控制系统设计论文范文

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第1篇

关键词：火灾自动报警消防联动控制系统电气设计

现代化的建筑规模大、标准高、人员密集、设备众多，对防火要求极为严格。为此，除对建筑物平面布置、建筑和装修材料的选用、机电设备的选型与配置有许多限制条件外，还需要设置现代化的消防设施。随着我国经济建设的发展，各种高层建筑、大中型商业建筑、厂房不断涌现，对自动消防报警系统提出了更高更严的要求。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，在现代化的工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。电气工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全而且也直接关系到各种消防设施能否真正发挥作用。因此，自动报警及消防联动的设计及设备选型显得尤为重要。

一、系统的组成

火灾自动报警与消防联动控制系统是建筑物防火综合监控系统，由火灾报警系统和消防联动控制系统组成。在实际工程应用中，系统的组成是多种多样的，设备量的多少、设备种类都会有很大的不同。但是，决定系统特征的是火灾自动报警和消防联动控制这两个系统的实现方式。

（一）火灾自动报警系统的组成

夜上海论坛 火灾自动报警系统一般由探测器、信号线路和自动报警装置三部分组成。

1、火灾探测器和手动报警按钮

夜上海论坛 火灾探测器是整个报警系统的检测元件。它的工作稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标直接影响着整个消防系统的运行。

夜上海论坛 1）探测器的种类

火灾探测器的种类很多，大致有如下几种：

夜上海论坛 （1）离子感烟探测器。

夜上海论坛 （2）光电感烟探测器。

（3）感温探测器（包括定温式和差温式）。

（4）气体式探测器。

夜上海论坛 （5）红外线式探测器。

夜上海论坛 （6）紫外线式探测器。

夜上海论坛 2）常用的火灾探测器基本原理

夜上海论坛 （1）感烟火灾探测器

火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。

①离子感烟探测器

离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的α射线被阻挡，使其电离能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量达到一定值时，开关电路动作、发出报警信号。

②光电感烟探测器

光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

夜上海论坛 a、一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。

遮光型光电感烟探测器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。当火灾发生有烟雾进入探测器，使光的传播特性改变，光强明显减弱，电路正常状态被破坏，则发出报警信号。

散射光电式感烟探测器的发光二极管和光电元件设置的位置不是对应的。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态。而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。

b、激光式感烟探测器。由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大及报警）组成。它利用激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，探测器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。

c、紫外光和红外光感烟探测器。它们具有灵敏度高、性能稳定、可靠、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

夜上海论坛 （2）感温火灾探测器

感温探测器按结构原理不同有双金属片型、膜盒型、热敏电子元件型等三种。

①双金属片型是应用两种不同膨胀系数的金属片作为敏感元件的，一般制成差温和定温两种形式，定温式是当环境温度上升达到设定温度时，定温部件立即动作，发出报警信号；差温式是当环境温度急剧上升，其温升速率（℃/min）达到或超过探测器规定的动作温升速率时，差温部件立即动作，发出报警信号。

夜上海论坛 ②膜盒型探测器由波纹板组成一个气室，室内空气只能通过气塞螺钉的小孔与大气相通。一般情况下（指环境温升速率不大于1℃/min），气室受热，室内膨胀的气体可以通过气塞螺钉小孔泄漏到大气中去。当发生火灾时，温升速率急剧增加，气室内的气压增大，波纹板向上鼓起，推动弹性接触片，接通电接点，发出报警信号。

③电子感温探测器由两个阻值和温度特性相同的热敏电阻和电子开关线路组成，两个热敏电阻中一个可直接感受环境温度的变化，而另一个则封闭在一定热容量的小球内。当外界温度变化缓慢时，两个热敏电阻的阻值随温度变化基本相接近，开关电路不动作。火灾发生时，环境温度剧烈上升，两个热敏电阻阻值变化不一样，原来的稳定状态破坏，开关电路打开，发出报警信号。

