控制系統設計論文范文

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第1篇

關鍵詞：火災自動報警消防聯動控制系統電氣設計

現代化的建筑規模大、標準高、人員密集、設備眾多，對防火要求極為嚴格。為此，除對建筑物平面布置、建筑和裝修材料的選用、機電設備的選型與配置有許多限制條件外，還需要設置現代化的消防設施。隨著我國經濟建設的發展，各種高層建筑、大中型商業建筑、廠房不斷涌現，對自動消防報警系統提出了更高更嚴的要求。為了早期發現和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全，保衛社會主義現代化建設，在現代化的工業民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業部門，火災自動報警系統已成為必不可少的設施。電氣工程設計、安裝和使用是否正確不僅直接影響到建筑的消防安全而且也直接關系到各種消防設施能否真正發揮作用。因此，自動報警及消防聯動的設計及設備選型顯得尤為重要。

一、系統的組成

火災自動報警與消防聯動控制系統是建筑物防火綜合監控系統，由火災報警系統和消防聯動控制系統組成。在實際工程應用中，系統的組成是多種多樣的，設備量的多少、設備種類都會有很大的不同。但是，決定系統特征的是火災自動報警和消防聯動控制這兩個系統的實現方式。

（一）火災自動報警系統的組成

火災自動報警系統一般由探測器、信號線路和自動報警裝置三部分組成。

1、火災探測器和手動報警按鈕

火災探測器是整個報警系統的檢測元件。它的工作穩定性、可靠性和靈敏度等技術指標直接影響著整個消防系統的運行。

1）探測器的種類

火災探測器的種類很多，大致有如下幾種：

（1）離子感煙探測器。

（2）光電感煙探測器。

（3）感溫探測器（包括定溫式和差溫式）。

（4）氣體式探測器。

（5）紅外線式探測器。

（6）紫外線式探測器。

2）常用的火災探測器基本原理

（1）感煙火災探測器

火災發展過程大致可以分為初期階段、發展階段和衰減熄滅階段。感煙火災探測器的功能在于：在初燃生煙階段，能自動發出火災報警信號，以期將火撲滅在未成災害之前。根據結構不同，感煙探測器可分為離子感煙探測器和光電感煙探測器。

①離子感煙探測器

離子式感煙探測器是由兩個內含Am241放射源的串聯室、場效應管及開關電路組成的。內電離室即補償室，是密封的，煙不易進入；外電離室即檢測室，是開孔的，煙能夠順利進入。在串聯兩個電離室的兩端直接接入24V直流電源。當火災發生時，煙霧進入檢測電離室，Am241產生的α射線被阻擋，使其電離能力降低，因而電離電流減少，檢測電離室空氣的等效阻抗增加，而補償電離室因無煙進入，電離室的阻抗保持不變，因此，引起施加在兩個電離室兩端分壓比的變化，在檢測電離室兩端的電壓增加量達到一定值時，開關電路動作、發出報警信號。

②光電感煙探測器

光電式感煙探測器由光源、光電元件和電子開關組成。利用光散射原理對火災初期產生的煙霧進行探測，并及時發出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。

a、一般光電式感煙探測器根據其結構特點可分為遮光型和散射型兩種。

遮光型光電感煙探測器由一個光源（燈泡或發光二極管）和一個光電元件對應裝在小暗室內構成。在無煙情況下，光源發出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉換成電信號，使整個電路維持在正常狀態，不發出報警。當火災發生有煙霧進入探測器，使光的傳播特性改變，光強明顯減弱，電路正常狀態被破壞，則發出報警信號。

散射光電式感煙探測器的發光二極管和光電元件設置的位置不是對應的。光電元件設置在多孔的小暗室里。無煙霧時，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態。而發生火災時，有煙霧進入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達光電元件上，則光信號轉換成電信號，經放大電路放大后，驅動自動報警裝置發出報警信號。

b、激光式感煙探測器。由激光發射機（包括脈沖電源和激光發生器）和激光接收器（包括光電接收器、脈沖放大及報警）組成。它利用激光方向性強、亮度高及單色性和相干性好的特點。在無煙情況下，脈沖激光束射到光電接收器上，轉換成電信號，報警器不發出報警。一旦激光束在發射過程中有煙霧遮擋而減弱到一定程度，使光電接收器信號顯著減弱，探測器發出報警信號。在種類繁多的激光光源中，半導體激光器由于具有所需激發電壓低、效率高、脈沖功率大、器件體積小、耐震、壽命長和價格低廉等優點而受到重視。

c、紫外光和紅外光感煙探測器。它們具有靈敏度高、性能穩定、可靠、探測方位準確等優點，因而得到普遍重視，并成為目前火災探測器的重要設備和發展方向。

光電式感煙探測器發展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現早期火災報警，除應用于大型建筑物內部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。

