AT89C51单片机在变频调速恒压供水系统中的应用

论述了变频调速恒压供水的原理及由AT89C51组成的变频调速恒压供水控制系统的硬件组成和软件设计方法。

1工作原理

变频调速恒压供水与水塔或楼顶的高位水箱供水相比，具有投资省、节约能源、水质遭二次污染的机会少等优点，越来越多的城市和生活小区已经或正打算采用变频调速恒压供水。变频调速恒压供水系统构成如图1。

其工作原理是：控制器通过检测实际水压值，比较设定水压值和实际水压值的差别，按PID控制规律运算后，输出控制信号至变频器，变频器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的供电电压和频率。

当用水量增加时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大，水泵转速升高，出水量增加;当用水量减少时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低，水泵转速下降，出水量减少。通过这种控制方式，就可以使自来水管道压力保持在设定值上。

由于变频器的价格较高，变频调速恒压供水系统通常采用多台水泵并联运行，几台水泵共用一台变频器。工作时，控制器根据用水量的大小，控制配电系统自动选择所需投入运行的水泵数量，一般方法是保持其中一台水泵处于变频器控制下，其它水泵则根据供水量的变化，在工频下全速运行或停机待命。

2单片机控制器设计

2.1硬件设计

单片机控制器及变频调速恒压供水系统的原理接线图如图2。系统采用Atmel公司的AT89C51单片机作为控制CPU(因为该单片机片内具有4KB的Flash　Memory);为确保系统稳定可靠运行，采用MAX813作为系统的电压监控及Watchdog电路;压力变送器送来的4～20mA的压力信号经IC7转换为0～5V的电压信号;由A/D转换电路ADC0809将压力传感器的检测水压值和设定电位器的设定值转换为数字量，供单片机使用;D/A转换电路采用DAC0832，将单片机输入的控制量转换为4～20mA电流环，控制变频器的输出频率。由单片机到配电部分的控制信号及系统的一些控制开关命令，均通过光电耦合电路进行隔离，以减少强电回路对单片机的影响。

2.2软件设计

假设供水系统共有2台水泵，其中水泵1为变频运行，水泵2为工频运行，由接触器分别启动或停止，单片机通过继电器控制接触器的工作。软件设计如下：

2.2.1单片机接口地址分配和控制端口功能

A/D转换器ADC0809：80XXH～87XXH;压力传感器为IN0通道，设定电位器为IN1通道。

D/A转换器DAC0832：08XXH。

水泵1继电器控制P1.0：当P1.0=0时，水泵1开;当P1.0=1时，水泵1停。

水泵2继电器控制P1.1：当P1.1=0时 ，水泵2开;当P1.1=1时，水泵2停。

开机命令P1.2：当P1.2=0时，系统开始工作，当P1.2=1时，系统停止工作。

2.2.2软件程序设计

变频调速恒压供水系统的单片机控制器软件包括主程序、控制量计算子程序、继电器控制子程序、A/D转换子程序、延时子程序等。

主程序包括系统初始化，开机命令的检测等，主程序框图见图3。

T1中断服务程序包括了除主程序以外的所有子程序的管理和应用，程序框图见图4。

A/D转换采用定时转换方式，启动A/D后，用软件延时150μs，再读出转换结果。

继电器控制子程序完成水泵2的运转和停止控制。由于变频器的控制量与水泵1的运转速度直接相关，因此程序根据变频器的控制量大小就可判断水泵1的工作状态。如控制量为零，说明系统压力过高，水泵1已经调至最低转速，这时需要水泵2停止工作;如果控制量为最大值，说明系统压力过低，水泵1已经调至最高转速，这时需要水泵2投入运行。由于供水系统压力的变化惯性较大，所以当控制量出现最大值或最小值后，需延时一段时间，在延时阶段经过反复测量，如果控制量一直不变，再进行切换。系统多于2台水泵时，切换原理相同，但需增加判断多台水泵开、停状态的循环判断程序。

继电器控制子程序框图见图5。

控制量计算子程序包括变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制规律采用PID调节规律。

控制量计算子程序框图见图6。

3结论

变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向，采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。