夜上海论坛 3）火灾探测器的选择

（1）根据火灾的特点选择探测器

①火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。

②火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。

③火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量烟和热、应选用火焰探测器。

④火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。

（2）根据安装场所环境特征选择探测器

①相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。

②可能产生阴燃或者发生火灾不及早报警将造成重大损失的场所，不宜选用感温探测器；温度在0℃以下的场所，不宜选用定温探测器；正常情况下温度变化大的场所，不宜选用差温探测器。

③有下列情形的场所，不宜选用火焰探测器：

夜上海论坛 a、可能发生无焰火灾；

夜上海论坛 b、在火焰出现前有浓烟扩散；

c、探测器的镜头易被污染；

d、探测器的‘视线’易被遮挡；

e、探测器易被阳光或其他光源直接或间接照射；

夜上海论坛 f、在正常情况下，有明火作业以及X射线、弧光等影响。

高层民用建筑及探测器的灵敏度选择，应据探测器的性能及使用场所，正常情况下（无火警时）系统没有误报警为准进行选择。目前，国内高层建筑中，大部分使用光电感烟测器，只有在个别场所、厨房、发电机房、车库及有气体灭火装置的场所才用感温探测器。只用一种探测器，在联动的系统里易产生误动作，这将造成不必要的损失，无联动的系统里易误报。故应选用两种或两种以上种类探测器。他们是“与”的逻辑关系，当两种或两种以上探测器同时报警，联动装置才动作，这样才能确保不必要的损失

总之，探测器选择应根据实际环境情况选择合适的探测器，以达到及时、准确报警的目的。

4）手动报警按钮

夜上海论坛 报警区域内每个防火分区应至少设置一个手动火灾报警按钮，且从一个防火分区里的任何位置至最近一个手动火灾报警按钮的距离不应大于30m，并应设置在明显和便于操作的位置。手动报警按钮距地面1.5m。

2、自动报警装置

夜上海论坛 我国火灾自动报警装置的研究、生产和应用虽然起步较晚，但发展非常快，特别是最近几年，随着我国四化建设的迅速发展和消防工作的不断加强，火灾自动报警装置的生产和应用都有了较大的发展，生产厂家、产品种类和产量及应用单位都不断地增加。我国目前生产的火灾自动报警装置是包括报警显示、故障显示和发出控制指令的自动化成套装置。当接收到火灾探测器、手动报警按钮或其他触发器件发送来的火灾信号时，能发出声光报警信号，记录时间、自动打印火灾发生的时间、地点、并输出控制其他消防设备的指令信号，组成自动灭火系统。目前，生产、使用的自动报警装置，多采用多线制，分为区域报警控制器、集中报警控制器和智能型火灾报警控制器。

（1）区域报警控制器

夜上海论坛 区域报警器是一种由电子电路组成的自动报警和监视装置。它联结一个区域内的所有火灾探测器，准确、及时的进行火灾自动报警。因此，每台区域报警器和所管辖区域内的火灾探测器经正确连接后，就能构成完整、独立的自动火灾报警装置。

区域报警器的基本原理如下：

夜上海论坛 ①接收探测器或手动报警按钮发出的火灾信号，以声光的形式进行报警；

②电子钟可以记忆首次发生火灾的时间；

夜上海论坛 ③可以带动若干对继电器触点给出适当外接功能；可

④以配置备用直流电源，当市电断电时，直流备用电便自动投入；

夜上海论坛 ⑤具有自检功能，当区域报警器与探测器之间有接触不良或断线时，报警器发出开路或短路的故障声、光报警信号并自动显示故障部位；

夜上海论坛 ⑥具有“火警优先”功能，各类报警信号至区域报警器，经信号选择电路处理后，进行火灾、短路、开路判断，报警器首先发出火灾报警信号，指示具体着火部位，发出火警音响，记忆火警信号、开路、短路故障信号；

⑦通过通讯接口电路将三类信号送至集中报警控制器。区域报警控制器将接收到的探测器火警信号进行“与”“或”逻辑组合，控制继电器动用联动外部设备，如排烟阀、送风阀、防火门等。