（2）感溫火災探測器

感溫探測器按結構原理不同有雙金屬片型、膜盒型、熱敏電子元件型等三種。

①雙金屬片型是應用兩種不同膨脹系數的金屬片作為敏感元件的，一般制成差溫和定溫兩種形式，定溫式是當環境溫度上升達到設定溫度時，定溫部件立即動作，發出報警信號；差溫式是當環境溫度急劇上升，其溫升速率（℃/min）達到或超過探測器規定的動作溫升速率時，差溫部件立即動作，發出報警信號。

②膜盒型探測器由波紋板組成一個氣室，室內空氣只能通過氣塞螺釘的小孔與大氣相通。一般情況下（指環境溫升速率不大于1℃/min），氣室受熱，室內膨脹的氣體可以通過氣塞螺釘小孔泄漏到大氣中去。當發生火災時，溫升速率急劇增加，氣室內的氣壓增大，波紋板向上鼓起，推動彈性接觸片，接通電接點，發出報警信號。

③電子感溫探測器由兩個阻值和溫度特性相同的熱敏電阻和電子開關線路組成，兩個熱敏電阻中一個可直接感受環境溫度的變化，而另一個則封閉在一定熱容量的小球內。當外界溫度變化緩慢時，兩個熱敏電阻的阻值隨溫度變化基本相接近，開關電路不動作。火災發生時，環境溫度劇烈上升，兩個熱敏電阻阻值變化不一樣，原來的穩定狀態破壞，開關電路打開，發出報警信號。

3）火災探測器的選擇

（1）根據火災的特點選擇探測器

①火災初期有陰燃階段，產生大量的煙和少量熱，很小或沒有火焰輻射，應選用感煙探測器。

②火災發展迅速，產生大量的熱、煙和火焰輻射，可選用感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器或其組合。

③火災發展迅速、有強烈的火焰輻射和少量煙和熱、應選用火焰探測器。

④火災形成特點不可預料，可進行模擬試驗，根據試驗結果選擇探測器。

（2）根據安裝場所環境特征選擇探測器

①相對濕度長期大于95%，氣流速度大于5m/s，有大量粉塵、水霧滯留，可能產生腐蝕性氣體，在正常情況下有煙滯留，產生醇類、醚類、酮類等有機物質的場所，不宜選用離子感煙探測器。

②可能產生陰燃或者發生火災不及早報警將造成重大損失的場所，不宜選用感溫探測器；溫度在0℃以下的場所，不宜選用定溫探測器；正常情況下溫度變化大的場所，不宜選用差溫探測器。

③有下列情形的場所，不宜選用火焰探測器：

a、可能發生無焰火災；

b、在火焰出現前有濃煙擴散；

c、探測器的鏡頭易被污染；

d、探測器的‘視線’易被遮擋；

e、探測器易被陽光或其他光源直接或間接照射；

f、在正常情況下，有明火作業以及X射線、弧光等影響。

高層民用建筑及探測器的靈敏度選擇，應據探測器的性能及使用場所，正常情況下（無火警時）系統沒有誤報警為準進行選擇。目前，國內高層建筑中，大部分使用光電感煙測器，只有在個別場所、廚房、發電機房、車庫及有氣體滅火裝置的場所才用感溫探測器。只用一種探測器，在聯動的系統里易產生誤動作，這將造成不必要的損失，無聯動的系統里易誤報。故應選用兩種或兩種以上種類探測器。他們是“與”的邏輯關系，當兩種或兩種以上探測器同時報警，聯動裝置才動作，這樣才能確保不必要的損失

總之，探測器選擇應根據實際環境情況選擇合適的探測器，以達到及時、準確報警的目的。

4）手動報警按鈕

報警區域內每個防火分區應至少設置一個手動火災報警按鈕，且從一個防火分區里的任何位置至最近一個手動火災報警按鈕的距離不應大于30m，并應設置在明顯和便于操作的位置。手動報警按鈕距地面1.5m。

