基于51单片机恒压供水系统设计

基于51单片机恒压供水系统设计（共8篇）

1.基于51单片机恒压供水系统设计 篇一

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基于STC89C51单片机的红外遥控智能家居系统设计

作者：姜楠

来源：《现代电子技术》2012年第24期

摘要：STC89C51单片机的红外遥控智能家居系统是由STC89C51单片机、继电器驱动模块、红外线接收模块、电源管理模块等组成。在该系统中，单片机通过接收遥控器发来的指令，实现继电器开关的状态转换来控制与继电器连接的电源插座的打开与关闭。测试结果证明，该系统能够经济、有效、方便地实现普通家庭中远距离控制家用电器电源状态的转换。关键词：STC89C51； 继电器驱动模块； 红外信号接收模块； 红外遥控智能家居系统

中图分类号：TN911-34文献标识码：A文章编号：1004-373X（2012）24-0162-03

2.基于51单片机恒压供水系统设计 篇二

关键词：溶解氧,温度,测控系统

1. 引言

目前, 国内外市场上虽有多种型号多种档次的环境参数分析控制仪, 但普遍存在着国产仪器性能单一, 使用寿命断, 可靠性低, 标定校准操作复杂的问题, 而进口仪器虽然精度高可靠性好, 但价格过于昂贵, 功能单一, 性价比低。鉴于目前国内基于单片机的智能仪器的开发水平与国外并无多大差距, 开发集检测与控制功能于一体的多参数测控系统, 与化学传感器直接配套, 具有广阔的市场。

2. 设计思路及测控系统框图

本文研究基于MCS—51单片机的多环境参数测控系统的检测和策略主要研究内容包括:

1) 设计单片机外围接口硬件电路, 能够用此处理器来采集和处理多环境参数;

2) 实现多环境参数复合校准、补偿, 推出溶解氧、温度等环境参数的测量算法, 因各种参数不断改变无法建模, 决定采用比较成熟的自校正PID控制来实现环境参数的实时控制;

系统设计框图如图1所示:

3. 溶解氧和温度的检测

1) 溶解氧浓度作为一项重要的环境指标, 传统的碘量法因分析精度高, 重现性好, 但其操作复杂, 耗时长, 不能对水样连续测定。采用电极 (YS15739型溶解氧电极) 测量具有快速、准确和可连续测定的特点, 更易于实现自动化和计算机控制。当金电极与银电极间加0.7V左右的极化电压时, 水中溶解氧透过薄膜, 在阴极上还原, 产生稳定的扩散电流。溶氧量越大, 则测得电流I越大, 对应的输出电压越大Uo, 即溶氧电压Uo, 反应电流I和氧浓度Oxy成正比关系。检测电路图如图2所示。

在溶解氧检测过程中, 相同氧浓度在不同温度下的传感器输出值是不同的, 从饱和溶氧电压与温度测量出发, 在气压恒定的条件下, 对蒸馏水溶氧量进行不同传感器的比较实验, 得出相同温度下不同传感器的电压值也不尽相同, 但同一传感器的饱和氧电压在不同温度下成确定的比例关系, 根据这一关系对采集的溶氧电压进行温度补偿。

2) 温度的检测采用一个带带负温度系数10K电阻作为传感元件, 其变换电路如图3所示。Rt为负温度系数电阻, 温度t越高, Rt越小, 对应温度电压UG越小, 此信号作为过程变量进行线性补偿后送往CPU作PID处理, 以保持温度恒定。

负温度系数热敏电阻的线性化模型使用范围有限, 在一定的温度范围内或是小范围内, 输出基本上是线性的。但在宽温范围内, 这种非线性将带来测量上的不便, 并在某些应用中产生较大的误差。所以补偿热敏电阻的非线性特性, 也就成为测量仪器设计的重要环节, 并能够增强设计的可移植性。补偿的原理就是通过电路中参数的调节, 将指数部分消去, 从而实现电压——温度的线性化, 线性化补偿的原理图如图4所示。

4. 溶解氧和温度的控制

本系统对溶解氧含量及温度的控制分贝采取模糊控制以及带有滞后补偿的数字PID控制方法, 推理得出模糊控制规则, 对数字PID控制器试验得到满意的参数并进行了仿真。

1) 溶解氧含量的控制很难建立一个精确的数字模型对其进行控制, 而模糊控制不需要了解系统的数学模型及参数, 对于未知模型的系统具有很大的实用价值。以溶解氧含量的偏差和变化率作为作为输入变量, 以调节变频器输出频率的控制量作为输出, 三个变量各自的范围由映射关系y=12[x-0.5 (a+b) ]/ (b-a) 界定为[-6, 6]之间的连续变化量, 在论域上分别考虑三个变量对应的模糊子集, 根据模糊规则表, 总结出模糊关系, 求出的模糊控制量采用加权平均法进行模糊判决, 得出模糊控制表, 将此表存于单片机中, 经过简单的查表, 即可得到控制量的论域元素, 再乘以相应的比例因子, 就可得出精确的控制量。

2) 数字PID控制器是普遍采用的控制方法, 综合了关于过去、现在和未来三方面的信息, 为广大工程技术人员所采用。由于计算机控制是一种采样控制, 它只能根据采样时刻的偏差计算控制量, 因此积分和微分项不能直接准确计算, 只能通过数值计算的方式逼近, 在采样时刻, PID控制规律可通过数值公式计算。增量式控制算法中不需要累加, 增量只与最近几次采样的输入值有关, 容易获得较好的控制效果。在工业生产过程中, 由于能量传输的延迟, 常常存在着纯滞后现象, 对象的纯滞后性质常引起系统的振荡, 为此使用史密斯预估器来进行滞后的补偿以达到较好的控制效果。PID控制策略的参数常常通过试验来确定, 逐步凑试, 逐步凑试, 得出整定的PID参数为:P=13, Ti=360s, Td-90s, 对温度的控制打到满意的控制效果。采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真, 得出PID及Smith控制定植阶跃扰动下响应曲线如图5所示:

5. 结束语

多参数测控系统的研究难点是对各测量参数进行校准以及提高测量精度, 从而增强设计的可移植性, 本文介绍了重要环境参数——溶解氧、温度的检测及补偿方法, 并采用相应的控制策略, 可以通过数据通信及人机交互界面的设计实现多参数的实时测控。

参考文献

[1]李正军.计算机测控系统设计与应用[M].山东工业大学出版社

3.基于51单片机恒压供水系统设计 篇三

关键词：LD3320语音识别；WAP200B无线通讯；ATmega128单片机；鱼体波；51单片机

近年来，海洋资源开发日趋焦点，机器鱼作为一项现代化的新成果，具有广泛的现实意义，它可以更逼真的模拟鱼的游动原理，在水下的运动更符合流体力学原理，具有更好的加速和转向能力，利用它可以探测海洋资源，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形等等。随着科技的发展，人类对智能化产品的研究步伐在不断加快。但是，作为一项比较新的产品，机器鱼的智能化程度还远远不够，伴随着研究的加深，机器鱼的功能也会更趋完善。语音识别作为一门交叉学科，它的出现实现了长期以来人们渴望与机器交流的梦想。语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。近年来，语音识别技术发展迅速，取得显著进步，并且已经开始被应用于通信、家庭服务、汽车电子、医疗、家电、消费电子产品等各个领域。截至目前，还没有出现针对语音识别系统和机器鱼结合的设计。本文实现了机器鱼和语音识别系统结合的硬件设计。

1 芯片介绍

1.1 LD3320语音芯片介绍

LD3320是一颗基于ASR技术非特定人语音识别的语音识别芯片。语音识别ASR技术，是基于关键词语列表识别的技术。只需要软件编辑好要识别的关键词语列表，并把这些关键词语以字符形式传送到芯片内部，就可以对人说出的关键词语进行识别，不需要作任何录音。比如，在51单片机编程中，简单地设置语音芯片的寄存器，诸如把“ni hao”这样的识别关键词动态地传入芯片中，芯片就可以识别这个关键词语了。并且在同一时刻，最多可以在50条关键词语中进行识别，可以根据场景需要，在终端随时编辑和更新这50条关键词语。另外，芯片上集成了高精度的D/A和A/D接口，并且接有Flash和RAM，只需把麦克风接在芯片的AD引脚上即可实现语音识别/声控/人机对话功能。

1.2 AVR芯片介绍

本例使用ATmega128单片机作为鱼体控制芯片，ATmega128具有以下特点：低功耗的8位微处理器，有133条指令，且大多数指令可以在一个时钟周期内完成；53个可编程I/O口线；128K字节的系统内可编程Flash；4K字节的EEPROM；优化的外部存储器空间多达64K字节；两个带有独立预分频器和比较器的8位定时器/计数器；两个带有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；两路8位PWM；6路分辨率可变(2到16位)的PWM；两个可编程的串行USART；8路10位的ADC。

2 硬件设计实现

2.1 整体设计方案

语音识别系统识别到语音数据会产生一个中断信号给51单片机，然后单片机通过程序判断语音数据的正确性(可能是噪音)，如果正确就通过P0口读取语音数据，并且将数据通过WAP200B无线通讯模块发送给鱼体主控芯片AVR单片机，此时AVR就可以根据命令产生相应占空比的PWM波。整体方案设计如图1所示。

2.2 语音控制部分

M-LD3320进行语音识别时，需要有较高纯净度的3.3V直流电源供电和合适的晶振信号(我们使用了12M正方形有源晶振)。使用51单片机编写程序主控LD3320芯片，来实现语音识别功能。同时必须保证51单片机和语音模块的最终供电电源统一。

麦克风采集到声音，不管是否识别到正常结果，芯片都会产生一个中断信号通过IRQ管脚返回给51单片机，并且将数据通过ICR_P0~ICR_P7传送给51单片机进行处理，然后中断程序要根据寄存器的值分析结果，如果识别成功，就将识别得到的数据通过无线通讯模块发送出去。由于本文在语音模块传送数据给MCU时采用并行方式，所以MD直接接地，如果采用串行方式需要使MD管脚置高。它与51单片机(基于STC89C52)的连接示意图如图2所示。

模块PCB板已经将连接麦克风的引脚接到模块的MIC插座上，所以在连接电路的时候11~19和22~31引脚悬空不用。与51单片机连接时，ICR_P0~ICR_P7(2和33-39引脚)必须连接在单片机的数据总线上，同时需要在P0-P7，以及RDB，MD，INTB，WRB，CSB这些控制管脚上焊接1K/10K的上拉电阻(上拉到3.3Ｖ即可)，这样可以辅助系统稳定运行。CLK引脚的连接有两种选择：1)直接将51单片机的晶振信号通过导线输入到LD3320的CLK管脚，但是导线不宜过长。2)将正方形有源晶振直接焊接在模块上预留的连接点，此时CLK管脚需要悬空。本文采用的第二种方法。

2.3 AVR控制部分

AVR是鱼体的主控MCU，主要用来控制机器鱼的的动力部分。机器鱼的动力来自舵机，设计关节数为三个，即有三个舵机。每个舵机由十五位的不同占空比的PWM波来控制转动不同的角度，三个舵机需要配合形成鱼体波来控制鱼体摆动。鱼体结构如图3。

鱼体波是利用杆系机器鱼对真实鱼游动形态的拟合，可以认为鱼体波曲线是鱼体波幅包络线和正弦曲线的合成，它开始于鱼体惯性力的中心，延伸至尾柄，其曲线方程可表示为

ybody(x,t)=[(c1x+c2x2)][sin(kx+wt)](1)

式中，yboby是鱼体的横向位移(背腹轴)，x是鱼体的轴向位移(头尾轴)，c1是鱼体波波幅包络线的一次项系数，c2是鱼体波波幅包络线的二次项系数，k是波长倍数(k=2π/λ)，λ是鱼体波的波长，w是鱼体波的频率(w=2πf=2π/T)。

由于计算机控制是一种离散的数字量，鱼体波曲线也需要离散化，所以把时间参数t从鱼体波运动函数yboby(x,t)中分离出来，方程即为

ybody(x,i)=[c1x+c2x2][sin(kx±i)](2)

式中，i表示一个摆动周期内的样条曲线序列的第i个变量；N表示鱼体波分辨率，即在一个摆动周期内整个鱼体波被离散的程度，其上限不能大于驱动机构摆动的最高频率。

为了更好地表征鱼体波动的参数，提高鱼体方向控制特别是转弯过程中的灵活性，在方程2的特征参数基础上，增加波长倍数k相对于x的二次增益，修改后的方程如下

ybody(x,i)=[c1x+c2x2][sin(k1+k2x)x+i)](3)

