基于PLC路灯控制系统

1、摘摘 要要 随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种 必然趋势。节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保 证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。公共照明 系统广泛采用高压钠灯或金属卤化物灯传统照明系统经常采用电感镇流器， 本文将介绍基于 plc 的路灯控制系统。本文设计基于 plc 的路灯监控系 统根据时间的变化，控制路灯的明亮程度。同时考虑到不同的季节天气等的变 化的实际情况，以亮度检测控制辅助，达到更合理的目的。 关键词关键词： plc，亮度控制，定时控制 streetlight monitoring system in th

2、e plc - based design abstract along with arithmetic figure technique with technical development in network, the public lighting arithmetic figure turn to turn to have become a kind of inevitable trend with the network. economy energy, guarantee the lamp life span, increase illuminate to manage the l

3、evel, beautify the city night measures with guarantee nighttime in city out line safety etc., have become to a basic request of the public lighting system. the extensive adoption in system in public lighting high pressure light metals turns the thing light tradition illuminates the system to usually

4、 adopt the electricity feels the town flows the machine, illuminating lamp the adoption unify switch control case. this article will introduce the street lamp control system based on plc. in this paper, the design based on plc street lamp monitoring system according to the time change, control the s

5、treet lamp bright degree. taking into account the different seasonal weather changes in the actual situation, to brightness detection control auxiliary, achieve more reasonable purpose. key words: : plcplc brightnessbrightness controlcontrol timingtiming controlcontrol 目录目录 1 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外

6、的发展现状.2 1.3 节能控制系统.2 2 控制系统设计方案.3 2.1 plc 介绍.3 2.2 高压钠灯介绍.4 2.3 控制系统方案.5 2.3.1 方案论证.5 2.3.2 设计方案.5 2.3.3 结构框图.6 3 硬件电路的设计.7 3.1 西门子 s7-200plc 的介绍 .7 3.2 亮度检测装置.8 3.3 时间调整电路.9 3.4 时间显示电路.9 3.5 电流检测电路.11 3.6 报警及指示电路.12 3.7 控制系统供电电路.13 4 软件部分的设计.13 4.1 step7-micro/win32 编程软件介绍.14 4.2 子程序.15 5 总结.17 致谢.

7、18 参考文献.19 附录 1：.19 附录 2：.22 附录 3：总体电路图.23 附录 4：梯形图程序.24 1 绪论绪论 路灯控制是市政建设的一项重要内容，为了高效的进行路灯管理，各国都 不断的进行研究，利用各种先进技术，提高路灯的控制效率，保障路灯的可靠 运行。目前国内的路灯控制器生产的品牌很多，路灯控制器集电磁技术、智能 化控制技术、数据控制技术于一体，在可控和平缓的方式下智能调节，使输出 电压稳定在设定的额定值范围之间，路灯控制器实现公共照明系统的工作电流 与亮度需求的理想结合，达到控制方便可靠与节电和优化供电目的，根据一年 四季变化规律与经纬度算法计算日出日落时间而且有开关时间微

8、调和半夜控制 功能，从而能适应不同地理环境的需要。 1.1 课题背景课题背景 随着科学技术的不断发展、城市规模的急剧膨胀，城市照明已经不仅局限 于街道的照明，社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的 及时性、路灯的节能要求也不断的增高，这样集现代计算机技术、无线电通 信、测控技术、路灯电力节能于一体的城市照明节能、自动监控和管理系统也 就应运而生了。随着现代科技的日益发展和人们生活水平的不断提高，绿色照 明已经成为当今照明界发展的一种趋势，科学的控制路灯，不仅可以满足人们 行路行车的安全，还能节约电能及延长灯具的使用寿命,从而减轻维修工作量和 减少运行费用。 目前能源节约和环保问

9、题越来越被世人所关注飞速发展的经济对能源的要 求相当迫切中国面临的问题更加突出。随着城市化进程的推进，城市的路灯照 明对电能的消耗与日俱增。据统计,我国城市公共照明占照明耗电量 30%左右, 约 440 亿度。如果按市场平均电价 0.70/ 度来计算，一年耗费大约 310 亿元,给 国家的经济发展带来巨大的开支。因此，道路照明节能技术的推广意义重大。 路灯节能应该从两个方面来考虑,一是使用效率高、寿命长、安全性能稳定 的照明灯具。目前国际上在路灯节能领域采用主要的方法是降压和降流两种技 术,一般均可实现节约电能 20% 以上。二是开发节能控制系统，就是通过控制 系统来对路灯的起、停、节流时间进