2、自動報警裝置

我國火災自動報警裝置的研究、生產和應用雖然起步較晚，但發展非常快，特別是最近幾年，隨著我國四化建設的迅速發展和消防工作的不斷加強，火災自動報警裝置的生產和應用都有了較大的發展，生產廠家、產品種類和產量及應用單位都不斷地增加。我國目前生產的火災自動報警裝置是包括報警顯示、故障顯示和發出控制指令的自動化成套裝置。當接收到火災探測器、手動報警按鈕或其他觸發器件發送來的火災信號時，能發出聲光報警信號，記錄時間、自動打印火災發生的時間、地點、并輸出控制其他消防設備的指令信號，組成自動滅火系統。目前，生產、使用的自動報警裝置，多采用多線制，分為區域報警控制器、集中報警控制器和智能型火災報警控制器。

（1）區域報警控制器

區域報警器是一種由電子電路組成的自動報警和監視裝置。它聯結一個區域內的所有火災探測器，準確、及時的進行火災自動報警。因此，每臺區域報警器和所管轄區域內的火災探測器經正確連接后，就能構成完整、獨立的自動火災報警裝置。

區域報警器的基本原理如下：

①接收探測器或手動報警按鈕發出的火災信號，以聲光的形式進行報警；

②電子鐘可以記憶首次發生火災的時間；

③可以帶動若干對繼電器觸點給出適當外接功能；可

④以配置備用直流電源，當市電斷電時，直流備用電便自動投入；

⑤具有自檢功能，當區域報警器與探測器之間有接觸不良或斷線時，報警器發出開路或短路的故障聲、光報警信號并自動顯示故障部位；

⑥具有“火警優先”功能，各類報警信號至區域報警器，經信號選擇電路處理后，進行火災、短路、開路判斷，報警器首先發出火災報警信號，指示具體著火部位，發出火警音響，記憶火警信號、開路、短路故障信號；

⑦通過通訊接口電路將三類信號送至集中報警控制器。區域報警控制器將接收到的探測器火警信號進行“與”“或”邏輯組合，控制繼電器動用聯動外部設備，如排煙閥、送風閥、防火門等。

目前國內各廠家生產的區域報警器的容量即監控部位多少不同。不同型號的區域報警器需與不同型號的探測器相連接。以西安262廠生產的JB-QB-2700/088A系列區域報警器為例，它有壁掛式、柜式兩種，最大容量為256路，一路是一個部位號，一個探測器占一個部位號。

在工程設計中，選擇區域報警控制器的容量應大于該區域的探測器數。如一建筑物以一層為一個區，共24個房間，每個房間一個探測器，共24個，則應選擇30路區域報警控制器。若48個房間，則應選擇50回路區域報警控制器。

（2）集中報警控制器

集中報警控制器的基本原理如下：

①把若干個區域報警器連接起來，組成一個系統，集中管理；

②可以巡回檢測相連接的各區域報警器有無火災信號或故障信號，并能及時指示火災區部位和故障區域，同時發出聲、光報警信號；

③其他功能、原理同區域報警控制器。

在系統中如只有探測器和集中報警器是不能工作的。因為集中報警器的巡檢功能、火災報警功能、自檢功能等都是與區域報警器構成系統后才具備的。所以，只有區域報警器與集中報警器配合使用，才能構成自動火災報警系統。

集中報警系統適用于大型、復雜工程。集中報警器最大容量可接40臺區域報警器。

（3）智能型火災報警控制器

智能型火災報警控制器的基本原理如下：

①采用模擬量探測器，能對外界非火災因素，諸如溫度、濕度和灰塵等影響實施自動補償，從而在各種不同使用條件下為解決無災誤報和準確報警奠定了技術基礎；

②報警控制器采用全總線計算機通信技術，實現總線報警和總線聯動控制，減少了控制輸出與執行機構之間的長距離管線；

③采用大容量的控制矩陣和交叉查尋程序軟件包，以軟件編程代替硬件組合，提高了消防聯動的靈活性和可修改性。

262廠生產的NA1000系列火災報警控制器就屬此類形式。

（4）自動報警裝置的選擇

火災自動報警系統中，所選用的火災報警裝置應具有以下基本功能：

①能為火災探測器供電；

②能接收來自火災探測器或手動報警按鈕的報警信號；

③能檢測并發出系統本身的故障信號；

④能檢查火災報警器的報警功能；

⑤具有電源轉換功能。

火災報警控制器的選擇，一般考慮下列因素：

①火災探測器、火災報警器宜選用同一廠家的配套產品；

②報警系統所需回路數量；

③是否需要自動消防聯動控制功能；

④安裝位置和安裝方式等。

（二）消防聯動控制系統的組成

消防聯動控制范圍很廣，據實際工程的大小、等級高低的不同各異。聯動控制設備有消火栓、水滅火、氣體滅火、防火門、防火卷簾、排風機、空調設施、防火閥、排煙閥、電梯、誘導燈、事故燈、警鈴、切斷工作電源等。

