（模式识别与智能系统专业论文）基于arm7的智能楼宇空调控制器设计.pdf

内蒙古人学硕i j 学位论文 基于a r m 7 的智能楼宇空调控制器设计 摘要 随着当今信息产业、控制技术和建筑学的发展和相互结合，以及人们对生 活质量要求的提高，智能建筑向着更高端的方向发展。作为建筑内管理系统的 核心一楼宇自动化系统是对大楼的机电设备如冷热机组、空调、照明、电梯等 进行先进自动化控制和管理，从而使设备优化、节能、省力，提高了工作效率。 空调监控系统作为楼宇自动化系统中的重要组成部分，其重要性正日益凸显。 本课题中设计的智能楼宇空调控制器，主要实现对楼宇中的温度、湿度不 间断的控制，而且可以在春夏秋冬四季将其控制在人体感觉舒适的范围内。 本课题采用的核心芯片是n x p 公司的l p c 2 3 8 7 ，外扩了电源模块、人机接 口模块、数据存储模块、总线接口模块和通讯调试接口。电源模块主要是为 l p c 2 3 8 7 及其它芯片供电，使其正常工作。人机接口模块主要功能是将采集来 的数据进行回显，使监控人员更加直观的看到结果。数据存储模块主要功能是 将采集来的信息进行存储，方便以后进行检查。总线接口模块主要作用是将采 集来的数据传入l p c 2 3 8 7 ，并将控制信号传到控制器进行执行。通讯调试接口 主要用来下载程序。 实验测试表明，空调控制系统硬件部分已经基本达到设计目标，l p c 2 3 8 7 的最小系统已经可以正常运行，并能够采集、显示温度和湿度。 关键词：空调控制器，a r m 7 ，数据显示，数据存储，总线 内蒙古人学硕1 ：学位论文 d e s i g no fa i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e ri n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sb a s e do na r m 7 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dc o m b i n a t i o no fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , c o n t r o l t e c h n o l o g ya n da r c h i t e c t u r e ，a n dw i t hp e o p l ee x p e c t i n gt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f l i f e ， i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ( i b ) i sa d v a n c i n g t o e v e r - h i g h e rl e v e l s a s t h ec o r eo f m a n a g e m e n ts y s t e mi n t h eb u i l d i n g - - b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ( b a s ) c o n t r o l s a n dm a n a g e sa u t o m a t i c a l l yt h em e c h a n i s ma n de l e c t r i c i t yf a c i li t yi nb u i l d i n g ，s u c ha s c h i l l e rh e a t e x c h a n g e r , a i r - c o n d i t i o n i n g ，i l l u m i n a t o ra n de l e v a t o r a n dt h e r u no f f a c i l i t yi so p t i m i z e d ，e n e r g ya n dl a b o ri ss a v e d ，e f f i c i e n c yi si m p r o v e d t h em o n i t o r s y s t e mo fa i r - c o n d i t i o n i n g ，w h i c hi s a ni m p o r t a n tp a r to fb a s ，i sb e c o m i n gm o r e i m p o r t a n t t h ea i r - c o n d i t i o n i n gi ni bd e s i g n e di nt h i sp a p e r , c a nc o n t i n u o u s l yc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h eb u i l d i n g ，a n dk e e pi tw i t h i ns u i t a b l es e n s a t i o ni n s p r i n g ，s u m m e r , a u t u m na n d w i n t e r i nt h i sp a p e r , t h el p c 2 38 