（电路与系统专业论文）中央空调变流量节能控制系统中智能控制的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本论文介绍了一种中央空调变流量节能控制系统。为了能达 到更好的控制效果，真正地实现智能化控制。本系统采用实时检 测水循环系统的出水、回水温度、压力，检测到的变量首先经过 模糊p i d 算法进行计算，再经过p w m ( 脉冲宽度调制) 电路最终 输出0 2 0 m a 的工业标准电流信号来控制变频器的工作。中央空 调水循环系统的拖动电机就在变频器的控制下变频运行，从而达 到节电的效果。本系统设计完成了包括中央空调冷冻水循环、冷 却水循环和冷却塔风机的节能控制，并通过r s 4 8 5 接口实现了各 分系统的集散控制。 由于系统存在很大程度的非线性、大滞后和参数时变性，采 用传统的p i d 控制有很大的困难，模糊控制的优点是能够得到较 好的动态响应特性，并且无需知道被控对象的数学模型，适应性 强，上升时间快，鲁棒性好。但模糊控制受模糊规则有限等级的 限制容易引起误差。设计中结合模糊控制和p i d 算法的优点，提 出参数自适应模糊p i d 算法，并将其应用于中央空调节能控制系 统中，既保证了温度调节的快速性，又满足了系统的稳定性，并 且系统稳态误差很小。 经实验验证该控制系统性能稳定，并有较强的抗干扰能力， 能够满足变流量装置的需求，具有广阔的市场前景。 关键词：中央空调变流量节能模糊p i d 算法多参 量控制 a b s t r a c t v a r i e t y - f l u xe n e r g yc o n 仃o ls y s i 钿i si n l m d u c e di l lm yt h e s i sf o r k i n d so f n t r a la i r - c o n d i f i o n e r s f o rb e 懈c o n t r o l 他s u l 乜， i n t c l l i g e n c ec o n u o li su s e di nt h i ss y s t e m t l l i ss y s t e m 北l a t e dt o c h e c kt h e t e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ei i lw a t e rc y c l es y s t e m 1 1 圮v a r i a b l e sa r ec a l c d a t e db yf u s s y - p i da r i t h m e t i c ，t h e ni st u m e d 0 2 0 m ac u r r e n ts i g n a lt oc o n t r o lc a n s d u r n l i ss y s t e mi n c l u d e t h r e es a v i n g - e r g ys y s t e mt h a ti sf r e e z i n g w a 衄t i t l es y s t e m , c o o | m g - w m 盯c i r c l e “s t 锄a n dc o o | m g - t o w 盯w i n de n g i n e t h e s e s v s t 眦sa r cc o n t r o l l e db yr s 4 8 5i n t e r f a c e t h e r ea f c 鲫tn o n - l m e a r i 戗l a ga n dv a r i e t yo fp 龇n e t e ri i lt h i s s y s t e m t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ia r i t l m a e t i ch a s m ed i 伍c u l m1 k m e r i to ff u s s y - c o n t r o li st h a tt h e r ei sb e t t e rd y n a m i cr e s n s e c h a r a c t e r i s t i c mm a t l l e m a t i cm o d e li sn o ti 雠d c di i lt h i sa r i t h m c t i c t h e ni sb e t t e ra d a p m b i l i 戗f a s t e rr i s et i m e a n db e t t e rr o b u s t c h a r a c t e r i s t i c b u tm e 坞i se r r o ri nf b s y c i 锄舡o lb yl i m i t e dg r a d e s o w eu s ef u s s y - p i da r i t h m c t i ci nt h i ss v s t e m ne n s u e st h a tt h 盯ei s f h s t e r n 吣糟s t a b i l i t ya n ds m a l l 盯e r r o r t l l i sc o 曲o ls y s t e mh a sb e e np r o v e ds t a b l eb y m ec ) 【廊e 咄 t h e 柚t i m t e r f e r e n c ea b i l 姆i ss t r o n g nc 距鲥s 黟c o m p l e t e l yn 碡 n e e do f v a r i a b l e - f l u xc