夜上海论坛 目前国内各厂家生产的区域报警器的容量即监控部位多少不同。不同型号的区域报警器需与不同型号的探测器相连接。以西安262厂生产的JB-QB-2700/088A系列区域报警器为例，它有壁挂式、柜式两种，最大容量为256路，一路是一个部位号，一个探测器占一个部位号。

夜上海论坛 在工程设计中，选择区域报警控制器的容量应大于该区域的探测器数。如一建筑物以一层为一个区，共24个房间，每个房间一个探测器，共24个，则应选择30路区域报警控制器。若48个房间，则应选择50回路区域报警控制器。

夜上海论坛 （2）集中报警控制器

集中报警控制器的基本原理如下：

①把若干个区域报警器连接起来，组成一个系统，集中管理；

②可以巡回检测相连接的各区域报警器有无火灾信号或故障信号，并能及时指示火灾区部位和故障区域，同时发出声、光报警信号；

③其他功能、原理同区域报警控制器。

在系统中如只有探测器和集中报警器是不能工作的。因为集中报警器的巡检功能、火灾报警功能、自检功能等都是与区域报警器构成系统后才具备的。所以，只有区域报警器与集中报警器配合使用，才能构成自动火灾报警系统。

集中报警系统适用于大型、复杂工程。集中报警器最大容量可接40台区域报警器。

夜上海论坛 （3）智能型火灾报警控制器

夜上海论坛 智能型火灾报警控制器的基本原理如下：

①采用模拟量探测器，能对外界非火灾因素，诸如温度、湿度和灰尘等影响实施自动补偿，从而在各种不同使用条件下为解决无灾误报和准确报警奠定了技术基础；

夜上海论坛 ②报警控制器采用全总线计算机通信技术，实现总线报警和总线联动控制，减少了控制输出与执行机构之间的长距离管线；

③采用大容量的控制矩阵和交叉查寻程序软件包，以软件编程代替硬件组合，提高了消防联动的灵活性和可修改性。

262厂生产的NA1000系列火灾报警控制器就属此类形式。

（4）自动报警装置的选择

火灾自动报警系统中，所选用的火灾报警装置应具有以下基本功能：

夜上海论坛 ①能为火灾探测器供电；

②能接收来自火灾探测器或手动报警按钮的报警信号；

夜上海论坛 ③能检测并发出系统本身的故障信号；

④能检查火灾报警器的报警功能；

⑤具有电源转换功能。

夜上海论坛 火灾报警控制器的选择，一般考虑下列因素：

①火灾探测器、火灾报警器宜选用同一厂家的配套产品；

夜上海论坛 ②报警系统所需回路数量；

夜上海论坛 ③是否需要自动消防联动控制功能；

④安装位置和安装方式等。

（二）消防联动控制系统的组成

夜上海论坛 消防联动控制范围很广，据实际工程的大小、等级高低的不同各异。联动控制设备有消火栓、水灭火、气体灭火、防火门、防火卷帘、排风机、空调设施、防火阀、排烟阀、电梯、诱导灯、事故灯、警铃、切断工作电源等。

夜上海论坛 二、系统选择

火灾自动报警系统的保护对象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性质、重要程度、火灾危险性、建筑结构形式、耐火等级、分布状况、环境条件以及管理形式等各不相同。在设计中应仔细研究这些情况，根据不同的情况选择不同的火灾自动报警系统。

（一）系统确定

火灾自动报警系统是触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其他辅助功能的装置组成的火灾报警系统，是人们为了早期发现通报火灾、并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾而设置在建筑中或其他场所的一种自动消防设施，是人们同火灾作斗争的有力工具。

报警系统的确定一般是整个系统中报警部位总点数，包括探测器数量、手动报警按钮数量及消火栓、自动门、自动阀、行程开关等总数量来确定。也就是说与建筑物大小、等级、使用功能有关。火灾自动报警系统的组成形式多种多样，特别是近年来，科研、设计单位与制造厂家联合开发了一些新型的火灾自动报警系统，如智能型、全总线型等，但在工程应用中，采用最广泛的是如下三种基本形式：区域报警系统、集中报警系统、控制中心报警系统。