通过调整k1和k2的值，根据x的变化可以得到更多的鱼体波曲线。同时，在机器鱼的设计过程中，可通过微调身体波参数来增加运动的机动性和灵活性。

根据实际鱼体选择合适的鱼体波参数，通过仿真工具模拟出一个摆动周期内i从0~N的所有鱼体波，就可以计算舵机在各种情况下所需转动的角度，然后就可以设定各个舵机的PWM波占空比，就可以产生所需要的鱼体波。本文设定参数为c1=0.05；c2=0.09；k1=0.5；k2=0.1；N=10的一条鱼体波曲线如图4，直线段为实际中三节舵机配合形成的鱼体波，曲线为理想鱼体波曲线。

使用AVR的USART0与无线通信模块连接。当51单片机通过无线通讯模块将数据传送到AVR时，AVR单片机软件控制会产生一个串行中断，此时可以判断接收到的命令，根据命令改变PWM波的占空比，从而改变机器鱼的游动方向。

2.4 WAP200B无线通讯传输部分

无线模块WAP200B总共有10个管脚：VCC_CPU为MCU电源输入，VCC_RF为RF 短路电源，VCC_PA为RF 功放电源，它们三个管脚接DC3.3V；SET为配置或者正常工作模式选择信号输入管脚，低电平时WAP200B为配置模式，此时串口的数据作为配置指令而不会被传送出去，高电平(3.3V)时模块使能接发功能；RXD/TXD是串口数据从WAP200B输入/输出的管脚，3.3V/5V兼容TTL逻辑电平，RESET为复位信号输入管脚，正常工作接高电平；ANTENNA为天线接口。连接方式如图5所示。

无线通讯模块的TXD/RXD分别与51单片机的RXD/TXD相连，就相当于51单片机的一个串口。在使用无线通讯模块之前，需要配置它的波特率、串口模式、频道以及发射功率(SET置低)，两个互相通讯的模块必须保证具有相同的波特率和频道，同时51单片机串口的波特率也必须和通讯模块一致，发射功率可以根据发射的距离远近设定。

3 控制软件设计流程

51单片机是语音芯片的主控CPU，它的软件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式设定需要和无线通讯模块一致)，语音系统的识别控制，命令数据的发送。51程序流程如图6所示。

AVR是鱼体主控芯片，它的软件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式需要同上一致，还设置接收中断打开状态)，产生使机器鱼直游的PWM波，无论在什么状态，只要串口接收到命令就会产生中断，就需要根据命令改变PWM波的占空比，从而改变机器鱼的游动方向，需要注意的是在改变PWM波占空比以后，只需要保持此占空比一段时间(该时间段内有可能有新的命令)，在鱼体改变方向以后就需要再次将占空比改为直游。AVR控制流程如图7所示。

4 实验结果

此语音控制系统在实验中已经得到实现。我们在51单片机中编辑了“zuo”、“you”、“qian”等命令；在AVR单片机的接受中断编辑了相应命令的PWM波占空比；所有串口通讯参数设置为：波特率9600bps；串口模式为8个数据位，1个停止位，无校验位；频道设置为28；发射功率设为最大(FF)。使用了奥林巴斯ME52 的麦克风作为语音接收设备。

表1是鱼在直游(前)的时候，三个舵机在十个离散周期各自的转角。在转向的时候，前两个舵机偏转，第三个舵机保持不变；在进行“左”转命令时，舵机1和舵机2在直游基础上加上负40°；“右”转时加上正40°。由于舵机转角与PWM波占空比是线性关系，在此基础上，我们匹配了PWM波占空比与舵机转角的数学关系式

PWM=20000-(((jiaodu[j][i]+xiuzheng+pianjiao)*1000)/90+1400) (4)

jiaodu[3][9]是定义的直游时各舵机的转角数组，j是舵机号，i是周期，pianjiao是左转右转等附加给直游时的角度(正负40°)；xiuzheng是实际中需要调试的补偿角度。

实际操作中，当发出“左”、“右”、“前”等命令时，机器鱼会立即做出相应的动作。

5 结束语

文中主要介绍了语音识别技术在机器鱼上的应用以及鱼体波的产生原理，实现了语音控制机器鱼的游动方向，相信随着机器鱼的研究深入，可以在语音系统基础上实现更多功能，使机器鱼更加趋于智能化，最终可以为人类探索海洋提供更多帮助和便利。

参考文献

[1] 金钟夫. AVR ATmega128单片机C程序设计与实[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社.

[2] 郭峰，彭刚.基于杆系的机器鱼运动控制参数研究[J].武汉:华中科技大学控制科学与工程系，2008

[3] 徐春燕.非特定人连续语音识别的理论、分析和实验[D]. 浙江：浙江工业大学

[4] ATmega128技术手册[Z]，2005

[5] 张毅坤.单片微型计算机原理及应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，1998-9-1

[6] 孟庆鑫.基于AVR单片机的仿生机器鱼控制系统设计与实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学

[7] 喻俊志.多仿生机器鱼控制与协调研究.2003.[D]

[8] 周超.仿鲹科机器鱼的倒退游动控制.[J]. 自动化学报，2008，34(8): 1024-1027.

[9] LD3320开发手册[Z]，2009

作者简介

4.基于51单片机的电子秤设计 篇四

（2015届）

题 目：基于51单片机的电子秤设计

专业名称：应用电子技术

姓 名：谢玉夏

学 号：1210401038 班 级：2012级应用电子技术

指导教师：刘志芳

2014年 12 月 30 日

摘要

称重技术是人类生活中不可缺少的部分，自古以来就被人们所重视。作为一种计量手段，被广泛应用于工业、农业、贸易等各个领域。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对称重技术的准确度要求也越来越高，电子秤产品技术水平的高低，直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。近年来，电子称重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在称重计量领域中也占有越来越重要的地位，其应用领域也在不断地扩大。尤其是商用电子秤，由于其具有准确度高、反应灵敏、结构简单等优点，被广泛应用于工商贸易、轻工食品、医药卫生等领域。目前，机械秤正在逐步被电子秤取代，这就促使电子秤的研究需要进一步的深入。

本设计是以AT89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统部分主要包括AT89S51和扩展的外部数据存储器；键盘由4×4位矩阵键盘组成；显示部分LM4229液晶显示。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以能够显示商品的名称、价格、总量、总价等；能够自动完成商品的价格计算；能够储存几种简单商品的价格；能够具有超重提醒功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。整个系统结构简单，使用方便。

关键词：电子秤；AT89S51单片机；称重传感器；A/D转换电路；液晶显示II

目录 绪论...........................................................1

1.1 选题的背景与意义.........................................1

1.1.1 选题的背景..........................................1 1.1.2 选题的意义..........................................2 1.2 电子秤的研究现状及发展趋势...............................2

1.2.1 电子秤的研究现状....................................2 1.2.2 电子秤的发展趋势....................................3 1.3 本文的结构...............................................4 2 系统总体方案设计...............................................5

2.1 电子秤的基本知识介绍.....................................5

2.1.1 电子秤的基本结构....................................5 2.1.2 电子秤的工作原理....................................5 2.1.3 电子秤的计量参数....................................6 2.2 总体方案设计.............................................7 2.3 系统各部分设计方案论证...................................8

2.3.1 电子秤分度数的设定..................................8 2.3.2 称重传感器的选定....................................8 2.3.3 A/D转换器的选定....................................14 2.3.4 单片机型号的选定...................................16 硬件设计......................................................18

3.1 系统硬件结构图..........................................18 3.2 单片机主控单元的设计....................................18

3.2.1 单片机引脚说明.....................................18 3.2.2 AT89S51最小系统设计................................20 3.3 数据采集模块设计........................................22

III

3.3.1 传感器单元设计.....................................22 3.3.2 A/D转换单元设计....................................22 3.4 键盘和显示电路单元设计..................................24

3.4.1 键盘电路设计.......................................24 3.4.2 显示电路设计.......................................25 3.5 系统总体原理图..........................................25 3.6 硬件抗干扰设计..........................................26 4 系统软件设计..................................................29

4.1 主程序设计..............................................29 4.2 LM4229液晶显示驱动程序..................................30 4.3 ADC0832采样程序.........................................31 4.4 键盘程序................................................31 5 系统仿真......................................................33

5.1 欢迎界面的仿真..........................................33 5.2 无重物情况仿真..........................................34 5.3 称量物体仿真............................................35 5.4 最大量程仿真............................................36 5.5 仿真总结与问题补充......................................37

5.5.1 仿真总结...........................................37 5.5.2 问题补充...........................................37 总结与展望....................................................39 附录程序.........................................................40 参考文献.........................................................49

IV 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.1.1 选题的背景

（1）电子技术渗入衡器制造业

随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。（2）电子秤步入社会

电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75 %的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。

我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来，我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等

特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。

1.1.2 选题的意义

电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调整时间长，易损坏，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

1.2 电子秤的研究现状及发展趋势

1.2.1 电子秤的研究现状

近几年，我国的电子称重系统从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。

在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器，由于应变片的体积较小，市场上有多种规格可供选择，而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合的要求，所以

应变片式压力传感器得到广泛的应用。但是电阻应变片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度、应变片本身的电阻都随温度变化，而且灵敏度随温度变化较大。在不同的环境中，应变片的阻值发生变化，输出零点漂移明显。并且应变片的输出信号很小、线性范围窄，而且动态响应较差，有待进一步开发。

在国际上，一些发达国家在电子称重方面，从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒．托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了lmg，速度大约为1次／秒。目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。

在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。

1.2.2 电子秤的发展趋势

电子秤的称重功能是基于微处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子称重系统时大量地采用集成芯片，因此电子称重系统已经摆脱了以往的电子模式，正向小型化、模块化、智能化、集成化发展；其技术性能趋向于高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性；其应用性趋向于综合性、组合性。

小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。

模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。

智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。

集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。

综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密

结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。

组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。

今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。

1.3 本文的结构

本设计是以AT89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。可以实现称重、去皮、置零、计价和显示等功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。整个系统结构简单，使用方便。全文共分为五章，各章主要内容如下：

第一章为绪论部分，简要介绍了选题的背景及意义、电子秤的研究现状及发展趋势以及本文的主要内容及结构；

第二章为总体设计部分，简要介绍了电子秤的结构及工作原理，论证了系统总体方案的设计，以及对各种方案的选择做出了比较；

第三章为系统硬件设计部分，主要是通过对各种模块的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了选型和设计，得出系统硬件结构图；

第四章为系统软件设计部分，主要介绍了系统各部分软件的设计流程，给出了简单的程序；

第五章为系统软件仿真；

第六章为总结与展望，主要是对本课题的总结，以及对存在的问题进行归纳和进一步研究的方向。系统总体方案设计

2.1 电子秤的基本知识介绍

2.1.1 电子秤的基本结构

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：

（1）承重、传力复位系统

它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。（2）称重传感器

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置

即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补偿元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

2.1.2 电子秤的工作原理

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器

随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。通常此电压信号很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大，放大后的模拟电压信号经过滤波电路和A/D转换电路转换成数字信

1号被送入到主控电路的单片机中○，单片机不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，单片机发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。

2.1.3 电子秤的计量参数

电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、安全载荷、额定载荷、允许误差、分度值、分度数、准确度等级等。

（1）量程：一台电子秤不计皮重，所能称量的最大的载荷Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

（2）安全载荷：为电子秤正常称量案范围的120%。（3）额定载荷：电子秤的正常称量范围。（4）允许误差：等级检定时允许的最大偏差。

（5）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。

（6）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n*d。

（7）准确度等级：国际法制计量组织把电子秤按照不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表

1因为本设计采用软件仿真而不能进行实际的称量，故信号的放大滤波电路部分舍去，直接输入模拟电压信号，○放大滤波部分内容会在第五章仿真总结与问题补充中进行后续介绍。

2-1所示。

表2-1 电子秤等级分类

标志及等级 特种准确度

电子秤种类 基准衡器

分度数范围 n>100,000

高准确度 中准确度 普通准确度

精密衡器 商业衡器 粗衡器

10,000

按照设计的基本要求，可以确定系统共分为五大模块，数据采集模块、最小系统模块、超重报警模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统模块由AT89S51单片机及其外围电路组成；键盘由4×4位矩阵键盘组成，可以控制显示商品种类和价钱等信息；显示部分采用LM4229液晶显示，显示当前商品的名称、单价、重量及总价等信息。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以实现显示商品的名称、单价、重量、总价等功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。在扩展功能上，本设计增加了一个超重报警提示。其总体设计的框图如图2-1所示：