q l l i p ，h a sv a s to f m a r k e tf o r e 掣d m l d i e y w o r d e ：c e n t r a ia i r - - z o n d i t i o n e r v a r i a b l e f i u x s a v i n g - e n e r g yf u s s y p i d l u u l ti - p a r a m e t e rc o n t r o i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文中央空调变流量节能控制 系统中智能控制的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 第一章绪论 1 1 系统开发背景、意义 1 1 1 系统开发背景： 随着我国国民经济持续快速发展，带动了能源消费长期高速增长。目前 我国能源供给已呈现出紧张局面。大力推进节约降耗，缓解资源瓶颈制约， 实现能源环境和经济社会的可持续发展是我国用能工作的核心。 中央空调是大厦里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占6 0 左右， 因此中央空调的节能改造显得尤为重要。 中央空调制冷系统冷负荷的装机容量一般均按满足夏季最高环境温度 进行设计。由于季节、昼夜及用户负荷的变化，空调的实际使用热负载远比 设计负载低，实际上出现最大设计冷负荷的时间，即满负荷运行时间不多， 更多时间是在低负荷下运行，中央空调冷水系统一般采用定流量运行方式， 其结果是为满足少量时间大冷负荷制冷要求，而使多数时间水量输送运行在 过剩状态，即水系统运行在大流量小温差状态，造成非常大的电能浪费。 由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留 1 0 2 0 设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状 态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大，其中，冷冻主机可以根据 负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应 调节，存在很大的浪费。 水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地 存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能， 而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使 水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。 再因水泵采用的是v 起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的 3 4 倍，一台9 0 k w 的电动机其起动电流将达到5 0 0 a ，在如此大的电 流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和 停泵时水锤现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增 加维修工作量和备品、备件费用。 1 1 2 中央空调变流量节能控制系统原理以及研究的目的和意义： 一、中央空调变流量节能控制系统原理： 中央空调监控系统并没有对消耗能量最大的设备如空调主机、冷温水 泵、冷却水泵和冷却塔风机进行有效、连续的变流量控制，仅维持在台数控 制的范围内。虽然能实现节能的目的，但是节能的量值不够。这是受传统观 念和技术局限性的制约形成的，其中空调主机冷温水供水流量在主机侧是否 允许变流量运行是一个认识上和技术上的关键点。长期以来，普遍认为这是 必须定流量运行的。近几年来，工程技术的开拓者们，根据压缩式冷水机组 和吸收式冷温水机组的技术指标，冷冻( 温) 水供水流量允许在一定范围内 变化，大胆尝试冷温水供水变流量运行获得成功，节能效果大幅度提高。这 是计算机技术、自动控制技术、变频调速技术日新月异进步的必然结果。 1 、中央空调拖动系统的特性【2 】： 中央空调拖动系统的负载是指压缩式冷水机组、冷却水泵、冷冻( 温) 水泵和冷却塔风机。压缩式冷水机组是恒转矩负载；水泵和风机都是二次方 律负载。 ( 1 ) 恒转矩负载： 恒转矩负载的特点是在拖动电动机的不同转速n 下，负载的阻转矩z 基本恒定，即= 常数，负载的阻转矩正与转速n 的高低无关。负载的功率 只和转矩l 、转速n 之间的关系式是： 最= t l n 9 5 5 0 ( 1 1 ) 从电动机机械角度出发，电磁功率也可以用机械功率只的公式来计 算：匕= n 9 5 5 0 ( 1 2 ) 压缩式冷水机组属于恒转矩负载。当其转速为啊时，消耗功率为鼻；当 其转速为n ，时，消耗功率为只。由式( 1 2 ) 可得到： 只最= 啊n 2 ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 表明，若l l 。为额定转速上，鼻就是消耗的额定功率。也就是 说，当压缩式冷水机组运用变频器控制电动机运行频率，减低运行频率就可 以节约电能。 ( 2 ) 二次方律负载： 水泵和风机都属于二次方律负载，其负载的阻转矩l 和转速h ，的二次 方成正比，即： ， 瓦= k r n ： ( 1 4 ) 式中，k ，是二次方律负载的转矩常数。 负载的功率只与转速n 。的关系式： 只= 乃玎，9 5 5 0 = k ，阳： ( 1 5 ) 式中，k 。