10、行控制,在人流非高峰期时进行节流节能， 从而避免不必要的电耗。 想要让路灯亮起来，让城市亮起来，而且亮得更科学，亮得省电省钱，则 必须依靠科技创新，采用新技术，大力开发节能的高新技术产品，制定相应的 新产品来推广应用配套政策，推动我国道路照明节电节能工作的全面展开。使 路灯管理智能化、规范化，提高管理水平和工作效率；使工作人员从繁复的“巡 检”工作中解放出来，减少维护和更换灯具对道路运行安全的影响；给用户提供 良好服务和安全保障的同时也提高大桥安全系数。 路灯控制系统通过配电箱内的智能控制器对照明灯进行监控，实现全线照 明灯开启/关闭；路段照明灯开启/关闭；照明灯气象信息联动（需气象参数采集

11、单元）等功能；不仅为节约电能，节约人力、物力提供了有效手段，同时也为 提高城市现代化形象，保证道路交通安全等级，实现良好的社会效益。 1.2 国内外的发展现状国内外的发展现状 为了高效的进行城市的路灯管理,世界各国都在不断地研究，利用各种先进 的技术手段进行城市路灯监控。目前对于路灯监控系统的研究。 美国某公司在道路照明系统使用嵌入基于载波芯片的智能控制器、基于 lonworks 技术的电子镇流器替代低效的机械镇流器，构建实现单个路灯控制功 能的路灯解决方案。同时在配电柜中加装智能服务器在网络中起到分段控制的 作用。智能服务器是整个路灯控制系统的核心设备，负责接收路灯控制中心的 指令，控制路灯

12、电子镇流器，并将数据实时上传到 web 服务器。电子镇流器 和智能服务器之间通过现有的动力线缆相互通信。此方案采用电力载波的方式， 只有在路灯线路基本都是专用变压器、线路比较干净、杂波少时，才便于电力 载波通讯。但是不适合公用变压器的路灯线路，因为居民用电和工厂用电都在 其中，线路上杂波信号比较强，信号不稳；也不适合超长线路（通常电力载波 的有效距离是 500 米）的情况，因为路段本身比较长（大于 1km）时钠灯数量 多，导致补偿电容大量吸收中频（100khz300khz）的载波信号，进而使通讯 受到影响。由于中国电力的特性，电力载波技术不适合中国的电力国情。同时 此公司路灯控制系统费用较贵，

13、一台智能服务器价格为 5000 元，可控制 140 盏 路灯，每盏路灯中需安装一个电子镇流器，每台电子镇流器为 1000 元。相比而 言，本系统 gprs-zigbee 路由器价格在和对方等同的情况下至少可以控制到 上万盏路灯（具体安装视具体情况而定） ，每个 zigbee 终端控制器的价格也仅 为几百元左右。 美国另一公司作为研发无线射频模块的公司，将 gprs+zigbee 技术应用 于远程抄表系统，并没有将这种技术应用于城市路灯照明。其应用于路灯控制 系统的技术与本系统不同，需要通过有线的以太网方式将所需要控制的路灯连 接在一起，然后通过 gprs 网络连接到远程监控中心。这种方式最大的

14、不足在 于安装系统时需要布线，施工复杂。 1.3 节能控制系统节能控制系统 目前能源节约也是当前关注的一个重要问题，常见的路灯节能控制系统 有，rld 数控式路灯节能控制系统，他路灯节电控制系统主要由自主知识产权 的数控稳压技术（avr）以及可编程节能控制系统等组成，调节方式由节能控 制系统数控稳压器的电子开关矩阵等，调整变压器的 tap 用来调节输出功率。 特点是具有数字化智能控制、具有软启动/停止的特性、模块化设计、可编辑程 序控制参数、全自动补偿功能、高精度、高效率、高速度、高可靠、免维护长 期稳定工作、低噪音等。 智慧型补偿式灯节能控制系统是专为路灯控制系统设计的节电器，路灯节 能控制