7m a d eb yn x pc o r p o r a t i o ni sa p p l i e da sk e r n e lc h i p ， w h i c he x t e r n sp o w e rm o d u l e ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ， 内蒙古人学硕一i ：学位论文 b u si n t e r f a c em o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nd e b u g g i n gi n t e r f a c e t h ep o w e rm o d u l e g i v e sp o w e rt ol p c 2 38 7a n do t h e rc h i p st om a k et h e mw o r k i n gn o r m a l l y t h em a i n f u n c t i o no ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ei st r a n s m i t t i n gt h ea c q u i r e dd a t at o d i s p l a y , s ot h er e s u l tc a nb ei n t u i t i v e l ys a wb ys t a f f t h ef u n c t i o no fd a t as t o r a g e m o d u l ei sm e m o r i z i n gt h ec o l l e c t e dd a t a ，a n dm a k i n gi ti n s p e c t i o nc o n v e n i e n t t h e m a i na p p l i c a t i o no ft h eb u si n t e r f a c em o d u l ei st r a n s m i t t i n gt h em e a s u r e dd a t at o l p c 2 3 8 7a n dt r a n s m i t t i n gt h ec o n t r o ls i n g l et oa c t u a t o r s c o m m u n i c a t i o nd e b u g g i n g i n t e r f a c ei su s e dt od o w n l o a dp r o g r a m m e t h ep r o c e s so fs y s t e md e b u gi n d i c a t e st h a tt h eh a r d w a r eo fa i r - c o n d i t i o n i n g c o n t r o ls y s t e mh a sa c h i e v e dp r o s p e c t i v et a r g e t t h em i n i s y s t e mo fl p c 2 3 8 7i s r u n n i n gn o r m a l l y , a n dc a nc o l l e c ta n dd i s p l a yt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e r , a r m 7 ，d a t ad i s p l a y , d a t as t o r a g e ，b u s 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导卜进行的研究jj ：作及取得的研究成 果。除本文已经注明引h j 的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得内苤直太堂及其他教育机构的学位或证+ 1 s 而使刖过的材料。与我一同i ：作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：垒至越指导教师签名： 日 期：厄缓兮。i f i ! 翌 e t期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古人学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部fj 送交学位论文的复印什和磁柱，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采h j 影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属丁内蒙古人学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古人学就读期间导师的同意；若刚 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古人学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：垒缆 指导教师签名： 日 期：z 囱净。