《基于單片機的照明控制系統(tǒng)設計》7200字

基于單片機的照明控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u15635摘要 1174911引言 1172111-1本設計課題的目的意義 290781.2PLC在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 2233262總體方案設計 375602.1主要內(nèi)容 37242.2照明控制系統(tǒng)的功能需求分析 3213192.3智能照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成 338693.硬件設計 424313.1控制線路設計 4123793.2PLC的選型 6232113.3I/O地址分配 672274.軟件設計 7323834.1程序流程 7270214.2程序編寫 878754.3系統(tǒng)控制程序 10225755系統(tǒng)仿真 12113175.1S7-200仿真步驟 12196955.2系統(tǒng)仿真圖 13315636結(jié)束語 1818891參考文獻 19摘要目前，我國大學校園的公共照明主要控制方式多為手動控制，這種方式存在對于時間把握不準確，控制繁瑣、浪費電等問題。針對這種現(xiàn)象，本設計基于西門子S7-200系列PLC控制器進行照明系統(tǒng)的自動控制。照明系統(tǒng)組成部分包括時間輸入信號，以及三個輸出信號：道路照明控制、景觀燈控制、公共綠地控制。本設計主要講述參照設計要求以及輸入輸出接口數(shù)量來進行PLC型號的選取以及I/O分配，最后進行模擬仿真測試，能夠達到在特定時段輸出端口與設計預想一致，以達到設計要求。關(guān)鍵詞：校園照明系統(tǒng)；西門子S7-200；自動控制1引言1-1本設計課題的目的意義能源問題一直困擾著人們，但是往往會忽略照明用電的能源消耗，很容易造成浪費，在大學校園中照明用電占據(jù)了絕大部分，并且大學校園一般都設立于郊區(qū)，校園占地面積大，公共綠地多，并且公共照明的容量大，工作時間長，因此道路，操場，綠化等公共照明的電能消耗占比重較高?？刂坪霉舱彰鞯哪芎木湍芙档驼麄€學校的能耗以次來達到節(jié)約能源的目的。隨時目前各個領(lǐng)域智能化自動化的推進，大學校園作為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)基地更應該適應時代的發(fā)展，逐步推進智能化校園的建設。校園智能照明系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC控制來代替人工控制?？删幊炭刂破鳎≒rogrammableLogicalController）簡稱PLC，具有穩(wěn)定性好，易操作、編程簡單、體積小巧、等等一系列優(yōu)點。其功能越來越完善，應用范圍也越來越廣，在各大工業(yè)生產(chǎn)部門都有應用，可以完全滿足校園的公共照明控制要求。它還可以完成順序控制、邏輯變換、定時控制、計數(shù)控制、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理等功能。并且通過眾多的I/O接口創(chuàng)建與各類設備（生產(chǎn)、照明、輸送、制造設備等）進行聯(lián)系，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動控制。在校園安裝PLC控制照明電路可以達到易于安裝、編程方便、控制容易、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強的優(yōu)點，所以采用西門子S7-200系列PLC來代替人工操作，以實現(xiàn)對校園照明系統(tǒng)的自動化控制。1.2PLC在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀PLC起源于20世紀60年代，發(fā)展至今已然成為世界上自動控制設備非常重要的控制器，目前，可編程控制器在全球范圍內(nèi)有非常廣泛的運用，已經(jīng)發(fā)展成了擁有16位和32位CPU構(gòu)成的小型PC，實現(xiàn)了多任務同時處理。PLC發(fā)展至今，硬件技術(shù)以及軟件方面，都有了很大的提升，比如：處理速度更快了、能耗更低了、制造成本購買成本也低了、軟件功能更加完善編程靈活方便。加快了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)制造自動化的進程。目前在我國PLC也有廣泛的應用，大多數(shù)還是使用國外制造的產(chǎn)品為主，當然隨著我國現(xiàn)代化進程的進一步加快，PLC在我國將會有更加寬闊的發(fā)展空間以及應用場景。