数据采集模块单片机最小系统超重报警模块键盘模块显示模块

图2-1 总体设计方框图

系统工作原理：把所称物体放到秤台上，物体的重力通过秤体传给称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化，再将电压值送到A/D转换电路，将模拟量转换成数字量，转换后的数字量送至单片机进行处理，并显示结果。单片机最小系统由AT89S51和外围的时钟电路及复位电路组成。显示电路设计采用LM4229液晶显示，对各部分的控制由采用C语言编程的软件来实现。

2.3 系统各部分设计方案论证

2.3.1 电子秤分度数的设定

当前，一些单位为了提高Ⅲ级商贸秤的准确度，尝试改小电子秤的分度值，扩大电子秤的分度数，以便达到高精度称量的目的。这样做非但不能进行高精度称量，还会破坏电子秤原有的计量性能，降低电子秤的准确度，有损电子秤的可靠性，使电子秤出现更多的计量误差。

现在我国已经完全与OIML规定接轨，衡器计量检定规程完全按OIML规定而来。表2-2为Ⅲ级商业秤误差要求。

表2-2 Ⅲ级数字显示商用衡器允差表

m <500e 500e< m≤2000e 2000e< m≤Max

允差e（检定分度值）

检定要求 ±0.5e ±1.0e ±1.5e

使用中要求 ±1.0e ±2.0e ±3.0e 由表2-2可知，它的整个称量范围允差规定是变化的，误差是从大到小再变大，最高准确度在中间。从0～500分度数为低精度称量段，到高于3000个分度数之后的实际称量精度逐渐变低，实际误差不断加大。分度数再高其允差也是不变的。从国外电子秤的准确度和分度数设置、国内原先衡器的检定标准和现在我们统计的电子秤分度数的准确度以及OIML对Ⅲ级秤的允差规定看，说明现有Ⅲ级商业秤的分度数设置为2000～3000是比较理想的，属于最佳分度数。这样设置决定了电子秤的准确度首检为±0.05%，使用中为±0.1%的正确性、合理性与必要性。

2.3.2 称重传感器的选定

称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用

综合误差带来综合衡量传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70％，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。1．常用各种称重传感器

称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。码盘式传感器的码盘是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。

液压式传感器：在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。

电磁力式传感器：它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

电容式传感器：工作原理是利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d成正比的关系。极板有两块，一块是固定不动的，另一块是可移动的。在秤体加载重物时，两

极板间的距离发生变化，随之，电路的振荡频率也改变。只要测出频率的变化便可求出被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。

磁极变形式传感器：原理为铁磁元件在被测物体重力下发生形变，产生应力引起导磁率的变化，随之，绕在铁磁元件两侧的次级线圈的感应电压也变化。这样测出电压的变化量便可求出加到磁极上的力，从而确定物体的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，称量范围为几十至几万千克。

振动式传感器弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。

音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。

陀螺仪式传感器，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴Y倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z旋转。转子轴(X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm），振动影响小，频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。

电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千Kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器。2．称重传感器的选择

传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。（1）对传感器数量和量程的选择

传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。一般来讲，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但是在实际的使用当中，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。公式2-1给出了传感器量程选择的计算公式。

K0K1K2K3WmaxWC

N（2-1）

式中C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax一被称物体净重的最大值；N—秤体所采用支撑点的数量；K0—保险系数，一般取1.2～1.3之间；K1—冲击系数；K2—秤体的重心偏移系数；K3—风压系数（2）传感器准确度等级的选择

传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。

（3）各种类型传感器的使用范围

称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间，保证安装合适，称重安全可靠；另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲，它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。（4）使用环境

称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对于正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。一般情况下，高温环境对传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。3．电阻应变式称重传感器

按照称重传感器选择的指标要求，以及对各种传感器的比较，本设计选定电阻应变片式传感器，下面对此类传感器做详细介绍。

电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-6~10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。图2-2为电阻应变式称重传感器桥式测量电路。

图2-2 电阻应变式称重传感器桥式测量电路

R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：

R4R1Ve

R1R2R3R4（2-2）

由于桥臂的起始电阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为： RR1RR4Ve

RR1RR2RR3RR4（2-3）

通过化简，上式则变为： VeR1R2R3R4

4RRRR（2-4）

也就是说，电桥输出电压的变化与各桥臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应R变片的灵敏系数相同，且=Kε，则上式又可写成：

R

VeK1234 4（2-5）

式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。式2-5表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即

因此

VeK4eK 4R1R3R或13 R2R4-R或24

（2-6）（2-7）

（2-8）

若考虑Rm，则电桥的输出电压变成： 令Su V，则 eSuRK

R2RmRRRRRRVeKe 2RR2RmR2Rm2R（2-9）

（2-10）

Su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。

对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。

2.3.3 A/D转换器的选定

在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的模拟量，模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。目前有多种类型的A/D转换器，其类型有积分型、逐次逼近型、并行比较型、Σ-

Δ调制型、压频变换型等。多种类型的ADC各有其优缺点，并能满足不同的具体要求。1．A/D转换器的分类：（1）积分型

积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。（2）逐次逼近型

逐次逼近型ADC由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。（3）并行比较型/串并行比较型

并行比较型ADC采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型ADC，而从转换时序角度又可称为流水线型ADC，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。（4）Σ-Δ调制型

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。（5）压频变换型

压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可

以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。2．A/D转换器选用的原则：

（1）A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低，在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。

（2）A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。

（3）是否加采样/保持器。

（4）A/D转换器的有关量程引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。

（5）A/D转换器的启动转换和转换结束。一般A/D转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平，通知微处理器读取转换结果。

（6）A/D转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。

2.3.4 单片机型号的选定

1．单片机选定准则

市场上的单片机型号很多，功能也有差异，在选择单片机型号的时候主要应该注意以下几个方面：（1）市场货源

系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。（2）单片机性能

应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。（3）研制周期

在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。2．AT89S51单片机介绍

根据以上对单片机选型知识的介绍，本设计选用AT89S51单片机，下面对此型号单片机进行简介。

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机。AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。硬件设计

3.1 系统硬件结构图

图3-1为系统总体硬件结构方框图，系统共分为三大部分：数据采集模块、单片机控制模块以及键盘和显示模块。各模块所采用的主要芯片型号已于图中有所标示。

AD转换ADC0832AT89S51单片机最小系统超重报警模块4*4矩阵键盘LM4229液晶显示

图3-1 系统总体硬件设计方框图

3.2 单片机主控单元的设计

3.2.1 单片机引脚说明

AT89S51单片机芯片为40个引脚，图3-2为单片机AT89S51引脚图。下面简单叙述各引脚的功能。

VCC/GND：电源/接地引脚；

P0口：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1(对端口写1)时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻；

P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； 另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发输入(P1.1/T2EX)；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息；

P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口；输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息；

P3口：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P3引脚功能复用见表3-1所示：

表3-1 P3口引脚功能复用

P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

串行通讯输入(RXD)串行通讯输出(TXD)外部中断0(INT0)外部中断1(INT1)定时器0输入(T0)定时器1输入(T1)外部数据存储器写选通WR 外部数据存储器写选通RD

RST：在振荡器运行时，有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0—P3口均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序；

XTAL1、XTAL2：XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。

ALE/PROG：访问外部存储器时，ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)，在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲；

PSEN：外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89S51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲，即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不

会有脉冲输出；

EA/Vpp：外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使AT89S51只访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，这时该引脚必须保持低电平。

图3-2单片机AT89S51引脚图

3.2.2 AT89S51最小系统设计

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统包括:单片机、晶振电路、复位电路。其中复位电路采用上电复位。其最小系统电路图见图3-3所示：

图3-3 单片机最小系统图

对于AT89S51单片机，其最小系统只需要电源、复位电路、时钟电路就能工作。由于我们的程序存储器（ROM）采用内部Flash存储单元，所以单片机上的EA接高。

微处理器系统在开始工作时必须对微处理器内部的寄存器等进行复位，使各个寄存器的值设为预定状态才能顺利开始工作。复位电路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本文从可靠性和成本考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于51内核的单片机，RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。

3.3 数据采集模块设计

3.3.1 传感器单元设计

根据第二章对各种类型传感器特性的介绍，本设计决定采用L-psⅢ型称重传感器，该传感器为双孔平衡梁形式，是制作电子计价秤的专用产品，也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤、台秤及专用衡器等。其主要技术指如表3-2所示：

表3-2 L-psⅢ型称重传感器技术指标

额定载荷 灵敏度 准确度等级 最大分度数 最小检定分度值 综合误差 重复性 蠕变 最小静载荷 最大安全载荷 极限过载荷 输入电阻 输出电阻 温度补偿范围 使用温度范围 接线方式

Kg mV/V

%F.S.%F.S.%F.S./30min %Fmax %Fmax %Fmax

3,6,10,20,30,50 1.8±0.08 C3 3000 Fmax/10000

0.02 0.01 ±0.017 1 150 200 415～445 349～355-10～+50-20～+60



 ℃ ℃

输入（+）:红,输入（-）:白，输出（+）:绿

输出（-）:蓝，屏蔽:黄

3.3.2 A/D转换单元设计

根据对各种A/D转换器的介绍与分析，本设计选定ADC0832作为本设计的A/D转

换模块。下面对该芯片的情况进行简要的介绍。

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。具有体积小，兼容性强，性价比高的特点，具体参数如下：  8位分辨率；  双通道A/D转换；

 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；  5V电源供电时输入电压在0~5V之间；  工作频率为250KHZ，转换时间为32uS；  一般功耗仅为15mW；

 8P、14P-DIP（双列直插）、PICC多种封装；

 商用级芯片温宽为0℃～70℃，工业级芯片温宽为-40℃～85℃；

1、下面对ADC0832的引脚进行说明，图3-4为该芯片的引脚图：

图3-4 ADC0832引脚图

 CS—：片选端，低电平芯片使能；

 CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；  CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；  GND：芯片参考零点位（地）；  DI：数据信号输入，选择通道控制；  DO：数据信号输出，转换数据输出；  CLK：芯片时钟输入；

 Vcc/REF：电源输入及参考电压输入（复用）。

2、ADC0832的接口电路

正常情况下，ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO与DI并联在一根数据线上使用。单片机与ADC0832的接口电路如图3-5所示。

图3-5 单片机与ADC0832连接图

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可以任意，当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

3.4 键盘和显示电路单元设计

3.4.1 键盘电路设计

在本设计中，采用的是4×4的矩阵式键盘，将单片机的P1.0-P1.3作为键盘的行线接口，P1.4-P1.7作为列线接口，列线通过电阻接+5V。商品的单价已由程序设定好，并

号连接。3.4.2 显示电路设计

3.5 系统总体原理图 可由键盘选择各种商品的价格。

图3-6所示，为完善其功能，电路中添加了上拉电阻。

图3-6 液晶显示模块LM4229与单片机接线图 在系统各部分的设计完成后，把各模块根据其功能和信号处理的流程连接起来，便得到系统总体设计的原理图，如图3-7所示，为简洁起见，其中的接线部分采用网络标本设计中显示部分采用了当今常用的LM4229液晶显示模块。其与单片机的接线如

措施。3.6 硬件抗干扰设计

图3-7 系统总体原理图

方面，但更重要的方面是外界干扰和接地引起的异常。

度。就单片机测控系统来讲，其主要干扰是来自电源和信号传输通道的干扰。用到称重传感器，所采用的应变式传感器是高阻抗器件，其绝缘性能、机械结构的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性统的可靠性更倍受人们的关注，这是因为系统的可靠性决定了系统能否达到所需要的精能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。下面重点介绍单片机的抗干扰随着科学技术的迅速发展，人们对单片机测控系统的各种性能要求越来越高。而系本电子称重器的核心部件是单片机，所以我们的抗干扰措施主要是针对单片机。还电子秤在使用中，常常会出现各种各样的异常现象，电子秤本身的质量问题是一个