五罡 日期：盛 内蒙古人学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着当今信息产业、控制技术和建筑学的发展及互相结合，同时伴随着人们对生活质量 要求的提高，建筑行业向着更高端的方向发展。在新世纪的建筑业中对智能化系统的需求更 将是不可估量的。自1 9 8 4 年美国哈特福德市建成第一座智能建筑以来的二十几年中，在世界 范围内，智能建筑以一种崭新的面貌和技术，迅速在各地展丌。国外在智能建筑领域已经取 得了相当大的成就，智能化程度较高【卜6 】。 楼宇自动化系统( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，简称b a s ) 是智能化建筑的重要组成部 分，是将建筑物( 或建筑群) 内的电力、照明、空调、运输、防灾、保安、广播等设备以集 中监视、控制和管理为目的而构成的一个综合系统。在楼宇自控系统中空调中央监控系统监 控点占整个楼宇自动化系统( b a s ) 监控点的6 0 以上，而且集中空调系统的能耗也占整个 建筑能耗的5 0 以上，因此空调系统的计算机中央监控系统既是楼宇自控系统设计的重点之 一，也是节电节能的重剧7 1 。 1 2 国内外研究现状 世界上高层建筑b a s 产品从五十年代就开始采用摸拟式自控，六、七十年代改进为数字 式自动控制，八十年代采用专用微型计算机进行管理、监控与显示，技术趋于成熟，取名为 集散式( 即集中管理、分散控制) 自控系统，主要技术特征是采用了直接数字控$ 1 j d d c ( d i r e c t d i 西t a lc o n t r 0 1 ) 。它是8 位或1 6 位微处理机、运算存储模块及输入输出模块构成的控制单元， 也是目前社会上广泛应用的b a s 产品，h o n g y w e l l 公司e b i 和e x c e l5 0 0 0 系列，j o h n s o n 公司 m e t a s y s 系统，t a c 公司的x e n t a t m 3 0 0 系统，a n d o v e r 公司c o n t i u m ( t m ) 系统，s i n g a p o r e e & e 公司s t 8 2 0 0 系统，s i e b e 公司n e t w o r k 8 0 0 0 系统等。 九十年代中期，b a s 系统向系统集成方向发展，开始考虑上层控制总线与其他子系统( 消 防f a 、闭路电视监控c c t v 、出入口管理系统等) 连网，b a s 的信号传输和数据通信的通信 网有了统一的通信协议，对多个供应商不同系统之间的集成，采用b a c n e t ( b u i l d i n g 塑鍪圭叁兰堡! ：兰篁笙竺 a u n t o m a t i o nc o n t r o ln e t w o r k ) 互联标准( n a s is p c i 3 5 ) 。该标准是由美国暖通空调学会 ( a s h r a e ) 制订，世界上已有1 0 0 多个公司承认并参加，已于1 9 9 6 年正式批准成为美国标准， 1 9 9 7 年成为欧洲标准。b a s 系统在下层现场总线丌始采用l o n w o r k s 技术。美国e c h e l o n 公 司于1 9 9 2 年提出了l o n w o r k s 技术，它标志着控制系统网络的新纪元。当今，l o n w o r k s 技术丌始从工业自控发展至用于智能建筑b a s 自控系统，它的丌放性，互操作性，可靠性高， 无中心控制等实出优点已被世人所公认。各发达国家都在向这一技术靠拢。目前世界上各大 b a s 公司纷纷推出这类新产品，s i e b e 公司i a ( i n t e l l i g e n t a u t o m a t i o n ) 系统，之后有h o n e y w e l l e x c e l5 0 0 0o p e n 型，西门子楼字科技$ 6 0 0a p o g e e ，t a c 公司v i s t a 等。此外，美国v a c o m 公司b a s k 3 0 0 0 ，其国内子公司为佛山康联自动化工程公司，1 9 9 7 年在三水市恒益国际酒店 等三个工程，部分采用了l o n w o r k s 技术。德国i s c 公司开发的“傻瓜型”b a s 系统( s e ac h a n g e ) 也引入注目。l o n w o r k s 是先进技术，但至今还不完善，主要问题是不配套。特别是e c h e l o n 公 司的软件与工程公司的软件还不能很好联接和交换信息。因此，目前的l o n w o r k s 系统产品还 处于过渡阶段。从事l o n w o r k s 技术开发新产品的公司必须加快进度，推出全套完整成熟产品。 否则工程会处于半拉子，造成严重后果将成为l o n w o r k s 的悲剧。应用b a s 集散式控制系统还 是比较成熟，搞得好优质工程既满足舒适性又能节能3 0 ，还是大有成功实例。 8 0 年代木9 0 年代初，智能建筑的概念刚刚进入我国，由于当时我国经济和信息网络发 展水平的限制，我国建筑电气、自动控制、计算机应用等相关专业人员对智能建筑这一概念 的认识只是处于学术探讨阶段。