毕业论文智能开关硬件

基于嵌入式技术楼宇智能化控制系统*摘要:为了解决智能楼宇控制点种类和数量多的问题,设计了基于嵌入式技术的智能楼宇控制系统,系统采用MODBUS通讯协议,485/232总线结构,最大通讯距离达1200m,通过区域控制器与控制模块数目自由组合组成控制网络的方法成功解决这个问题,效果良好。关键词:智能楼宇 MODBUS协议 485/232总线 区域控制器0 引 言智能楼宇最早出现在美国,我国的智能楼宇起源于20世纪90年代,楼宇智能化是现代工业高科技的结晶,是未来“信息高速公路”的主节点,是进入“数字时代”新兴的产物。所谓楼宇自动化系统是对中央空调系统、通风系统、给排水系统、照明系统、变配电系统、电梯系统进行监控。随着高新信息技术和计算机网络技术的高速发展,对建筑物的结构、系统、服务及管理的最优化组合的要求越来越高[4]。系统控制的方式由过去的中央集中监控,转而由高处理能力的现场控制器所取代的集散控制系统,本文设计的楼宇自动化智能控制系统是专门为楼宇智能化所设计,同霍尼韦尔、西门子等楼宇控制产品相比结构灵活,控制简便,并且易于针对个体需求进行软件的二次开发。1 网络结构控制系统结构如图1所示,分为三个控制层。上层为PC远程集中监控,下层为控制模块,中间层为现场区域控制器。层与层之间通过RS232/485总线联网。远程集中监控平台主要功能为提供即时的数据显示、历史数据的保存维护和查询显示、故障报警和故障历史查询、参数修改和查询。PC远程监控平台为主要人机界面,所以上位机软件设计体现了如下三个优点:一是将控制网络WEB化,可以将不同来源、不同格式的信息转变为统一的格式,供具有统一界面的客户机浏览器浏览,以更好地适应信息化社会的使用需要;二是建立了基于SQL SERV-ER数据库的管理信息系统,提高了信息管理的功能;三是采用开放式设计的网络结构,可以更方便地与其他系统(如安保系统、消防系统)进行集成。软件基于delphi平台开发,加载大量图形操作,简单方便。控制模块包括四种,即数字量输入模块(Digital In-put)、数字量输出模块(DigitalOutput)、模拟量输入模块(Analog Input)、模拟量输出模块(AnalogOutput)。控制模块是控制系统的主要执行机构,即采集数字量信号和模拟量信号,也输出数字量信号和模拟量信号。因此每种模块各自拥有单独的控制芯片,既接受现场区域控制器的控制命令,又需要根据控制命令完成模块的输入输出功能。中间层现场区域控制器既与PC远程监控平台进行通讯,接受控制命令并上传实时数据,又通过控制模块采集数据、执行控制命令。显然,现场区域控制器是整个控制系统的核心枢纽,其重要性不言而喻,因此整个区域控制器的软硬件设计无疑成为整个系统的重点和难点。2 区域控制器硬件电路区域控制器硬件电路主要由CPU、上下位机通讯接口、EEPROM和时钟、键盘和触摸屏、液晶以及数字量/模拟量输入输出单元组成。硬件结构如图2所示。区域控制器CPU选用STC89C516RD2,这是一款新一代抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机[1-3]。区域控制器自身带有一定数目的数字量/模拟量输入输出单元,可以在智能楼宇控制系统中作为控制模块的补充,同时也可以使区域控制器单独作为产品配套控制器使用,灵活多变。时钟和EEPROM通过I2C总线与区域控制器CPU连接。I2C总线用两条线(SDA和SCL)在芯片和模块间传递信息。SDA为串行数据线, SCL为串行时钟线,这两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连,其数据只有在总线不忙时才可传送。CPU是主设备,时钟和EEPROM是从设备[9]。上位机通讯接口由控制器CPU通过SPI总线访问异步通讯芯片MAX3100来实现。SPI总线采用三线同步接口。主要特点是可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等;下位机通讯接口以串行口中断的方式实现半双工通讯。为了满足多种输入方式,控制器同时带有键盘和触摸屏,即可以以按键方式键入控制命令,也可以直接点击触摸屏实现。键盘采用独立式键盘;触摸屏选用电阻式触摸屏,电阻式触摸屏屏幕主要由两个导电层组成,当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后由触摸屏控制器侦测到这一接触点并计算出(X,Y)的位置。软件流程智能楼宇控制系统所控制的点位种类多样,如温度、湿度、流量、开关等。硬件电路依据数字量、模拟量以及输入、输出提供了通用的接口,因此具体识别控制每个点位则完全由软件完成。现场区域控制器作为整个系统的控制核心,既要检测自身输入输出单元,完成显示,报警等功能,又要根据上位机(PC)、控制模块提供信息发出控制决策。因此软件流程包括初始化、故障检测与处理、控制算法实现、上下位机通讯等(图3),初始化包括数值初始化、中断初始化,通讯初始化,显示初始化;故障检测包括通讯故障,反馈故障,逻辑故障等;控制部分主要是程序算法的实现,对输入输出的智能控制,包括键盘/触摸屏输入及液晶输出,上位机通讯即远程PC与区域控制器通讯,而下位机通讯则是区域控制器与控制模块之间通讯[5-6]。