2總體方案設計2.1主要內(nèi)容整個系統(tǒng)主要由三大部分組成，主要有PLC、中間繼電器、照明燈和開關(guān)。這三部分組成了智能照明控制系統(tǒng)，以時間作為主要輸入?yún)?shù)，通過編程軟件編寫分時段的控制程序來達到自動控制的要求。依據(jù)校園的公共照明分布以及各時段的照明需求，對輸入量和輸出量進行I/O節(jié)點的分配，緊接著使用STEP7-Micro軟件編寫梯形圖控制程序，最后通過仿真軟件進行模擬仿真和調(diào)試，在基本滿足設計要求的基礎(chǔ)上，還要考慮到更加節(jié)約能源。2.2照明控制系統(tǒng)的功能需求分析（1）節(jié)能：過度的照明不僅會形成光污染還會出現(xiàn)資源浪費的情況，照明控制系統(tǒng)采用個性化的分季節(jié)分時段控制方法，利用編寫程序規(guī)定的時間區(qū)間以及控制方式和控制元器件，對不同時制不同時段內(nèi)的照明進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)科學有效的管理校園公共照明，最大程度的節(jié)約能源。（2）燈具使用壽命：在燈具正常使用中難免會造成長時間工作導致的發(fā)熱問題，但是采用PLC控制可以延長燈具的使用壽命，這樣不僅可以免去大量的更換燈具的費用，還減少了燈具的損壞老化而產(chǎn)生的人工維修費用，降低了系統(tǒng)的運行成本，管理和維護變得更加簡單。（3）管理的高效率：如何使得系統(tǒng)控制和操作更方便快捷，修改控制系統(tǒng)的參數(shù)更加靈活，使管理更趨于自動化提高效率，減少人力的重復勞動。智能照明控制系統(tǒng)將一般照明的人工控制開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑芾?，使人工將自身的管理意識用到智能照明控制。（4）人性化：基于plc的智能照明控制系統(tǒng)，不但可以精確的控制照明時間，在對的時間就應該對應正確的燈光提高了整體的燈光質(zhì)量，讓人們擺脫太陽落山了道路卻還漆黑一片的苦惱，也不會再有光線充足的情況下路燈卻被提前打開的疑惑?？萍际怯扇祟愅苿拥木偷没貧w運用到人上去，讓科技更好的服務學生。2.3智能照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成一般來說目前智能照明控制系統(tǒng)大都為數(shù)字式的照明管理系統(tǒng)，由微電腦PC或微處理器進行運算，組成部分為系統(tǒng)單元、輸入、輸出單元。且各單元間都有一個特定的單元地址。通過CPU的處理計算，控制系統(tǒng)的功能可以通過編程軟件進行設定。系統(tǒng)單元：主系統(tǒng)的任務是對各個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相同的控制網(wǎng)絡和信號采樣方案，子系統(tǒng)的基本職責為把不同控制的網(wǎng)絡體系在各分區(qū)實施，子系統(tǒng)、主系統(tǒng)雙方之間的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)由不同的信息元件連接組合來完成[1]。輸入單元：主要是用來將外部的各種輸入信號經(jīng)過特定的轉(zhuǎn)換方式變成系統(tǒng)可識別的信號模式。比如說人機交互頁面的控制面板，各種輸入開關(guān)、軟起動/軟關(guān)斷、紅外接收器、外接時鐘等。PLC的輸入端口豐富可以實現(xiàn)多節(jié)點同時管控，在本設計中輸入單元主要為PLC的內(nèi)部時鐘的數(shù)據(jù)以及手動開關(guān)。使得系統(tǒng)滿足預設的要求。輸出單元：校園照明系統(tǒng)的輸出單元是接收由處理器運算后輸出的信號，來控制相對應回路或線路的響應器件做出相應的動作?？刂圃頌榧锌刂疲稚?zhí)行。本設計輸出單元都為繼電器線圈，用于控制燈具的亮暗，完成預設的要求。

（2）智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點