二、系統選擇

火災自動報警系統的保護對象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性質、重要程度、火災危險性、建筑結構形式、耐火等級、分布狀況、環境條件以及管理形式等各不相同。在設計中應仔細研究這些情況，根據不同的情況選擇不同的火災自動報警系統。

（一）系統確定

火災自動報警系統是觸發器件、火災報警裝置、火災警報裝置以及具有其他輔助功能的裝置組成的火災報警系統，是人們為了早期發現通報火災、并及時采取有效措施，控制和撲滅火災而設置在建筑中或其他場所的一種自動消防設施，是人們同火災作斗爭的有力工具。

報警系統的確定一般是整個系統中報警部位總點數，包括探測器數量、手動報警按鈕數量及消火栓、自動門、自動閥、行程開關等總數量來確定。也就是說與建筑物大小、等級、使用功能有關。火災自動報警系統的組成形式多種多樣，特別是近年來，科研、設計單位與制造廠家聯合開發了一些新型的火災自動報警系統，如智能型、全總線型等，但在工程應用中，采用最廣泛的是如下三種基本形式：區域報警系統、集中報警系統、控制中心報警系統。

1、區域報警系統

該系統一個報警區域宜設置一臺區域報警控制器，系統中區域報警控制器不應超過3臺，區域報警控制器宜設于有人值班的房間、場所。

系統的組成見下圖。

2、集中報警系統

報警區域較多、區域報警控制器超過3臺時，采用集中報警系統。集中報警系統至少有一臺集中報警控制器和兩臺以上區域報警控制器集中報警控制器應設置有人值班的專用房間或消防班室內。

系統的組成見下圖。

3、控制中心報警系統

工程建筑規模大、保護對象重要、設有消防控制設備和專用消防控制室時，采用控制中心報警系統。

系統的組成見下圖。

以上各系統布線方式與探測器、報警器種類有關。采用二線制（即區域報警器到每一個探頭為二線）。區域報警器單獨使用為N+1式，到集中報警器為N+N/8+1+3+1式，設計、施工比較方便，而且降低造價。

除以上系統外，國內各廠家又相繼推出總線制報警器。不同廠家總線制系統各異，但共同點都是總線制、地址編碼形式。

（1）二總線制集中報警系統。區域報警器到探測器的線路傳輸只需二條總線，每一部位的控制器都有自己的編號，即一個部位一個編址單元。如JB-QB-50-2700/076型為例，它采用了先進的單片機技術，CPU主機將不斷地向各編址單元發碼。當編址單元接收到主機發來的信號后，加以判斷：如果編址單元的碼與主機的發碼相同，該編址單元響應。主機接收到編址單元返回的地址及狀態、信號，進行判斷處理：如果編址單元正常，主機將繼續向下巡檢；經判斷如果是故障信號，將發出故障區域聲、光報警信號。發生火災時，經主機確認后，火警信號被記憶，同時發出火災區域聲、光報警信號。

在實際工程應用中，如果用一臺區域報警器控制一層樓，在二總線上可接50個編址單元；控制二層，每層二總線上可接35個編址單元；控制三層，每層二總線上可接25個編址單元。076型區域報警器的擴展型最多可設置200個編址單元。

（2）三總線制集中報警系統。該報警器是由單片機8031為中央控制單元，計算機管理的三線制報警器。三總線制系統通過三總線與被控的各區域報警器相聯。三總線制在工程應用中有兩種形式：樓層復示器——集中報警器系統、區域報警器——集中報警器系統。

①樓層復示器——集中報警器系統

樓層復示器可以對編址探測器發碼、收碼，顯示本層的報警部位，具有斷線故障自動報警功能。該系統適用于每層不超過32個報警部位，樓層無值班點，首層設有消防總值班室的建筑。

