统中,最根本的控制对象是流量。因此,要讨论节能问题,必须从 考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。 1.阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量,而转速则保持不变 (通常为额定转速)。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变,而是 通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量,以适应用户对流量的需求。 这 时,管阻特性将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性则不变。 如图 1-2 所 示 , 设 用 户 所 需 流 量QX 为
22、额定 流 量 的 60%( 即 QX=60%QN) ,当通过关小阀门来实现时,管阻特性将改变为曲线,而扬 程特性仍为曲线,故供水系统的工作点移至E 点,这时:流量减小为QE (=QX) ;扬程增加为 HE;由式(1-1)知,供水功率 PG 与面积 0DEJ 成正 比。 2.转速控制法即通过改变水泵的转速来调节流量,而阀门开度则保持 不变(通常为最大开度) 。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来 适应用户对流量的需求。 当水泵的转速改变时, 扬程特性将随之改变, 而管 . 阻特性则不变。仍以用户所需流量等于60%QN 为例,当通过降低转速使 QX=60%QN 时,扬程特性为曲线,管阻特性仍
23、为为曲线,故工作点移至C 点。这时,流量减小为QE(=QX ) ,扬程减小为HC,供水功率PC 与面积 0DCK 成正 比。 图1-2调节流量的方法与比较 Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow 3两种方法的比较比较上述两种调节流量的方法可以看出,在所需 流量小于额定流量(QX100%QN)的情况下,转速控制时的扬程比阀门 控制时小得多,所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得 多。两者之差 ?P便是转速控制方式节约的供水功率,它与面积KCEJ(图中 的阴影部分)成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的
24、方面。 4从水泵的工作效率看节能 G 0QNQ A N HN HO HB Hg J K D QE HC P 阀门关 小 阀门 全开 额定 转速 转速 下降 扬程特性 管阻特性 . (1)工作效率的定义水泵的供水功率PG 与轴功率 PP(输入功率,即电 动机的输出功率)之比,即为水泵的工作效率,符号是P : P=PG/PP(1-2) (2)水泵工作效率的近似计算据有关资料介绍,水泵工作效率相对值* 的近似计算 公式如下: P*=C1(Q*/n* ) C2(Q*/n*)2 (1-3) 式中, P* 、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值;C1、C2 常数,由 制造厂家提供, C1 与 C2之间
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