为二次方律负载的功率常数。 式( 1 5 ) 表明，水泵和风机消耗的功率是与其转速立方成正比的。 当用变频器控制水泵运行时，变频器输出频率为，：，水泵转速为珥，水 泵电动机的轴功率为n i ；变频器输出频率为厂 ，水泵转速为m ，水泵电动 机的轴功率为，则： 1 n ：= “n ：r 2 ( 1 6 ) 同样，风机变频调速运行时风机转速为， 转速为n ：，电动机的轴功率为：，则： i 2 = h n ：) 3 电动机的轴功率为n i ；风机 ( 1 7 ) 2 、冷冻( 温) 水系统变流量节能原理： 中央空调负载需要多少冷( 热) 量，空调主机就供给多少冷( 热) 量， 这是最节能的系统。也就是说冷温水流量必须跟踪空调负荷的需要，空调负 荷加重是，增加冷温水流量；空调负载减轻时，减小冷温水流量。这就是冷 温水系统跟踪空调负荷变化，实时地改变冷温水流量的变流量节能原理。 3 、冷却水系统变流量节能原理： 中央空调主机运行时，热交换过程产生大量热量，冷却水实时吸收这些 热量，带离空调主机，保障空调主机的运行工况。当空调负荷加重时，空调 主机发热量增加，必须增加冷却水量；当空调负荷减轻时，空调主机发热量 减少，可以减少冷却水量，从而实现冷却水流量实时跟踪空调负荷的变化， 既满足空调主机优化运行的工况，又实现交流量节能。 4 、冷却塔风机系统变流量节能原理： 空调主机冷却水出水的温度和流量都是跟随空调负荷变化的，冷却塔风 机系统应将吸热后的冷却水，通过风机强制吹风降温，使冷却水降温到设定 值，再进入空调主机吸收其热量，进入稳态循环。当空调负荷加重时，冷却 水流量增加，转移的热量增加，冷却塔风机的风量必须加大，才能散发冷却 水的吸热量；当空调负荷减轻时，冷却水流量减少，转移的热量减少，冷却 塔风机的风量必须减少。这就是冷却塔风机系统的风量跟踪空调负荷变化的 节能原理。 二、研究的目的和意义： 1 控制参数合理地反映系统负荷情况，使得空调系统更能适合负荷变 化。 7 2 根据主机进出水温度，实行恒温差控制，能够解决空调系统的过冷 过热问题，水泵效率可大大提高。 3 控制过程智能化，可实现远程监控。 4 变频、工频转换灵活。 5 系统采用最先进的产品，优秀的传感器、变频器、控制执行器等， 将使系统运行更加可靠。 6 变频软起软停，减小对电网冲击，电机寿命延长。 7 采用集散系统控制方式，操作更加简便，节能效果将更加明显。 1 2 国内外研究现状翻及主要研究内容 1 2 1 国内外研究现状： 目前，国内、外变流量节能控制方面也有长足发展，比如说恒压供水控 制系统，在保证整个供水系统水压的前提下，对供水水泵进行变频控制，节 约了电能，同时也改善了供水条件。由于原来供水系统水泵都是采用工频供 电，在用水量不同的情况下，管道内压力变化很大。在造成电能浪费的同时， 也降低了管道的使用寿命。而且由于管道中的水锤效应，容易使管道在压力 大时爆裂，造成经济损失，同时把管道中的污垢冲刷掉，使水质被污染。在 采用变频启动和恒压供水的前提下，以上的问题就可以避免。 目前，对中央空调的节能控制，主要就是采用的恒温变流量p i d 调节。 即在满足用户端需求的前提下，通过节能控制器中的p i d 调节，计算出变频 器的输出频率，用以调节冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的转速，在最大 范围内进行节电控制。这是现代中央空调控制器的核心思想。 国内、外对空调节能控制大都采用分散系统控制方式，即分别对冷冻水 系统、冷却水系统和冷却塔风机进行节能控制，以冷冻水循环系统为例，其出 水温度取决于蒸发器设定值，回水温度取决于从用户端吸收的热量，中央空 调冷冻出水温度与冷冻的回水温度设计最大温差一般控制为5 ( 例如出水7 ，回水1 2 ) ，采用在蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的变 送器、p i d 温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差( 例如 t 一5 _ ) j 空制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。这样的 分散控制操作不够灵活、方便。而且采用的p i d 算法主要适用在线性系统当 中，对于非线性时变系统而言，有时会产生较大超调，使整个系统不容易稳 定。另外，大部分节能控制系统都是针对单一水泵的，对于有多泵同时供水 的情况无能为力。 1 2 2 论文主要研究内容 系统框图大致如下图所示，主要做的工作是一个中央空调节能控制器， 主要用于检测回水温度，管道中的压力和流量，与设定值进行比较，采用模 糊p i d 算法，改变变频器的输入电流( 4 2 0 m a ) ，控制冷冻泵、冷却泵、冷 却塔风机，各水泵电机变频工作，多泵能循环软启，以使空调在满足用户端 需求的情况下，最大限度地节约电能。 图i 1 中央空调节能控制原理图 预期达到的研究目标如下： 1 系统实现集散式控制。中央空调系统是高层楼宇主要的机电设备，其 运行性能直接影响居住和办公的舒适度。然而目前大多数中央空调 仍采用有触点的继电器逻辑线路，这种触点式的控制系统虽然也能 实现自动起动和运行，但离不开人工调节，尤其是冷冻水、冷却水 流量和温度等参数的调整，机组的起、停控制均需在现场进行操作， 这给空调系统的管理和控制带来不便。因此，本系统准备采用一台 上位主机带多个节能控制柜的集散系统，可以进行远程集中控制，可 以设定各控制柜的运行参数，对各控制柜的运行状况进行检测，读 取并存储运行参数，协调各节能分系统的运转。 2 实现多泵循环软启的功能。现有的空调节能控制系统，都是针对一 个泵，不具备多泵循环软起的功能。对于有多泵的空调系统无能为 力。