15、系统主要由智慧型有级功率调节器与可编程节能控制系统组成，它针对 高压钠灯等气体放电灯具的特点，利用当今先进的微电脑技术对灯具的电源进 行优化的调控，使灯具控制器件执行合理的点亮程序，极大的延长灯具寿命、 减少电能的浪费。产品技术档次达到世界的先进水平，具有较高的性能和价格 比。它的特点是采用数字计算机智能控制，可程序设定控制节电参数，功率 调节不断流，旁路转换不断流 ，结构紧凑，体积小，无机械调节结构，稳定可 靠，免维护长期稳定工作。 2 控制系统设计方案控制系统设计方案 2.1 plc 介绍介绍 自 1969 年第一次出现在市场上可编程控制器，可编程控制器已经成为一种 最受欢迎的、应用在大多

16、数工业控制器中。 在电厂、炼钢等除尘设备中，传统的手动操作已远远不能获得好的控制品 质。目前，在电气控制领域，国内外普遍采用 plc。特别是最近几年的冶金行 业中，plc 以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力强的特点 而获得更为广泛的使用。plc 将电气、仪表、控制这三电集于一体，可以方便、 灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。 由于 plc 是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，是实现机 电一体化的理想控制设备。随着微电子技术的快速发展，plc 的制造成本不断 下降，而其功能却大大增强。在先进工业国家中 plc 已成为工业控制的标准

17、设 备，应用几乎覆盖了所有工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支柱 (plc，robot，cadcam)的主导地位。 可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的 电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的 输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外 围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设 计。 目前，可编程控制器厂家众多，产品型号规格不计其数，但主要分为欧 洲、日期、美国三大地方。在中国的市场，欧洲的可编程序控制器的代表是

18、西 门子 plc。plc 具有很广泛的用途、操作方便、适应面广，可靠性高、抗干扰 能力强、编程简单等很多特点。可编程序控制器(plc)在工业自动化控制是专门 在时序控制地位，在可预见的将来，将是无法替代的。 2.2 高压钠灯介绍高压钠灯介绍 高压钠灯是现在常用的一种路灯，高压钠灯在使用时发出金白色光，是具 有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道 路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公 园、庭院照明及植物栽培等场所。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、 娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明场所。 高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧

19、光放电状态，伏安特性曲 线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电源条件下，为了 保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路元件来平衡这种 负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。电阻器、电容器、电 感应器等均有限流作用。 电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使 用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗 功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，在交流电 路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消 耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电 流，对电极造

20、成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作， 电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。 电感性镇流器损耗小，阻抗稳 定，阻抗菌素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前 与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。 高压钠灯启动之后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候， 灯泡工作电压是很低，电流是很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度也渐 渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管的冷端温度达到 稳定，放电便会趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于 正常的工作状态。在正常的工作条件下，整个启动的过程约需 10 分钟左右。 在

21、高压钠灯工作的电路中除了灯泡外，还要必须按内触发高压钠灯或外触 发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡 + 镇流器或灯炮 + 镇流器 + 触 发器的工作电路，方可达到高压钠灯的正常工作的要求。 port port 发 发 发 发 发 发 发 发 发 图图 1 高压钠灯电路高压钠灯电路 2.3 控制系统方案控制系统方案 2.3.1 方案论证方案论证 目前路灯控制方法可以分为以下几类： 自控型又分定时器控制和光控器控制两种方法，自控型照明控制器的优点 是设备投资少、安装和维修简单灵活。时控法以时间为唯一的开、关灯控制依 据，但随季节变化，就需要人工干预来调整开、关时间，所以存在对环境光照 度的变

22、化适应能力差的缺点。而光控法则是按光照度的差异来控制开、关灯的， 则易受粉尘、雨雪污染使灵敏度降低，且功能单一，开关动作不统一，控制不 灵活，随时需要人为干预等缺点。 有线型路灯控制在路灯系统中架设电源线缆和控制线缆的控制方法，由控 制中心来集中控制，这种方案其优点是控制准确，动作可靠，能应用计算机技 术进行多层次、多任务控制，缺点是设备投资大、故障易发点多、维护也困难。 常规无线数传电台控制系统都是利用常规无线电台的收发信道作为载体， 采取双音多频作为控制信令来达到控制照明灯开关的目的。常规的无线电台控 制系统的优点是技术成熟、布点灵活、安装方便、功能扩充性好，也可实现双 向通信，缺点是易受

