样本-山东建筑大学毕业设计论文开题报告表

某建筑大学毕业论文开题报告表班级：电本074 某：司凯伦论文题目建筑用电设备物联网系统中空调控制模块的研制一、选题背景和意义所谓物联网，是联接各种智能设备的网络，用于实现对物质世界的感知和控制，具体来说通过如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种信息传感装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。它被认为是信息领域新一轮发展的主要增长点和产业升级的核心驱动力。“物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式”，某航空航天大学国家电工电子示X中心主任赵国安说。建筑作为衣食住行四大基础之一，是物联网应用的重要领域，特别是在智能建筑中。本次设计的建筑用电设备物联网系统中空调控制模块是建筑物用电设备物联网系统中设备控制器的一部分。随着人们生活水平的提高，人们无论在生活中还是工作中，对于舒适性的要求不断提高，同时越来越多的生产工艺对生产车间空气质量、温度、湿度等一系列参数有着严格的要求。中央空调系统能够改善和提高人们的生活和健康水平，改善生活和工作空间的温、湿度，空调效果优十分体空调，所以在越来越多的场合被选用。但是，空调系统是建筑物用电设备中用电量大的设备之一。在我国，建筑能耗在总能耗中的比例约为30%，而空调能耗又占建筑能耗的65%左右。一个优秀的空调控制模块可以在保持空调系统正常运行的基础上节约能源，达到以最小的能源消耗获得最大的享受。对其的研究对节约能源，节省投资，环境保护等方面有着重大意义。二、课题关键问题及难点1、通信模块的设计。通信模块在空调控制模块中有着重要的作用，它使得空调控制模块的控制信号准确的传达到各个执行器，同时准确得接受来自上位机的控制信号和传感器的信号。通信模块在设计中需要考虑以下3个问题：1) 通信设备间的距离，保证通信模块的最大传输距离能满足设计要求；2) 通信模块的接口数满足设计要求，各接口电路互不影响；3) 板子上其他电路对通信模块的影响。2、信号处理电路的设计。在空调控制模块中，CPU内部只处理数字信号，但是从传感器传来的信号是模拟信号，这就需要模块中有A/D转换电路。此外，CPU控制的设备中不光有风机之类的只控制启动停止的执行器；还有风阀等控制电机转速或阀门开度的执行器，这些执行器要用模拟量进行控制。故模块中还要有D/A转换电路。对于从传感器传来的一些信号和传给设备的一些控制信号其电压或电流不能满足对方需要，这就需要信号处理电路对这些电压电流进行适当的改变。这也是信号处理电路的设计难点。3、空调控制模块程序设计。空调控制模块的程序是模块的灵魂。但是，不同子程序在运行时可能会发生在同一时间使用同一设备的问题，这将影响模块是稳定性。此外，程序中相邻两条语句的逻辑顺序也会影响的程序运行的效果。三、文献综述国内外有很多中央空调控制产品的生产厂商，如美国的江森自控公司、Andover Control公司、艾顿公司，霍尼维尔公司，德国的西门子公司等等。国内有某海湾安全技术股份某、清华同方股份某等。目前国内的生产厂商基本都是沿用国外公司技术。各个生产厂商产品组成的控制系统，其功能与结构基本相同。早期的各个生产厂商的控制系统一般采用专用的网路协议，各个系统之间彼此封闭，不同厂商的控制设备难以兼容、互换。为适应开放性的需要，近几年知名供应商相应地都在原来控制系统的基础上，陆续地增加了一些开放性的接口。目前，国内空调控制器的硬件研究主要集中在PIC单片机和ARM单片机，控制方法的研究主要集中在模糊控制，通信方面的研究集中在以太网和RS485通信网络。基于ARM7的中央空调网络集中控制器的研究中研究的中央空调网络集中控制器通过两路RS485总线与单机组控制器和制冷/制热系统进行通讯，并实时监测和控制它所连接的每台中央空调和制冷/制热系统的运行状态，实现了集中控制和网络化管理。自适应模糊PID控制器在中央空调系统中的应用研究中将模糊控制技术与传统PID 控制相结合,提出了一种分段的模糊自适应PID 控制器的设计方法,并将其应用于中央空调系统的温度控制。基于模糊控制技术的中央空调控制器的仿真研究提出了一种变论域模糊控制加PID控制器的方案，该模糊控制比常规模糊控制的超调量小，稳态精度高，抗干扰性较好，模糊控制器的性能得到了较大的提高，而且简单易行，适合于硬件实现。