本系统准备在硬件和软件的设计中考虑多泵工作的情况，在节 能控制器中增加多泵循环软起的功能，这样，既节约了电能，又提 高了整机的使用寿命。 3 改进传统的控制算法。现有的节能控制算法是采用传统的p i d 算法。 本系统准备引入现代的模糊控制和自适应控制结合p i d 的控制算法， 使系统运行更加协调、平稳、高效 1 3 系统功能简述 中央空调系统的节电问题十分重要，它的系统是这样实现节能的：首先 智能化节电系统采用温度、压力和流量等多种参数送至节能控制器，然后与 设定值相比较，经过运算后分别输出精确的控制量，再经p i d 运算调节变频 器的输出频率，控制电机转速，从而改变流量使之随负荷而变化，最终在不 影响正常使用的前提下达到节能的目的。 因为本控制系统是整个节能设备的核心部分，它直接影响到设备运行的 稳定性和节电率，所以选用了技术成熟的m c s 一5 1 系列单片机作为微处理器， 此处理器功能强大，可在线编程，还具有节电功能。前端的温度传感器采用 精度较高的p t l 0 0 作为温度信号的采集，压力应用液体压力传感器进行测量。 a d 转换器选用了速度较快的逐次逼近式a d 转换器a d c 0 8 0 9 ，它的分辨率是 8 位的，电流输出稳定时间为1 f s ，完全符合系统的要求。由于设计的需要， 系统外扩e e p r o m 2 4 c 0 8 的存储芯片，容量达8 k 字节，用于存储液晶界面显 示数据和时时采集的信号数据等。在考虑到系统控制的人性化方面，采用了 液晶作为人机交换界面。这样不但能使显示、控制更加方便明了，而且能美 化产品的外观，提高产品的档次。 1 4 系统应用前景 该控制系统性能稳定，抗干扰能力强，完全能够满足变流量装置的需求， 可实现多泵智能切换运行、无级调节功能。即达到了较好的节电效果又能 够改善水网的稳定性，提高自动化程度，具有广阔的市场前景 6 第二章总体设计方案 2 1 系统设计要求： 2 1 1 功能要求 1 、系统采用一台上位主机带多个节能控制柜的集散系统，实现集散式控制。 2 、实现多泵循环软启动的功能。 3 、系统引入模糊控制和自适应控制结合p i d 的控制算法。 2 1 2 控制过程要求 目前的中央空调在节能方面有了较大改进。根据国内外最新资料介绍， 现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。 l 、冷冻( 热) 水泵系统的闭环控制方案 ( 1 ) 制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制方案 在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工 作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节 是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再 经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回 水温度大于设定温度时频率无极上调。冷冻( 热) 水泵系统的闭环控制框图如 图2 1 所示。 图2 1 冷冻( 热) 水泵系统的闭环控制框图 ( 2 ) 制热模式下冷冻( 热) 水泵系统的闭环控制方案 该模式是在中央空调热泵运行( 即制热) 时冷冻水泵系统的控制方案。 同制冷模式控制方案一样，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确 定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变 频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器 检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增 7 减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当温度传感检 测到的冷冻水回水温越高，变频器的输出频率越低。 智能变频器都具有以上功能，通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度 传感器( 如图1 1 ，安装在冷冻水系统回水主管上的a 处) 来检测冷冻水的 回水温度，并可直接通过设定变频器参数使系统温度调控在需要的范围内。 另外，智能变频器增加了首次起动全速运行功能，通过设定变频器参数 可使冷冻水系统充分交换一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无 极调速，并且变频器输出频率是通过检测回水温度信号及温度设定值经p i d 运算而得出的。 2 、冷却水系统的闭环控制方案 目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。 该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的 输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水 流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证 中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。冷却水系统的闭环控 制系统框图如图2 2 所示。 