1、电源的抗干扰措施

普通用电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入单片机系统，还有一些射频发射、电磁波等也会由电源线感应反馈进入单片机系统造成干扰。因此，在电源电路中必需采取有效地滤波措施，来抑制这些高频干扰的侵入。电源滤波的一般方法是在电源变压器初、次级分别设置低通滤波器和线间电容滤波器，使50Hz市电基波通过，而抑制掉高频信号。此外在变压器的初、次级之间均采用屏蔽层隔离，其中初级屏蔽层接大地，次级屏蔽层接系统逻辑地，以减少其分布电容，提高抗共模干扰的能力。

2、信号传输通道的抗干扰措施

信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，其主要干扰有：杂散电磁场通过感应和辐射方式进入通道的干扰；由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的加性干扰；以及因传输线衰减、阻抗失配等因素引起的乘性干扰。对于这三类干扰，可以采用以下几种措施加以排除。（1）光电隔离技术

光电耦合器对干扰信号具有良好的隔离性能，一是它的输入阻抗很小，约为100fl-lldl，而干扰源内阻则很大，通常为105Q～108Q，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小；二是光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰噪声有较高的电压幅度，但由于能量小，不能提供足够的电流使发光二极管发光而被抑制掉；三是光电耦合器的输入回路与输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。因此，采用光电耦合器可将单片机与前向通道、后向通道及其他部分从电气上隔离开来，能有效地防止干扰信号的侵入。（2）接地技术

本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。（3）输入输出信号线采用屏蔽双绞线

屏蔽双绞线对于静电干扰和电磁干扰有很好的抑制作用，有条件的话应尽量采用。但使用中应注意：

 线缆敷设时不要过分用力或使电缆打结、避免弯曲超过900、避免过紧地缠绕电缆，以保护双绞47线的扭绞状态；

 做线时，避免损坏线缆的外皮、不要切坏线缆内的导线；  接线时，双绞线的开绞长度尽量小，不要超过20mm；  双绞线的屏蔽层采用设备端单端接地方式。系统软件设计

本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各部分功能。先进行软件的总体设计，然后进行各功能模块设计。

4.1 主程序设计

电子秤需要有数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息采集与处理分三个阶段：在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送入A/D转换器处理，存入到数据存储器中；微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，把数据信号处理为显示所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示。主流程图见图4-1所示：

开始单片机初始化、LM4229进入欢迎界面、ADC0832初始化载物台是否有重物Y单片机存储ADC0832采样值N是否输入商品代码按键Y单片机执行计算并将结果送LM4229显示N测量结束键是否按下Y结束N

图4-1 主程序流程图

4.2 LM4229液晶显示驱动程序

开始写入控制字写入初始行Y是否换行？N全部数据已写完？Y结束N

图4-2 LM4229液晶显示驱动程序流程图

LM4229液晶能够显示比较复杂的汉字和图形，首先必须对其写入控制操作字，包括图形的显示方式，字体的模式。然后写入初始行地址，指针自动左移，直到写完全部数据为止。

write_data(place&0xff);//写入地址高位 write_data(place/256);//写入地址低位 write_com(0x24);//地址设置 write_com(0xb0);//设置数据自动写

write_data(ASC_MSK[(c1-0x20)*16+k]);/*---例如：0的ASCII码为0x30, 在ASC_MSK中的位置为0x10*16---16字节字码依次写入LCD---*/ write_com(0xb2);//自动复位 place=place+30;

4.3 ADC0832采样程序

开始拉低CS、拉高CLKDATA右移八位？Y拉高CS、拉低CLK，返回数据N结束

图4-3 ADC0823采样程序流程图

单片机通过拉低CS、拉高CLK来启动ADC0832进行外部压力传感转换后的电压信号进行采样，每产生8个CLK脉冲，DATA获得一位完整的8bit数据，此时MCU发送中断请求，拉高CS，拉低CLK,并将数据DAT返回。

4.4 键盘程序

本设计中采用了4×4矩阵式键盘，单片机定时进行查询。首先单片机发送行扫描代码，然后进行列扫描，当发现某一列出现了低电平时，即返回相应的键盘值。若没有发现则说明当前行没有键按下，行扫描右移一位，继续执行列扫描。

开始发送行扫描码发送列扫描码右移一位右移一位列扫描完毕？NYN行扫描完毕？Y返回键值结束图4-4 键盘程序流程图

系统仿真

在系统硬件与软件全部设计完成的情况下，将系统在protues7.5环境下进行了软件仿真，以确保本设计方案的可行性与准确性。因为在仿真时不能实际的把物体放到称重台上，所以在仿真时采用直接输入模拟电压信号的方法，来代替信号的采集。

5.1 欢迎界面的仿真

开始仿真时，先将用C语言编写的程序用Keil软件进行编译，生成可执行程序，然后装入单片机中进行仿真，按开始按钮，单片机及其他各部分电路开始工作，单片机调用内部存储数据对各部分接口电路初始化。200ms后LM4229进入欢迎界面，如图5-1所示。

图5-1 电子秤欢迎界面仿真

5.2 无重物情况仿真

欢迎界面过后，电子秤进入称重界面。此时，ADC0832不断对外部数据进行采样交给单片机进行处理，一旦有物品放入载物台，ADC0832立即发送中断请求，并将本次采集数据交给单片机进行处理。调节压力传感模拟电路电压，将电压设为0.00表示此时载物台上没有物体。此时LM4229显示指示“实用电子秤，名称······单价：0.000元/千克，总重量：0.000千克，总价：00.000元”。如图5-2所示。

图5-2 无重物称重界面仿真

5.3 称量物体仿真

上调压力传感电压，表示已有商品放在载物台上，ADC0832立即发送中断请求，并将本次采集的数据交给单片机进行处理，之后送入LM4229显示相应数据量。在此过程中，键盘不断进行扫描，一旦有键按下，单片机便对其数据进行相应处理，然后将对LM4229进行写操作。此时，按下键盘，选择相应的商品。如按下3号键，选择草莓，此时LM4229上显示“名称：草莓，单价：3.6元/千克，总重量：2.499千克，总价：“8.999元”（实际3.6×2.499=8.999元）。达到基本要求。如图5-3所示。当要称量下一种不同商品的时候，只需按下0键，选择商品代码，再按下相应商品键。

图5-3 称重情况仿真

5.4 最大量程仿真

将称重传感器调节到最大，显示最大称量，其结果如图5-4所示。由于元件及系统的误差，使得最大量程不能达到预定的5Kg，而是4.980Kg，这是在误差允许范围内的，符合要求。因为本设计添加了超重报警模块，所以在称量的过程中，一旦物体自身的重量超出电子秤的称量范围，蜂鸣器立即会发出“滴滴····”，警报声告诉工作人员，所称量物品超重。

图5-4 最大量程仿真

5.5 仿真总结与问题补充

5.5.1 仿真总结

以上，我们进行了几种基本情况的仿真，总结仿真的过程，我们可以得出以下结论：

1、该电子秤设计简单，操作方便，可以很容易的进行称量；

2、由于元件设置的原因，使电子秤的量程未达到预设的范围；

3、各商品的价格已在程序中设定好，既给称量带来了方便，也带来了麻烦，使得称量其他物品时需要修改程序。

5.5.2 问题补充

因为本设计采用软件仿真的方法，而不能进行实际的称量，所以采用了直接输入电压信号的方式代替了传感器采集的信号。但是经传感器采集的信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经过滤波电路和A/D转换电路转换成数字信号才被送入到主控电路的单片机中进行处理。在实际称量中，可以加入放大滤波电路如图5-5所示。

图5-5 放大滤波电路

图5-5为放大滤波电路的设计。放大器采用放大芯片AD620电容C1、C3用来滤除

采样信号电压中的低频噪声，选用22uF的普通独石电容；电容C2、C4用来滤除采样信号电压中的高频噪声，选用0.1uF的普通独石电容。因为采样信号电压值只有毫伏级，所以电阻R1、R2选用较小的阻值，否则导致放大器由于输入电流太小而放大效果不明显。微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从AD620的第6脚输出。

总结与展望

电子称重器是贸易市场中的常见的称重计量仪器。本文先说明了称重器的设计思路，并介绍了几种设计方案，选择了其中一种简单可行的方案。然后从电子秤的核心部件称重传感器的介绍开始，逐个进行各个模块器件的论证与选择。后面详细介绍了电子秤的硬件以及软件设计。

本设计为小量程（0～5Kg）称量器件，可以广泛应用于商店、菜市场等场合。在硬件部分设计过程中选用了A/D转换芯片ADC0832和LM4229液晶显示，大大简化了硬件电路及软件编程，并提高了系统的准确性和稳定性。人机界面部分由液晶显示与4×4位矩阵键盘组成，可以由键盘控制显示商品名称、重量和价格等信息，操作简单方便。软件设计中使用了C语言编程，便于修改和应用。

本次设计的电子称重器还存在一些缺点与不足，主要以下这两点：一是量程仅是5Kg，从而限制了该电子秤的使用范围。可采用大量程的称重传感器，但同时需要提高A/D转换芯片的位数，以保持精度。二是商品的种类与价格已编入程序，给称量其它的商品带来不便。三是本次设计没有完成实物的制作，从而不能预见商业产品开发中的所有问题，需要进一步研究。

通过这次电子秤的设计，我对所学的专业课知识有了更深的理解，尤其是单片机方面。在设计过程中，查阅了大量的中外文资料，解决了不少难题。另外本次设计提升了我分析问题解决问题的能力，增强了对学习的信心，相信这对我以后的工作和学习有重要的帮助。

附录程序

#include #include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint

unsigned int sbit ADCS =P3^5;sbit ADDI =P3^7;

sbit ADDO =P3^7;

sbit ADCLK =P3^6;

uint x1,y1,z1=0,w1;uchar ad_data,k,n,m,e,num,s;

//采样值存储 uint temp1;sbit beep =P3^0;

char press_data;

//标度变换存储单元 float press;unsigned char ad_alarm,temp;

//报警值存储单元unsigned char abc[5]={48,46,48,48,48};unsigned char price_all[6]={48,48,46,48,48,48};float price_unit[10]={5.5,2.8,3.6,4.5,2.4,4.2,3.8,6.0,1.5,0};

//商品初始单价 uchar price_danjia[5]={48,46,48,48,48};float price;uint price_temp1,price_temp2;

//商品总价 uchar Adc0832(unsigned char channel);

void alarm(void);void data_pro(void);void delay(uint k);void keyscan();

void disp_init();void price_jisuan();/************ 主函数

************/ void main(void){

delay(500);

//系统延时500ms启动

//ad_data=0;

//采样值存储单元初始化为0

lcd_init();

//显示初始化

disp_init();

//开始进入欢迎界面

delay(1000);

//延时进入称量画面

clear_lcd(0,4,40);

clear_lcd(16,0,100);

clear_lcd(28,0,40);

clear_lcd(44,0,100);

clear_lcd(56,0,40);

clear_lcd(72,0,100);

clear_lcd(84,0,40);

clear_lcd(100,0,100);

clear_lcd(112,0,40);

write_lcd(0,8,“实用电子秤”);

while(1)

{

ad_data =Adc0832(0);

//采样值存储单元初始化为0

alarm();

data_pro();//读取重量

keyscan();//查询商品种类

write_lcd(40,0,“------------------------------”);

write_lcd(56,0,“单 价:”);

write_lcd(56,11,price_danjia);

write_lcd(56,20,“元/千克”);

write_lcd(72,0,“总重量:”);

write_lcd(72,11,abc);

write_lcd(72,20,“千克”);

write_lcd(88,0,“总 价:”);

price_jisuan();

//计算出价格

write_lcd(88,10,price_all);

write_lcd(88,20,“元”);

write_lcd(112,0,“设计学生:1210401038 谢玉夏”);} } /************ 读ADC0832函数 ************/

//采集并返回

uchar Adc0832(unsigned char channel)

//AD转换，返回结果 {

uchar i=0;

uchar j;

uint dat=0;

uchar ndat=0;

if(channel==0)channel=2;

if(channel==1)channel=3;

ADDI=1;

_nop_();

_nop_();

ADCS=0;//拉低CS端

_nop_();

_nop_();

ADCLK=1;//拉高CLK端

_nop_();

_nop_();

ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1

_nop_();

_nop_();

ADCLK=1;//拉高CLK端

ADDI=channel&0x1;

_nop_();

_nop_();

ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2

_nop_();

_nop_();

ADCLK=1;//拉高CLK端

ADDI=(channel>>1)&0x1;

_nop_();

_nop_();

ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3

ADDI=1;//控制命令结束

_nop_();