節(jié)能效果：用基于PLC的照明控制系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動控制最主要的目的在于減少能源的消耗。針對公共區(qū)域，根據(jù)照明需求一般采取有效控制開燈數(shù)量，該措施節(jié)能效果最為直接有效[2]。這樣會導致增加控制次數(shù)，增加人力負擔，由于本設計是由PLC控制整個照明系統(tǒng)所以不用考慮人力成本的問題。通過這種方式節(jié)能效果突出，大約可以降低30%以上的能耗。延長光源的使用壽命：在照明系統(tǒng)的維護成本中光源的成本占據(jù)了絕大部分，所以延長光源的使用壽命就成了降低成本最重要的一部分。智能照明控制系統(tǒng)通過對燈光時間的管控，使得光源使用壽命有所增加。不僅可以節(jié)省更換燈具的人力成本，還可以節(jié)省燈具的購買費用，進一步降低系統(tǒng)的維護費用。3.硬件設計3.1控制線路設計由于校園的內(nèi)部道路人車比較混雜，所以光照強度不應小于15Lx，學校采取的路燈排列方式為雙側(cè)交錯位置，桿距約等于20m到25m左右[1]。這樣有利于減小光線死角。由于智能照明控制系統(tǒng)采用分時控制方法，所以得對道路照明進行編號。分為四類：左側(cè)單數(shù)、左側(cè)雙數(shù)、右側(cè)單數(shù)、右側(cè)雙數(shù)，每一類路燈由一條回路控制。在景觀照明部分采用單雙號由不同回路控制，這么做以便在第二時段時景觀照明可以做出1/2燈具熄滅的輸出結(jié)果。而道路照明雖然只保留1/2的燈具亮著，但是我們設定的燈桿距離為25m，并不算太遠，況且校園內(nèi)部道路并不算寬。再加上我們采用的是交錯布置，光線足以覆蓋整個路面達到照明需求。由于校園公共照明設施數(shù)量多，燈具容量較大，本機線路設計采用分級供電方式，以便在故障時減小停電面積以及便于安裝和維護。每一條回路都有一個受控于PLC城西的接觸器來控制。供電系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示（圖中只畫出了三種燈具的一條供電系統(tǒng)）。圖3-1供電系統(tǒng)示意圖3.2PLC的選型PLC型號的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。一般PLC機型選擇的基本原則是優(yōu)先滿足系統(tǒng)功能需要，在維護方便的前提下,追求更高的性價比。選擇時還應考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應的功能要求,響應速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,在多個設備多個系統(tǒng)兼容的情況下還應考慮到使機型盡量統(tǒng)一。目前,世界上PLC產(chǎn)品大致可以分成三大流派每個流派都各有特點，分別是歐洲、美國、日本。在經(jīng)過控制要求的分析及I/O點數(shù)估算之后選用了在我國運用范圍較廣，性價比高的小型PLC——西門子S7-200。這個系列的控制器不僅有極高的可靠性，還有豐富的拓展模塊等優(yōu)點。并且西門子為這款PLC開發(fā)了一款方便快捷的編程軟件——STEP7-Micro/WINV4.0，這款軟件可以在Windows系統(tǒng)下很方便的進行程序的編寫、修改，以及可以對PLC內(nèi)部進行監(jiān)控調(diào)試。這使得s7-200適用于各種規(guī)模的控制系統(tǒng)，涵蓋了幾乎所有與需要自動化控制的領(lǐng)域。比如生產(chǎn)制造，機床等，可以說S7-200完全滿足本設計的要求，3.3I/O地址分配本次設計的對象為大學校園公共區(qū)域照明控制系統(tǒng)，主要有景觀燈和道路照明，根據(jù)設計要求輸入信號有實時時鐘輸入，啟停開關(guān)等其中當I0.0為高電平則系統(tǒng)進入自動控制模式，無需人為操作。輸入信號地址分配表如表3-1所示。表3-1輸入信號分配表信號名稱地址實時時鐘輸入I0.0啟動開關(guān)I0.1停止開關(guān)I0.2春冬啟動開關(guān)I0.3夏秋啟動開關(guān)I0.4根據(jù)設計要求其中道路照明分為左側(cè)單數(shù)燈、左側(cè)雙數(shù)燈、右側(cè)單數(shù)燈、右側(cè)雙數(shù)燈四個輸出信號，將草坪和景觀燈的輸出信號分別平分為兩部分，各占兩個輸出口?？