图2 2 冷却水系统的闭环控制系统框图 现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将 其设定下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和 出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、 出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值 时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调 节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小， 变频器的输出频率越低。 8 2 2 中央空调节能控制器接口框图及概要说明： 一、接口框图： 图2 3 中央空调节能控制器接口框图 二、概要说明： 中央空调节能控制器的主要接口框图如图2 3 所示，由温度传感器、压 力变送器和流量传感器分别采集中央空调冷冻水、冷却水的温度、压力和流 量，与设定控制量比较，采用模糊p i d 算法，输出采用p 州( 脉宽调制) 方 式，输出4 2 0 m a 标准电流来控制变频器工作，从而控制冷冻水泵、冷却水 泵、冷却塔风机，各水泵电机变频工作，达到最佳节能效果。 2 3 中央空调节能控制器实现功能 一、能同时带多个泵实现循环软启动。循环软启动可避免某个泵一直运 行在工频状态下，而长期在工频状态运行将造成泵损耗程度加大。另外，循 环软启是由变频泵频率达到5 0 h z 一段时间后再切换为工频，避免了工频的 直接切换，大大降低了循环水管道中的水锤效应 9 二、可实现温度和压力( 或流量) 多参量控制。以往的中央空调控制器 是以单一温度为控制对象，设定目标温度值，进行p i d 运算，对输出进行控 制。而中央空调冷冻水循环系统中是要保证一定的水压力( 或流量) ，若低 于此压力，将造成管道中水温过低而结冰，造成管道损坏。以往的系统只能 是针对变频器设定最低频率输出，而不能根据管道中的实际水压力来控制电 机的最低转速。本控制器能够测量水循环系统的出水压力和回水压力( 或流 量) ，来控制电机工作在最低转速以上，这样将有更大的节能空间。 三、能实现变频器在任意设定频率值的软启。在多泵水循环系统中，由 于多个水泵是并联泵水，当某一泵工作在工频时，它所产生的反压力将使变 频水泵在频率较低时，无法正常泵水，只有当变频水泵达到一定转速时才能 正常工作。本控制器可使变频器直接按照某一启动频率滑行软启，既实现了 软启，又缩短了调节时间，使节能空间加大 四、本控制器备有r s 一4 8 5 通讯接口，可与上位机进行通讯，初步可实现 多台控制柜的集中显示，进一步可实现上位计算机的集中参数设定，多台控 制柜的协调控制。 五、操作灵活，界面更加友好本控制器可通过面板设定系统运行方式， 是工作在制冷循环系统还是制热循环系统。因为现在很多中央空调都是冷暖 空调，夏天是冷水循环，冬天切换为热水循环。还可设定工作模式，是一用 一备，还是一切二，还是多泵循环，都可通过面板设定。另外，启动泵、禁 止备用泵都可设定，以防某泵出现故障进行检修。显示界面采用液晶中文显 示，更加友好。 六，控制算法上采用了传统的p i d 结合模糊控制的算法。既保证了调节 的快速性，又避免了超调，使系统调节更加平稳。 1 0 第三章系统硬件设计 3 1 i2 c 总线扩展接口及应用 本控制系统中需要存储大量的参数及液晶字模数据，如果占用c p u 程序 存储器的存储空间，会使编程空间受到限制，所以，要将这些数据放到外部 数据存储器中。这里选用具有1 2 c 总线接口的e 2 p r o m 芯片2 4 c 0 8 。 3 1 11 2 c 总线扩展原理 1 2 c 总线是p h i l i p 公司推出的芯片间串行传输总线。它用两根线实现了 完善的全双工同步数据传送，可以极为方便地构成多机系统和外围器件扩展 系统。i 总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了 器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统的扩展简单、灵活。按照i 总线 规范，总线传输中的所有状态都生成相对应的状态码，系统中的主机能够依 照这些状态码自动地进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模 块，根据数据操作要求完成i 总线的初始化，启动1 2 c 总线，就能自动完 成规定的数据传送操作。 i 总线接口为开漏或开集电极输出，需加上拉电阻。系统中所有的单 片机、外围器件都将数据线s d a 和时钟线s c l 的同名端相连在一起，总线上 的所有节点都由器件的引脚给定地址。系统中可以直接连接具有1 2 c 总线接 口的单片机，也可以通过总线扩展芯片或i 0 口的软件仿真与1 2 c 总线相连。 在i 总线上可以挂接各种类型的外围器件，如r a m e 2 p r o m 、日历时钟、a d 、 d a ，以及由i o 口、显示驱动器构成的各种模块。 i 总线的时钟线s c l 和数据线s d 都是双向传输线。总线备用时s d 和s c l 都必须保持高电平状态，关闭1 2 c 总线时才使s c l 钳位在低电平。在 标准1 2 c 模式下数据传输速率可达l o o k b s ，高速模式下可达4 0 0 k b s 。i 总线数据传送时，在时钟线高电平期间，数据线上必须保持有稳定的逻辑电 平状态，高电平为数据l ，低电平为数据0 。只有在时钟线为低电平时，才 允许数据线上的电平状态变化。在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高 到低的电平变化时，启动1 2 c 总线，此时为1 2 c 总线的起始信号。