_nop_();

dat=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

dat|=ADDO;//收数据

ADCLK=1;

_nop_();

_nop_();

ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲

_nop_();

_nop_();

dat<<=1;

if(i==7)dat|=ADDO;

}

for(i=0;i<8;i++)

{

j=0;

j=j|ADDO;//收数据

ADCLK=1;

_nop_();

_nop_();

ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲

_nop_();

_nop_();

j=j<<7;

ndat=ndat|j;

if(i<7)ndat>>=1;

}

ADCS=1;//拉搞CS端

ADCLK=0;//拉低CLK端

ADDO=1;//拉高数据端,回到初始状态

dat<<=8;

dat|=ndat;

return(dat);

//return ad k

}

void data_pro(void){

unsigned int;

if(0

{

int vary=ad_data;

press=(0.019531*vary);

temp1=(int)(press*1000);

//放大1000倍，便于后面的计算

abc[0]=temp1/1000+48;

//取压力值百位

abc[1]=46;

abc[2]=(temp1%1000)/100+48;

//取压力值十位

abc[3]=((temp1%1000)%100)/10+48;

//取压力值个位

abc[4]=((temp1%1000)%100)%10+48;//取压力值十分位

}

} /*****************报警子函数*******************/

void alarm(void){

if(ad_data>=256)

beep=0;

//则启动报警

else

beep=1;

}

void delay(uint k){

uint i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<100;j++);}

//开机欢迎界面 void disp_init(){

write_lcd(0,8,“欢迎使用电子秤”);

write_lcd(16,0,“------------------------------”);

write_lcd(28,0,“设计学生:谢玉夏”);

write_lcd(44,0,“------------------------------”);

write_lcd(56,0,“班级学号:1210401038”);

write_lcd(72,0,“------------------------------”);

write_lcd(84,0,“指导老师:刘志芳”);

write_lcd(100,0,“------------------------------”);

write_lcd(112,0,“设计日期:2014年12月”);

}

//键盘服务程序 void keyscan(){

P1=0xfe;

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

while(temp!=0xf0)

{

delay(5);

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

while(temp!=0xf0)

{

temp=P1;

switch(temp)

{

case 0xee:num=1,price=price_unit[0], write_lcd(24,0,“名

break;case 0xde:num=2,price=price_unit[1],write_lcd(24,0,”名

break;case 0xbe:num=3,price=price_unit[2],write_lcd(24,0,“名

break;case 0x7e:num=4,price=price_unit[3],write_lcd(24,0,”名

break;

}

while(temp!=0xf0)

{

称:

杏称:

李 称:

草 称:

葡

仁“);子”);莓“);萄”);

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

}

}

}

P1=0xfd;

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

while(temp!=0xf0)

{

delay(5);

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

while(temp!=0xf0)

{

temp=P1;

switch(temp)

{ case 0xed:num=5,price=price_unit[4],write_lcd(24,0,“名

break;case 0xdd:num=6,price=price_unit[5],write_lcd(24,0,”名

break;case 0xbd:num=7,price=price_unit[6],write_lcd(24,0,“名

break;case 0x7d:num=8,price=price_unit[7],write_lcd(24,0,”名

break;

}

while(temp!=0xf0)

{

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

}

}

}

P1=0xfb;

temp=P1;

temp=temp&0xf0;

称:

西称:

苹称:

雪称:

核

5.基于51单片机恒压供水系统设计 篇五

基于89C51单片机的光控路灯设计

指导老师：翁志刚

学生姓名：沈韦青

葛宜兵

任务：基于单片机条件下，设计一光控路灯模型。

要求：

1、光照条件充足时，路灯保持熄灭状态，光照不足时，路灯自动开启照明。

2、使用器材：光敏电阻、模数转换器、单片机等。

3、电路简洁，制作原理图并要求仿真。设计方案：

方案一

基于单片机的光控路灯设计

方案二

说明：

因为本课程设计的要求用单片机来实现光控路灯的设计，所以采用方案二，总体设计分为两个模块：主控模块和被控模块。主模块与被控模块之间通过单片机进行连接。

摘要：

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。

路灯控制方式很多，本系统采用MSC-51系列单片机89C51和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过89C51芯片的P1口控制路灯开关功能。随着社会文明的

基于单片机的光控路灯设计

不断发展，城市照明不仅局限于街道的照明，而且发展成了城市景观等装饰性照明的综合市政工程，社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的及时性要求不断提高，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I、O端口实现路灯开关控制的智能化，达到节能、自动控制的目的。避免传统电路对能源的浪费，路灯的自动控制更方便管理，本系统实用性强，操作简单。

本文首先介绍了单片机及嵌入式系统的基本概念、特点和应用。描述了多功能基于51单片机的光控路灯的设计过程。详细说明了以51单片机为核心的软、硬件的研制过程和方法。利用proteus软件设计了电路原理图。完成光控路灯的设计。

一、引言：

随着社会经济的发展，城市照明设施的功能从单纯的以照明为主转变为实现美化环境、改善形象、活跃夜市经济的目的。对城市灯饰的管理与控制迫切需要一种科学、合理、高效的方法。因此，提供一种有效而合理的控制与管理的方法，对城市路灯与饰灯的运行状态进行智能监控显得极为重要。针对城市路灯这样“终端多、地域广、户外、分散、信息量不大”等特点，可以选择单片机智能光控的方式来解决。这样，既克服了传统的路灯控制方法、控制方式单一而无法满足实时监控和管理要求的弱点，又能适应现代城市队灯饰控制的要求。

基于单片机的光控路灯设计

目录

摘要……………………………………………………………………...1 1 引言…………………………………………………………………...3 2 单片机概述…………………………………………………………...5 3 芯片介绍……………………………………………………………...6 3.1 光敏电阻及放大电路………………………………………6 3.2 ADC0804芯片简介…………………………………………9 4 单片机选型…………………………………………………………..13 4.1、AT89C51的特点…………………………………………13 4.2、单片机附属电路………………………………………….14 5 总电路图及工作原理……………………………………………..…16 6 源程序…………………………………………………………..……17 7 仿真结果……………………………………………………….…….18 8 心得体会………………………………………………………….….19 9 参考文献………………………………………………………….….19

基于单片机的光控路灯设计

二、单片机概述：

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。通常单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，他们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗化。

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三、芯片简介

3.1 光敏电阻及放大电路: 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻的主要参数是：

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（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。

（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

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（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体

图

1、光敏电阻的实验图

上图是由光敏电阻和三极管组成的放大电路，白天光照强度较强，光敏电阻呈低阻状态，三极管基极电位较低，三极管处于 8

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导通状态，发射极为高电平；当夜幕降临时，光照强度变弱，光敏电阻阻值逐渐变大，基极电压上升，当上升到一定程度后，三极管处于截止状态，三极管发射极从而产生低电平，并传送到模数转换器。

3.2 ADC0804芯片(模数转换器)简介

1.工作原理:所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。

2.ADADC0804引脚图如下：

图

2、ADC0804引脚图

3.引脚说明

/CS（引脚1）芯片选择信号,低电平有效

/RD(引脚2)外部读取转换结果的控制输出信号。/RD为HI

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时，DB0~DB7处理高阻抗：/RD为LO时，数字数据才会输出。

/WR（引脚3）用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（/CS=0时），当/WR由HI变为LO时，转换器被清除：当/WR回到HI时，转换正式开始。

CS、RD、WR：是数字控制输入端，满足标准TTL 逻辑电平。其中CS和WR用来控制A/D转换的启动信号。CS、RD用来读A/D转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0~DB7 各端上出现8位并行二进制数码。

CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：ADC0801~0805片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D 转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。其典型应用参数为：R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHZ，转换速度为100μｓ。若采用外部时钟，则外部fCLK 可从CLKI 端送入，此时不接R、C。允许的时钟频率范围为100KHZ～1460KHZ。INTR（引脚5）：INTR是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。如果将CS 和WR 端与INTR 端相连，则ADC0804 就处于自动循环转换状态。CS ＝0 时，允许进行A/D转换。WR 由低跳高时A/D转换开始，8位逐次比较需8×8=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要66～73个时钟周期。在典型应用fCLK＝640KHZ时，转换时间约为103μｓ～114μｓ。当fCLK超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ时便不能正常工作。VIN(+)（引脚

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6）和VIN(-)（引脚7）：被转换的电压信号从VIN(+)和VIN(-)输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。如果输入电压VIN的变化范围从0V到Vmax，则芯片的VIN(-)端接地，输入电压加到VIN(+)引脚。由于该芯片允许差动输入，在共模输入电压允许的情况下，输入电压范围可以从非零伏开始，即Vmin 至 Vmas。此时芯片的VIN(-)端应该接入等于Vmin 的恒值电码坟上，而输入电压VIN仍然加到VIN(+)引脚上。AGND（引脚8）和DGND（引脚10）：A/D 转换器一般都有这两个引脚。模拟地AGND 和数字地DGND 分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。VＲＥＦ／2（引脚9）：参考电压VREF/2 可以由外部电路供给从“VREF/2”端直接送入，VREF/2 端电压值应是输入电压范围的二分之一所以输入电压的范围可以通过调整VREF/2 引脚处的电压加以改变，转换器的零点无调整。

4.ADC0804转换器的工作时序如图4-8 所示。

基于单片机的光控路灯设计

图

3、ADC0804转换器的工作时序图

5.AD转换器的设计接口电路图:

图中，ADC0804 数据输出线与AT89C51 的数据总线直接相连，AT89C51的RD、WR和INT1直接连到ADC0804，由于用P1.0线来产生片选信号，故无需外加地址译码器。当AT89C51向ADC0804发WR(启动转换)、RD(读取结果)信号时，只要虚拟一个系统不占用的数据存储器地址即可。

基于单片机的光控路灯设计

四.单片选型

4.1、AT89C51的特点：

AT89C51是带4K字节可编程可擦出的只读存储器的低电压，高性能，CMOS，8位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。AT89C51管脚图如图2.2所示。

图

5、AT89C51管脚图

主要特性： 1与MOS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器

基于单片机的光控路灯设计 数据保留时间：10年 4全静态工作：0HZ-24HZ 5 128*8的RAM 6 32可编程I/0口线 7 两个16位的定时计数器 8 5个中断源 9 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 11 片内振荡器和时钟电路 4.2、单片机附属电路

单片机附属电路主要有晶体振荡电路和复位电路。一．晶体振荡电路

1.晶体振荡器的作用：石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来选择频率和稳定频率，是 一种可以取代LC谐振回路的谐振元件。本设计所用的晶体振荡电路如图2.3所示。

图

6、晶体振荡电路

基于单片机的光控路灯设计

此晶振电路所选用的石英晶振频率为12MHZ。二．复位电路

单片机复位是使CPU和系统的其它功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后 CP=0000H，是单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚 MCS-51型单片机复位的条件，复位电路和复位后的状态。

单片机复位的条件是：必须使RST/Vpd或RST引脚上加上持续两个机器周期的高电平。例如，若时钟频率为12MHZ，机器周期为1us，则只需2us以上的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常用的复位电路如图2.4（a）和图2.4（b）所示。

图7（a）复位电路（b）与单片机相连的复位电路

图7（a）复位电路，其电阻阻值的选择和电容容量的选择都是经过计算的，而最后计算的结果时间常数可以满足我们的需求。其计算过程如下：

基于单片机的光控路灯设计

t=0.7RC=0.7*1000*10*10-6=0.7ms 此值远远大于2us,所以此复位电路用。

图7（b）是我们设计中用到的复位电路，为按键复位路，该电路除具有上电复位功能外，若要复位只需按图中RESET键，此时电源Vcc经过R1,R2分压在RESET端产生复位高电平。

五、总电路图及工作原理： 电路图：

图

8、基于单片机的光控路灯原理图

工作原理：

根据光敏电阻阻值特性，光照较强时，光敏电阻阻值较小，相应传入ADC0804的电压较低，经模数转换后，将得到的8位二进制数输入单片机89C51中，由单片机程序控制路灯开关，当输

基于单片机的光控路灯设计

入单片机电平为高电平时，灯不亮，但输入单片机电平为低电平时路灯亮。本设计中，输入数值小于128H时路灯亮。

六、源程序： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit cs=P3^0;sbit rw=P3^2;sbit rd=P3^1;sbit shuchu=P3^4;uchar temp;yanshi(uint z){ uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}

void main(){ cs=0;rd=0;/*引脚标注*/ /*延时子程序部分*/

/*主函数部分*/

基于单片机的光控路灯设计

yanshi(40);rw=1;yanshi(70);rw=0;

