【正文】 第2章 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)(BuidingAutomationSystem簡(jiǎn)稱BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。 自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BAS又可分為設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)。一般情況下，這兩個(gè)子系統(tǒng)宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，也應(yīng)與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系以便災(zāi)情發(fā)生時(shí)，能夠按照約定實(shí)現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一體化的協(xié)調(diào)控制。 建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：　 1. 自動(dòng)監(jiān)視并控制各種機(jī)電設(shè)備的起、停，顯示或打印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)?！? 2. 自動(dòng)檢測(cè)、顯示、打印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)或歷史數(shù)據(jù)。 3. 根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運(yùn)行 于最佳狀態(tài)。4. 監(jiān)測(cè)并及時(shí)處理各種意外、突發(fā)事件?！? 5. 實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制?！? 6. 能源管理：水、電、氣等的計(jì)量收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化?！? 7. 設(shè)備管理：包括設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行報(bào)表和設(shè)備維修管理等。 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱分布式控制系統(tǒng)(Distributedcontro systems簡(jiǎn)稱DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備處的微型計(jì)算機(jī)控制裝置(DDC)完成被控設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制任務(wù)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制帶來的危險(xiǎn)性高度集中的不足和常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計(jì)算機(jī)具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強(qiáng)的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報(bào)警、打印與優(yōu)化控制等任務(wù)，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機(jī)聯(lián)系困難、無(wú)法統(tǒng)一管理的缺點(diǎn)，保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展歷史及相關(guān)產(chǎn)品簡(jiǎn)介樓宇設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品：　　第一代：CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)(20世紀(jì)70年代產(chǎn)品)　　BAS從儀表系統(tǒng)發(fā)展成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)鍵盤和CRT構(gòu)成中央站，打印機(jī)代替了記錄儀表，散設(shè)于建筑物各處的信息采集站DGP(連接著傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備)通過總線與中央站連接在一起組成中央監(jiān)控型自動(dòng)化系統(tǒng)。DGP分站的功能只是上傳現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，下達(dá)中央站的控制命令。一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)操縱著整個(gè)系統(tǒng)的工作。中央站采集各分站信息，作出決策，完成全部設(shè)備的控制，中央站根據(jù)采集的信息和能量計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)完成節(jié)能控制和調(diào)節(jié)。　　第二代：DCS集散控制系統(tǒng)(20世紀(jì)80年代產(chǎn)品)　 隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成本降低，DGP分站安裝了CPU，發(fā)展成直接數(shù)字控制器DDC。配有微處理機(jī)芯片的DDC分站，可以獨(dú)立完成所有控制工作，具有完善的控制、顯示功能，進(jìn)行節(jié)能管理，可以連接打印機(jī)、安裝人機(jī)接口等。BAS由4級(jí)組成，分別是現(xiàn)場(chǎng)、分站、中央站、管理系統(tǒng)。集散系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是只有中央站和分站兩類接點(diǎn)，中央站完成監(jiān)視，分站完成控制，分站完全自治，與中央站無(wú)關(guān)，保證了系統(tǒng)的可靠性?！　〉谌洪_放式集散系統(tǒng)(20世紀(jì)90年代產(chǎn)品)　　隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，DDC分站連接傳感器、執(zhí)行器的輸人輸出模塊，應(yīng)用ON現(xiàn)場(chǎng)總線，從分內(nèi)部走向設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，形成分布式輸入輸出現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層，從而使系統(tǒng)的配置更加靈活，由于onWorks技術(shù)的開放性，也使分站具有了一定程度的開放規(guī)模。BAS控制網(wǎng)絡(luò)就形成了3層結(jié)構(gòu)，分別是管理層(中央站)、自動(dòng)化層(DDC分站)和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層(ON)?！　〉谒拇壕W(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)(21世紀(jì)產(chǎn)品)　　隨著企業(yè)網(wǎng)Intranet建立，建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)必然采用Web技術(shù)，并力求在企業(yè)網(wǎng)中占據(jù)重要位置，BAS中央站嵌入Web服務(wù)器，融合Web功能，以網(wǎng)頁(yè)形式為工作模式，使BAS與Intranet成為一體系統(tǒng)?！　