若在时钟 线保持高电平期间，数据线上出现由低到高的电平变化时，将停止1 2 c 总线 的数据传送，为i c 总线的终止信号。 3 1 2 串行1 2 c 总线e 2 p r o ma t 2 4 c x x 的扩展 a t 2 4 c x x 采用1 2 c 规程，运用主从双向通讯。器件发送数据到总线上， 则定义为发送器；器件接受数据，则定义为接受器。主器件( 通常为微控制 器) 和从器件可工作于接受器和发送器状态。总线必须由主器件控制，主器 件产生串行时钟( s c l ) ，控制总线的传送方向，并产生开始和停止条件。串 行e e p r o m 为从器件。无论主控器件，还是从控器件，接收一个字节后必须 发出一个确认信号a c k 。 图3 1e e p r o m 接口电路 i 总线和2 4 c 0 8 应用程序见附录2 程序l 。 3 24 8 5 串行通讯集散式控制系统 3 2 14 8 5 串口通讯原理 l d a x 4 8 5 是用于r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 通讯的低功耗收发器，每个器件中都具有 一个驱动器和一个接收器。m a x 4 8 5 的驱动器摆率不受限制，可以实现最高 2 5 m b p s 的传输速率这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取 的电源电流在1 2 0 m a 至5 0 0 m a 之间。工作在5 v 单电源下。驱动器具有短路电 流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功 率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电 平输出。 m a 】【4 8 5 引脚图和接线方式： 图3 2m a x 4 8 5 引脚图和接线方式 一、r s 一4 8 5 串口通讯标准 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远 距离的数字通信。在r s - 4 2 2 标准的基础上，e i a 研究出了一种支持多节点、 远距离和接收高灵敏度的r s - 4 8 5 总线标准，r s - 4 8 5 标准采用平衡式发送， 差分式接收的数据收发器来驱动总线。因为r s - 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得e i a r s - - 4 5 5 成为工业应用中数据传输 的首选标准。 二、影响r s - 4 8 5 总线通讯速度和通信可靠性的三个因素 l 、在通讯电缆中的信号反射 在通讯过程中，有两种因素导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方 法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置 电阻的方法。在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理， 后面将做详细介绍。 2 、在通讯电缆中的信号衰减 第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输 电缆可以把它看成由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路。 3 、在通讯电缆中的纯阻负载 影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载( 也叫直流负载) 的大小。这 里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和r s - 4 8 5 收发器三者构成。 三、在实际应用中，r s - 4 8 5 总线加偏置电阻有两种方法： l 、把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在r s - 4 8 5 总线上的每一个收发器加了偏置电阻，给每一个收发器都加了一个偏置电 压。 2 、在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号 或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。 四、分布电容对r s - 4 8 5 总线传输性能的影响 电缆的分布电容主要是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线和地 之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。分布电容对总线 传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达方式只 有“1 ”和“0 ”在特殊的字节中，例如0 x 0 1 ，信号“0 ”使得分布电容有足 够的充电时间，而信号“l ”到来时，由于分布电容中的电荷来不及放电， ( v i n + 卜( 、，j n + 还大于2 0 0 m v ，结果使接收误认为是“0 ”，而最终导致c r c 校验错误，整个数据帧传输错误 1 3 五、8 9 c 5 2 与4 8 5 通讯接口电路 8 9 c 5 2 与4 8 5 通讯接口电路如图所示，4 8 5 的输出端直接与8 9 c 5 2 的串口 输入端相连，4 8 5 的输入端与8 9 c 5 2 的串口输出端相连，用8 9 c 5 2 的p 1 1 口作 为4 8 5 的输出、输入使能控制线。 