摘 要
早期的供水系统各方面都不好，自从变频器在各个领域的广泛应用，供水技术水平从90年代初开始了一次飞跃。短短几年内，供水技术经历了一个逐步完善的发展过程，目前国外的恒压供水系统成熟可靠，恒压控制技术先进。但维护成本比国内较高，而国内现在不少公司在从事变频恒压供水的研制推广，技术也日益成熟。恒压供水系统是现代化城市和生活小区供水的发展方向。代表着先进的科技发展前沿，而且采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠，实现容易，价格低廉的特点。是较理想的控制器。目前供水系统正在向集成化、维护操作简单化发展。
设计通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节， 使供水系统自动恒压值稳于设定的压力值。用户可以自行设定水管中的水压，低功耗低噪音高性能高寿命的特点使得本设计在同类产品中脱颖而出。使用 Keil C 和 Proteus 等先进 EDA软件进行了高效率地设计实现和仿真验证。
关键词：恒压；高效率；水泵转速；变频器
2系统总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，选择用单片机来实现功能，确定了以下的方案。本系统采用压力传感器反馈电压信号至处理器，经闭环控制系统。其输出频率的大小由处理器控制，使电机的转速自动增加或降低，以期保持供水压力恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。采用变频控制方式；其操作方便，无须手动调节进水阀门；启动噪音低，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备。而且其系统实现起来比较简单，并且系统价格相对来说也比较便宜。
2.1硬件设计方案
把整个硬件电路分成多个单元模块电路（如图2-1硬件结构图所示）：
（1）时钟模块：时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
（2）复位电路：单片机的 RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。
（3）稳压电源模块：提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。
（4）A/D转换模块：将模拟信号转换为数字信号。
（5）显示模块：提供水压信息显示。
（6）电机控制模块：控制电机的转速。
（7）按键电路：提供手动控制系统的功能。
（8）芯片STC89C52：
STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的方法51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、极有效的解决方案。
具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
图2-1 硬件结构图
2.2软件设计方案
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了这种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这这种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因，如图2-2所示。
本设计所使用的软件工具如下：
（1）开发平台： KeilC51；
（2）编写语言： C/C++；
（3）仿真软件使用：Proteus；
程序流程设计：设定水压值→获取水压→对比当前水压→驱动电机加减速
图2-2 程序原理流程图
3恒压供水系统硬件设计
本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1时钟模块设计
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。 XTAL1是接外部晶体管的一个引脚。 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。输出端为引脚 XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。单片机工作的速度是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和 XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图3-1 所示。电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中电容 C3和 C4对振荡频率有微调作用，通常的取值范围 30±10pF；石英晶体选择 6MHz或 12MHz都可以。 其结果只是机器周期时间不同， 影响记数器的记数初值和运算速度。
图 3-1 时钟电路
3.2复位电路的设计
单片机的 RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。复位后，单片机内部各部件恢复到初试状态，单片机从 ROM的 0000H开始执行程序。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多人在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。如图3-2所示。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。 为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使 RST保持高电平。只要 RST保持高电平，则单片机就循环复位。本次设计采用上电自动复位电路。
图 3-2 复位电路
3.4转换模块(A/D)选型
计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量， 因此， 需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D 转换器正是基于这种要求应运而生的。由于压力传感器传过来的信号为模拟信号，在接入前要加 A/D 转换电路将模拟信号转换为数字信号，本次设计采用常用的 A/D 转换芯片 ADC0809，其接线原理如图3-4所示。
图3-4 A/D模块接线原理图
4恒压供水系统软件设计
软件设计原理及设计所用工具
软件的主要功能是根据系统的工作原理，框图，先制定各部分程序的流程图，然后 再根据流程图编写各部分程序，通过调试各部分程序运行正确无误后，再进行主程序的 调试，看是否能实现预期的功能。
为了能够实现仿真，在仿真时用滑动变阻器来模拟水管水压。通过调节电阻的大小来改变水管的水压值。在调节电阻值的时候，LCD1602上所显示的值随之变化。
本设计所使用的软件工具如下：
(1)开发平台：KeilC51 ；
(2)编写语言：C/C++;
Proteus 软件是 Labcenter Electronics 公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS 、 ARES等软件模块， ARES模块主要用来完成 PCB的设计，而 ISIS 模块用来完成电路原理图的布图与仿真。 Proteus 的软件仿真基于 VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如 MCS-51系列、 PIC 系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、 LED、 LCD等等。通过 Proteus 软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。软件仿真有很多特点和优势， 如： 可以随意方便的更换和改变电路中的器件及线路，仿真的过程中不会损坏器件，从而降低了产品开发的成本。本文中由于我们主要使用 Proteus 软件在单片机方面的仿真功能，所以我们重点研究 ISIS 模块的用法， 在下面的内容中， 如不特别说明， 我们所说的 Proteus 软件特指其ISIS 模块。
主程序流程图
主要包括：A/D 转换程序；按键扫描程序。程序流程图如下：如图4-1示
（1）A/D 转换子程序：
其主要任务是把压力传感器检测的压力转换成数字量，并送入单片机处理，程序见附录。
（2）按键扫描子程序：
其主要作用是扫描按键的状态来获取指令，程序见附录。
图 4-1 主程序流程图
系统测试仿真
（1）Proteus软件介绍：
Proteus软件是 Labcenter Electronics 公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成 PCB的设计，而ISIS模块用来完成电 路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于 VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如 MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。通过 Proteus 软件的使用我们能够轻 易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。 软件仿真有很多特点和优势， 如：可以随意方便的更换和改变电路中的器件及线路，仿真的过程中不会损坏器件，从而降低了产品开发的成本。本文中由于我们主要使用Proteus 软件在单片机方面的仿真功能，所以我们重点研究ISIS模块的用法，在下面的内容中，如不特别说明，我们所说的 Proteus软件特指其ISIS模块。
（2）系统水压显示测试：
为了能够实现仿真，在仿真时用滑动变阻器来模拟水管水压。通过调节电阻的大小来改变水管的水压值。在调节电阻值的时候，显示管上所显示的值随之变化。启动电路系统工作，系统开始工作，显示出当前水压默认当前水压为130，调节滑动变阻器显示值的大小随其变化，如图4-2所示。
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