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。表中分5列,第一列为故障号;第二列为故障处理方法,如1(停机),2(关机), 3(重启)···;第三列判断是否联动,如0(否), 1(是),主要判断一些相互有关联的部分出现故障是否需要同步处理;第四列所谓的报警延时主要指某一现象视为故障的重复出现时间,目的是为了消除抖动引起的误报;第五列延迟寄存器则存放报警延时,如1(秒级延时寄存器), 2(秒级延时), 3(分级延时)。每条故障都要对应于表中的一条,实际应用中只需填写表格,快捷方便。上下位机通讯程序都采用MODBUS通讯协议[7-8],Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。控制器通信使用主—从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。此系统中当主设备为上位PC机时,现场区域控制器为从设备,当现场区域控制器为主设备时,控制模块为从设备。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Mod-bus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。例如:当主设备(现场区域控制器)发送如表2请求时,此控制器连接的所有控制模块都接受这请求,但是只有地址为1的控制模块对此请求应答,其他地址的控制模块自动丢弃这帧数据,经CRC检验数据正确后,根据功能码来处理此帧数据,此例中功能码为06,即向此寄存器地址写寄存器数据,完成后从设备需回应与主机请求相同的信息。置区域控制器和各种控制模块数量,结构灵活多变,可以适应多种输入输出信号,根据用户的实际需求开发控制软件,真正达到量身定做成为一大特色。本智能控制系统已经在多个楼宇智能化控制中使用,控制准确,运行稳定;另外,区域控制器也可单独使用,作为产品配套控制器,成功应用于除湿机、冷干机、Vocs气体清除装置等。参考文献1于洪洲·51系列单片机软件抗干扰设计[J]·集成电路通讯·2007,25卷,2期:16-182汪文,陈林·单片机原理及应用[M]·华中科技大学出版社3Yu ShouqianWang Jianhua Kou Jinqiao. Embedded Integrated Servo-controllers for IntelligentModularActuators[J]·HIGH B. Surrogate·Developmentofan IntelligentEnergyManagementNetworkforBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-305黄鑫,宋洋·软件抗干扰技术及其在单片机上的应用·现代电子技术,2007年9期:90-926朱国飞·单片机在工业控制上的应用[J]·中国科技信息, 2005年18A期:77-797田拥军,赵光强,曾健平·基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J]·湖南工程学院学报:自然科学版, 2007年17卷2期:19-238肖凯,张贤斌·Modbus协议在串口通讯中的研究及应用[J]·长江工程职业技术学院学报,2007年1期:30-329赵学军·RS485总线测控模块的MODBUS扩展协议设计[J]·自动化与仪表,2007年2期:37-40

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东华理工大学机电学院 毕 业 设计论文 任 务 书 东华理工大学 学院（部） 专业 班 毕业设计论文题目 智能家居安防系统设计 专题题目 家居安防设计 （2人） 发题日期： 2010 年 11月25 日 开始时间：自2011 年12月28 日 完成期限：至 2011 年 5月（定稿） 答辩日期： 年 月日 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 教 研室主任： 1、课题来源、目的和意义 来源：其他 目的：家庭安全防范的目的是保证家庭成员人身不受伤害和家庭财产不受侵犯。家庭安防系统、新的安防技术和方法，要有效的保证和实现家庭安全防范的目的。目前，在北京、上海、广州等地的高挡别墅区和高档的居民小区、高档住宅已开始在现有的小区安防的基础上，自行安装家庭防盗报警系统正逐步成为趋势，甚至成为邻里的攀比。家庭安全防范，把安防保障的钥匙和主动权放在自己的手中。即可以阻止因小区保安疏忽为犯罪分子提供可乘之机，又可以防范小区个别保安的监守自盗。特别是独栋别墅，邻里守望不易实现，周界防范和家庭报警更显重要。过去几年，人们买房子小则几十万，多则上百万，甚至上千万。人们在购房后，考虑家装、购买家具配饰的投入，很少 考虑入住安全和防范投入。而后者的投入并不很多。只是人们的意识不够。家庭 安全防范也是家庭生活开支的一个组成部分。