23、到干扰、控制组合较少、主控电台的射频发射功率被限制 在 10w 以下，受控区域小、容易造成人为误动作和恶意操作，设备投资大， 性价比低。 本设计主要研究内容是利用 plc 实现路灯自动监控系统能按时间以及光照 度的差异来控制开、关灯的；通过一般交通情况按时间来控制灯的亮度，节约 路灯使用电能及延长灯具的使用的寿命,而且减轻维修工作量和减少运行费用； 具有检测灯的工作状态，具有一定的电路保护功能；确定故障位置，有故障报 警功能；灯具采用高压钠灯。 2.3.2 设计方案设计方案 路灯控制的控制方法很多，都是为了控制方便，还有美化城市，节约电 能，节约人力物力等成本资源。但是按照每天日照的时间，日出

24、的时候熄灭路 灯；日落的时候点亮路灯。 在一年四季中，难免有天黑得过早的时候，这个时 候如果没有相应的应急措施， 将会给交通带来不便。可以再控制系统中设置一 个亮度检测装置就能解决该问题。 据调查,城市道路的人流量和车流量在晚间 7 一 12 时是均值较高的时段， 而 12 时过后的人流量和车流量则会显著降低,与之相对应的是对光照要求和实 际用电需求也应有所降低，按照规定的设计标准照度照明对方便人们的夜生活 和维护城镇的治安等是非常必要的，而 12 时过后的人流量和车流量则会显著 降低,与之相对应的是对光照要求和实际用电需求也应有所降低，夜深人静，保 持原设计的照度的照明就是一种浪费。 然而随

25、着季节的更迭，路灯的点亮和熄灭时刻也应当是不一样,那么就需要 一种系统来控制路灯在不同的季节有不同的点亮和熄灭的时间。在一年四季 中，难免会由于天气变化而天黑得过早的时候，或者亮的过早过晚的时候，这 个时候如果没有相应的应急措施，也将会给交通带来不便。可以再控制系统中 设置一个光照亮度的检测装置。利用时间控制为主，再以亮度检测装置进行辅 助控制。达到最佳的效果。 路灯的控制方法多为“钟控”和“光控”。“钟控”不适应季节的变化与 天气突变等自然情况；“光控”容易受外部环境的干扰，灵敏度低且可靠性也 较差，二者单独使用都不能实现控制开关灯的合理化、科学化。只有二者结合 设计，才能使路灯的控制更加科

26、学更加合理。 2.3.3 结构框图结构框图 根据以上条件，plc 路灯控制系统的组成有 plc 及其外围，亮度检测装 置，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装置，电流检测电路，报警及指 示电路等。其组成框图结构如下， 时间调整电路 plc 时间显示电路 状态检测电路 报警及指示电 路 路灯控制装置 亮度检测电路 图图 2 控制系统组成控制系统组成 基于 plc 的路灯控制系统，完成的任务是实现路灯的自动开启和关闭，当 夜晚（或光线较暗）来临时，且处于交通高峰期时，路灯全部开启，交通高峰 期过后，进入按比例开启，午夜按 2/3，凌晨时段按 1/3，可检测任意一路灯的 工作电流，当路灯发生漏电故

27、障可以实现报警，并显示该路灯的位置。 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 plc 路灯控制系统的组成有 plc 及其外围，亮度检测装置，时间调整电 路，时间显示电路，路灯控制装置，电流检测电路，报警及指示电路等。 3.1 西门子西门子 s7-200plc 的介绍的介绍 本设计选用的plc是西门子s7-200 ，s7-200系列plc是siemens公司新推 出的一种小型的plc。它的优点紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、 低廉的价格已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 s7-200plc包含了一个单独的s7-200cpu与各种可选择的扩展模块，可以十 分方便的组成不同规模的控制器。

28、其控制的规模可以从几点到几百点。s7- 200plc可以方便的组成plc-plc网络和微机-plc网络，完成规模更大的工程。 s7-200的step-micro/win32编程软件可以方便地在windows环境下对plc 编程、调试、监控，使得plc的编程更加方便、快捷。可以说，s7-200可以完 美地满足各种小规模控制系统的要求。 目前s7-200系列plc主要有cpu221、cpu222、cpu224和cpu226四种 plc。档次最低是cpu221，其数字量输入点数只有6点，数字量输出点数只有4 点，是控制规模最小的plc。档次最高的应属cpu226，它集成了24点输入/16点 输出，共