9 0 年代中期，随着计算机和信息传递网络技术的发展，社会 各个领域应用计算机及其网络技术r 益普遍，处在发展前沿的大、中城市如北京、上海、广 州、深圳、珠海、海南、大连等城市相继建设了一批智能化程度不一的高层建筑与超高层建 筑，达数百幢之岁引。 2 内蒙古人学硕一t - 学位论文 第二章空调基础理论 2 1 智能建筑简介 智能建筑的概念，在2 0 世纪7 0 年代米诞生于美国。第一幢智能大厦于1 9 8 4 年在美国哈特 福德( h a r t f o r d ) 市建成，从此，智能建筑在美、同、欧及世界各地蓬勃发展。智能建筑8 坦l 是指通过对建筑物的4 个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系， 以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的优雅、便利快捷、高度安全的环境空间。 智能建筑物能够帮助大厦的主人，财产的管理者和拥有者等意识到，他们在诸如费用开支、 生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。智能建筑系统主要由楼字自动 化系统b a s ( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通讯自动化系统c a s ( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ) 和办公自动化系统o a s ( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 三大系统组成。 楼宇自动化系统( b a s ) 1 3 - 1 6 】是将建筑物( 或建筑群) 内的电力、照明、空调、运输、 防灾、保安、广播等设备以集中监视、控制和管理为目的而构成的一个综合系统。它使建筑 物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证系统运行的经济性 和管理的智能化。 通信自动化系统( c a s ) 是保证建筑物内语音、数据、图像传输的基础，同时与外部通 信网( 如电话公网、数据网、计算机网、卫星以及广电网) 相连，与世界各地互通信息。智 能建筑作为信息社会的节点，其信息通信系统已成为不可缺少的组成部分。智能建筑中的信 息通信系统应具有对于来自建筑物内外各种不同信息进行收集、处理、存储、传输和检索的 能力，能为用户提供包括语音、图象、数据乃至多媒体等信息的本地和远程传输的完备的通 讯手段和最快、最有效的信息服务。 办公自动化系统( o a s ) 是智能建筑的重要组成部分之一，实现办公自动化就是要利用 先进的技术和设备来提高办公效率和办公质量，改善办公条件，减轻劳动强度，实现管理和 决策的科学化，防止或减少人为的差错和失误。 内蒙古人学顾十学位论文 2 2 楼宇自动化系统简介 楼宇自动化系统( b a s ) 是对空调风系统、给排水系统、照明系统等的管路和协调，将 对整座建筑的机电设备进行信号的采集和控制，实现大楼设备管理系统自动化，起到改善系 统运行品质、提高管理水平、降低运行管理劳动强度、节省运行耗能的作用【1 7 - 1 9 1 。 1 、楼宇机电设备自控系统 楼宇机电设备自控系统( 简称楼宇自控系统) 目的是控制建筑内部的各种机电设备，为 建筑创建舒适的人工环境，方便人们对于楼内运行的机电设备的管理，最大限度的节约和利 用能源。楼宇自控系统分为新风、空调系统控制、冷冻水系统控制、供热系统控制、给排水 系统控制、灯光系统控制、电力系统监视等项目，它们形成了一个完整控制体系。b a s 系统 的楼宇自控系统是智能化大厦一个重要也是基本的一个子系统。 楼宇自控系统一般是由现场传感器、执行器、控制器及监控工作站组成。其中传感器和 执行器被安装于现场负责收集数据和完成控制器发出的命令。控制器成为集散式数字控制器 ( d d c ) ，它们分布于建筑内部各区域，通过总线方式连接成一个控制器网络。控制器通过 与它连接的传感器和执行器来负责本区域的设备的监控工作，控制器本身有中央处理( c p u ) 可以按事先编制的程序运行，以完成控制任务。监控工作站可有一个也可以有多个，当有多 个监控工作站它们自己形成一个网络。监控工作站与控制器网络相连接，通过图形控制软件 和数掘库管理软件作为界面实现人对整个系统的管理。 楼宇自控系统的优点： 创建舒适的人工环境： 楼宇自控系统可按人们的要求自动调节建筑内部温度、湿度、空气质量、灯光照度及相 关设备的运行，创建一个舒适的人工环境，保证人们的健康。 有效的节约能源： 由于楼宇自控系统可以根据建筑内外环境自动调节，使所有设备的运行在满足人们需求 条件下以节能方式运行。这样可比不用自控系统的建筑节能3 0 左右。 提高管理效率，方便人们管理： 楼宇自控系统按程序自动操纵建筑内的机电设备，一般不需要人直接在现场操作设备， 如果需干涉系统运行可以通过修改程序或使用监控工作站控制设备的方式进行，对于设备的 异常情况，自控系统可以自动报警。这样就使管理人员的工作效率大大提高。 2 、火灾自动报警系统 4 堕鐾直叁兰堡! ：兰篁笙兰 火灾自动报警系统的作用：可以准确的监测建筑内的火灾征兆，及时报警；可以自动地 驱动联动设备，进行灭火和救助工作。 火灾自动报警系统由监测报警系统和联动控制系统两部分组成。