天津商业大学。
2011届本科过程控制系统课程设计。
宿舍楼安全控制系统设计。
姓名： 刘海翔
系别： 信息工程学院
专业： 自动化
学号： 20083319
指导教师陈琦
2023年12月
目录。摘要 i
目的意义 1
第一章设计任务与要求 2
1.1基本功能 2
第二章控制系统总体设计原理图 2
2.1 系统及各主要模块的介绍 2
第三章系统的硬件设计 3
3.1 数据检测模块的设计 3
3.2 控制模块的设计 4
3.3 继电器电路设计 5
第四章软件系统设计 5
4.1 主程序流程 5
4.2 比较子程序流程图 6
4.3 多机通信 7
4.4 传感器主程序流程图 10
设计体会 11
参考文献 11
宿舍楼安全控制系统设计。
摘要：由于学校宿舍的用电管理和用电安全存在着众多问题，所以我们设计了一个以单片机为核心能自动识别大功率电器并能限制其使用的智能用电控制器和消防控制系统。介绍了系统的组成、主要模块的工作原理及程序流程图。
该控制器主要适用于学生寝室、集体宿舍。当有常规小功率电器接入时，电流的瞬间变化量将不会超过设定值，电路能正常供电。而当有单个功率在设定值以上的电器接入时，瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上限值，单片机主控器将切断电源，能有效的防范学生在宿舍内使用大功率禁用电器，减少安全隐患节约电能。
宿舍消防监控系统具有火灾自动报警、联动灭火功能。通过安装在每个房间、过道等处的光电感烟探测器、感温探测器等，自动捕捉被监测区域内火灾发生初期的烟雾和火苗信号。当信号达到报警阈值便发出声、光报警，并且自动接通有关设备，驱动相关灭火装置，如事故照明、消防给水、火灾区域隔离和排烟系统，实现火灾监测、报警和灭火的自动化。
关键词：智能识别、传感器、单片机、串行a/d、rs485总线。
宿舍楼安全控制系统设计。
目的意义。随着高等教育的普及，高校的扩招，在校学生人数增长的激增，尤其是伴随着学生生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进学生公寓，这就要求对学生开放用电，而且高校后勤的社会化也势在必行；目前各高校都在进行后勤社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。现在国内已有多家公司开发、生产学生公寓用电智能管理控制系统，随着该项技术的不断成熟及公寓管理水平的不断提高，该产品将有广阔的市场空间。
我国高校中普遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题，安全隐患日益突出。长期以来，我国高校对校办公区和学生公寓普遍实施免费电量**，有的还对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法，但在用电安全和用电节约上存在着诸多矛盾和隐患，并且不利于校后勤部门有效管理。因此，现有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。
这样即解决了供电与用电之间的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担。此外， 由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓。由于学生公寓是人口密集、用电负载类型多样的场所。
当使用以上大功率的电器设备时，很容易引**灾等事故，直接威胁同学们的人身安全和学院的财产，并且给学校带来负面的社会影响。要求应设置消防自动控制系统。本文对大学生宿舍消防监控系统进行了概述，对报警与消防联动控制进行了设计。
旨在提高系统性能，减少火灾带给人类的生命与财产安全。
管理系统可以实现对整个公寓的集中监控，可实现学生公寓各房间用电量自动检测计量、超预置电量自动断电、非法用电自动识别、短路、过流保护、欠费自动提示等功能。消防监控系统具有火灾自动报警、联动灭火功能，并且自动接通有关设备，驱动相关灭火装置，如事故照明、消防给水、火灾区域隔离和排烟系统，实现火灾监测、报警和灭火的自动化可使公寓用电管理自动化、智能化，提高公寓管理水平，实现安全、节能、增效。
1 设计任务与要求。
1.1 基本功能。
(1) 集群式供电智能管理系统的下位机软件编程。下位机的软件程序包括与上位机串口通信、单片机数据采集和数据保存等工作。
2) 对用电过程中的负载类型进行识别。一般情况下，电压波形为正弦波，即标准电压；当一些学生公寓由于年代久远，供电设备和线路老化，线路容量不足时，会使电压波形产生畸变，成为非正弦波，即削顶电压。
3）本课题要实现在以上两种电压波形下负载类型的识别。其目的就是限制大功率性负载(如电炉子、热水器等)。但允许使用计算机负载，可以根据要求设定限制允许使用的计算机功率的值(一般设定为500w),当检测到用户使用非法电器时，将立即断电，一段时间后，恢复供电，如继续使用，将再次断电，并记录。
或者当有火灾发生时当信号达到报警阈值便发出声、光报警，并且自动接通有关设备，驱动相关灭火装置，如事故照明、消防给水、火灾区域隔离和排烟系统，实现火灾监测、报警和灭火的自动化。
2 控制系统总体设计原理。
