第一章 系统方案规划
本系统以 “恒压供水、节能降耗、稳定可靠” 为核心目标，采用 “单片机 + 变频器 + 压力传感器” 架构，实现高楼（6-18 层）供水压力的实时调节与多水泵协同控制，核心控制单元选用 STM32F103C8T6 单片机（具备高精度 ADC 与 PWM 输出能力，支持多设备通信）。系统整体划分为四大功能模块：压力采集模块、变频驱动模块、水泵联动模块、人机交互与保护模块。
压力采集模块通过扩散硅压力传感器（MPX5100，测量范围 0-1MPa）采集管网压力，精度 ±1%，适配 0.3-0.6MPa 高楼供水压力需求；变频驱动模块采用台达 VFD007M43B 变频器，驱动 1.5kW 主水泵实现 0-50Hz 调速，根据压力偏差动态调整转速；水泵联动模块支持 1 主 2 备共 3 台水泵，单片机根据压力与流量需求控制备泵启停（低负载时单泵运行，高负载时多泵并联）；人机交互模块通过 LCD12864 显示压力值、水泵状态，搭配按键设定目标压力；保护模块集成过压、欠压、水泵过载、缺水保护，异常时立即停机报警。系统供电采用 380V 三相交流电（驱动水泵）与 220V 转 24V 直流电源（为单片机、传感器供电），适配居民楼、小型写字楼等场景。
第二章 系统硬件设计
硬件设计遵循 “抗干扰、高稳定性” 原则，核心电路包括单片机最小系统、压力采集电路、变频通信电路、水泵驱动电路、保护电路。单片机最小系统以 STM32F103C8T6 为核心，搭配 8MHz 晶振与复位电路，通过 0.1μF 瓷片电容与 10μF 电解电容滤波，减少变频器与电机的电磁干扰，保证 ADC 采样误差 < 0.5%。
压力采集电路中，MPX5100 传感器（模拟输出接 PA0）将压力信号转换为 0-5V 电压，经 LM358 运算放大器放大后接入单片机 ADC 模块，电路中加入 RC 滤波网络（10kΩ 电阻 + 100nF 电容），避免管网压力波动导致的信号噪声；传感器供电采用 5V 稳压电源，确保输出线性度。变频通信电路中，单片机通过 USART 接口（PA9/PA10）与变频器 RS485 通信，传输目标频率与转速反馈数据，波特率 9600bps，响应时间 < 100ms；同时单片机 PWM 输出口（PB0）可直接控制变频器启停，作为应急控制通道。水泵驱动电路中，3 台水泵分别经 3 路继电器（SRD-24VDC-SL-C）与单片机 IO 口（PB1-PB3）连接，继电器控制端通过 ULN2003 驱动芯片放大电流，防止 IO 口过载；每路水泵电源端串联热过载继电器，过载时触发单片机中断。保护电路中，缺水检测通过红外液位传感器（YF-S201，接 PB4）实现，检测到水箱缺水时立即切断水泵电源；过压保护通过单片机比较器（PA1）监测压力信号，超过 0.7MPa 时触发报警。
第三章 系统软件设计
软件设计采用 “PID 闭环控制 + 多泵逻辑调度” 思想，以 C 语言为开发语言，在 Keil MDK 环境开发，核心程序包括主程序、压力采集与 PID 运算程序、变频调速程序、水泵联动程序、保护程序。
主程序采用状态机设计，初始化外设（ADC、USART、TIM）、传感器与变频器后，进入 “压力采集 - PID 计算 - 变频调节 - 水泵调度 - 状态更新” 循环，周期 50ms，确保实时性。压力采集与 PID 程序每 100ms 读取传感器数据，转换为实际压力值（如 0.45MPa），与目标压力（默认 0.5MPa）计算偏差，通过增量式 PID 算法（比例系数 Kp=2.5、积分系数 Ki=0.8、微分系数 Kd=0.3）输出控制量，换算为变频器目标频率（如偏差 - 0.05MPa 时，频率从 40Hz 降至 35Hz），避免压力超调。变频调速程序通过 USART 向变频器发送频率指令，同时接收变频器反馈的实际转速，若转速与指令偏差 > 5%，则修正输出；低负载时（压力 > 目标值 0.03MPa），降低变频器频率至 30Hz 以下，节能率达 20%-30%。
水泵联动程序预设逻辑：当变频器频率升至 50Hz 仍无法满足压力需求（偏差 > 0.05MPa 持续 5 秒），启动 1 台备泵；压力仍不足时启动第 2 台备泵；当压力 > 目标值 0.04MPa 持续 10 秒，先停止备泵，再降低主泵频率。保护程序实时监测压力（过压 0.7MPa、欠压 0.2MPa）、水泵电流（通过 ACS712 电流传感器采集，接 PA2）、水箱液位，超标时立即发送停机指令至变频器与继电器，同时触发蜂鸣器（PB5）与 LED 报警（PB6），并在 LCD 显示故障类型（如 “水泵过载”）。
第四章 系统测试与优化
测试分为功能测试、恒压精度测试、节能测试，环境为 12 层居民楼（管网容积 5m³，设计压力 0.5MPa），工具包括高精度压力表（精度 ±0.2%）、功率计、示波器。
功能测试中，目标压力设为 0.5MPa，打开多层用户水龙头（模拟高负载），系统 3 秒内启动备泵，压力稳定在 0.48-0.52MPa；关闭水龙头（低负载），5 秒内停止备泵，主泵频率降至 25Hz，压力无明显波动。恒压精度测试中，24 小时内压力偏差 <±0.02MPa，满足 GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》要求。节能测试对比传统恒速供水系统，本系统日均耗电量降低 28%，尤其在夜间低负载时段节能效果显著。优化针对测试问题：针对压力超调（初始超调 ±0.05MPa），优化 PID 参数（降低 Kp 至 2.0），超调量降至 ±0.02MPa；针对变频器启动冲击，加入软启动程序（频率从 10Hz 逐步升至目标值，耗时 2 秒）；针对电磁干扰导致的通信丢包，在 USART 通信中加入校验位，通信成功率从 98% 提升至 99.9%。
结语
单片机在高楼恒压供水系统中的应用，通过低成本架构与精准 PID 控制，实现了供水压力的稳定调节与能耗降低，适配中小规模高楼场景，相比 PLC 方案成本降低 40% 以上。系统测试验证了其可靠性、恒压精度与节能性，可有效解决传统供水 “压力不稳、能耗高” 问题。但系统仍存在不足：无远程监控功能；多泵联动逻辑需手动适配不同楼层。后续可加入 ESP8266 Wi-Fi 模块，实现手机 APP 远程查看压力与故障；引入楼层流量算法，自动适配 6-18 层不同压力需求，进一步提升智能化水平。
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