摘 要
随着我国现代化的进程不断加快，城市居民生活水平不断提高，随之而来的是房屋的翻新和重建，但建筑层数的不断增高，使得供水所需压力不断提高，若建筑设计时对压力判断不足，会导致供水时无法供应到高楼层，给人们的正常生活带来极大的不便利。
本文在充分了解恒压供水发展由来，国内外变频器发展历史及研究现状，以及国内常用的几款控制器的基础上，确定了以单片机与变频器结合的方式实现恒压供水，其中主控制部分的控制核心单片机选用AT89S52型单片机，其内部具有PID自整定程序可对检测回来的压力信号进行自动调整；在此基础上并对外接模块进行设计和芯片选择：压力转换模块其选用TLC549作为核心芯片、输出模块选用TLC5620芯片、驱动模块采用ULN2803芯片、键盘显示模块采用ZLG7290B芯片、存储模块采用X5045芯片、通讯模块采用MAX232芯片。
本次设计的恒压供水控制器将选用单片机与变频器相互结合的方式，由于单片机本身的特性，因此具有价格便宜，编程方便的特点。加之变频控制器本身具有的节能、实时调节、延长寿命的优点，使得本次的设计更加具有现实意义。
关键词：单片机；恒压供水系统；PID控制；变频调速
2 恒压供水节能原理及设计方案
2.1 变频恒压供水系统节能原理
图2.1中的两条曲线的特性存在的前提条件是要保持阀门的开度恒定。由图2.1可以看出，在扬程特性曲线中，流量与扬程近似成反比关系，流量增大的话扬程就会变小。为了研究流量的快慢与用户耗水量的多少有关，需要使其它变量保持某一恒定数值。因而，由图中曲线我们可以发现扬程函数曲线所表示的为扬程H与用户耗水量Q(u)的函数。在水泵转速恒定时，才能表示出管道阻力的函数曲线，这条曲线被定义为在阀门恒定为某一数值不变，扬程H与流量Q之间的函数关系。管阻函数曲线所反映的是异步电机克服水压阻力做功的大小。由图2.1可知，扬程H与流量Q成正比例函数，即在阀门开度为某一相同值的条件下，H的增加会引起Q的增加[4]。因为阀的启程度实时变化，其实质上是在扬程值确定的条件下，改变管网对提供水的能力的大小。因而，管阻函数曲线所展示的是扬程H和供水流量的函数表达式H=f()。这两条函数特性曲线的交点，被叫做供水工作点，其为图2.1的A点。在这上面，系统的供水量与用户的耗水量在误差允许范围内可以近似看做一样。进行供水时在管网内既可以维持扬程特性又满足了管阻特性，于是在这个点上整个环节可以稳定运行。
图2.1 供水系统的基本特征
3 恒压供水控制器硬件设计
3.1 硬件电路总体设计
经过第二章所描述的恒压供水原理及对市场上的恒压供水设备了解后，系统的设计图如图3.1所示：
图3.1 系统硬件框图
在上面的硬件框图中，A/D转换将采用TLC549芯片，D/A转换将采用TLC5620芯片，键盘与显示模块选用ZLG7290键盘显示复用芯片，参数的记忆与存储选用X5045多功能芯片，系统故障与缺水需要的或门选用74LS32芯片。
3.2 晶振与复位模块
AT89S52单片机是一种具备电能消耗低、只需要5V电压、性能调节好等特点的8位单片机。其存储器为一个4K且具有可重复编写只读存储器，在设计时芯片采用CMOS工艺，并且利用高密度良好的保存性的存储器技术，输出的指令系统与其它51系列的单片机有较好的兼容性。由于其采用Flash存储器，在编程时可以直接在系统内编程[10]。由于51系列的单片机造价便宜且具有良好的兼容性，已经被广泛应用到生产和生活的各个领域。
AT89S52内部含有一个8位的CPU，程序存储器容量为4K，数据存储器的容量为256个字节，具有P0-P3四组I/O口，，串行口的工作模式为双工型模式，可同时接收和触发6个中断源。由于芯片制造技术和工艺的不断规模化大型化，使51系列的单片机的制造成本越来越便宜，是简单设计的首选芯片，所以本次在设计中选用其作为主控制器模块。其最小系统如图3.2所示：
图3.2 最小系统电路
4 恒压供水控制器软件设计
4.1 PID控制算法
在硬件部分我们主要对输入和输出的模拟量信号变换的硬件部分进行了主要的讲解，但对于控制器如何实现却没有过多描述，因此在这一部分我们将对PID实现过程进行论述。
在变频供水中，变频器通过改变频率来控制水泵的运转速度，异步电机的数学模型使得具有较多参数的系统表现出高阶次、线性度差、耦合性好等特点，再加之城市地下管网的管阻特性具有死区和非线性的特点[12]。因此，供水系统的数学模型具备阶次高、非线性、滞后大、耦合性强、变量参数多、参数变动快等特点，经过研究和计算是很难得出既精确而又有效的表达式和得出准确的数学模型。此外，在城市管网中，管道的设计往往是根据城市的地形地质进行设计，其结构往往较为复杂、弯道多，使得参数变化无常无法建立准确的数学模型；并且用户根据自身需求的大用量和小用量时间没有规律。另外，如今是供水设施中多数利用三台及以上的水泵分时运行，当水泵从工频向变频或从变频向工频变换时，由于无法实现无扰动切换，会使得电网电压产生波动，这个波动等效于在控制中加入了一个干扰量，严重影响系统的稳定性。PID的简易结构图如图4.1所示：
图4.1 PID控制图
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