也许，加装了家庭安全防范报警系统，一辈子都没用上一次。却没有人敢讲，它没有作用。没有加装了家庭安全防范报警系统，一辈子遇上一次盗抢或伤害，会后悔一辈子。家庭安防不是万能的，但没有家庭安防是万万不能的。 意义：1. 防盗:能探测非法入室盗窃者,及时发送警报或现场报警. 2、防劫:家中有人遭遇入室抢劫,可以向外发送报警信号. 3、求助:可用于家中老人、小孩意外事故和急病报警. 4、防火:通过烟感探测器探测烟雾,发出失火警报. 5、防可燃气体中毒:能够探测到煤气/液化石油气/天然气等的泄露,及时报警. 6、全自动报警:一旦发生警情,主机自动拔打设定的六组接收电话报警. 7、远程监听:接通报警电话后可即时监听室内现场动静. 8、异地遥控:可在异地远距离用电话布防或撤防. 9) 监控拍照：如有人入室作案，主机报警的同时，也可无线触发“监控拍照录放器”，通过摄像机自动拍照，其记录的图像照片资料可为公安部门侦破案件提供准确可靠的证据 2、题目类型 设计 3、设计拟达到的主要目标及技术参数 目标：要求对温度、烟雾，红外线等传感器经行实时检测，并且控制系统要对各个传感器的数据作出相应反应，包括以下三个方面： 1、防盗设计 2、火灾报警 3、燃气报警 技术参数： 1、分辨率为8位。 2、最大不可调误差： 0809为1LSB。 3、单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。 4、具有锁存控制的8路模拟选通开关。 5、可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容，功耗15mW。 6、转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围500KHz时，转换时间为128μs。 4、设计具体任务 1软件设计: 1、A/D转换子程序 2、显示报警程序模块 3、防盗控制程序 4、火灾控制程序 5、燃气泄漏控制程序 6、主程序 2硬件设计: 1、燃气报警模块（包括燃气泄漏检测，发生燃气泄漏时有声光报警，切断家中主电源并通知物业） 2、防盗模块（包括红外检测。有转换系统。业主在家中，红外检测仍工作，但不报警；业主不在家时，红外检测发现有人闯入，不管是从门还是从窗户都立刻发出报警信号，并通知物业）（1、2、3处均有传感器部分，信号调理部分、A/D转换部分，报警显示部分等） 3、物业处相应有火灾、燃气泄漏、防盗报警三种显示，对应楼栋号、单元号、门牌号） 4、选择选择单片机系统 5设计要求 1.要求家居安防系统装置体积小、成本低、操作方便、易于维护和安装。 2.通过研究智能控制技术，以及对目前市场上常见的安防系统工作特点的比较，提出家居安防系统的设计方案，实现方法。 3.通过设计家居系统的硬件电路，能联想到其他类型产品的实现原理，以便比较两者的优劣，方便日后改进。 4.编写控制软件程序流程图，使家居系统可以进行智能控制。 5.对装置的干扰进行研究，提高家居系统的抗干扰性能。 6技术难点 设计方案； 7时间安排 1月0 6日－3月22日 实习；文献检索和熟悉内容 3月23 日－4月16日 方案确定；电路图绘制；论文框架 4月16日－4月30日 软件设计；论文初稿 5月08日－5月20日 修改；论文定稿 8重要提示 设计书：硬件电路及原理说明；软件设计思想；程序流程图及清单。 9参考文献 [1] 电子线路设计 谢自美 华中出版社 [2] 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M] 杨振江 西安电子科技大学出版社，2000. [3] 无功补偿与电力电子技术 苏文成、金子康 机械工业出版社,1989 [4] 单片机的c语言应用程序设计[M] 马忠梅 北京航空航天大学出版社，1999 [5] 模式识别 边肇祺 清华大学出版社 ,1988 [6] Inte l 16位单片机 孙涵芳 北京航空航天大学出版社，1995 [7] 单片机的C语言应用程序设计 马忠梅 北京航空航天大学出版社,2007 [8] . Bezdek. Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms. New york :Plenum Press ,1981. [9] Back T. Evolutionary Algorithms in Thoery and Prac2 tice[M ] . New York :oxford uni. Press. 1996. 2、课题任务的主要内容和要求(包括原始数据、资料、技术参数、工作要求等) 要求对温度、烟雾，红外线等传感器经行实时检测，并且控制系统要对各个传感器的数据作出相应反应 硬件部分模块包括： 1、 无功功率测量模块（模块应选择合适传感器，信号调理电路等。测量包括电压测量和电流测量） 2、 A/D转换模块 3、 选择合适单片机系统 4、 显示模块（对无功功率的实时显示） 5、 无功功率补偿控制（电容组数，控制策略电容组如何投入如何切除） 软件部分模块包括： 1、 A/D转换子程序 2、 无功功率计算算法 3、 显示程序模块 4、 无功功率补偿算法 5、 补偿电容组的投入、切除策略 6、 主程序 3、毕业设计(论文)课题成果的基本要求(包括毕业设计(论文) 、图表、实物样品等) 1.