嵌入式技术在中央空调集中控制系统中的应用研究提出采用32位具有较强数据处理能力的微处理器，设计出来的机组控制器既满足系统的实时监控性能的要求，同时还可以方便地实现多机组网联控性能，提高节能效果。基于嵌入式技术的中央空调控制器设计提出了以LPC2210为核心处理器和uC/O S-II为实时操作系统的中央空调系统控制器的设计方案来解决传统中央空调系统控制器实时监控性能不佳且整机运转难以实现多机组网联控、节能效果差等问题。四、方案论证1、CPU选型：本次设计CPU选择Atmel公司的ATMEGA128L型CPU。该CPU是AVR系列。ATMEGA128L在AVR系列CPU中内部接口丰富、功能比较全、性价比高。片内有128KB的Flash程序存储器、4KB的SRAM和4KB的EEPROM；53个I/O口，方向可定义，输出口的驱动能力强，输入口可以三态输入，也可带内部上拉电阻；有2个8位和2个16位的定时/计数器；为了使程序稳定运行，CPU需要有看门狗定时器或程序，AT90S8535有看门狗定时器，便于程序抗干扰，能自动复位并重新启动；有模拟比较器，便于发现输入模拟电压的变化；CPU需要接受来自传感器的模拟量信号，AT90S8535有8路10位ADC，可直接输入模拟电压信号；空调控制模块需要直接控制风阀、风机盘管的进水阀等执行器，这就需要模块能够输出模拟信号，控制电机的启停和调速，AT90S8535有2路8位和6路分辨率可编程（2-16）位的PWM脉宽调制输出，可以通过调节PWM高电平占空比来调节电机转速，还可作为D/A转换器，输出模拟信号；有USART同步/异步串行接口，便于实现RS-232C和RS-485通信接口；有SPI同步串行接口；模块需要尽可能的节约资源，CPU有独立振荡器的实时时钟，在节电模式的低功耗方式下，时钟正常工作，不用外设振荡电路；有16种中断源，且都有一个独立的中断向量作相应的中断入口地址；工作电压X围宽(2.7-5.5V)，抗电源波动能力强。除此之外，AVR系列速度快，大多数指令仅用1个时钟周期，比51系列单片机单周期指令快12倍；相比其他系列CPU，AVR系列功耗低，3 V电源、工作下一般只需几毫安电流，还拥有多种低功耗方式，在掉电方式下，工作电流小于1A。所有AVR单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写)，入门费用非常少；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，使得电路设计变得非常简单；每个IO口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时IO口可以是高阻抗或者带上拉电阻；片内具有丰富实用的资源，如AD模数器、DA数模器，丰富的中断源、SPI、USART、TWI通信口、PWM等等；片内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度；片内FLASH空间大、品种多，引脚少的有8脚，多的有64脚等各种封装；部分芯片的引脚兼容51系列，代换容易，如ATtiny2313兼容AT89C2051，ATmega8515/162兼容AT89S51等；在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行，而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列强。2、无线通信模块选型：无线通讯方面选择集成模块。集成模块相比单芯片其开发周期短。ZigBee“模块”是已经包含了所有外围电路和完整协议栈的能够立即投入使用的产品,已经经过了厂家的优化设计,和老化测试,具有严格的质量保证。而现在市场上的ZigBee射频收发“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送，和协议的实现。即便现在许多ZigBee公司都提供自家芯片的ZigBee协议栈，但这只是提供一种协议的功能，而并不代表它具有真正的可应用性和可操作性，因为它并没有提供一个对用户的数据接口的详细描述。这些需要用户根据完整的协议代码和自己上层的通讯协议,再去一点一点每个部分的去修改协议栈中的内容,才能完成简单的数据无线收发。这使得用芯片开发的周期长，并不适合毕业设计使用。无线通讯模块选择赫立讯IP-Link1221-2034无线组网模块。