②區域報警器——集中報警器系統

由區域報警器和標準集中報警器組成的兩級管理總線制火災報警系統，適用于每層報警部位多少不一，并設有樓層服務臺的中型賓館等建筑物。

采用總線制報警系統布線簡單，設計、施工方便，與其他報警系統相比多一些接口元件。

（二）消防聯動控制系統

消防聯動控制系統有無聯動、現場聯動、集中聯動等幾種形式。

在實際工程中，報警系統與消防聯動系統的配合有以下幾種形式：

1、區域——集中報警、橫向聯動控制系統。

此系統每層有一個復合區域報警控制器，他具有火災自動報警功能，能接收一些設備的報警信號，如手動報警按鈕、水流指示器、防火閥等，聯動控制一些消防設備，如防火門、卷簾門、排煙閥等，并向集中報警器發送報警信號及聯動設備動作的回授信號。此系統主要適用于高級賓館建筑，每層或每區有服務人員值班，全樓有一個消防控制中心，有專門消防人員值班。

2、區域——集中報警、縱向聯動控制系統。

此系統主要適用于高層“火柴盒”式賓館建筑。這類建筑物標準層多，報警區域劃分比較規則，每層有服務人員值班，整個建筑物設置一個消防控制中心。

3、大區域報警、縱向聯動控制系統。

此系統主要適用于沒有標準層的辦公大樓，如情報中心、圖書館、檔案館等。這類建筑物的每層沒有服務人員值班，不宜設區域報警器，而在消防中心設置大區域報警器，有專門消防人員值班。

4、區域——集中報警、分散控制系統。

此系統在聯動設備的現場安裝有“控制盒”，以實現設備的就地控制，而設備動作的回授信號送到消防中心。消防中心的值班人員也可以手動操作聯動設備。此系統主要適用于中、小型高層建筑及房間面積大的場所。

此外，還有自動報警和消防控制于一體的滅火裝置系統，如FJ-2714自動滅火裝置。此系統主要適用于計算機房、發電機房、貴重物品倉庫、檔案庫、書庫等場所的火災自動報警及自動滅火。氣體滅火、藥劑滅火具有能力強、效率高、對金屬腐蝕性小、不導電、長期存儲不變質、不污損滅火對象等優點，但造價高。

第2篇

CPAC和其中一個客戶端構成的銀行自動化存取控制系統總體結構。控制系統由上位機和下位機兩部分組成。上位機是計算機系統，包含控制中心計算機、客服端計算機及打印機、磁卡閱讀器與密碼鍵盤等配套設備；下位機是CPAC、端子板及存取機械手與取箱口所用的6個伺服電機及驅動器。由于CPAC只能控制8個伺服電機，控制存取機械手與取箱口1已經占用了6個接口，而一個取箱口遠遠不能滿足客戶的需求。當取箱口數量超過一個后，用PLC控制其余出箱口，PLC與CPAC之間通過RS485總線通訊，由CPAC作為主控制器協調PLC實現存取保管箱操作。整個系統工作在由交換機組建的星形局域網中，各部分之間基于TCP／IP協議進行通訊。

2控制系統設計

2.1控制過程安全機制

2.1.1限位

為避免因軟件錯誤或硬件故障導致的執行機構上的運行失控，保護硬件設備與操作人員的安全，在存取機械手與取箱口的每個控制軸上除了在導軌的兩端安裝有硬件限位塊外，還必須使用限位開關來限制各軸的運動范圍。軟限位與硬限位配合使用，可以有效地防止運動部件跑出導軌。

2.1.2報警

當檢測到驅動器報警信號以后，CPAC將關閉該軸的伺服使能，急停該軸的伺服電機，同時該軸報警觸發標志位置。程序中檢測到報警觸發標志位以后，將故障狀態報告控制中心，同時點亮報警燈并開啟蜂鳴器，等待人工處理。

2.2運行速度的規劃

在本控制系統中，CPAC工作采用點位運動模式。在運動控制中，梯形速度曲線以耗能低、速度快、容易實現等優點成為常用的速度控制曲線。其速度與加速度的變化曲線如圖3所示。然而由于梯形速度曲線采用線性加速方式，其對應的加速度曲線不連續，因此存在柔性沖擊，導致執行機構在運動過程中的平穩性能差。為了既獲得平滑的加速度，又不失去梯形速度曲線的優勢，將梯形速度曲線加以改進得到S型速度曲線。S型速度曲線的運動過程由加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段組成。本控制系統采用該速度曲線作為存取機械手各軸的速度控制曲線，避免了柔性沖擊因素。S型速度曲線由CPAC通過設置各軸運動參數中的平滑時間來實現。