要求无功功率补偿装置体积小、成本低、操作方便、易于维护和安装。 2.通过研究无功功率补偿技术，以及对目前几种电容投切开关工作特点的比较，提出电容电容投切符合开关的设计方案，实现方法。 3. 通过设计复合开关的硬件电路，能联想到解决其他类型投切开关易产生涌流、谐波、功率大等缺点。 4.编写控制软件程序流程图，使复合开关可以进行智能投切，使其操作更智能。 5.对装置的干扰进行研究，提高复合开关的抗干扰性能。 4.时间安排。 1月 6日－3月22日 实习；文献检索和熟悉内容 3月23 日－4月16日 方案确定，电路图绘制，论文大纲 4月16日－5月7日 软件设计，论文初稿 5月8日－5月20日 修改，论文定稿 5、主要参考文献、资料和参考书(要求至少外文两篇、中文五篇) [1] 诸俊伟。电力系统分析[M] 。北京：水利电力出版社，1995. [2] 杨振江。智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M] 。西安：西安电子科技大学出版社，2000. [3] 苏文成、金子康。无功补偿与电力电子技术。北京: 机械工业出版社,1989. [4] 马忠梅。单片机的C 语言应用程序设计[M] 。北京：北京航空航天大学出版社，1999. [5] 边肇祺等. 模式识别. 北京:清华大学出版社 ,1988. [6] 靳龙章、丁毓山。电网无功补偿实用技术。北京：中国水利水电出版社，2008. [7] 马忠梅。单片机的C语言应用程序设计。北京：北京航空航天大学出版社,2007. [8] . Bezdek. Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms. New york :Plenum Press ,1981. [9] Back T. Evolutionary Algorithms in Thoery and Prac2 tice[M ] . New York :oxford uni. Press. 1996. 毕业设计（论文）开题报告 1、课题研究的意义、国内外有关本课题的研究动态和自己的见解 随着国民经济的快速发展和持续增长，电力建设更是取得了令人瞩目的成就，但电力需求的增长电子供需矛盾日益突出电力供应的严重不足已制约了国民经济发展的速度，而要缓解当前乃至今后一个时期电力供需之间的矛盾，并从根本上解决问题，除了增加发电量这一主要渠道外，采用各种节电措施，最大限度 地利用现有各种电力设施资源也是非常重要的。利用无功功率补偿技术来 挖掘现有电力资源潜力，是一种能够迅速见效的，切实可行的措施之一，同时也能够节约大量的电力能源。无功功率补偿能够节省电费开支、降低系统的能耗，将有功损耗将降低20%～45%、改善电压质量并且三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量。 在10kv以上的电网中，出于注重安全的原因，很少使用自动无功补偿装置。另外无功尽量就地补偿的原则，低压自动无功补偿装置获得广泛的应用，并不断的有新的技术涌现出来。无功率补偿现在国内外有好几种方法。有低压配电网无功补偿方法、有高压配电网无功补偿、有智能低压动态无功补偿技术。 我个人偏向智能动态无功补偿技术。由于电力电子技术、智能控制技术和信息通信技术的不断发展，带动了许多电力新技术、新设备的不断出现，近年来随着城乡电网改造的进行，智能无功补偿技术在各地低压配电网的公用配变被广泛运用，它集低压无功补偿、综合配电监测、配电台区的线损计量、电压合格率的考核、谐波监测等多种功能于一身，同时还充分考虑了与配电动态化系统的结合，是一个比较方便和安全的技术。 2、课题研究的主要内容、拟解决的关键性问题和预期的成果 课题主要是研究对电压、电流实时检测，无功功率计算及补偿方法设计。硬件部分要有无功功率测量模块、A/D转换模块、合适单片机系统、显示模块、无功功率补偿控制。软件部分有A/D转换子程序、无功功率计算算法、显示程序模块、无功功率补偿算法补偿电容组的投入、切除策略主程序。 3、课题研究方法、设计方案或论文撰写提纲 采用低压集中补偿方式来实现功率补偿。硬件电路设计涉及到单片机型号的选择，电源电路设计、采样电路设计、A/D转换、功率因数的测量电路和复位、显示、驱动电路的设计。软件部分涉及到功率因数角的测量、计算无功功率和电容器组的投切控制。 图1 硬件电路设计图 4、课题研究准备情况(查阅参考文献目录、完成任务所具备的条件等) 5、毕业设计(论文)总体安排和进度 1月 6日－3月22日 实习；文献检索和熟悉内容 3月23 日－4月16日 方案确定，电路图绘制，论文大纲 4月16日－5月7日 软件设计，论文初稿 5月8日－5月20日 修改，论文定稿 6、指导教师意见与建议(选题的学术意义和现实意义、选题内容的国内外研究情况概述、有无创新内容、选题的合理性、开题条件是否具备、存在的难点和困难、建议等)

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