P1=0xff;temp=P1;if(temp<128)shuchu=0;

/*输出低电平路灯亮*/ else shuchu=1;

/*输出高电平路灯不亮*/ }

七、仿真结果：

当光线充足时，LED等保持熄灭状态，当光线较低时，LED灯亮。

/*判断输入信号值并控制路灯开关*/

基于单片机的光控路灯设计

图

9、仿真成功截图

八、心得体会：

通过本次课程设计，掌握了一些单片机方面的有关知识，增强了思考能力和动手能力，加深了对微机原理课本知识的理解，认识到课本知识的重要性，学会了使用proteus、keil等相关软件，本次课程设计的题目是基于单片机的光控路灯系统设计，在设计中又一次感受到课本知识的重要性，同时也认识到，只学好课本理论知识是远远不够的，在学习课本知识的同时还要增强自己的动手能力，对一些重要原理及定理要熟练掌握，只有一步一步的把理论知识学好，再积极的进行科学实践才能提高自身的素质，为以后现代化建设贡献自己的一份力量。

九、参考文献：

6.基于51单片机恒压供水系统设计 篇六

第一章 绪论 1.1 概述

随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人们生活水平不断提高，同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。

我国中小城市城市传统的供水方式主要采用恒速泵加压供水以及水塔高位供水等，恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，影响城市整体规划，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，且能耗大。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。

当前，随着可编程序控制器(PLC)技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。

1.2 问题的提出及解决方案

张家口市地处河北省西北部山区，城市人口约45万人，过去为军事重地，改革开放较晚，属经济欠发达地区。改革开放后，张家口加快了城市建设步伐。但城市供水系统陈旧，城区管网多采取传统的水塔高位供水方式。水塔分布在市区内，不仅影响城市整体规划，且存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对电网冲击大的缺点；各供水系统相距较远，不能及时有效地掌握各供水系统的运行状况，系统运行可靠性低，故障排除慢，系统运行中的一些参数也无法监控与记录。为满足城市需水量日益加大的要求，供水公司决定兴建新水源——在距市区南17公里的洋河边打井取水，并经西泵站二次加压为城区供水。同时为降低单位供水能耗，实现全自动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对原供水系统进行自动化改造，采用PLC控制并进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程中主要研究并解决以下问题。

1、研究并完成利用PLC、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案。

2、深入分析变频恒压供水系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成PLC控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换。

3、设定PID调节参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定。

4、研究PLC和计算机的通信模式，确定通信协议，开发通信与监控软件，实现供水系统的远程监控、管理与报警。

5、加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水。

通过该项目的研究和实施可以极大地改善城区供水的可靠性和稳定性，降低能耗及维护成本，方便管理。具有较好的应用前景和推广价值。

1.3相关技术概况

1.3.1 PLC技术概况

对于由继电器控制装置构成的自动控制系统，每一次设计或改进都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。因此，可编程控制器这一新的控制装置应运而生，并取代了继电器控制装置。

可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工程技术人员的欢迎。

(1)可靠性高，抗干扰能力强

其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。

(2)适应性强，应用灵活

多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。(3)编程方便，易于使用

梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Fig)使编程简单方便。(4)控制系统设计、安装、调试方便

设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。(5)维修方便，工作量小 PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。

(6)功能完善

除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备[1]

由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。

1.3.2变频调速技术概况

变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。

变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能;具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。

1.4本章小结

本章首先概述了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有供水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定供水的PLC控制的变频恒压供水及其远程监控系统的设计目标。对PLC及变频调速技术做了简要叙述，提出了设计需要解决的主要技术问题和论文的主要研究内容。

第二章 恒压供水方案与分析

2.1 恒压供水的方案比较与选择

在传统城市供水系统中，常采取恒速泵供水方式。由于用户用水具有不确定性，用水量处于动态变化过程之中，恒速泵供水方式虽然可通过水泵切换控制管网压力，但无法维持管压恒定，不断地起停水泵电机不仅也影响设备的寿命同时也使能耗增加，供水质量不能保证。若采取阀门控制调节流量来维持管压，一方面频繁的调节使阀门的机械磨损加剧，设备维护工作量及设备投资增大；另一方面控制精度差且造成大量的电能浪费。此外，水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。

考虑到交流异步电动机对于泵类负载可采用调电压调速，虽然能够实现恒压供水，但其调速范围小、能耗大，调节效果差。随着变频调速技术发展，变频器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种最好的选择。变频调速精度高、调速范围大、效率高。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节能20-50%，节能效果相当显著。

2.2 供水系统的模型、特性及恒压控制

2.2.1 供水系统的基本模型和主要参数

张家口市供水公司西泵站为二级泵站，是将清水池中的水经二次加压后为城区供水。供水系统的基本模型如图2-1所示。图中：L0——水泵中心位置；水面 吸入口 水压表

城区管网

h0——吸水口水位；

h1——水平面水位； h2——管道最高处水位；

h3——在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。

主要参数有：

1.流量Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3/min。2.扬程H 也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。常用单位是m。

3.实际扬程HB 供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。即：HB=h2h1

4.全扬程HT 水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位h0之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即HT=h3h0

5.损失扬程HL全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。HB、HT、HL之间的关系是：HT=HB+HL。

供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失。

6.管阻R阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。

7.压力P表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。

2.2.2 供水系统的特性曲线和工作点

供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点

图2-2中：

曲线①——额定转速nN时的扬程特性曲线 曲线②——转速n1时的扬程特性曲线

曲线③——阀门开度100%时的管阻特性曲线

曲线④——阀门开度不足100%时的管阻特性曲线 1.扬程特性

以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q）称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线①、②分别对应于转速nN、n1，且nN>n1。

曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，用水流量用QU表示。

用水量一定时，即QU不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。

2.管阻特性

以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q），称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线③对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。

管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用QG表示。

在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的QG和QU是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(HT=HB)。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。

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。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。

图2-2中的N点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。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CPHTQ

（2—1）

式中：CP——比例常数·

2.2.3供水系统中恒压实现方式

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关。

若: 供水能力QG>用水需求QU，则压力P上升； 若:供水能力QG<用水需求QU，则压力P下降； 若:供水能力QG=用水需求QU，则压力P不变。

可见，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求QU之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。

(1)阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

(2)转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。

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。2.3 异步电动机调速方法

通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。

由三相异步电动机的转速公式

nn（1s）160f

（2—2）（1s）p式中，n1—异步电动机的同步转速，r/min；

n—异步电动机转子转速，r/min；

p—异步电动机磁极对数；

—异步电动机定子电压频率，即电源频率；

n1nn1100%； fs—转速差，s可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。1.变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。变转差调速

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为：

2rsPem

（2—3）

PCu23I2该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率:很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率、增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。

因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.变频调速

通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。

这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通。.基本不变，其关系为：

U1f1常数 式中：U1—变频器输出电压;f1——变频器输出频率: 变频调速方式时，电动机的机械特性表达式：

Tm1pU212r2sr222f1r1x1x2s

（2—4）

式中：m1——电机相数

r1——定子电阻

x1——定子漏电抗

——转子漏电抗折算值

x2频率f从额定值fN往下调时，由文献〔5〕 所示，图中fN>f1>f2>f3>f4

变频调速过程的特点: 静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。

因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。

2.4 变频调速恒压供水系统能耗分析

1．转速控制调节流量实现节能

(1)．转速控制法与阀门控制法供水能耗分析

在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态N点，当所需流量减少，从额定流量QN变为QE时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率PG与面积AHEOQE成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率PG与面积BHEOQE成正比。

两种控制方式下的面积之差PAHBHCB表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式可以实现节能。

(2)．转速调节与恒速运行供水能耗分析

根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量Q、扬程H和轴功率P都随之相应变化，其关系式为：

Q1n1 Qn

2（2—5）

H1n1

（2—6）Hn3P1n1

（2—7）Pn式中，n1、Q1、H1、P1分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速n下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。

一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。

可见，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。

2．转速控制供水系统的工作效率高(1)．工作效率的定义

供水系统的工作效率P为水泵的供水功率PG与轴功率PP之比，即：

PPGPP

（2—8）

该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。

式(2-8)中，PP是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；PG是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。

(2)．供水系统工作效率的近似计算公式

*水泵工作效率相对值P的近似计算公式如下

*PC（1Qn**）C（2Qn**

（2—9））*式（2—9）中：P、Q*、n*—效率、流量和转速的相对值，均小于1：

*有以下关系：PN*、QPQQN*、nPnnN

C1、C2—常数，其关系为C1C21。

(3)．不同控制方式时的工作效率

阀门控制法方式，因转速不变，n1比值

*Qn**Q

**随着流量的减小。Q*减小，水泵工作的效率P降低十分明显。

转速控制方式时，因阀门开度不变，由式(2—5)，流量Q*和转速矿n*是成正比的，比值Qn**不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。

所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。

3．变频调速电机运行效率高

在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。

2.5 供水系统安全性讨论

1．水锤效应

在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。

2．产生水锤效应的原因及消除办法

产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。

水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。

拖动系统中，动态转矩 TJTMTL TM：是电动机的拖动转矩 TL：是供水系统的制动转矩

图2—4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。

图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，图2—4 b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。

由图2—4可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。

停机过程效果类似。

3．变频调速对供水系统安全性的作用

采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处

(1)消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。

(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。

(3)避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。

(4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。

2.6 本章小结

本章在分析供水系统模型及其特性参数的基础上，探讨了影响供水系统能耗及其安全性的一些因素，得出了以下结论: 1.对供水系统进行的控制，归根结底是对供水能力的调节，以满足用户对流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。

2.供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式较阀门控制方式节能效果明显。

3.采取变频调速方式控制流量实现恒压供水，可减少系统能耗，提高工作效率。4.采取变频调速方式可以消除水锤效应，可减少冲击，增加系统运行的安全性，延长系统运行寿命。第三章 变频调速恒压供水控制系统设计

3.1 供水系统总体方案的确定

1．对西泵站供水系统总体要求：

(1)．由多台水泵机组实现供水，流量范围4000m3/h，扬程45米左右(2)．设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水(3)．供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小

(4)．系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能(5)．各主泵均能可靠地实观软启动(6)．具有完善的保护和报警功能(7)．系统要求较高的经济运行性能 2.方案确定

确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性，及其它技术要求。

根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。

连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。

间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。各种类型的水流量变化关系曲线如图3—1

西泵站供水系统主要负责张家口市桥西区域用户的用水，属连续型高流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为高流量，低流量时，采用变频调速方式来实现的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。由于用水呈高流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。

多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。

处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。

多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。

供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。

为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。

为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。

综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如图3-2所示。

3.2 控制系统的硬件设计

3.2.1系统主要配置的选型

1.水泵机组的选型

根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，型号及参数见表3-1。

2.变频器的选型(1).容量确定方法

依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式：

PCNkPMcos（kVA）

（3—1）

3PCNk3UMIM10（kVA）

（3—2）

PCNkIM（A）

（3—3）

式中，PM—负载所要求的电动机的输出功率；

—电动机的效率（通常在0.85以上）；

—电动机的功率因数（通常在0.8以上）

cos；

UM—电动机电压（V）；

IM—电动机工频电源时的电流（A）；

k—电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0～1.05；

PCN—变频器的额定容量（KVA）；

ICN—变频器的额定电流（A）。

这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。

(2).型号选择

根据控制功能不同，通用变频器为分为三种类型。普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器、矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX，变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。

其主要参数及性能介绍如下。①.主要参数

额定容量：85(kVA)； 额定输出电流：112A；

过载容量：110%额定输出电流、1分钟； 起动转矩：50%以上； 适配电机容量：55KW； ②.功能特点

风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器;可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最佳的启动;加速时间设定范围宽(0.01秒到3600秒)，具有S形加减速功能和曲线加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌;直流制动功能，制动时间在0-30秒范围可调，保证快速可控的制动，不需要外接电阻;内置PID模块，可用于闭环控制;多种频率设定方式;多种附加功能;五路晶体管输出

③.I/0特性

9个可设定的开关量输入口，给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动);四路可设定的开路集电极晶体管输出，可用于频率到达、频率值检测、过载、运行等多种提示;RS-485接口，可实现远程通信;④.保护功能