1 f r x d 2 8 9 c 5 2 p l l 广r t x dh 图3 34 8 5 通讯接口电路 3 2 2 集散式控制系统 图3 4 所示是集散式控制系统框图。中央空调冷冻水节能控制柜、冷 却水节能控制柜和冷却塔风机节能控制通过r s - 4 8 5 总线并联在一起，并通 过4 8 5 2 3 2 转换电路与上位机联接。 图3 4 集散式控制系统框图 r s 一4 8 5 通讯标准，最远传输距离可达1 5 0 0 m ，是远程通讯的标准接口之 一。这样，就可在远端控制室，通过上位计算机与各分机系统进行通讯，从 而实现对各分系统的远程数据采集与控制。主要采集的现场数据包括：循环 水的水温、出水压力、回水压力或流量，各控制泵的工作状态( 是否工作， 是否有故障等) 还可通过上位机对各分系统参数进行设定，包括：各分系统 的控制目标值，运行参数、通讯参数、校验参数等进行设定。这样，既便于 管理，又有利于整个系统工作处于一种协调、统一的状态下，使系统整体节 能空问更大 1 4 串口中断子程序见附录2 程序2 ： 3 3a d 转换器电路及软件设计嘲 本系统采用a d c 0 8 0 9 作为a d 转换器，需要对中央空调的出水、回水温 度和压力进行监测，共需要8 路a d 转换采样通道。 a d c 0 8 0 9 的8 位逐次逼近式a d 转换器是一种单片c i o s 器件，包括8 位的模数转换器、8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。内部结 构带有锁存功能的路模拟多路开关，可对8 路0 + 5 v 的输入模拟电压信号 分时进行转换，完成一次转换约需l o o u s ，片内具有多路开关的地址译码和 锁存电路、比较器、2 5 6q 电阻t 形网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器 s a r 、控制与时序电路等。输出具有三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数 据总线上；通过适当的外接电路，a d c 0 8 0 9 可对o + 5 v 的双极性模拟信号进 行转换。 图3 5a d c 0 8 0 9 接口电路 a d 转换的程序设计见附录2 程序3 。 3 4 键盘接口电路 通常，键盘有编码和非编码两种。编码键盘是通过硬件电路产生被按按 键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可作为c p u 的中断请求信号，以通知c p u 以中断的方式接收所按按键的键码。这种键盘所需程序简单，但硬件电路复 杂。 非编码键盘常用一些键盘排列成行列矩阵。按键的作用只是使相应的接 点接通或断开，在相应程序的配合下也可产生被按按键的键码。非编码键盘 硬件电路极为简单，所以我们这里采用非编码键盘。 3 4 1 键盘接口电路硬件设计 图3 6 键盘接口电路 3 4 2 接口软件设计 键盘程序由以下几部分组成： 1 判断键盘是否有键按下。先使所有输入列为低电平，输入行信号，若 某行为0 则表明有键按下。 2 寻找按下键。先使某列为低电平，输入行信号，若某行为0 则表明扫 到按下键，并以该行码、列码作为特殊码留作键值分析。 3 键值分析根据行、列码算出键值，并根据键值转入对应的处理程序 入口 3 5 液晶显示接口电路 3 5 1m 1 9 2 6 4 t - 6 液晶显示模块 一模块主要硬件构成说明( 结构框图) 1 6 图3 7 模块主要硬件构成结构框图 i c 4 为行驱动器。i c l ，i c 2 ，i c 3 为列驱动器。 i c l ，i c 2 ，i c 3 ，i c 4 含有以下主要功能器件。了解如下器件有利于对l e d 模 块的编程。 1 指令寄存器i r i r 是用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当d i = o 时，在e 信 号下降沿的作用下，指令码写入i r 。 2 数据寄存器d r d r 是用于寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应。当d i = i 时， 在下降沿作用下，图形显示数据写入d r ，或在e 信号高电平作用下由d r 读 到d b 7 d b o 数据总线。d r 和d d r a m 之间的数据传输是模块内部自动执行的。 3 忙标志b f b f 标志提供内部工作情况。b f - 1 表示模块在内部操作，此时模块不接 受外部指令和数据。b f = o 时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数 据。利用s t a t u sr e a d 指令，可以将b f 读到d b 7 总线，从而检验模块的工 作状态。 4 显示控制触发器d f f 此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。d f f = i 为开显示( d i s p l a y o f f ) ，d d r a m 的内容就显示在屏幕上，d f f ：o 为关显示( d i s p l a yo f f ) d d f 的状态是指令d i s p l a y0 n o f f 和r s t 信号控制的。 5 x y 地址计数器 x y 地址计数器是一个9 位计数器。高3 位是x 地址计数器，低6 位为y 地址计数器，x y 地址计数器实际上是作为d d r a m 的地址指针，x 地址计数 器为d d r a m 的页指针，y 地址计数器为d d r a m 的y 地址指针。 