该模块采用ZigBee无线通讯技术，集合了符合IEEE802.15.4标准的射频收发器，高性能的C8051微处理器，可编程的I/O，多种天线连接方式和多种通讯距离选择的整合方案。使用2.4GHz unlicensed ISM band，符合IEEE802.15.4规X，工业标准RS-232/RS-485接口及低功耗设计，数据传输率250Kbps，支持基于ZigBee网络的星状、混合树状、网状网络等弹性化拓扑设计，Mini Tool工具软件可以容易设定网络的相关参数，使网络建置简单化，传输距离可达100M，最大支持65535个节点。3、有线通信模块选型：由于空调控制模块所连接的设备中有距模块较远的设备，故有线通信模块选用通信距离比较远的RS485总线。由于系统电源为3.3V，故选用MAX3485芯片。4、放大器选型：空调控制模块需要模拟量输出，用于控制风阀执行器等设备，这些设备的控制电压一般在0-24V，而ATMEGA128L的管脚输出电压不超过3.3V，无法满足设备需要，故要加设放大电路，对电压信号进行放大。放大电路主要由放大器构成。放大器选用TI的LM324，拥有4路放大器通道，单信号电压X围是3-32V，开环差分电压放大器，共模电压输入，允许直接接地。放大电路如下图所示：5、电源模块：为了得到稳定的电源供应，电源部分选择电源模块而不用分离式电源。电源模块选择大宇科技某的YAS1.5-3.3-NES型AC/DC电源模块。该模块输入电压165265VAC，输出电压3.3VDC，输出电流0.45A，输出功率1.5W，效率77%，工作环境温度-2585，隔离电压1500VAC。此外，由于模拟量输出的电源电压要能达到24V，故电源模块还需要YAS2.5-24-NES型AC/DC电源模块。该模块与YAS1.5-3.3-NES是同一系列的模块，输出电压24VDC，输出电流0.1A，输出功率2.5W。6、按键、显示模块选型：按键与显示部分分开设计，即显示部分用一个芯片，按键部分直接与MCU连接。不用键盘与LED驱动芯片，如ZLG7290。空调控制模块按键部分按键较少，一共需要7个按键和1个开关。开关与YAS1.5-3.3-NES直流高电平输出相连，用于控制模块开启；一个按键与MCU的RESET引脚相连用于模块复位；其余6个按键分别控制温度、湿度和CO2浓度，直接与MCU的I/O口相连。而且ATMEGA128L的I/O端口比较多，足够设计使用。显示模块分为两部分：指示灯和数据显示。指示灯用于指示空调控制模块的运行状态，包括电源指示、启动指示、状态指示，共需要5个LED。数据显示用于显示房间温湿度和CO2浓度指示灯使用发光二极管。数据显示选择2位7段数码管，分别显示湿度、温度和CO2浓度。7段数码管用MAX6951进行控制。MAX6951是8位7段数码管控制芯片。所需电源电压为3.3V，管脚采用特殊的复用控制，可以简化控制芯片与数码管之间的连线。7、传感器温湿度传感器霍尼韦尔H7012B测温元件PT100铂电阻，湿度输出0-10VDC。CO2浓度检测选择霍尼韦尔AQS51。8、继电器及其驱动电路：继电器选择松下公司的DS1EMDC 3V单稳态型继电器。该继电器吸合电压是额定电压的75%以下，释放电压是额定电压的10%以上，额定动作电流为133.3mA，线圈电阻22.5，额定消耗功率400mW，最某续施加电压为额定电压的120%。AT90LS8535端口输出电流为40mA，为了能驱动继电器，在继电器前加设驱动电路，电路如下：9、隔离：继电器线圈与单片机接口之间的隔离选择光电隔离。该模块控制排风机和送风机，这两个执行器是用数字量控制，故需要使用继电器，光电耦合器选用2通道的PF827。10、抗干扰：在单片机中噪声对于硬件的稳定运行有着很大的影响，为了尽可能的使模块运行的时候稳定，在设计中采取一定的抗干扰措施：（1）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。（2）布线时避免90 度折线，减少高频噪声发射。五、进度安排第1周：翻译外文文献，查阅资料，调研；第2周：完成开题报告；第3周：硬件方案设计，元器件选型；第47周：硬件电路设计；第810周：软件编程；第1112周：联机、调试；第1314周：继续调试、完成毕业论文。六、指导教师意见 签字： 年 月 日七、教研室（或开题审查小组）意见 签字： 年 月 日注：不够可以加附页 教务处制7 / 7