火灾监测报警系统由安 装在建筑内各处的烟感探测器、温感探测器和可燃气体探测器监测其所在区域的环境，在有 火灾前期迹象时探测器向区域控制器报警，区域控制器通过网络向消防监控工作站报警，工 作站使报警信号转化成图形和文字报警信号给工作人员，这一切都是在瞬间完成的。联动系 统由联动控制系统和联动设备组成，联动控制系统可由区域控制器和联动控制台组成。在区 域控制器向消防控制监控工作站报警的同时，它会根据预先设定的程序自动控制相关消防联 动设备进行灭火处理。 3 、综合保安系统 ( 1 ) 闭路监控系统 闭路监控是物业管理和建筑公共安全管理的重要技术手段。闭路监控系统( c c t v ) 能 为管理者提供建筑内部和外部重要区域的近距离的观察和控制，系统能够实时、形象、真实 地反映被监控的对象。 闭路监控系统由以下部分组成： 图像生成设备摄像镜头和摄像机； 图像传输设备与控制设备； 图像处理与显示设备。 闭路系统的技术要求是：摄像机的清晰度、摄像机镜头的光圈和焦距、系统传输的带宽、 视频信号的信噪比、电视信号的制式、系统各部分器件的环境适应性。闭路监控系统可以和 防盗报警系统火灾自动报警系统联动使用，当有非法入侵报警和火警报警时可以使监控中心 的画面自动切换的报警区域并进行录象。 ( 2 ) 门禁系统 在建筑内的主要管理区的出入口、电梯厅、主要设备控制中心机房、存放贵重物品的库 房等重要部位的通道口需安装门磁丌关、电子门锁或读卡机等装置。它们可以对通道通行情 况进行控制，是加强办公楼公共安全管理的一种有效手段。 使用门禁系统可以方便的对重要的通道实施有效管理。相关人员使用分级密码和磁卡出 入受控通道，控制系统可以监控人员使用密码和磁卡进出通道的情况。各处受控通道都以网 络接入控制中心，通过控制中心可以设顶和修改密码、磁卡的通行允许状态和级别，系统可 以随时记录密码或磁卡在建筑内的通行情况。 内蒙古火学硕i ：学位论文 ( 3 ) 防盗报警系统 防盗报警系统是用红外或微波技术的信号探测器和控制器和报警输出装置构成。在现场 根据需要设置各具有不同监测原理探测器，以提高探测报警的灵敏度和准确性。探测器都与 报警控制器连接，报警控制器在接收到报警信号会输出到模拟盘或显示器上，同时驱动联动 装置。 ( 4 ) 巡更系统 大型建筑内部处了有先进的安保设备外，保安人员的巡查也是不可缺少的。巡更系统在 预定程序路径上设置巡视丌关或读卡机，当巡更保卫人员安路线经过时触发丌关或在读卡机 上读卡，信息被送到中心记录。这样，可以督促安保人员能按时按路线巡逻，同时保障安保 人员的安全。 ( 5 ) 内部对讲系统 随着建筑物建筑面积的增加，内部流动工作人员的通讯变得十分不方便，这时可设立内 部无线对讲系统。内部对讲系统主要方便建筑内流动工作人员之间或流动工作人员与控制中 心的通讯，可以提高保安人员、维修人员、物业管理人员办事效率，方便工作。 4 、停车场管理系统 随着车辆的增加停车管理越来越复杂，停车场管理系统为车辆停放管理提供了方便、快 沽、安全的管理模式。 停车场系统由自动计费收费系统、出口入口管理系统、文件服务器、车辆引导及检测装 置等组成。系统分为自动收费和人工现金收费，自动收费又分为中央收费模式和出口收费模 式两种。散户采用进入时开始由系统自动计费，开出时付费的方式，对于长期客户可使用磁 卡进出车库通道口。另外车库安装了车辆和车位引导装置，可以自动引导车辆行驶和停放。 2 3 空调控制系统简介 空调控制系统，即利用计算机控制技术，将空调系统中各种信号( 温度、湿度、压力、 状态等) ，通过输入装置输入计算机，经相应程序运算处理，将处理后的信号经输出装置输出， 进而控制相应的执行机构。 空气调节简称空调。它的目的是创造一个合适的( 室内) 大气环境，使人在该环境中感 到舒适：或者是保证( 室内) 大气环境满足生产工艺过程或科学研究、试验过程的需要。为了 实现这一目的，空气调节所依靠的技术手段主要是通风换气，具体地说，就是加工和处理一 定质量的空气送入室内，使室内大气环境满足要求。对空气的处理过程包括加温( 降温) 、加 6 内蒙古人学顾十学位论文 湿( 除湿) 、净化等，即常说的热湿处理。空气调节主要包括温度调节和湿度调节。 1 、空气温度调节 按照人类的生理特征和生活习惯，通过空调设施，夏季将为人们生活与工作的室温保持 在2 5 。c 2 7 。c ，冬季保持在1 6 。c 2 0 。c ，为里面生活、工作的人提供一个比较适宜的温度环境。 温度调节要注意居住和工作与外界的温差不宜过大，把环境温度调整到所要求的范围内。过 度季节，当冷热水供应停止，应全部打开新风阀，同时监视现场温度，当气温低于1 8 ，应 适当关闭新风阀门。 2 、空气湿度调节 空气过于气潮湿或过于干燥都将使人感到不舒适。一般来说，相对湿度冬季在4 0 - 5 0 之间，夏季在5 0 - - 6 0 之问，人的感觉比较良好。假如温度适宜，相对湿度即便在4 0 7 0 的范围内变化，人们也能基本适应。 3 、空气其他参数调节 除了常规的空气温度、湿度调节以外，在特殊的场合，空调系统还实现控制质量、空气 压力等调节。舒适空调要保证一定的新风量，否则人们会感到不舒服；在对空间洁净度有要 求的场合，如精密生产加工车间、生物医药制品间等特殊的高洁净度场合，需要讵压调节， 以免不满足要求的空气进入而损害洁净间的清洁度；对产生有害气体的有害有毒物品生产车 间，污染物处理间或是病毒经空气传染的严重传染病隔离病房等场合，须采用负压调节以免 有毒，有害气体泄漏造成空气的污染和破坏【2 0 。2 3 】。 