夜上海论坛 1、区域报警系统

该系统一个报警区域宜设置一台区域报警控制器，系统中区域报警控制器不应超过3台，区域报警控制器宜设于有人值班的房间、场所。

系统的组成见下图。

夜上海论坛 2、集中报警系统

报警区域较多、区域报警控制器超过3台时，采用集中报警系统。集中报警系统至少有一台集中报警控制器和两台以上区域报警控制器集中报警控制器应设置有人值班的专用房间或消防班室内。

夜上海论坛 系统的组成见下图。

夜上海论坛 3、控制中心报警系统

工程建筑规模大、保护对象重要、设有消防控制设备和专用消防控制室时，采用控制中心报警系统。

夜上海论坛 系统的组成见下图。

以上各系统布线方式与探测器、报警器种类有关。采用二线制（即区域报警器到每一个探头为二线）。区域报警器单独使用为N+1式，到集中报警器为N+N/8+1+3+1式，设计、施工比较方便，而且降低造价。

夜上海论坛 除以上系统外，国内各厂家又相继推出总线制报警器。不同厂家总线制系统各异，但共同点都是总线制、地址编码形式。

（1）二总线制集中报警系统。区域报警器到探测器的线路传输只需二条总线，每一部位的控制器都有自己的编号，即一个部位一个编址单元。如JB-QB-50-2700/076型为例，它采用了先进的单片机技术，CPU主机将不断地向各编址单元发码。当编址单元接收到主机发来的信号后，加以判断：如果编址单元的码与主机的发码相同，该编址单元响应。主机接收到编址单元返回的地址及状态、信号，进行判断处理：如果编址单元正常，主机将继续向下巡检；经判断如果是故障信号，将发出故障区域声、光报警信号。发生火灾时，经主机确认后，火警信号被记忆，同时发出火灾区域声、光报警信号。

在实际工程应用中，如果用一台区域报警器控制一层楼，在二总线上可接50个编址单元；控制二层，每层二总线上可接35个编址单元；控制三层，每层二总线上可接25个编址单元。076型区域报警器的扩展型最多可设置200个编址单元。

夜上海论坛 （2）三总线制集中报警系统。该报警器是由单片机8031为中央控制单元，计算机管理的三线制报警器。三总线制系统通过三总线与被控的各区域报警器相联。三总线制在工程应用中有两种形式：楼层复示器——集中报警器系统、区域报警器——集中报警器系统。

①楼层复示器——集中报警器系统

夜上海论坛 楼层复示器可以对编址探测器发码、收码，显示本层的报警部位，具有断线故障自动报警功能。该系统适用于每层不超过32个报警部位，楼层无值班点，首层设有消防总值班室的建筑。

夜上海论坛 ②区域报警器——集中报警器系统

由区域报警器和标准集中报警器组成的两级管理总线制火灾报警系统，适用于每层报警部位多少不一，并设有楼层服务台的中型宾馆等建筑物。

采用总线制报警系统布线简单，设计、施工方便，与其他报警系统相比多一些接口元件。

夜上海论坛 （二）消防联动控制系统

夜上海论坛 消防联动控制系统有无联动、现场联动、集中联动等几种形式。

在实际工程中，报警系统与消防联动系统的配合有以下几种形式：

1、区域——集中报警、横向联动控制系统。

此系统每层有一个复合区域报警控制器，他具有火灾自动报警功能，能接收一些设备的报警信号，如手动报警按钮、水流指示器、防火阀等，联动控制一些消防设备，如防火门、卷帘门、排烟阀等，并向集中报警器发送报警信号及联动设备动作的回授信号。此系统主要适用于高级宾馆建筑，每层或每区有服务人员值班，全楼有一个消防控制中心，有专门消防人员值班。

夜上海论坛 2、区域——集中报警、纵向联动控制系统。

此系统主要适用于高层“火柴盒”式宾馆建筑。这类建筑物标准层多，报警区域划分比较规则，每层有服务人员值班，整个建筑物设置一个消防控制中心。

3、大区域报警、纵向联动控制系统。

此系统主要适用于没有标准层的办公大楼，如情报中心、图书馆、档案馆等。这类建筑物的每层没有服务人员值班，不宜设区域报警器，而在消防中心设置大区域报警器，有专门消防人员值班。