偣残枰?個輸出信號扣。輸出信號地址分配表如表3-2所示。表3-2輸出信號分配表輸出信號名稱地址1#草坪Q0.03#草坪5#草坪Q0.14#草坪1#花壇Q0.23#花壇2#花壇Q0.34#花壇左側(cè)單數(shù)燈Q0.4左側(cè)雙數(shù)燈Q0.5右側(cè)單數(shù)燈Q0.6右側(cè)雙數(shù)燈Q0.74.軟件設計4.1程序流程梯形圖程序首先根據(jù)用戶輸入的時間來對時制進行判斷，分為夏秋、春冬兩種不同的時制。然后分別在不同的時制下分三個時段做出相應的判斷繼而改變輸出的高低電平。系統(tǒng)的程序流程圖如4-1圖所示。圖4-1程序流程圖4.2程序編寫4.2.1STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件主界面本次使用的西門子S7-200擁有一個由西門子公司專門為S7-200系列控制器開發(fā)的非常方便快捷的編程軟件——STEP7-Micro/WINV4.0。用戶所需程序的生成主要是STEP7提供了標準的PLC編程語言，語句表（STL）、梯形圖（LAD）、順序功能流程圖（SFC）和功能塊圖（FBD）等[3]。它的軟件界面主要由瀏覽條、菜單欄、指令樹、工具欄等組成。軟件主界面如圖4-2所示：圖4-2STEP7軟件主界面圖4.2.2時鐘設置及讀寫PLC發(fā)展至今絕大多數(shù)已經(jīng)具備內(nèi)部實時時鐘功能，可以提供年月日時分秒的數(shù)據(jù)，當然S7-200系列也包括在內(nèi)，除了型號221、222的這兩款CPU。S7-200內(nèi)部實時時鐘的精確度為±120s/月，最大誤差不超過七分鐘/月。在編寫程序時使用傳送控制指令，可以將實時時間輸入進PLC當中。讀寫程序的編寫需要用到讀取實時時鐘指令READRTC從CPU的實時時鐘讀取當前日期和時間，并把它們裝載到從參數(shù)T指定的字節(jié)地址開始的8字節(jié)時間緩存區(qū)內(nèi)[4]。4.3系統(tǒng)控制程序校園照明系統(tǒng)電氣控制原理圖比較繁雜，但是由PLC控制后，程序簡單穩(wěn)定還容易編寫，而且后續(xù)修改方便，既滿足了設計要求，又能使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4.3.1系統(tǒng)分時控制方案學生的作息相對有規(guī)律一些，通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，一般晚上有課的學生會在八點半左右下課，一般在21點至22點左右都會回到寢室，22點過后只剩下少部分學生在外活動，學校寢室的門禁一般在23點30分左右，所以過了這個時間基本上沒有學生在外，這時候?qū)W校公共區(qū)域?qū)τ谡彰鞯男枨筮_到最低要求。由此將開燈的時間段分為三個階段19點到22點之間為第一時段照明全亮，22點到24點為第二時段關(guān)閉一半照明，24點到五點只保留1/4的路燈，滿足最低照明需求。由于季節(jié)的變換，夏季晝長夜短，冬季晝短夜長。所以在春冬時制下，開燈較早，熄燈較晚。這樣控制簡單易行，節(jié)能效果顯著。節(jié)假日多也是學校的特點之一，一年的假期大概有三個月左右。在大學校園里寒暑假只有少部分學生留校，因此在寒暑假期間景觀燈照明采用手動控制，基本上不開啟。在臨時需要時可手動開啟，以備不時之需。而道路照明在亮燈時段固定開啟1/4，來滿足道路的最低照明需求，畢竟放假期間學校人數(shù)不多，在路上的行人及車輛自然也少了。4.3.2分時智能控制程序編寫校園照明控制系統(tǒng)亮燈時間分為三個時段，不同季節(jié)三個時間段的具體時間有所不同，一般在春冬季節(jié)天黑得比較早，太陽升起的時間較晚，而夏秋季節(jié)則反之。所以把一年分為兩個時制，在設計時考慮季節(jié)的識別進而調(diào)整三個時間段的時間，來更加精確的控制燈具開關(guān)時間，以此來獲得顯著的節(jié)能效果。4.3.3

季節(jié)自動選擇程序