【W(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)(EDI)是采用Web技術(shù)的建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)，它有一組包含保安系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)和防火系統(tǒng)的管理軟件?！　BI系統(tǒng)從不同層次的需要出發(fā)提供各種完善的開放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次的集成，從現(xiàn)場(chǎng)層、自動(dòng)化層到管理層[2]。EBI系統(tǒng)完成了管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的一體化。 本章小結(jié)本章介紹了自動(dòng)化系統(tǒng)的概念機(jī)原理，講述了自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展史及相關(guān)產(chǎn)品。自動(dòng)化設(shè)備是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 溫度氣體信號(hào)采集模塊本系統(tǒng)的采集部分電路設(shè)計(jì)包括兩部分：溫度采集電路和可燃?xì)怏w濃度采集電路的設(shè)計(jì)。溫度采集電路的設(shè)計(jì)：考慮到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本及電路復(fù)雜性的關(guān)系，我們這里采用數(shù)字溫度傳感器來直接獲得環(huán)境中的溫度，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便可直接與單片機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，硬件電路簡(jiǎn)單。氣體濃度采集電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到的可燃性氣體成分，本系統(tǒng)采用的可燃性氣體傳感器的型號(hào)是MQ—K1，此傳感器對(duì)我們?nèi)粘Ｋ佑|到的煤氣、天然氣和瓦斯的成分都比較敏感。由此傳感器獲得的信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理，便可作為A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入模擬信號(hào)。所獲得的模擬電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入CPU中處理。由此可設(shè)計(jì)出可燃?xì)怏w濃度采集部分的方案框圖，如圖31所示?？扇?xì)怏w傳感器單片機(jī)AT89C52溫度傳感器DS18B20A/D轉(zhuǎn)換傳感器調(diào)理電路圖31溫度氣體采集模塊方框圖 顯示部分方案設(shè)計(jì)常見的顯示方式主要有數(shù)碼管和LCD顯示兩種，本系統(tǒng)的顯示電路如用數(shù)碼管顯示則電路會(huì)比較復(fù)雜，且達(dá)不到顯示的要求，因?yàn)閿?shù)碼管不能用于顯示字符。而液晶顯示電路較簡(jiǎn)單，可直接與單片機(jī)的I/O口相連，動(dòng)態(tài)顯示效果好、清晰度高，可操作性強(qiáng)，且能滿足顯示要求。 報(bào)警及執(zhí)行部分方案設(shè)計(jì)在報(bào)警電路中，我們采用了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的電路，它由一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)三極管和一個(gè)電阻組成，當(dāng)單片機(jī)給它一個(gè)低電平時(shí)，報(bào)警電路就發(fā)出報(bào)警。這能滿足本次設(shè)計(jì)的需要，所以我們選擇了這個(gè)簡(jiǎn)單可行的電路。在執(zhí)行電路中，我們也采用了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的電路，它由兩個(gè)電阻、 一個(gè)光耦 、一個(gè)三極管 、一個(gè)二極管和一個(gè)繼電器組成[3]。當(dāng)單片機(jī)給它一個(gè)高電平時(shí)，繼電器便吸合，使外部電路導(dǎo)通，排氣工作啟動(dòng)。設(shè)計(jì)框圖如圖32所示。 單片機(jī)AT89C52控制執(zhí)行電路報(bào)警電路液晶顯示模塊GDM0801A 氣體監(jiān)控電路 報(bào)警電路圖 32 報(bào)警及執(zhí)行方案的結(jié)構(gòu)原理框圖 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要器件的選擇主控芯片的選擇和元器件的選擇直接關(guān)系到整個(gè)電路運(yùn)行的情況，通過了解和學(xué)習(xí)各方面所需器件的原理和功能，選擇了更加適合這次課題的芯片和元器件，在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下，使得電路盡可能的簡(jiǎn)單，制作成本盡可能的低。 主控制芯片的選擇作為一個(gè)系統(tǒng)的控制核心，選擇正確又適用的芯片很重要[4]?？紤]到我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),我們決定采用51系列芯片來作為主控芯片，最后我們結(jié)合這次課題的具體要求和經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面的考慮，我們選擇了51系列單片機(jī)中的AT89C52芯片來作為這次總設(shè)計(jì)的主控芯片。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司的低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256Byte的RAM。器件采用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令和8052引腳完全兼容。片內(nèi)置通用8位CPU和FLASH存儲(chǔ)單元，片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C52主要性能特點(diǎn):1. 與MCS51單片機(jī)產(chǎn)品指令和引腳完全兼容；2. 8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器；3. 1000次擦寫周期；4. 全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz；5. 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；6. 256x8字節(jié)內(nèi)部RAM；7. 32個(gè)可編程I/O口線；8. 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；9. 八個(gè)中斷源；10. 可編程全雙工串行UART通道；11. 低功耗空閑和掉電模式。 采集系統(tǒng)主要器件的選擇1. 