4、区域——集中报警、分散控制系统。

此系统在联动设备的现场安装有“控制盒”，以实现设备的就地控制，而设备动作的回授信号送到消防中心。消防中心的值班人员也可以手动操作联动设备。此系统主要适用于中、小型高层建筑及房间面积大的场所。

夜上海论坛 此外，还有自动报警和消防控制于一体的灭火装置系统，如FJ-2714自动灭火装置。此系统主要适用于计算机房、发电机房、贵重物品仓库、档案库、书库等场所的火灾自动报警及自动灭火。气体灭火、药剂灭火具有能力强、效率高、对金属腐蚀性小、不导电、长期存储不变质、不污损灭火对象等优点，但造价高。

第2篇

夜上海论坛 CPAC和其中一个客户端构成的银行自动化存取控制系统总体结构。控制系统由上位机和下位机两部分组成。上位机是计算机系统，包含控制中心计算机、客服端计算机及打印机、磁卡阅读器与密码键盘等配套设备；下位机是CPAC、端子板及存取机械手与取箱口所用的6个伺服电机及驱动器。由于CPAC只能控制8个伺服电机，控制存取机械手与取箱口1已经占用了6个接口，而一个取箱口远远不能满足客户的需求。当取箱口数量超过一个后，用PLC控制其余出箱口，PLC与CPAC之间通过RS485总线通讯，由CPAC作为主控制器协调PLC实现存取保管箱操作。整个系统工作在由交换机组建的星形局域网中，各部分之间基于TCP／IP协议进行通讯。

2控制系统设计

夜上海论坛 2.1控制过程安全机制

2.1.1限位

夜上海论坛 为避免因软件错误或硬件故障导致的执行机构上的运行失控，保护硬件设备与操作人员的安全，在存取机械手与取箱口的每个控制轴上除了在导轨的两端安装有硬件限位块外，还必须使用限位开关来限制各轴的运动范围。软限位与硬限位配合使用，可以有效地防止运动部件跑出导轨。

2.1.2报警

当检测到驱动器报警信号以后，CPAC将关闭该轴的伺服使能，急停该轴的伺服电机，同时该轴报警触发标志位置。程序中检测到报警触发标志位以后，将故障状态报告控制中心，同时点亮报警灯并开启蜂鸣器，等待人工处理。

2.2运行速度的规划

夜上海论坛 在本控制系统中，CPAC工作采用点位运动模式。在运动控制中，梯形速度曲线以耗能低、速度快、容易实现等优点成为常用的速度控制曲线。其速度与加速度的变化曲线如图3所示。然而由于梯形速度曲线采用线性加速方式，其对应的加速度曲线不连续，因此存在柔性冲击，导致执行机构在运动过程中的平稳性能差。为了既获得平滑的加速度，又不失去梯形速度曲线的优势，将梯形速度曲线加以改进得到S型速度曲线。S型速度曲线的运动过程由加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段组成。本控制系统采用该速度曲线作为存取机械手各轴的速度控制曲线，避免了柔性冲击因素。S型速度曲线由CPAC通过设置各轴运动参数中的平滑时间来实现。

2.3控制系统作业方式

夜上海论坛 在银行保管箱自动存取系统中，存取机械手执行任务时可以选择单一作业方式或复合作业方式。单一作业方式是：存取机械手从原点位置出发运行到任务指定的保管箱位置，将保管箱取出并送到取箱口，客户操作完成后从取箱口处把保管箱送回箱架，然后返回原点位置。复合作业方式是：存取机械手接收到一批存／取保管箱任务后，从原点位置出发运行到第一个任务指定的保管箱位置，将保管箱取出并送到取箱口，客户操作完成后从取箱口处把保管箱送回箱架，之后存取机械手不返回原点，而是直接执行下一个任务，不断循环直到完成所有任务。

