基于单片机的无塔供水系统(详细介绍)

摘 要 无塔供水系统是目前解决高层建筑供水问题的最常用的方案，它具有卫生、节水、节约投资、体积小的优点。本次研究的主题是了解智能无塔供水系统的工作原理，并搭建一个简单的智能无塔供水系统。 实际设计中我们以AT89C51单片机作为所要实现的无塔供水系统的核心，并通过DS1302实现其时间模块，用ADC809采集压力信号，转换成数字信号，在变频泵工作区间，将数字信号进行相应处理后经DA转换变成相应的变频泵控制信号来控制变频泵，实现定时供水。 我们利用INT0中断来调节时间，可以实现分钟和小时的增加和减小，通过INT1中断来调节压力，同样可以实现压力的加减。我们设置了一个闪烁标志位，在刚进入中断时可以在数码管上闪烁显示，以表明进入或退出了调节状态。 在程序中我们还定义了一个显示切换键，用来切换显示的是实时压力还是系统时间。 文章从硬件和软件两个方面入手介绍了无塔供水系统的基本原理，硬件部分包括中央处理单元电路、时钟电路、数模转换、模数转换及调节部分。软件部分用C语言来实现对硬件的控制，主要包括主程序、时间显示及设置子程序、压力显示及设置子程序等软件模块。整个电路实现了一个智能无塔供水系统应有的基本要求，还添加了一些功能，达到了预期的效果。

关键词：AT89C51单片机，DS1302，ADC809，ADC0832，动态显示，散转程序 1.无塔供水系统及背景分析 随着建筑业的迅速发展，高楼大厦不断出现，而高楼上时常得不到及时与必须的水源，致使住在高层楼房的住户生活不便，甚至在高楼上的消防设施在关键时不能发挥应有的作用。因此，现在的高层建筑大多采用无塔供水系统。所谓无塔供水是指能取代水塔的供水方式,主要有以下几种: a. 电接点控制.这种供水方式比较简单,但是因为只通过起停泵来进行压力控制,所以容易导致泵频繁启动,一般会降低泵的使用寿命,现在一般不经常使用. b. 变频控制柜控制.这种供水方式比较智能化,通过变频器调节水泵转速来控制压力,压力稳定,节能效果显著,而且能消除水锤效应,保护水泵,应用比较广泛. c. 潜水泵自动化供水设备.这种供水方式是用变频控制,有变频控制的优点,另外因为有缓冲稳压容器所以压力稳定,可靠程度更高,而且他还有另外的一套自动电路,在变频故障下不影响用水,所以现在采用这种设备的地方越来越多. 变频控制方式系统通过监测管网压力来控制变频调速器。管网压力越低，水泵转的越快，管网压力大到一定程度后，水泵停机。在夜间开启小流量泵。并能设置定式供水。其用途主要有以下几方面： 1. 该系统既可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统。 2. 可广泛用于工业企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。 3. 可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统。 4. 可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统。 5. 可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。 6. 可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。 本实验就是基于这样的实际模型来采用单片机设计一个无塔供水系统

1.1 本实验的主要任务： 任务一：我们用0~5V的直流电压型号来模拟管网压力信号，实现定时供水，当时间在区间（6:30～8:30， 11:30～13:30，17:30～20:30），启用变频泵，变频泵的启用我们通过点亮LED DS1来模拟 任务二：在夜间(0点到6:30)关掉变频泵，开启夜间灯（LED DS3），当管网压力小于一定值后，开启小流量泵，小流量泵的启用通过点亮LED DS2来模拟 任务三：在变频泵工作时，我们根据输出的变频泵调速信号来调节管网压力，在试验中我们采用稳定性的概念，当变频泵调速信号很大时，我们就增大管网压力，从而使变频泵调速信号下降；当变频泵调速信号很小时，我们就减小管网压力，从而使变频泵调速信号上升。 任务四：通过键盘实现时间调整和管网压力的设定，可以实现小时、分钟和压力的加减。

2．系统的总体设计方案 2.1．总体结构框图 我们将该系统分成时钟、AD转换、DA转换、水泵控制和七段数码管显示五部分，总体结构框图如下： 图1 总体结构图 2.2． 芯片选择 我们选用DS1302芯片来产生系统时间，用ADC0809进行AD转换，用DAC0832来进行DA转换，用SN74HC573和ULN2803A驱动的七段数码管来实现显示功能，各模块通过单片机AT89C52来综合控制，水泵的开启用LED灯来实现，时间和压力的调整通过按键来实现，下面来介绍下芯片。 2.2.1单片机AT89C52 下面是其实物和引脚图

图2 单片机实物图和引脚图 AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。

该单片机有4个IO口，其中P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，具体功能如下 P3.0 RXD（串行输入口）、P3.1 TXD（串行输出口）、P3.2 /INT0（外部中断0）、P3.3 /INT1（外部中断1）、P3.4 T0（记时器0外部输入）、P3.5 T1（记时器1外部输入）、P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）、P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

2.2.2 DS1302 DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch）是存放秒、分，小时、日、月、年、周数据的，存放的数据格式为BCD码形式，它的内部时间寄存器如下：

表1 DS1302内部时间寄存器

这张表呢是DS1302内部的7个与时间、日期有关的寄存器图和一个写保护寄存器，我们要做的就是将初始设置的时间、日期数据写入这几个寄存器，然后再不断地读取这几个寄存器来获取实时时间和日期。这几个寄存器的说明如下：

1、秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当初始上电时该位置为1，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；只有将秒寄存器的该位置改写为0时，时钟才能开始运行。

2、小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是 ，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位

3、控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。也就是说在电路上电的初始态WP是1，这时是不能改写上面任何一个时间寄存器的，只有首先将WP改写为0，才能进行其它寄存器的写操作。 对DS1302进行操作的步骤如下： 首先要通过8eH将写保护去掉，这样我们才能将日期，时间的初值写时各个寄存器，然后就可以对数码管缓存区进行初值的写入。同时也通过秒寄存器将位7的CH值改成0，这样DS1302就开始走时运行了，接着将写保护寄存器再写为80H，防止误改写寄存器的值。最后不断读取缓存区的值，将它们格式化后显示到数码管上。

2.2.3 DAC0832 DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。输出的模拟量与输入的数字量成正比。

2.2.4 ADC0809 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路 ,ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。

表2 ADC0809通道选择表 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7

数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

ADC0809初始化时，使ST和OE信号全为低电平，是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断，当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。工作时，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

2.3． 系统硬件设计 系统由主控芯片AT89C52、DS1302时钟电路、AD转换电路、DA转换电路、数码管显示电路和键盘电路构成系统硬件电路图如下：

图3 无塔供水系统硬件电路图 通过DS1302来产生系统时间，送到数码管显示，U8和U9模块分别实现AD和DA转换，从电路图上可以得到他们的地址分别为7FFF和BFFF，可以实现模拟压力的采集和输出，U5、 U4和U6是数码管的驱动电路，U5（段选通）和U4（位选通）的地址分别为DFFF和EFFF。 P1.0到P1.2接受DS1302提供的数据时钟输入信号，P1.3到P1.4外接LED灯DS1、DS2和DS3，DS1用来表示变频泵的开启，DS2用来表示小流量泵的开启，用DS3的点亮来表示是否是夜间，五个开关S1、S2、S3、S4和S5分别与INT0、INT1、T0、T1和P1.6连接，这5个按键我们要实现调整功能。单片机的 P0.0到P0.7作为IO口与总线连接，进行数据传输。AD转换芯片的 EOC信号与单片机的P1.7连接。