29、有40点数字量i/o，最多可连接7个扩展模块，最大可扩展至数字量 i/o256点或模拟量i/o64路。 cpu226本机集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量i/o，最多可连接7 个扩展模块，最大可扩展至数字量i/o256点或模拟量i/o64路。cpu226有16kb 程序和10kb数据存储空间，6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高 速脉冲输出，具有pid控制器。cpu226配有2个rs-485通讯/编程口，具有ppi通 信、mpi通信和自由通信方式能力，用于较高要求的中小型控制系统。 本系统采用继电器输出，故在此只介绍dc输入继电器输出的cpu226接线 方法。西门

30、子 cpu226dc输入端中1m、0.01.4为第1组，2m、1.52.7为第2组， 1m、2m分别为各组的公共端。 继电器输出端由 3 组构成，其中 1l、0.00.3 为第 1 组，2l、0.41.0 为第 2 组，3l、1.11.7 为第 3 组。各组的公共端为 1l、2l、3l。 在plc的输入口各个旋钮开关，按钮开关一头接入plc的输入点，一头接 24v+，其中24v+来自plc的输出24v电源。输入端的公共端m1,m2和m端相连。 为了便于维护，和器件的安全，输出端的控制没有直接和负载连接，而是 通过中间继电器相连，其中中间继电器全部采用2p的24v中间继电器，中间继 电器的供电电

31、压来自24v电源模块。 图图 3 plc 接线图接线图 3.2 亮度检测装置亮度检测装置 亮度检测电路是作为路灯开启与路灯关闭的一个辅助的控制开关。在夜幕 降临的时候，即天黑到一定的程度的时候，而对时间控制系统来说还没有达到 规定的开灯时间，但这时也要要求路灯开启，进入第一种工作状态。在早晨天 亮时根据亮度变化把路灯关闭，但后面还有时间控制，即使亮度检测失误，当 达到一定的实际时间，路灯在时间控制下关闭，进入下一工作状态。 常用的光探测器件很多，本设计用的是硫化镉（cds）光敏电阻，它是由半 导体材料制成的。当光照射到光敏电阻的时候，光子被 cds 半导体物质吸收， 激发出更多的电子空穴对，使

32、载流子数目增加，从而导致光敏电阻阻值（暗阻） 在 110m 之间；在强光条件下，电阻的阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。 本电路是利用光敏电阻作为光探测器件。电路如图所示，在由电阻 r1、光 敏电阻 cds 和可调电阻 w 组成的分压偏置。电路中，当 a 点电压低于晶体三 极管基极的导通电压时，晶体三极管 bg1、bg2 都处于截止状态，发光二极管 led 不发光，表示继电器 j 处于释放状态，继电器 j 的常闭触点接通。当照射 在光敏电阻 cds 上的光强增大时，使光敏电阻阻值减小，分压偏置电路中的 a 点电压升高，当超过三级管导通电压时，晶体三极管 bg1、bg2 都导通，发光 二极管 le

33、d 亮；继电器 j 吸合，常闭触点打开。 r5 5.1 r4 470 w 5w cds r q1 8550 q2 8550 ka4 led vcc 图图 4 亮度检测电路亮度检测电路 3.3 时间调整电路时间调整电路 为了实现路灯可靠的控制，系统设有时钟电路作为路灯开启与关闭的参考 时间，而此参考时间则必须与实际时间相同，系统开机后的时间自然是与当前 的实际时间不同的，通过时间调节来改变时间。 时间调节由四个按钮开关组成，分别是调整时十位，时个位，分十位，分 个位。系统设有时间总开关。按钮开关一头接入 plc 的输入点，一头接 24v+， 其中 24v+来自 plc 的输出 24v 电源。 3