數(shù)字溫度傳感器的選擇考慮到本系統(tǒng)對(duì)采集到的溫度精度要求不高，設(shè)計(jì)成本及電路復(fù)雜性的關(guān)系，我們這里采用數(shù)字溫度傳感器的型號(hào)是DS18B20。DS18B20是DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一線總線技術(shù)的典型產(chǎn)品。它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)精度1/2～1/6的四級(jí)轉(zhuǎn)換，[5]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括7個(gè)部分：(1)寄生電源；(2)溫度傳感器；(3)64位激光(laser)ROM與單線接口；(4)高速暫存器，便箋式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù)；(5)TH觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器，分別用來存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上、下限、tH 、tL值；(6)存儲(chǔ)與控制邏輯；(7)8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器。圖34 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示出寄生電源電路。當(dāng)I/O或VDD引腳為高電平時(shí)，這個(gè)電路便“取”得電源。只要符合指定的定時(shí)和電壓要求，I/O將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點(diǎn)是雙重的：1)利用此引腳，遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)無(wú)需本地電源，2)缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為了使DS18B20能完成準(zhǔn)確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時(shí)，I/O線上必須提供足夠的功率。因?yàn)镈S18B20的工作電流高達(dá)1mA，5KΩ的上拉電阻將使得I/O線沒有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。如果幾個(gè)DS18B20在同一條線上而且企圖同時(shí)變換，那么這一問題將變得特別尖銳。供電方式檢 測(cè)64位ROM和一線口存儲(chǔ)器和控制邏輯便箋式存儲(chǔ)器CRC發(fā)聲器溫度傳感器高溫度觸發(fā)器TH低溫度觸發(fā)器TLVDDDQVDDGND 圖33 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 34 DS18B20引腳在總線主機(jī)上不知道總線上DS18B20是寄生電源供電還是外部VDD供電的情況下，在DS18B20內(nèi)采取措施來通知采用的供電方案?？偩€上主機(jī)通過發(fā)出跳過(Skip)ROM的操作約定，然后發(fā)出讀電源命令，可以決定在DS18B20總線上是否有需要強(qiáng)上拉。在此命令發(fā)出后，主機(jī)接著發(fā)出讀時(shí)間片。如果是寄生電源供電，DS18B20將在單線總線上送回“0”；如果由VDD引腳供電，它將送“1”。如果主機(jī)接到一個(gè)“0”，它知道它必須在溫度變換期間在I/O線上提供強(qiáng)的上拉。DS18B20的測(cè)溫原理如圖35所示，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器l。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器l和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器l對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器l的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加l，計(jì)數(shù)器l的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器l重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器l的預(yù)置值。2. DS18B20的配置寄存器斜率累加器計(jì)數(shù)器1=0計(jì)數(shù)器2=0比較溫度寄存器預(yù)置低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振預(yù)置停止 加1LSB置位/清零 圖 35 DS18B20測(cè)溫原理 配置寄存器為中間結(jié)果暫存器中的字節(jié)4。配置寄存器可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度?？梢栽O(shè)置精度為9位、10位、11位、12位。上電缺省的分辨率為12位精度。用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。3. 可燃性氣體傳感器根據(jù)我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到的可燃性氣體成分，本系統(tǒng)采用的可燃性氣體傳感器的型號(hào)是MQ—K1，此傳感器對(duì)我們?nèi)粘Ｋ佑|到的煤氣、天然氣和瓦斯的主要成分都比較敏感。MQ—K1可燃?xì)怏w傳感器主要用于檢測(cè)空氣中CO、CHH2等可燃?xì)怏w的濃度，其原理為傳感器的內(nèi)部阻抗隨可燃?xì)怏w的濃度而變化[6]。MQ—K1的測(cè)量范圍為100—10000PPM（PPM為體積比例，表示百萬(wàn)分之一），工作環(huán)境的溫度：10℃～45℃，濕度≤95％。其引腳及電學(xué)參數(shù)如圖36所示。圖 36 引腳及電學(xué)參數(shù)圖4. A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。按轉(zhuǎn)換原理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可分為四類：計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能好、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢。因此這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場(chǎng)合。另一種常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式的。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約在幾微秒到幾百微妙之間。根據(jù)系統(tǒng)的需要，我們這里選擇了常見的ADC0809轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。ADC0809是一個(gè)典型的逐次逼近式8位CMOS型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)、三態(tài)輸出鎖存器以及相應(yīng)的通道地址鎖存與譯碼電路。它可以實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)