具有过电压/欠电压保护、短路保护、过热保护、PTC热敏电阻保护、电机锁死保护、缺相保护、电涌保护、失速保护、CPU/存贮器异常保护等。

3.PLC的选型

依据控制任务，从PLC的输入1输出点数、存储器容量、输入l输出接口模块类型等方面等来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR，其I/O端子分配在3.4节给出。

FX2N-32MR主要参数及特点: I/O点数:16/16;用户程序步数:4K;基本指令:27条;功能指令:298条;基本指令执行时间:0.08微秒;通信功能:强;输出形式:继电型;输出能力：2A/点;扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点;4.压力变送器及数显仪的选型

选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0～1MP，精度1.5；数显仪输出一路4～20mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。

3.2.2 主电路方案设计

三台大容量的主水泵(1#,2#,3#)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联;辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。

QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。

变频器的主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl、P+)端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。

在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小;设计三相电源信号指示。

图3-3给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。

3.2.3 控制电路设计

在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。

控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计;另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来作互锁。

控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。

出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。

图3-4给出了供水系统的部份电气控制线路图。

图3-4中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在①位置为手动状态，打在②位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。

中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的XO，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。

电机动电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM 1-KM7的线圈来实现。HLO为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3, FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。

3.2.4 PLC I/0端子分配

说明:1#.2#.3#分别代表I号主水泵、2号主水泵、3号主水泵。

3.2.5 变频器接线及功能设定

表3-2中频率参数设置说明：

(1).最高频率:水泵属于平方律负载，转矩Tn2，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。

(2).上限频率:由于变频器内部具有转差补偿功能，在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。

(3).下限频率:在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)，形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。

(4).启动频率:水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着一定的阻力，在从0Hz开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。

3.3 PLC控制程序的设计

3.3.1全自动变频恒压运行方式水泵运行状态及转换过程分析

1.转换过程分析

启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数……直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。

当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。

当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。供水状态及其转换关系

供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。

若有N台水泵参与变频调速，则满足“先起先停”原则的最大有效状态数为N2十1。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。

本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，见表3-4

各状态之间的转换关系见下图3-5

从图3-5可见，供水状态之间的转换不但和转换条件有关，还与其目前所处的供水状态有关;由辅助泵切换到主泵供水也遵循有效状态循环方式，即上一次启动1#主泵，则下次由辅助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。

3.状态转换条件

供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为X1，水压达到设定压力下限值时的欠压信号为X2，水压达到设定压力上限值时的超压信号为X3。

从辅助泵切换到主泵条件:满足X2;从主泵切换到辅助泵条件:同时满足X1、X3;增泵条件:同时满足X1、X2, 减泵条件:同时满足X1,X 3;4.状态转换过程的实现方法

从辅助泵切换到主泵只需断开辅助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动一台主泵的运行即可;从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将辅助泵直接投入工频运行即可;减泵过程是在满足减泵条件的前提下，通过PLC控制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。

增泵过程的实现相对复杂一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。切换过程主要考虑三方面的问题: 第一，切换过程的可靠性。决不允许出现变频器的输出端和工频电源相连的情况，这一点通过控制电路、PLC内部软继电器的互锁及PLC控制程序中动作的时间先后次序来保证。

其次，切换过程的完成时间。时间太长，原变频运行的电机转速下降太多，一方面造成水压下降大，另一方面在接下来切换到工频时冲击电流大;时间太短，切换过程的可靠性下降。具体时间还需根据电动机的容量大小来设定，容量越大时间越长，一般情况下，500ms足够。再次，切换过程的电流。因变频器输出电压相位和电网电压相位一般不同，当电机从变频器断开后，转子电流磁场在定于绕组中的感应电压与电网电压往往也存在相位差。此时，切换到工频电网瞬间，如果二者刚好反相，则将产生比直接起动时的起动电流更大的冲击电流，反过来对变频器造成冲击。解决办法有：

(1).电机定子绕组中接入三相灭磁电阻的方法。这种方法一般需要延时2-3秒，时间太长，水泵转速下降太多，不合适:(2).相位鉴定法。通过相位鉴别电路，在电网电压和变频器输出电压相位一致时，快速切换。这种方法十分有效，可靠，对于100 kW以上的大容量电机一般要求采用这一方法

(3)利用变频器的自由停车指令BX来实现的快速灭磁法。这一方法的实质是通过定子绕组中和变频器逆变桥上的续流二极管组成的回路来达到快速灭磁的目的。其动作顺序是，在电机从变频器断开前，PLC的Y16给出动作信号，变频器Xl端子功能生效，自由停车命令BX生效，变频器立即停止输出，经短暂延时(约500ms)灭磁后，将电机从变频器断开，并立即投入电网。这种方法简单有效、控制方便，本次设计中采用了这一方法。

3.3.2 PLC程序设计方法

1.PLC 编程语言

PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式:梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。

梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程。绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成。比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表。编程设备简单价廉。

状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。

高级语言类似于BACIC语言、C语言等，在某些厂家的PLC中应用。2.梯形图语言编程的一般规则

通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有:(1).梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。

(2).梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。

(3).梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1”态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0”态。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。

(4).梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。

(5).继电器线圈在一个程序中不能重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。

(6).PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。

所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。

3.PLC程序开发平台

不同公司的PLC采取的开发平台不同，这次设计采用MITSUBISHI公司提供的Windows环境下的编程软件FXGPWIN来开发。先用状态转移图(SFC)来描述供水状态的转换过程和转换条件，再用步进顺控指令(STL)转换为步进梯形图，通过检查、编译后，用专用编程电缆SC09下载到PLC程序存储器中。其间还需要一个调试过程。

4.程序扫描工作方式的原理

当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。

扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。

顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响

PLC的工作过程就是程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段，如图3-6所示

(1).输入采样阶段

在开始执行程序之前，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(开或关、“1”或“0”)读入到输入映像寄存器中寄存起来，这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新。在程序执行期间，所需输入信息取自输入映像寄存器的内容。在本工作周期内，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读人。

(2).程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到端子上。

(3).输出刷新阶段

当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备(负载)，这才是PLC的实际输出。

PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)。工作周期的长短与程序的长短(即组成程序的语句多少)、指令的种类和CPU执行的速度有很大关系。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。

PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。

3.3.3 供水系统控制程序设计

供水系统根据需要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手控制等。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能，是指利用PLC控制，结合PID调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC控制程序;自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度;远程手动控制是指在控制室，通过计算机和PLC通信远程操控水泵的运行，是一种辅助供水方案;现场手动控制运行是指通过现场按钮来人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，PLC不参与，主要用用于检修、调试及PLC故障时的运行。

系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出故障的水泵，将其退出系统运行，并报警提示。

PLC控制程序设计的主要任务是接收受各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态，输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警。

供水系统控制程序的主流程如图3-7。主要由系统初始化模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成。

1.系统初始化模块

在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120, D8121, D8129的通信参数，具体设置程序见论文4.3节;置标志M6=1，在自动运行时，首先起动辅助泵进入SO状态:置标志M0=1，保证辅助泵运行状态首次SO转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。

2.辅助泵/主泵运行转换模块

主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态S20(或S21, S22)转入SO的过程。PLC置输出继电器YI(或Y3, Y5)为0，同时置Y7= 1。

辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态so转入S20(或S21,S22)的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器M3, M2, Ml作为S20, S21, S22状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证S20, S21, S22状态的循环。

3.增加主泵的状态转换模块

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Y16得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令BX生效，切断变频器输出，延时500ms(灭磁作用)后，将主水泵与变频器断开，延时looms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，同时PLC的Y16失电，BX指令取消，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。

下面以当前状态S20，增开2#主泵为例，用PLC的状态转移图(SFC)来说明泵增开过程，如图3-80

4.减少主泵的状态转换模块

减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。

5.远程手动控制通信模块

初始化模块中设置好PLC和上位机的通信协议后，在PLC程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动控制命令置M5M4= 10时，PLC程序自动转入远程手动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置M5M4=01时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式。

6.故障处理模块

对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警，并做出相应的故障处理。

(1).欠水位故障

进入状态S30，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入SO状态。

(2).变频器故障

变频器出现故障时，对应PLC输入继电器X5动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20分钟。

(3).电机故障

热继电器、空气开关一般用于电机保护，二者的动作往往表明了电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行。

此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。

3.4 PID调节原理在恒压供水系统中的应用

在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。

3.4.1 PID控制及其控制算法

在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。模拟PID控制及算法

PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值:(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t): e(t)=y(t)-r(t)

(3一4)经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

系统由拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图3-9。

图中U(t)为PID调节器输出的调节量。PID控制规律为

PID控制器各环节的作用及调节规律如下:(1).比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数K的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。

(2).积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Tl,Tl越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的TD对于干扰信号的抑制能力却将减弱。

PID的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

2.数字PID控制算法

自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式(3-5)离散化来实现的。

用一系列的采样时刻点nT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式:

式(3-7)中，T一一采样周期，n一一采样序号，e(n)一一第n时刻的偏差信号，e(n-1)—第(n-1)时刻的偏差信号，y(n)—第n时刻的控制量。PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n), e(n-1)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为:

增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量△u(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

3.4.2 恒压供水PID调节过程分析

恒压供水的目的就是要保证供水能力Qc适应用水需求Qu变化。当供水能力QG和用水需求Qu之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力QG和用水需求Qu之间的乎衡。

在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4～20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：

(1).稳态运行

当供水能力QG=用水需求Qu，目标压力信号;和压力反馈信号y相等，偏差e=y-r=0, PID输出的控制增量△u=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图3-10中的0～t1段。(2).用水量增加时

当用水量增加，用水需求Qu>供水能力QG，水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-r<0, PID输出的控制增量△u>0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。

这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e,控制增量△“均处于变化之中，其变化过程如图3-10中的tl～t3段，其中t2～t3段为增加用水量后新的平衡状态。

(3).用水量减少时

当用水量减少，用水需求Qu<供水能力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0, PID输出的控制增量△u<0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。这一动态变化过程，如图3-10中的t3～t4段，其中t4段以后为减少用水量后新的平衡状态。

3.4.3 变频器PID控制功能参数设置

变频器PID控制功能代码有H20,H21,H22,H23, H24, H25共6个，通过对功能代码的设定来保证合理的PID运行。

1.PID模式预置

H20用以设置PID模式。

设定值0:不动作;1:正动作；2:反运行。其关系如图3-11.在供水系统中，当压力增大(即用水量减少)，水泵的转速应下降，即变频器输出频率与被控量(水压)的变化趋势相反，所以选取模式2。

2.反馈方式预置

系统采取的是电流输入反动作，设定H21为2。3.压力目标值的预置

压力目标值是一个比值，它和允许的管道压力大小及选用的传感器有关。其关系为:压力目标值=（管道允许压力／压力表量程）×100% 根据教育学院学生公寓供水管网情况及水压需要，确定总出水口水压大小为0.4MPa，选用的远传压力表量程是0-1MPa，则目标值为40%.选择XI端子功能，设定“E01”为II，通过变频器键盘面板操作直接输入确定的压力目标值。

4.P、I、D参数预置

P、I、D参数通过H22,H23,H24来设定。其中H22用以设定P增益，设定范围:0.01～10倍;H23用以设定积分时间，设定范围0.1～3600s;H24用以设定微分时间，设定范围0.01～10.0s 由于P、I、D的取值与系统的惯性大小有很大的关系，需经现场反复调试，可按以下总体原则来进行整定。

H22(增益P)，在不发生振荡条件下增大其值;H23(积分时间I)，在不发生振荡条件下减小其值;H24(微分时间D)，在不发生振荡条件下增大其值: 用示波器监视压力表输出电压波形，根据波形情况来做参数调整。常见有下面几种情况。

(1)抑制超调

增大H23(积分时间)，减小H24(微分时间)，如图3-12:a)。(2).允许小量超调前提下加快响应速度

减小H23(积分时间)，增大H24(微分时间)，如图3-12:b)。(3).抑制比H23积分时间)长的周期性振荡 增大H23(积分时间)，如图3-12:c)。

(4).抑制大约和H24(微分时间)同样长周期的振荡

减小H24(微分时间)。设定0时，若仍有振荡时，减小H22(增益)，如图3-l2:d)

在PID功能有效且完成参数预置后，变频器完全按用户设定的P、I、D调节规律运行，其工作特点是;(1)变频器的输出频率只根据水压实际压力大小与设定的目标压力的偏差进行调整，与被实际水压大小并无对应关系:(2)变频器的升、降速时间完全取决于由P、I、D值所决定的动态响应时间;(3)变频器的输出频率始终处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。5反馈滤波时间预预置