夜上海论坛 2.4CPAC运动控制

CPAC的运动控制部分是整个软件系统设计的核心部分。CPAC运动控制软件主要由系统初始化模块、用户界面模块、运动控制模块、数据读写模块和网络通信模块组成。运动控制程序首先调用系统初始化模块，然后检查有无故障，如果系统运行正常，则通过网络连接控制中心，查询CPAC的控制方式，如果为手动模式，则进入手动模式运动控制子程序，否则进入自动模式运动控制子程序。用户界面模块为客户提供登录界面、图形化的存／取保管箱命令，并显示系统执行结果。运动控制模块通过在OtoStudio软件中调用CPAC运动控制库GUC－X00－TPX．lib中的运动控制函数执行以下功能：设置伺服电机的速度、加速度、移动距离（脉冲数）；读取光电开关对应的数字输入口获取光电开关的触发状态；往数字输出口写“1”、“0”来打开、关闭电磁开关。通过控制存取机械手、取箱口的执行机构、拉板以及拉勾的动作，实现保管箱的自动存取操作。数据读写模块通过RS485总线控制激光条形码阅读器，读取条形码扫描结果。网络通信模块使CPAC通过以太连接控制中心，接收控制中心的命令与保管箱在箱架中的位置数据，并返回运行结果与报警信息。

3结束语

第3篇

本文介绍了一种空调机温度控制系统。本温度控制系统采用AT89C51单片机收集数据，处理数据来实现对温度的调控。主要过程如下：利用传感器将非电量信号转换为电信号，转换后的电信号再进入A/D转换器转换成数字量，传送给单片机进行数据处理，并向设备输出控制信号。由LED实时显示被控温度及设定温度，使系统应用更加方便、直观。

夜上海论坛 【关键词】单片机、A/D转换系统设计系统调试

绪论

单片机利用大规模集成电路技术把中央处理器和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

第1章单片机空调控制系统

夜上海论坛 随着中国人民环境的改善和人民生活质量的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求，建筑能耗占全社会总能耗的比例巨大且持续增长。据统计，2001年中国建筑能耗已达到3.76亿吨标准煤，占总能耗的27.6%，年增长比例是5%。在发达国家中，供热和空调的能耗很大，可占到社会总能耗的25%-30%。有资料统计，办公楼中空调系统耗能量占总能量的25%左右，所以空调控制系统设计始终是建筑环境与设备领域中的重要研究课题之一。

1.1当前国内研究情况

夜上海论坛 1）在城市现代化建设过程中，用电结构发生变化，其中用在建筑物空调系统的电力负荷比例日益增加。据不完全统计，北京已有250余幢宾馆、办公楼和50余家大商场采用中央空调，其空调用电负荷达40万kW。相当于华北电网为了调峰，耗资27亿元而兴建的十三陵抽水蓄能电站的1/2装机容量。以广东省为例，现有装机容量已达30万kW,并以每年30%的速度递增，其用电负荷已占总共电量的40%以上。

夜上海论坛 2）改革开放以来，我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对电力供应不断提出新的挑战。尽管我国发电装机容量已超过2亿Kw,年发电量已突破9000亿kWh。然而，目前我国电力供应仍很紧张。突出的矛盾是电网峰谷负荷差加大，夜间至清晨谷段负荷率低，而高峰段电力严重不足，有的电网峰谷负荷之差达25%-30%，造成白天经常拉闸限电，夜间有电送不出的现象。

3）由于空调用电负荷一般在电力谷段用量甚少，对城市点昂具有很大的“肖锋填谷“潜力，而在中央空调中，制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40%-50%，如以商场为例，每10万m2空调制冷系统的须用电功率约为7000-9000KW。因此，空调蓄冷系统应运而生，并将日益展示他广阔的应用前景

夜上海论坛 1.2空调控制系统的组成以及基本工作原理

夜上海论坛 空调系统的基本组成形式可分为三大组成部分，分别是：冷热源设备（主机）、空调末端设备、附件及管道系统。该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