校園智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點之一就是可以節(jié)能，但是為了使電能消耗進一步降低。在編寫程序時加上了一段季節(jié)選擇程序，主要是為了使在不同季節(jié)里系統(tǒng)會做出相應的反應。程序中的VW202是時間緩存區(qū)內(nèi)表示月份的數(shù)據(jù)，當M2.0為高電平時程序判斷結(jié)果為夏秋，反之，當M2.1為高電平時程序判斷結(jié)果為冬春。將夏、秋時制的時間定為每年的5月1日0點至10月31日的24點，其余則為春冬時制區(qū)間。當然了根據(jù)學校位置所在的地區(qū)不同可以稍加修改。季節(jié)控制程序如圖4-5所示。圖4-5季節(jié)控制程序4.3.4分時段控制程序使用數(shù)據(jù)比較功能指令將預設時間段的數(shù)據(jù)跟實時時間數(shù)據(jù)作比較，來得到設計預想的結(jié)果。相叫于普通指令來看，這樣做可以使得程序簡潔易懂。編寫梯形圖程序時將夏秋時制19點~22點劃分為第一時段，然后第二時段截止到24點為止，到隔天的凌晨五點為止為第三時段。上面包括了一天中所有的亮燈時段。道路照明需要滿足不同時制下分時段控制，而景觀照明第一時段全亮，第二時段保留一半光源，第三時段全暗的控制要求。近幾年來國家供電系統(tǒng)越來越完善，大學校園一般很少出現(xiàn)停電的情況，因此并沒有編寫時間自動校正程序。所以在停電后或者是第一次使用時必須手動輸入實時的時間來同步或修正時鐘。下面舉個例子來說明左側(cè)雙數(shù)路燈的梯形圖控制程序如圖4-4所示。圖4-4左側(cè)雙數(shù)路燈控制程序在程序中可以看到當M2.0為高電平時為夏秋時制Q0.5全時間段都為高電平，使用時間較長。在這里考慮到燈具壽命問題，所以在編寫程序時使得春冬時制下就只有第一時段為高電平，減少燈具的使用時間。以延長燈具的使用壽命減小維護成本。5系統(tǒng)仿真5.1S7-200仿真步驟在STEP7中將編譯好的程序?qū)С?，在仿真軟件中把程序載入進PLC里。然后選擇與程序?qū)腃PU模塊，在仿真軟件中找到工具欄的開關(guān)按鈕啟動運行，使PLC在RUN模式下進行仿真[4]。在仿真軟件中，實際輸入信號由一個撥開關(guān)模擬，而輸出信號則是由PLC上的發(fā)光二極管來顯示，二極管燈亮表示這個輸出高電平，二極管燈沒亮則相反。在仿真調(diào)試時，按照設計時要求的時段，依次改變時間變量，經(jīng)過多次測試記錄下在特定情況下PLC的輸出結(jié)果是否與設計時預想的結(jié)果一致。如果一致則證明此程序滿足系統(tǒng)設計的要求5.2系統(tǒng)仿真圖把模擬輸入按鈕I0.0向上撥，使其表現(xiàn)為高電平。此時將時間輸入PLC內(nèi)部時鐘，下面為控制系統(tǒng)在多個預設的時段下的仿真輸出。（1）5月5日15：00這個時間為夏秋時制不亮燈時段，各個輸出都為低電平，仿真結(jié)果如圖5-1所示。圖5-1夏秋時制無燈亮時仿真圖（2）5月5日19：00這個時間為夏秋時制第一時段，所有燈全亮，各個輸出都為高電平，仿真結(jié)果如圖5-2所示。圖5-2夏秋時制第一時段仿真圖（3）5月5日22:30這個時間為夏秋時制第二時段，所有燈亮一半，一半輸出為高電平一半表現(xiàn)為低電平，仿真結(jié)果如圖5-3所示。圖5-3夏秋時制第二時段仿真圖（4）5月6日01：10這個時間為夏秋時制第三時段，景觀燈全暗，只保留1/4道路照明保證最低安全照明，輸出結(jié)果只有Q0.5為高電平，其余均為低電平，仿真結(jié)果如圖5-4所示。圖5-4夏秋時制第三時段仿真圖（5）12月01日12:00這個時間為春冬時制不亮燈時段，各個輸出都為低電平，仿真結(jié)果如圖5-5所示。圖5-5春冬時制無燈亮時仿真圖（6）12月01日18：00這個時間為夏秋時制第一時段，所有燈全亮，各個輸出都為高電平，仿真結(jié)果如圖5-6所示。圖5-6春冬時制第一時段仿真圖（7）12月01日21:45這個時間為夏秋時制第二時段，所有燈亮一半，一半輸出為高電平一半表現(xiàn)為低電平，仿真結(jié)果如圖5-7所示圖5-7春冬時制第二時段仿真圖（8）12月01日23:30這個時間為春冬時制第三時段，景觀燈全暗，只保留1/4道路照明保證最低安全照明，輸出結(jié)果只有Q0.7為高電平，其余均為低電平仿真結(jié)果如圖5-8所示圖5-8春冬時制第三時段仿真圖通過把特定的時間編寫進plc的內(nèi)部時鐘，經(jīng)過程序的判斷得到一個輸出結(jié)果，并觀察在設定好的時段的仿真輸出。例如在輸入時間五月五日19:00后將I0.0輸入開關(guān)打開，季節(jié)判斷程序自動識別這個時間為夏秋時制，M0.0得電，經(jīng)過分時程序判斷此時PLC輸出端的二極管指示燈Q0.0~Q0.7全輸出高電平