x 地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。 y 地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，y 地址自动加1 ，y 地 1 7 嚣惟器 舻 w d m 址指针从0 到6 3 。 6 显示数据r a m ( d d r a m ) d d r a m 是存储图形显示数据的。数据为l 表示显示选择，数据为0 表示 显示非选择。d d r a m 与地址和显示位置的关系见d d r a m 地址表( 见第6 页) 。 7 z 地址计数器 z 地址计数器是一个6 位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用 于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加l ，指向下一行 扫描数据， r s t 复位后z 地址计数器为0 。z 地址计数器可以用指令d i s p l a ys t a r t l i n e 预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，r 口d d r a m 的数据从 哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的d d r a m 共6 4 行，屏幕可以循环 滚动显示6 4 行。 二、读写操作时序 r v c s a ，c s b d 1 d b 0 d b 7 幺读操作时序 r w c s a ，c s 8 d i d b 0 一d b 7 图3 8 读写操作时序 3 5 2 液晶显示接口电路 图3 9 液晶显示接口电路 外部接口信号如下表3 - 1 所示： 表3 - 1 外部接口信号 管脚号管脚名称 u 啊强管脚功能撼述 1肺7 h l 数据线 2 斑玷 l l l数据线 3班| 5肌 数据线 4斑1 4彬l数据线 5疆3肌数据线 6j 2i i l数据线 7d b l“l数据线 8陷0h l 数据线 9 眦 p v = 。l ”e 信号下降沿镶存聊”姗 e r 知。h ”，寥= 。h ”舶舢数据馕别7 ”咖 1 0 薹【，i眦 i r t = - 。h 。，弘。h 数据棱馕到啷唧 r ，譬= 。l ”，肛“h l ”数据被写捌i r 或璐 1 1 d i珏l d i = 。h ，囊示口盯蝎o 为显示敷据 d i = 。l 。，袭示d b 7 一d b o 为显示指令数鬻 1 2v o1 6 v l c d 驱动负电压 1 3m5 0 v 电源电压 1 4嚣0 电源地 1 5 c s 8璐a 0iol 1 6 c s a c s bo0 l l 选撵i ci c l ( 左)i c 2 ( 中)i c 3 ( 在) 1 71 | i 湛 液晶显示器驱动电压 一1 0 v 1 9 3 6 看门狗x 2 5 0 4 5 与8 9 c 5 2 接口的设计 。 在单片机系统设计中，看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电时 复位电路功能对系统的安全是十分必要的。美国x i c o r 公司生产的x 2 5 0 4 5 就是集上述功能与一体的产品。 3 6 i 看门狗x 2 5 0 4 5 与8 9 ( ；5 2 接口的硬件设计 一看门狗x 2 5 0 4 5 的功能 1 看门狗 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。它提供了三种定 时时间，可用编程选择2 0 0 m s 、6 0 0 m s 和6 4 s 在设定的时间内如果没有 对x 2 5 0 4 5 进行访问，看门狗将自动输出r e s e t 复位信号使c p u 复位这样 可保证c p u 始终在主程序中运行，以避免出现死循环。 2 电压监控 上电时，电源电压超过4 5 v 后，经过约2 0 0 m s 的稳定时间后r e s e t 信 号由高电平变为低电平。掉电时，电源电压低于4 5 v 时，r e s e t 信号立刻变 为高电平并一直保持到电源恢复到稳定为止。 3 e 2 p r o i a 存储器 x 2 5 0 4 5 存储部分是c o m s 的4 0 9 6 位串行酽p r o h ，它的内部按5 1 2 x 8 来 组织。采用三线总线工作的串行接口一次最多可写四个字节。 二x 2 5 0 4 5 的外部功能引脚： s o = 串行输出。串行时钟( s c k ) 的下降沿同步输出数据。 s i ：串行输入。数据由串行时钟的上升沿锁存。 s c k ：串行时钟。 c s ：片选。低电平时看门狗工作，高电平时复位看门狗定时器。 w p ：写保护。低电平时向x 2 5 0 4 5 的非易失性操作被禁止。 r e s e t ：复位。用于电源检测和看门狗超时输出。 v s s = 地。 v c c ：电源电压。4 5 5 。5 v 。 三x 2 5 0 4 5 与8 9 c 5 2 的接口电路 图3 1 0 看门狗接口电路 如图所示，x 2 5 0 4 5 的信号线可与8 9 c 5 2 的p 1 口直接相连，软件控制读 写及选通。x 2 5 0 4 5 的w p 信号由开关k 控制，k 闭合时禁止写入，打开时可 写入数据。 3 6 2 看门狗电路软件设计 一指令及状态寄存器 1 x 2 5 0 4 5 共有6 条操作指令，如表3 2 表3 - 2 x 2 5 0 4 56 条操作指令 指令名指令格式操作 w r e n0 0 0 0 0 1 0 0设置写使能寄存器允许写 w r d l0 0 0 0 0 1 0 0复位写使能寄存器禁止写 r d s r0 0 0 0 0