设置对控制端子12输入的反馈信号的滤波时间，使PID控制系统稳定，设定值过大，反应变差。

3.5 系统可靠性措施

系统中采用的工控设备变频器和PLC均具有抗干抗能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定性。

1、变频器和PLC应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热，PLC四周留有50 mm以上的净空间。环境温度最好控制在45℃以下，相对湿度在5～90%，尽量不要安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。

2、控制柜和水泵现场距离不要太远，尤其是远传压力表至变频器的4-20mA电流信号和至PLC的压力上、下限开关量信号的传输电缆要尽可能短，而且要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。

3、外围设备信号线、控制信号线和动力线应分开敷设，不能扎在一起，且应采用屏蔽线且屏蔽层接地.4、变频器和PLC均要可靠接地。接地电阻应小于100，接地线须尽可能短和粗，并且应连接于专用接地极或公用接地极上，不要使用变频器、PLC外壳或侧板上的螺钉作为接地端。而且二者在接地时，应尽量分开，不要使用同一接地线。

5、电动机在低速运行时，电机冷却效果下降，应保证电动机具有良好的通风条件。

6、在电气设计和软件设计中，充分考虑电气设备之间的互锁关系。

7、选用性能可靠的继电器、接触器对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义。

8、要考虑防雷设计。如电源是架空进线.在进线处装设变频器专用避雷器，或按规范要求在离变频器20m远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。

9、系统设计时还加入了无人执守故障自动拨号报警器。当出现变频器故障、电机故障、PLC故障以及水位过低等现象时，自动拨打管理人员的电话，提高系统故障的应急处理能力。

3.6 本章小结

本章针对用户需求，在满足供水能力的前提下，实现了变频调速恒压供水控制系统的设计。该系统由PLC控制的多泵分级调节和变频器控制的单泵连续调节相结合，实现流量在大范围内变化时的恒压供水。基于这一设计方案，本章的具体内容概括如下: 1.变频调速恒压供水控制系统由PLC、变频器、远传压力表、3台主水泵机组、1台辅助泵机组、控制柜等组成，采用一台变频器分时控制3台主水泵的起动、调速和运行。

2.控制系统的硬件设计包括了设备选型、主电路设计、控制电路设计及PLC的I/O端子分配、变频器接线及功能设定等。电路设计时充分考虑了水泵电机变频运行和工频运行间的互锁关系。

3.分析了多泵供水方式的运行状态和状态转换条件，由远传压力表给出的上、下极限水压信号作为水泵切换的条件，实现水泵的分级调节。状态转换遵循“先起先停”原则。

4.由远传压力表检测的水压信号经变频器内部的PID模块处理后，控制变频器输出频率，实现对水泵转速的连续控制，来维持恒压供水。

5.分析了PID控制器的基本原理和供水系统中PID调节过程，讨论了PID参数的调节方法。

6.供水系统PLC控制程序主要由系统初始化模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成，可实现全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手控制等方式。

7.在系统设计时，考虑了抗干扰措施和故障应急处理功能，保证运行的稳定性。

7.基于51单片机恒压供水系统设计 篇七

关键词：无线收发,呼叫系统,单片机

1 研究背景和意义

病房呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断、护理的紧急呼叫工具, 它主要用于协助医院病员在病床上方便地呼叫医务人员, 是提高医院和病房护理水平的必备设备之一。目前医院使用的病房呼叫系统多为有线呼叫系统, 存在布线费用较高、易出故障、维修不方便、明显不雅观等诸多缺陷。本文将要介绍一款简易的无线呼叫系统, 对上述问题予以解决。

2 系统核心部件电路设计

本系统利用MCS—51系列单片机的串行传输功能, 将串行输出信号传送到发射电路, 当信号为高电平时高频发射电路工作, 并发射433MHz等幅高频信号, 当信号为低平时高频发射电路停止工作, 所以高频发射电路完全受控于单片机串行输出的数字信号, 对高频电路完成幅度键控 (ASK调制) 。采用超载波接收板接收高频信号, 信号解码、声光报警、等功能由单片机完成。

本系统的主机以AT89C51为核心, 主机电路如图1所示。

主机电路包括高频发射模块、超载波接收模块、数码显示驱动模块、键盘扫描、声光报警、复位电路等。待机情况下, 数码管显示全零, 声光报警电路均不工作。当病人按动安装在床头的从机按键时, 安装在护士站的主机收到信号后发出3声“嘀”的提示音, 同时发光二极管亮, 数码管显示呼叫病人的床位号和呼叫次数, 医生或护士根据显示床位号进行治疗与服务。主机具有记忆最近呼叫的9组床位号及其呼叫次数的功能。

AT89C51中有一个全双工异步串行通信接口, 可用作UATR (通用异步接收和发送器) , 也可用作同步移位寄存器。在本系统设计中, UATR为串行工作方式1。单片机以串行通信方式工作时, 串行口检测到1个由“1”到“0”的跳变时开始启动串行接收, 且单片机在非串行通信时段内的输出为“1”, 所以在发射电路之前和接收模块之后均需再加1个非门, 防止发射电路在非通信时一直处于发射状态, 同时满足单片机串行通信要求, 保证单片机能够正常收发数据。需要发射的数据信号从AT89C51的11引脚输出经反相后送到433MHz高频发射电路发射。该高频发射电路采用声表面波 (SAW) 谐振器稳频, 性能稳定, 无需任何调试即可正常工作。因为高频接收电路易受干扰, 不易调试, 而市售成品接收模块性能稳定, 价格低, 故本系统中采用成品接收模块, 该接收模块收到的信号经反相后送AT89C51的10引脚进行解码。

从机采用AT89C2051作为核心, 主要完成串行通信、按键扫描、声光警报等功能。单片机的P1口设定为用户可任意修改的数据脚, 用户通过拨码器根据需要任意设定P1口为高电平或低电平, 共256种设置表示256个床位号。电路中设有1个呼叫按键, 当病人要呼叫护理总台时, 只要按下按键, 此时指示灯闪亮。主机收到呼叫后发出声光报警提醒值班医生或护士, 如果值班医生或护士按主机回复键, 则从机收到信号后发出声光警报, 以提示病人医生或护士已经收到呼叫。从机的串行信号发射和接收电路与主机相同, 不再详述。

3 系统程序设计

除了以上的硬件部分外, 由于本电路涉及到51单片机, 所以还必须编写程序实现其功能。主机主程序主要完成系统参数的初始化、串口中断配置、按键扫描、键值处理、声光报警和扫描显示等功能, 具体程序在此不做详细说明。

4 结语

本文设计的医院住院病人护理“呼叫”电路系统, 利用MCS—51和无线通信原理, 为住院病人解决了寻找护士难的问题, 并改善了普通有线呼叫系统布线繁杂, 检修困难的问题。通过与市场现有产品的比较, 本系统具有操作方便, , 快速便捷, 安全性好, 产品造价低。

随着现在科技发展, 人民生活水平不断提高。这套系统在医疗和其它场合都将应用广泛, 具有丰厚的经济效应。

图1主机电路

参考文献

[1]张华林, 明达, 无线呼叫系统的设计, 国外电子元器件2006.08期.

[2]张立峰, 无线数据通信技术揭秘, 人民邮电出版社, 2008.

8.基于51单片机恒压供水系统设计 篇八

关键词：51单片机 LCD12864 程序设计

0 引言

液晶显示器根据显示方式可分为：段位式、字符式和点阵式LCD，其中段位式与字符式只能显示数字与字符。而点阵式LCD不仅能显示数字与字符，还能显示各种图形、曲线及汉字等。本文研究的TG12864B是能显示曲线、图形及汉字的点阵式LCD。

1 TG12864介绍

TG12864是一款无字库的图形点阵显示器，其屏幕由64行×128列点阵组成，可以显示16点阵的4行×8列（32个）汉字、8点阵的8行×8列（64个）字母和128×64全屏幕点阵图形。

1.1 TG12864B内部功能器件介绍

在使用TG12864B前须了解其相关功能器件，如下所示：①指令寄存器（IR）：用于寄存指令码。②数据寄存器（DR）：用于寄存数据的。DR和显示数据存储器DDRAM（见表1）之间的数据传输是模块内部自动执行的。③显示数据RAM（DDRAM）：DDRAM是存储图形显示数据的。数据为1表示显示选择，数据为0表示显示非选择。DDRAM与地址和显示位置的关系见DDRAM地址表。④XY地址计数器。XY地址计数器是一个9位计数器。高3位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。

1.2 TG12864的控制指令

①开关显示：开显示，指令码为0X3F；关显示，指令码为0X3E。②设置Y地址：0x40～0x4f，其中0x40为第0列列地址，0x4f为第63列列地址。③设置X页地址：模块有64行，其中8行为一页，即有8页，A2～A0表示0～7页：如，当A2～A0为000时表示第0页，为111是表示第7页。页地址分别是0XB8～0XBF。④显示开始线：该指令中A5～A0为显示起始行的地址，它规定了显示屏起始行所对应的显示存储器的行地址。通过修改显示其实行寄存器的内容，可以实现显示屏向上或向下滚动。⑤读状态：BF：判断忙信号标志位。BF=1表示液晶屏正在处理MCU发过来的指令或者数据，此时接口电路被挂起，不能接受除读操作以外的任何操作，BF=0表示液晶屏接口控制电路处于空闲状态，可以接受外部数据和指令。

2 电路设计

图1 TG12864显示线路图

图1为AT89S51控制12864LCD线路图，图中DB0～DB7为TG12864的数据线，单片机通过该端口给TG12864写命令或读写数据；RS为寄存器与显示内存操作选择管脚，单片机通过P3.7脚与之连接，当RS脚为高电平时，对液晶显示器的数据寄存器进行读或写操作；当RS脚为低电平时，对命令寄存器进行操作；RW为读写控制脚，与单片机P3.6脚连接，当RW脚为高电平时，准备对液晶显示器执行读操作，低电平时执行写操作；E脚为使能端，与P3.5脚连接，下降沿有效；CS1为高电平是选择芯片（右半屏）信号，CS2为高电平时选择芯片（左半屏）信号；RST复位脚，低电平复位。

3 LCD12864的驱动程序设计

LCD12864驱动程序的编程要想让LCD12864显示出需要的内容，就得严格按照LCD12864的工作时序来进行编程。驱动LCD12864显示程序含有以下几个子程序：

sbit di=P3^7；//高电平写数据，低电平写命令

sbit rw=P3^6；//高电平读操作，低电平写操作

sbit e=P3^5；//读写使能端，下降沿有效

sbit cs1=P3^4；//定义P3.4为左半屏片选信号

sbit cs2=P3^3；//定义P3.3为右半屏片选信号

sbit rst=P3^2；//TG12864复位信号

sbit bf=P2^7；//检测LCD忙引脚

sbit res=P2^4；//检测是否处于复位状态，高电平处于复位，低电平正常。

define dataport P0 //定义P0口为LCD数据总线，用于传输指令命令和显示数据。

3.1 忙检测子程序

void check_busy（void）

{

dataport=0xff；

di=0；

rw=1；

delay（1）；

e=1；

while（bf||res==1）；

e=0；

}

3.2 写命令或数据子程序

void write（ char dat_comm，char content）

{

Chk_busy；

di=dat_comm；//dat_comm为高电平写数据，低电平写命令

rw=0；

dataport=content；

e=1；

delay（1）；

e=0；

}

3.3 初始化子程序

void init_lcd（void）

{

rst=0；

delay（50）；

rst=1；

cs1=1；cs2=1；/左右半屏选中

write（comm，0x3e）；//关显示

write（comm，0x3f）；//开显示

}

4 总结

本文对TG12864B用通俗易懂的语言进行了简单的介绍，并对TG12864B的驱动程序进行了简单的设计，使读者能初步了解12864LCD的简单应用。要想熟练的掌握TG12864B，还需要不断的实践，不断的摸索，熟悉编程语言，不断提高TG12864B的编程技巧，使程序得到最大程度的优化。

参考文献：

[1]朱华光.浅议LCD1602的编程技巧[J].电脑知识与技术，

2010.6.

[2]林嘉.基于89S52的LCD1602程序设计[J].电脑知识与技术，2012.8.

[3]田开坤.基于LCD12864显示器的数字示波器设计[J].电子制作，2010.5.