1.2.1控制器原理

该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

本系统硬件简单可靠，软件具有更完善的控制功能和抗干扰能力。系统具有很高的性能价格比

夜上海论坛 系统CPU根据遥控器或按键输入的命令，对采集到的温度进行智能判断，然后作出相应的制冷、制热或除温运行。再通过接口电路，驱动压缩机、换向阀、风向电机和室内风机作相应动作，并对温度用LED指示。系统的原理框图如图1所示。

1.3软件设计

软件设计采用模拟化处理，主控程序包括以下几个部分：程序的初始化、试运转、数据和信号的采集与处理、温度LED指示、室内风机的闭环积分控制、室内风向电机的步进控制。功能子程序包括制冷、制热、除湿、自动四种运行模式。中断程序包括遥控接收。各种定时的中断查询处理、速度检测等。系统的主控程序流程如图4所示。

1.4硬件设计

夜上海论坛 1.4.1单片机的选择

系统有3路温度模拟信号输入，还有1路电压和1路电流模拟输入，共5路模拟输入要求；而模拟信号要转换成数字信号才能用单片机CPU处理。为提高系统的性能价格比，应采用含有A/D转换器的单片机。经过各方面的综合比较，我们选用了美国Microchip公司的PIC16C72单片机作为控制核心。它具有5路模拟量输入的A/D转换器，恰好满足系统的模拟输入要求。另外，它在1块芯片上集成了1个8位逻辑运算单元和工作寄存器、2KB程序存储器、128个数据存储器、3个端口（A口、B口、C口）共22条I/O线、3个定时器/计数器。另外，只有35条易学易用而高效的RISC（精简指令集计算机）指令，同时，芯片具看门狗功能，并提供对软件运行出错的保护。

1.4.2模拟输入电路

本系统直接用热敏电阻进行测温，再加一级电容滤波。对外交换温度检测电路，因其干扰较大，特加上二极管限幅保护。对传感器的不同电阻值，将其所对应的不同分压值输入至PIC单片机的A/D转换口，在单片机内部转换成数字信号。该检测电路结构简单，性能价格比高。又因采用的单片机为8位，所以温度转换精度高，可为0.5℃，完全满足了空调的信号检测精度要求。对过流信号的检测，不用经过比较器，节约了资源；而是采用模拟信号整流分压后直接输入，通过单片机自带的A/D转换器，每500μs对其进行一次检测，并进行软件比较，以确认是否过流。对过零电压信号的检测，也是采用模拟信号整流分压后直接输入。因两个半的过零点都要检测，所以用桥式整流。模拟输入电路如图2所示。

1.5单片机控制系统的调试

1.5.1硬件调试

根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。

1）脱机检查

用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。

1.5.2仿真调试

暂时排除目标板的CPU和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。

夜上海论坛 1.5.3硬件电路调试的一般顺序

夜上海论坛 1）检查CPU的时钟电路。通过测试ALE信号，如没有ALE信号，则判断是晶体或CPU故障，这称之为“心脏”检查。

2）检查ABUS/DBUS的分时复用功能的地址锁存是否正常。

夜上海论坛 3）检查I/O地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成，如是部分译码设计，则排除地址重叠故障。

夜上海论坛 4）对扩展的RAM、ROM进行检查调试。一般先后写入55H、AAH，再读出比较，以此判断是否正常。因为这样RAM、ROM的各位均写入过‘0’、‘1’代码。

5）用户级I/O设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。

1.5.4软件调试

软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法：

1）交叉汇编

夜上海论坛 用IBMPC/XT机对MCS—51系列单片机程序进行交叉汇编时，可借助IBMPC/XT机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到PC机，生成MCS—51HEX目标代码和LIST文件。

2）用汇编语言

现在有些单片STD工业控制机或者开发系统，可直接使用汇编语言，借助CRT进行汇编语言调试。

3）手工汇编

这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照MCS—51指令编码表，将源程序指令逐条地译成机器码，然后输入到RAM重新进行调试。在进行手工汇编时，要特别注意转移指令、调用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出错。