2.3控制系統作業方式

在銀行保管箱自動存取系統中，存取機械手執行任務時可以選擇單一作業方式或復合作業方式。單一作業方式是：存取機械手從原點位置出發運行到任務指定的保管箱位置，將保管箱取出并送到取箱口，客戶操作完成后從取箱口處把保管箱送回箱架，然后返回原點位置。復合作業方式是：存取機械手接收到一批存／取保管箱任務后，從原點位置出發運行到第一個任務指定的保管箱位置，將保管箱取出并送到取箱口，客戶操作完成后從取箱口處把保管箱送回箱架，之后存取機械手不返回原點，而是直接執行下一個任務，不斷循環直到完成所有任務。

2.4CPAC運動控制

CPAC的運動控制部分是整個軟件系統設計的核心部分。CPAC運動控制軟件主要由系統初始化模塊、用戶界面模塊、運動控制模塊、數據讀寫模塊和網絡通信模塊組成。運動控制程序首先調用系統初始化模塊，然后檢查有無故障，如果系統運行正常，則通過網絡連接控制中心，查詢CPAC的控制方式，如果為手動模式，則進入手動模式運動控制子程序，否則進入自動模式運動控制子程序。用戶界面模塊為客戶提供登錄界面、圖形化的存／取保管箱命令，并顯示系統執行結果。運動控制模塊通過在OtoStudio軟件中調用CPAC運動控制庫GUC－X00－TPX．lib中的運動控制函數執行以下功能：設置伺服電機的速度、加速度、移動距離（脈沖數）；讀取光電開關對應的數字輸入口獲取光電開關的觸發狀態；往數字輸出口寫“1”、“0”來打開、關閉電磁開關。通過控制存取機械手、取箱口的執行機構、拉板以及拉勾的動作，實現保管箱的自動存取操作。數據讀寫模塊通過RS485總線控制激光條形碼閱讀器，讀取條形碼掃描結果。網絡通信模塊使CPAC通過以太連接控制中心，接收控制中心的命令與保管箱在箱架中的位置數據，并返回運行結果與報警信息。

3結束語

第3篇

本文介紹了一種空調機溫度控制系統。本溫度控制系統采用AT89C51單片機收集數據，處理數據來實現對溫度的調控。主要過程如下：利用傳感器將非電量信號轉換為電信號，轉換后的電信號再進入A/D轉換器轉換成數字量，傳送給單片機進行數據處理，并向設備輸出控制信號。由LED實時顯示被控溫度及設定溫度，使系統應用更加方便、直觀。

【關鍵詞】單片機、A/D轉換系統設計系統調試

緒論

單片機利用大規模集成電路技術把中央處理器和數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統。而現代的單片機則加上了中斷單元、定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。

第1章單片機空調控制系統

隨著中國人民環境的改善和人民生活質量的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求，建筑能耗占全社會總能耗的比例巨大且持續增長。據統計，2001年中國建筑能耗已達到3.76億噸標準煤，占總能耗的27.6%，年增長比例是5%。在發達國家中，供熱和空調的能耗很大，可占到社會總能耗的25%-30%。有資料統計，辦公樓中空調系統耗能量占總能量的25%左右，所以空調控制系統設計始終是建筑環境與設備領域中的重要研究課題之一。

1.1當前國內研究情況

1）在城市現代化建設過程中，用電結構發生變化，其中用在建筑物空調系統的電力負荷比例日益增加。據不完全統計，北京已有250余幢賓館、辦公樓和50余家大商場采用中央空調，其空調用電負荷達40萬kW。相當于華北電網為了調峰，耗資27億元而興建的十三陵抽水蓄能電站的1/2裝機容量。以廣東省為例，現有裝機容量已達30萬kW,并以每年30%的速度遞增，其用電負荷已占總共電量的40%以上。

2）改革開放以來，我國經濟的高速發展和人民物質生活水平的不斷提高，對電力供應不斷提出新的挑戰。盡管我國發電裝機容量已超過2億Kw,年發電量已突破9000億kWh。然而，目前我國電力供應仍很緊張。突出的矛盾是電網峰谷負荷差加大，夜間至清晨谷段負荷率低，而高峰段電力嚴重不足，有的電網峰谷負荷之差達25%-30%，造成白天經常拉閘限電，夜間有電送不出的現象。

3）由于空調用電負荷一般在電力谷段用量甚少，對城市點昂具有很大的“肖鋒填谷“潛力，而在中央空調中，制冷系統的用電量通常占整個空調系統用電量的40%-50%，如以商場為例，每10萬m2空調制冷系統的須用電功率約為7000-9000KW。因此，空調蓄冷系統應運而生，并將日益展示他廣闊的應用前景