如图1所示，整个设计系统由上位计算机、中继器模块、数据检测模块、控制模块以及继电器执行模块等几部分组成。其中数据检测模块主要完成对原始数据的采集，经过整流滤波，信号调理后，通过a/d转换器将模拟信号转换为数字信号，然后送到控制模块中的单片机进行分析处理，判断是否学生宿舍使用了大功率电器或者火灾发生初期的烟雾和火苗信号；并将分析结果送到继电器执行模块。而继电器执行模块则主要是执行单片机送过来的控制命令：
通断电。中继器模块则是数据检测及控制模块和上位计算机之间进行数据传递的桥梁；上位计算机则主要是人性化的显示各用电参数，并通过它进行数据的调用和控制。
2.1系统及各主要模块的介绍。
首先本系统设计的功率智能控制器是接在房间回路的主干线上。通过电流互感器采集主电路中的电流信号，经过整流、滤波以及信号调理，送到a/d转换芯片tlc2543转换成数字信号，然后送到单片机中，根据编制好的程序进行分析，处理。其中程序一般要具有以下特点：
首先根据功率单个最小禁用电器接入时的功率，来设定单个电器的上限值（一般单个功率都不大于300w）。由于常规小功率电器接入时，电流的瞬间变化量将不会超过设定值，所以电路能正常供电。但是当有单个功率在设定值以上的电器接入时，瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上限值，单片机主控器将记忆该值。
为了防止由于冲击电流或电网干扰等原因产生的误动作，在规定的时间内将连续采样n次，通过进一步的比较和分判断，确保一旦有大功率电器接入，立即进行跳闸停电操作。通过设置总功率上限值，一方面可限制总用电功率，另一方面可实现用电安全保护。该控制器还可以配合其他控制器来设置触电、过载、短路等保护功能，更加有效的防范了一些用电安全事故的发生，确保学生的用电安全。
系统设计总体框图如图（1）所示。
3 系统硬件电路设计。
3.1 数据检测模块的设计。
数据检测模块包括电流互感器、电压形成放大电路、整流滤波电路和信号调理电路。该控制器采用的是由简单的电流负感器采样，经桥式整流、滤波后再经过一个简单的限幅保护电路直接将线性的电压信号送至a/d转换器。其限幅保护电路主要是用来保护a/d芯片。
数据检测模块如图2所示。
本模块电路的核心部件是电流互感器，它实时的采集着目标房间的电流瞬时变化。电流互感器是将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器、仪表、继电保护及其他类似电器。
图 3 电流互感器及检测电路。
3.2 控制模块的设计。
数据检测模块采集到的目标房间电流变化的模拟量经a/d转换送给单片机，采用12位串行a/d转换器tlc2543。tlc2543是有11个模拟量输入通道的12位开关电容逐次逼近a/d转换器，具有转换速度快、稳定性好、与单片机接口简单，且性价比好等优点。可通过一个三态的串行输出端与主处理器或其他外围串行高速传输数据。
tlc2543与单片的接口电路如图4所示。
图 4 tlc2543与单片机接口电路。
系统中我们选用at89c2051单片机。该芯片的功能与mcs-51系列单片机完全兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用。
从上节管脚说明可看出，at89c2051没有提供外部扩展存储所需的地址锁存和读写控制信号。因此，利用at89c2051构成的单片应用系统时，不能象at89c51那样扩展存储器等设备，可以根据情况与i2c或spi串行总线设备接口。
系统中各i/o管脚功能分配见表3.1：
表3.1 系统i/o管脚功能表。
3.3 继电器电路的设计。
继电器电路是整个模块的核心部分，其电路图如图5所示，当系统检测到房间使用了大功率电器，或者当上位机发出断电信号时，光电耦合器不工作，没有放大电流产生，三极管没有放大电流的产生，是继电器吸和的常闭触点断开，常开触点闭合，房间断电。
图5 光电耦合及继电器驱动电路。
4、 系统软件设计。
4.1主程序流程。
4.2比较子程序流程图。
比较子程序判断减法子程序中减数与被减数的关系，若被减数大于减数置比较标。
位为1，若被减数小于减数置比较标志位为0。
4.3 多机通信。
通信过程的协议要根据不同的应用场合，来制定不同的协议，有些协议是很复杂的。在设计中我们规定了如下几条简单的协议[5]：
1 系统中允许接有255台从机，它们的地址分别是00h～ffh。
2 地址ffh是对所有从机都起作用的一条控制命令：命令各从机恢复sm=2的状态。
3 主机发出的控制命令**为：
00h：要求从机接收数据块。
01h：要求从机发送数据块。
其他：非法命令。
4 数据块长度：16个字节。
5 从机状态格式为：
d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0
其中：若err=1，表示从机接收到非法命令。
若trdy=1，表示从机发送准备就绪。
若rrdy=1，表示从机接收准备就绪。
下面我们给出了串行通信的程序框图，主程序部分是以子程序的发式给出，要进行串行通信时，可以直接调用这个子程序。主机在接收或发送完一个数据块后可返回主程序，完成其他任务。从机部分以串行口中断服务程序的发式给出，若从机为做好接收或发送数据的准备，就从中断程序中返回，在主程序中做好准备。
故主机在这种情况下不能简单地等待从机准备就绪，而要重新与从机联络，使从机再次进入串行口中断[7]。图6 多机通信主机程序流程图，图7 多机通信从机程序流程图。
图6 多机通信主机程序流程图。
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