本设计中的空调机组监控原理图，如图2 1 所示。在这个监控系统中，为了将温度、湿 度控制在我们人体觉得舒适的范围内，要将回风温度、送风温度、房问温度、回风湿度、送 风湿度和房间湿度通过温湿度传感器进行采集( 注：温湿度传感器一般安装在空调区域或回 风管上) ，还要采集过滤网的压差，低温开关，风机的手自动状态故障，用来控制新风、送 风和回风阀开度，冷热水阀开度和加湿阀开度，并且控制风机的起停，这些信号都要通过i o 模块以总线的方式进行数据传输。 7 内蒙古人学硕i ：学位论义 图2 1 空调监控原理图 f i g2 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fa i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o l 内蒙古人学硕i j 学位论文 第三章总体设计方案 3 1 系统设计原则 本文中设计的空调控制器，首先是一种控制仪器，同时，它还是一款基于微处理器的消 费电子产品，最终要面向市场。这种产品定位决定了在系统设计、研发过程中，必须兼顾这 两个方面的应用特点和技术要求，在设计过程中要遵循以下原则： 1 、安全原则 系统设计和制作要完全依据我国智能建筑设计标准( g b t5 0 3 1 4 2 0 0 0 ) 规定的内容进行， 保证系统的电气性能安全。 2 、可靠原则 空调系统必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠，不出故障，并且要保证系统能够 对房间的温湿度进行即时的检查和实时的监控。 3 、易用原则 考虑到此空调控制系统的用户大多为技工使用，对电子产品和计算机的操作水平有限， 因此易学、易用是对系统的基本要求。 4 、便于扩展、升级 由于本文中设计的空调控制系统是应用在大型楼宇中的，因此系统的设计必须要为以后 的扩展、升级提供条件，同时要在技术上做到适当超前。 3 2 总体结构框架 系统的总体结构框图如图3 1 所示。一个空调控制器控制一台空调，空调控制器的工作 原理如下：空调控制器定时向a i 模块、d i 模块索要数据，包括楼宇中送风、回风和典型房 间里的温度、湿度、过滤网两侧压差、低温开关状态和风机的手自动状态故障信号，空调控 制器再对采集来的数据进行量化分析，为了将楼宇中的温度、湿度控制在人体舒适的范围内， 空调控制器通过对典型房间温度的检测，经过p i d 控制算法，得出冷热水阀开度控制信号， 通过对典型房间湿度的检测，经过p i d 控制算法，得出加湿阀开度控制信号，通过对送风、 9 内蒙古人学硕i ：学位论义 回风的温、湿度检测，可以得出各个j x l 阀开度的控制信号，通过检测风机的状态或故障，得 出风机的起停控制信号。 空调控制器可将各个控制信号经总线通过a o 模块、d o 模块传送到各个执行器执行。空 调控制器会将采集来的数据、各个控制信号进行存储。其中每个i o 模块都可接4 路输入( 输 出) ，当某一模块要采集或发送的数据多于4 路时，可外扩这一模块。当计算机( 上位机) 向 空调控制器索要信息时，空调控制器将空调的各种工作状态经以太网将数据传送给计算机， 供计算机处理，同时计算机可通过以太网对空调控制器的参数进行设置或发送控制命令。 图3 1 总体结构框图 f i g3 1m a c r o - d i a g r a mo ft h es y s t e m 3 3 技术指标 1 、电源电路技术指标 ( 1 ) 供电：直流5 v ( 2 ) 电源纹波：数字电路电源1 0 m v 以下 2 、环境指标 ( 1 ) 环境温度：- 2 0 5 0 ( 2 ) 湿度：1 0 , - - 9 5 p h l o 内蒙古人学硕二i ：学位论文 3 、其它指标 ( 1 ) r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线和以太网通信 ( 2 ) 支持s d m m c 卡或者闪存盘存储 内蒙古大学硕i ：学位论文 第四章空调控制器硬件设计 空调控制器主要包括：a r m 7 微处理器、电源模块、人机接口模块、数据存储模块、总 线接口模块和通讯调试接口组成，如图4 1 所示。 图4 1 空调控制系统框图 f i g4 1d i a g r a mo fa i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o l 在空调控制器的设计中，中央处理器芯片采用的是a r m 微处理器l p c 2 3 8 7 ，l p c 2 3 8 7 是n x p 公司生产的基于a r m 7 t d m i s 内核的微处理器，它有丰富的i o 口，内置以太网媒 体访问控制器接口，内置两个c a n 2 0 b 通道，u s b 2 0 全速器件接口等，详细介绍参照本论 文第五章。l p c 2 3 8 7 外围引脚见附录1 。 空调控制器中的电源模块主要作用是为设计的电路板上的所有需要电源供电的芯片供 电，通过电平转换芯片可以提供+ 5 v 或+ 3 3 v 电压。 空调控制器中的人机接口模块主要由液晶屏和触摸屏组成，液晶屏用来显示空调的各个 工作过程状态的数据，如送风、回风和房间内的温湿度、风机的状态、过滤网压差报警等， 触摸屏用来可以输入控制命令及控制参数。 