1.2空調控制系統的組成以及基本工作原理

空調系統的基本組成形式可分為三大組成部分，分別是：冷熱源設備（主機）、空調末端設備、附件及管道系統。該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

1.2.1控制器原理

該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

本系統硬件簡單可靠，軟件具有更完善的控制功能和抗干擾能力。系統具有很高的性能價格比

系統CPU根據遙控器或按鍵輸入的命令，對采集到的溫度進行智能判斷，然后作出相應的制冷、制熱或除溫運行。再通過接口電路，驅動壓縮機、換向閥、風向電機和室內風機作相應動作，并對溫度用LED指示。系統的原理框圖如圖1所示。

1.3軟件設計

軟件設計采用模擬化處理，主控程序包括以下幾個部分：程序的初始化、試運轉、數據和信號的采集與處理、溫度LED指示、室內風機的閉環積分控制、室內風向電機的步進控制。功能子程序包括制冷、制熱、除濕、自動四種運行模式。中斷程序包括遙控接收。各種定時的中斷查詢處理、速度檢測等。系統的主控程序流程如圖4所示。

1.4硬件設計

1.4.1單片機的選擇

系統有3路溫度模擬信號輸入，還有1路電壓和1路電流模擬輸入，共5路模擬輸入要求；而模擬信號要轉換成數字信號才能用單片機CPU處理。為提高系統的性能價格比，應采用含有A/D轉換器的單片機。經過各方面的綜合比較，我們選用了美國Microchip公司的PIC16C72單片機作為控制核心。它具有5路模擬量輸入的A/D轉換器，恰好滿足系統的模擬輸入要求。另外，它在1塊芯片上集成了1個8位邏輯運算單元和工作寄存器、2KB程序存儲器、128個數據存儲器、3個端口（A口、B口、C口）共22條I/O線、3個定時器/計數器。另外，只有35條易學易用而高效的RISC（精簡指令集計算機）指令，同時，芯片具看門狗功能，并提供對軟件運行出錯的保護。

1.4.2模擬輸入電路

本系統直接用熱敏電阻進行測溫，再加一級電容濾波。對外交換溫度檢測電路，因其干擾較大，特加上二極管限幅保護。對傳感器的不同電阻值，將其所對應的不同分壓值輸入至PIC單片機的A/D轉換口，在單片機內部轉換成數字信號。該檢測電路結構簡單，性能價格比高。又因采用的單片機為8位，所以溫度轉換精度高，可為0.5℃，完全滿足了空調的信號檢測精度要求。對過流信號的檢測，不用經過比較器，節約了資源；而是采用模擬信號整流分壓后直接輸入，通過單片機自帶的A/D轉換器，每500μs對其進行一次檢測，并進行軟件比較，以確認是否過流。對過零電壓信號的檢測，也是采用模擬信號整流分壓后直接輸入。因兩個半的過零點都要檢測，所以用橋式整流。模擬輸入電路如圖2所示。

1.5單片機控制系統的調試

1.5.1硬件調試

根據設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。

1）脫機檢查

用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數據總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。

1.5.2仿真調試

暫時排除目標板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調試，調試各部分接口電路是否滿足設計要求。這部分工作是一種經驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統設計的準確性。其次是調試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調試。

1.5.3硬件電路調試的一般順序

1）檢查CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。

2）檢查ABUS/DBUS的分時復用功能的地址鎖存是否正常。

3）檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重疊故障。

4）對擴展的RAM、ROM進行檢查調試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過‘0’、‘1’代碼。

5）用戶級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。

1.5.4軟件調試

軟件調試根據開發的設備情況可以有以下方法：

1）交叉匯編

用IBMPC/XT機對MCS—51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBMPC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS—51HEX目標代碼和LIST文件。

2）用匯編語言

現在有些單片STD工業控制機或者開發系統，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調試。

3）手工匯編

這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實質就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調試。在進行手工匯編時，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。

4）以上3種方法調試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標代碼寫入EPROM中，并將其插至機器的相應插座上，系統便可投入運行。

硬件、軟件仿真調試經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件聯合仿真調試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復修改和調試。實驗室調試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現場進行運行和進一步調試，并根據運行及調試中的問題反復進行修改。

1.5.5調試

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。根據工作經驗，前面敘述的系統調試方法將會有助于從事這方面工作的技術人員及本專業的學習者。