4）以上3种方法调试完成以后，即可通过EPROM写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插至机器的相应插座上，系统便可投入运行。

硬件、软件仿真调试经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。

1.5.5调试

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。根据工作经验，前面叙述的系统调试方法将会有助于从事这方面工作的技术人员及本专业的学习者。

夜上海论坛 第2章单片机的空调控制系统技术和量化要求

2.1空调控制系统的数字化控制

夜上海论坛 （以Infineon的8位单片机C504/C508）为例

夜上海论坛 2.1.1模糊智能控制

与普通空调的运行方式不同，变频空调的压缩机需要连续运行。其速度调节变得更加重要，要确保室内温度波动限制在较小范围内。事实上永磁直流无刷电机是一个多变量，非线性，强耦合的对象，需要智能控制才能取得比较满意的效果。考虑到8位单片机的资源有限，本系统采用模糊控制来实现电机转速的控制。因为C504/C508的CCU单元的通道0在块交换模式下降了参与电机换相外，还可用来完成捕获动作，故这个通道可以同时用于电机速度检测。系统所用的模糊控制规则如下式：U=αE+（1-α）E式中，E为位速度误差，Ec为速度误差变化率，α为加权系数，在0和1之间取值，U为控制器输出。通过调整加权系数，本系统可以对控制规则进行在线修正。

2.1.2功率变换电路

功率变换电路及其驱动和保护是直流无刷电机调速系统的最核心的部分。功率变换电路主要是整流桥和逆变桥。目前在国内变频空调产品中这部分电路的角色主要是由智能功率模块（IPM）来充当。所谓IPM，就是将功率变换电路，驱动，保护，检测，辅助电源都集成在一个模块内。

夜上海论坛 2.1.3单片机控制系统中控制算法

(1)直接数字控制

夜上海论坛 当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。

(2)数字化PID控制

由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。

夜上海论坛 2.2单片机控制系统的数字化

夜上海论坛 2.21采用数字化负荷随动控制理论

运用现代化计算机技术、数字化自动控制技术，对中央空调设备运行进行综合、优化；针对中央空调主机和辅机系统运行的工况和末端负荷的变化，采集其瞬间多种变化参数，对负荷进行随动跟踪；自动、准确、及时地对冷冻（温）水泵、冷却水泵、冷却塔风机设备的运行参数进行采集，对系统各设备自动进行实时优化控制，使中央空调主机运行环境得以优化，使得主机工质和辅机系统各种流量跟随末端负荷的变化而同步变化，确保中央空调系统在满足舒适性的前提下，大幅度降低系统的能源消耗。即把负荷运行所不需要的，而系统运行又将会产生的这部分多余的冷量节省下来。

夜上海论坛 2.22中央空调数字化负荷随动节能控制系统

控制精度高，同频精度和稳定性好，可使中央空调系统节能达到20%以上。该技术、产品在国内、国外处于领先水平，具有高效节能、安全、舒适和方便管理的显著效果。

第3章结论

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。

【参考文献】

夜上海论坛 [1]夏路易,石宗义《电路原理图与电路板设计教程Protel99SE》北京希望电子出版社2002

夜上海论坛 [2]张义和《ProtelPCB99电路板设计教程》青岛出版社2000

[3]陈杰,黄鸿《传感器与检测技术》高等教育出版社2002

夜上海论坛 [4]吴金戍,沈庆阳,郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2001

[5]张迎新、杜小平、樊桂花、雷道振《单片机初级教程》北京航空航天大学出版社2002

夜上海论坛 [6]吴金戌、沈庆阳、郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2002.

[7]数字电子技术

[8]模拟电子技术

夜上海论坛 [9]单片机原理机接口技术

[10]赫建国，郑燕，薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用.清华大学出版社2006-5

夜上海论坛 [11]南建辉等.MCS51单片机原理及其应用实例.清华大学出版社2004

[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列单片机原理与接口技术.人民邮电出版社2004-5

第5章致谢

本论文设计在（）老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着（）老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，（）老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向（）老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

夜上海论坛 在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。