空调控制器中的数据存储模块主要由e 2 p r o m 接e l 电路，s d 卡接e l 电路和u s b 接口电 路三部分组成，e 2 p r o m 接e l 电路主要用来存储控制参数，如p i d 控制参数；s d 卡接1 3 电 路主要存储空调运行过程中的各个状态的历史数据；u s b 接口电路工作在h o s t 状态下可外 接u 盘，将s d 卡上的数据转存到u 盘中。 1 2 内蒙古人学坝i ：学位论文 空调控制器中的现场总线接口模块主要由c a n 总线接口电路、4 8 5 接口电路组成，其中 空调控制器和下位i o 模块主要通过c a n 总线和4 8 5 总线通信，传感器采集来的数据通过i o 模块经总线传送到空调控制器中，空调控制器对数据进行量化分析后将控制信号经总线通过 i o 模块传送给执行器执行。 空调控制器和计算机主要通过以太网进行通信，空调控制器通过以太网自动检测计算机 是否索要数据，如果索要数据，空调控制器就将数据存储模块存储的数据通过以太网传送给 计算机，供计算机处理。 空调控制器中的调试接口主要起到方便程序在编写时，进行程序的下载。 4 i 1 电源需要分析 4 1 电源模块 在本文设计中，所有需要供电的芯片都为+ 3 3 v 或+ 5 v 供电。空调控制器需要+ 5 v 电源 供电，v c c ( + 5 v ) 通过电平转换芯片a m s l l l 7 【2 8 】输出3 3 v 电压，为芯片供电，例如：a r m 芯片l p c 2 3 8 7 、以太网接口芯片d m 9 1 6 1 等，电平转换电路如图4 2 所示。v c c ( + 5 v ) 通 过专业微功率d c d c 电源模块i b 0 5 0 5 l s t 2 9 1 ，使输出电压也为5 v ，但不共地，如图4 3 所示。 “c a n g n d ”接的是c a n 总线接口芯片t j a l 0 5 0 和4 8 5 接口芯片m a x 4 8 5 地线，另外的地 为其他芯片的地。在接下位机的时候，会将“c a n g n d ”和下位机的地相连，主要是为了防 止压差过大，击穿芯片。如果不将“c a n g n d ”和下位机的地相连，压差过大，会击穿芯片。 但由于总线的地和a r m 处理器的地不连通，所以只会烧毁总线接口芯片，这样就实现了对 主芯片的保护作用。当加压不超过2 2 0 v 时，不将“c a n g n d 和下位机的地相连，是不会 烧毁总线芯片的。 i c l 0 v c ca m s l l l 7 _ = i 图4 2 电平转换电路 f i g4 2c i r c u i to f v o l t a g et r a n s f o r m 1 3 内蒙古人学硕i j 学位论文 图4 3 + 5 v d c d c 转换电路 f i g4 3c i r c u i to fd c t r a n s f o i t l ld c 根据系统设计需求，权衡各方面因素，初步确定系统电源的基本参数如下： 输入电压：5 v 直流，电池供电或稳压电源供电； 输出电压：+ 5 v 、+ 3 3 v ； 输出电流：+ 3 3 v 电源应提供大于6 0 0 m a 的电流；+ 5 v 模拟电源提供1 0 0 m a 电流即 可； 输出纹波：数字电源纹波峰峰值应小于1 0 m v 4 2 1 系统时钟 4 2l p c 2 3 8 7 最小系统 所有的微控制器都需要一个时钟信号才能工作。l p c 2 3 8 7 带有内部晶体振荡器，并支持 外部时钟输入。本文在采用外部时钟方式时，即选用振荡频率为3 2 7 6 8 m h z 的品振作为时钟 源，经两个2 2 p f 的电容后，送入l p c 2 3 8 7 的“r t c x i ”和“r t c x 2 引脚，如图5 4 所示。 采用内部晶体振荡器时，选用振荡频率为1 2 m h z 的晶振作为时钟源，送入l p c 2 3 8 7 的“x l 和“x 2 ”引脚，如图4 4 所示。l p c 2 3 8 7 的“v b a t 引脚上接3 3 v 电压，主要为芯片供电， 也接了个3 6 v 的钮扣电池，它的作用是当空调控制器掉电，l p c 2 3 8 7 也有个外部3 6 v 钮扣 电池供电，l p c 2 3 8 7 内部晶体振荡器可以j 下常工作，这样在l p c 2 3 8 7 中已经设定的时钟会自 动更新。 1 4 内蒙古人学顾i ：学位论文 4 2 2 复位及复位芯片设置 了f t 2 h 口 - l 。j 2 m 乃2 p _ l 7 彳 图4 4 外部时钟电路 f i g4 4e x t e r n a lc l o c kc i r c u i t 微控制器在上电时，内部寄存器及引脚的状态均不确定，此时不能保证微控制器f 确工 作。为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确 定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。有些微控制器在上电复位时自身会产 生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。本设计中需要系统支持上电复位， 可以选择专用的复位芯片m a x 8 0 9 。 