第2章單片機的空調控制系統技術和量化要求

2.1空調控制系統的數字化控制

（以Infineon的8位單片機C504/C508）為例

2.1.1模糊智能控制

與普通空調的運行方式不同，變頻空調的壓縮機需要連續運行。其速度調節變得更加重要，要確保室內溫度波動限制在較小范圍內。事實上永磁直流無刷電機是一個多變量，非線性，強耦合的對象，需要智能控制才能取得比較滿意的效果。考慮到8位單片機的資源有限，本系統采用模糊控制來實現電機轉速的控制。因為C504/C508的CCU單元的通道0在塊交換模式下降了參與電機換相外，還可用來完成捕獲動作，故這個通道可以同時用于電機速度檢測。系統所用的模糊控制規則如下式：U=αE+（1-α）E式中，E為位速度誤差，Ec為速度誤差變化率，α為加權系數，在0和1之間取值，U為控制器輸出。通過調整加權系數，本系統可以對控制規則進行在線修正。

2.1.2功率變換電路

功率變換電路及其驅動和保護是直流無刷電機調速系統的最核心的部分。功率變換電路主要是整流橋和逆變橋。目前在國內變頻空調產品中這部分電路的角色主要是由智能功率模塊（IPM）來充當。所謂IPM，就是將功率變換電路，驅動，保護，檢測，輔助電源都集成在一個模塊內。

2.1.3單片機控制系統中控制算法

(1)直接數字控制

當被控對象的數學模型能夠確定時，可采用直接數字控制。所謂數學模型就是系統動態特性的數學表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態之間的關系。一般多用實驗的方法測出系統的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數學模型。現在經常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主要任務就是按此差分方程計算并輸出控制量，進而實現控制。

(2)數字化PID控制

由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統，以滿足各種不同控制系統的要求。

2.2單片機控制系統的數字化

2.21采用數字化負荷隨動控制理論

運用現代化計算機技術、數字化自動控制技術，對中央空調設備運行進行綜合、優化；針對中央空調主機和輔機系統運行的工況和末端負荷的變化，采集其瞬間多種變化參數，對負荷進行隨動跟蹤；自動、準確、及時地對冷凍（溫）水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機設備的運行參數進行采集，對系統各設備自動進行實時優化控制，使中央空調主機運行環境得以優化，使得主機工質和輔機系統各種流量跟隨末端負荷的變化而同步變化，確保中央空調系統在滿足舒適性的前提下，大幅度降低系統的能源消耗。即把負荷運行所不需要的，而系統運行又將會產生的這部分多余的冷量節省下來。

2.22中央空調數字化負荷隨動節能控制系統

控制精度高，同頻精度和穩定性好，可使中央空調系統節能達到20%以上。該技術、產品在國內、國外處于領先水平，具有高效節能、安全、舒適和方便管理的顯著效果。

第3章結論

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。隨著我國經濟實力的增長，開發新產品的思路上過去那種過多注重價格因素而使新產品開發上不了檔次的弱點有所改善，開始注意使用當前最先進的單片機開發高檔次的產品。由于單片機的開發手段目前仍以仿真器為主，公司能否提供廉價的仿真器，提供方便的技術服務與培訓，較之能否提供高性能、低價位的單片機有著同等的重要性。各單片機廠商在開發工具以及技術服務方面也進行著激烈的競爭。這種競爭與推出新型的單片機以顯示高技術方面的優勢是相輔相成的。競爭的結果是為單片機應用工程師提供更廣闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產品的消費者，由于單片機對各行各業都有用，這種電子技術的進步導致各行各業的進步，也帶動了人類文明的進步。

【參考文獻】

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[2]張義和《ProtelPCB99電路板設計教程》青島出版社2000

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[6]吳金戌、沈慶陽、郭庭吉《8051單片機實踐與應用》清華大學出版社2002.

[7]數字電子技術

[8]模擬電子技術

[9]單片機原理機接口技術

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[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列單片機原理與接口技術.人民郵電出版社2004-5

第5章致謝

本論文設計在（）老師的悉心指導和嚴格要求下業已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著（）老師的心血和汗水，在我的畢業論文寫作期間，（）老師為我提供了種種專業知識上的指導和一些富于創造性的建議，沒有這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業論文。在此向（）老師表示深深的感謝和崇高的敬意。

在臨近畢業之際，我還要借此機會向在這四年中給予了我幫助和指導的所有老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。不積跬步何以至千里，各位任課老師認真負責，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業知識，并在設計中得以體現，順利完成畢業論文。