1 、m a x 8 0 9 简介【蚓 m a x 8 0 9 是一种单一功能的微处理器复位芯片，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电 源电压。它可以在上电，掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设 的门槛电压时，器件会发出复位信号，直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为 止。m a x 8 0 9 有低电平有效的复位输出典型值是1 7 9 a 的低电源电流使m a x 8 0 9 能理想地用 于便携式，电池供电的设备。它们使用3 管脚的s o t 2 3 封装。 m a x 8 0 9 的主要特性如下： 监控5 0 v 、3 3 v 、3 v 电源； 复位脉冲宽度：1 4 0 m s ； 低电平有效的r e s e t 输出； 抗电源的瞬态干扰； 低至1 1 v 电源时仍能产生有效的复位信号； 无需外部配件； 内蒙古人学硕j ：学位论文 适用于4 0 + 1 0 5 的温度范围。 m a x 8 0 9 的管脚说明： 表4 1m a x 8 0 9 引脚描述 t a b l e4 1m a x 8 0 9p i nd e s c r i p t i o n 管脚 符号描述 lg n d 器什的地 2r e s e t 低电平有效复何信号 3v c c 电源电压输入 2 、l p c 2 3 8 7 的复位电路 l p c 2 3 8 7 的复位配置电路如图4 5 所示。 4 2 3 调试与测试接口 3 3 vi c l 4 图4 5 复位电路 f i g4 5r e s e tc i r c u i t 为方便程序调试，控制处理器芯片的运行，获取详细的内部信息，本设计中预留了一个 调试接口。l p c 2 3 8 7 有一个内置的j t a g 调试接口，它与外部h j t a g 或j - l i n k 仿真器的接 口电路如图4 6 所示【3 。 1 0 k 图4 6j - l i n k 调试接口电路 f i g4 6j - l i n kd e b u gi n t e r f a c e 1 6 2 4 6 8 1 0 t r s t t m s r t c k 内蒙古人学硕i ：学位论文 4 2 4u a r t 与i s p 下载电路 i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，即在系统中编程，是l a t t i c e 半导体公司首先提出来的一 种让我们能在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其 器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行重组或重新编程的技术。 l p c 2 3 8 7 支持i s p 和i a p ( i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g 一应用中编程) 【2 4 1 ，通过其u a r t 0 与p c ( 或其他设备) 的c o m 口联机实现i s p 。当图5 6 中的“e n j t a g ”开关接通时，表示 此时是通过h j t a g 或j - l i n k 调试代理进行调试和仿真，即为l a p 编程模式，当图4 7 中的 “e n j t a g ”开关接通时，表示此时是通过串口进行调试和仿真，即为i s p 编程模式。 在本设计中r s 2 3 2 串口，除了可以支持i s p 编程外，还可以做普通串口使用，即实现数 据的传输。r s 2 3 2 串口的接口芯片是s p 3 2 2 3 ，它是s i p e x 公司出产的智能3 0 v - - 一5 5 vr s 2 3 2 收发器。s p 3 2 2 3 的引脚说明如表4 2 所示 s p 3 2 2 3 的主要特性如下【3 2 】： + 3 0 v + 5 5 v 电源供电，支持e i a t i a 2 3 2 f 标准； 能从电流低于l u a 的关断状态自动唤醒； 最小传输速度：2 5 0 k b p s ； 最大传输速度：1 m b p s 。 表4 2s p 3 2 2 3 主要引脚描述 t a b l e4 2s p 3 2 2 3m a i np i nd e s c r i p t i o n 引脚引脚名称引脚功能 1e n 接收使能。 8 t 2 0 u t r s 2 3 2 驱动输出。 9 r 2 i n r s 2 3 2 接收输入。 l o r 2 0 u t 1 y r l c o m s 驱动输出。 1 ls t a t u s t t l c m o s 输出状态：在线或者关断。 1 2 t 2 i n t t l c o m s 驱动输入。 1 3 t l i n t t l c o m s 驱动输入。 1 40 n l i n e支持逻辑高去覆盖a u t oo n l i n e 电路保持驱动激活。 1 5 r t o u tt t l c m o s 接收输出。 1 6r l i nr s 2 3 2 驱动输入。 1 7 内蒙古人学硕i j 学位论文 1 7 t l o u tr s 一2 3 2 驱动输出。 1 8g n d 地。 1 9v c c + 3 0 v + 5 5 v 电源