34、.4 时间显示电路时间显示电路 系统时间显示由 cd4511 和数码管组成。 数码管采用共阴极数码管，由四个七段数码管分别显示时十位，时个位， 分十位，分个位。 用 plc 中的特殊继电器 sm0.5 来提供秒脉冲信号，秒脉冲通过一个发光二 极管进行指示。 q0.1 输出秒脉冲，q0.1，q0.2，q0.3，q0.41 输出时间显示 bcd 码。q1.0，q1.1，q1.2，q1.3 输出显示选通信号。 显示电路如下： 显示译码器cd4511是一个用来驱动共阴极 led （数码管）显示器的 bcd 码七段码译码器，特点如下：具有bcd转换、消隐和锁存控制、七段译码及 驱动功能的cmos电路能提

35、供较大的拉电流。可直接驱动led数码管。 图图 5 cd4511 引脚图引脚图 其功能介绍管脚如下： bi：4 脚是消隐输入控制端，当 bi=0 时，不管其它输入端状态如何，七 段数码管都处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 lt：3 脚是测试输入端，当 bi=1，lt=0 时，译码的输出全为 1，不管输 入 dcba 状态是如何，七段均发亮，显示“8”。它主要是用来检测数码管是否 损坏。 le：锁定控制端，当 le=0 的时候，允许译码输出。 le=1 的时候译码器 是锁定保持状态，译码器输出被保持在 le=0 时的数值。 a1、a2、a3、a4、为 8421bcd 码的输入端。 a、b、c、

36、d、e、f、g 为译码的输出端，输出为高电平 1 有效。 1 2 3 4 5 6 7 8 d1 2 a 13 d2 6 b 12 d3 7 c 11 d0 1 d 10 e 9 g 14 f 15 u1 74 4511 dp d0 d1 d2 d3 u1 u2 u3 u4 led r 1k 图图 6 时间显示电路时间显示电路 3.5 电流检测电路电流检测电路 这个电路是交流电流检测电路，交流电流通过变压器 tr1 初级线圈感应到 tr1 次级线圈，过流时会造成晶体管动作，直到切断电源。 现在大部分的路灯都是高压钠灯。它是由放电灯管、镇流器、触发器等组 成。高压钠灯的工作电路包括镇流器、电源和灯

37、（包括触发器）等，三者之间 的关系是不满足直角三角形，所以灯不属于纯电阻器件，而是感性器件，高压 钠灯电源、镇流器和灯之间电压和阻抗的数学模型为： (1) 222 hl xuuu (2) 222 hl zzz 式中：u为电源电压，为镇流器电压，为灯电压，z为输人阻抗， l u h u 为镇流器阻抗，为灯阻抗， x、y是与灯效率有关的系数。镇流器也不是 l z h z 纯电感器件，存在一个小的线圈铜电阻，而式(1)和式(2)中都没有考虑镇流器线 圈直流电阻的影响。常用高压钠灯泡的技术参数如下见表l 。高压钠灯泡则必 须与相应的镇流器配套使用，配套镇流器的技术参数如下见表2 。 表表1 1 常用高

38、压钠灯泡的技术参数表常用高压钠灯泡的技术参数表 灯泡型号电源电压额定功率启动电流工作电流工作电压光通量 ng100220/v100/w1.8/a1.25/a135/v7500/lm ng250220/v250/w405/a3.00/a100/v22500/lm ng400220/v400/w6.2/a4.60/a100/v36000/lm 表表 2 高压钠灯配套镇流器的技术参数表高压钠灯配套镇流器的技术参数表 配 用灯泡额定功率电源电压工作电压工作电流频率 100w220v167.5v1.25a50hz 250w220v180v3.00a50hz 400w220v180v4.60a50hz v

39、cc tr1 b5 r1 vr1 47k r2 2k7 d1 q1 bc549 c1 10u r3 2k7 d2 d3 c24700u d4 ka2 act. act. q2 bc556 图图 7 电流检测电路电流检测电路 3.6 报警及指示电路报警及指示电路 本报警电路由两块 555 定时器和外接定时元件 rc 组成的两个多谐震荡电 路。第一块 555 定时器的输出方波信号控制发光二极管发光，第二块 555 定时 器的输出电压调制为两种音频信号使扬声器发出双响声音。 下图为两块 555 定时器和外接定时元件 r,c 组成的两个多谐振荡器。多谐 振荡器的特点是没有稳定状态，只有两个暂稳态，无需

40、外加触发信号，可以有 一个暂稳态直接跳转到另一个暂稳态，并且两个暂稳态的持续状态的时间可通 过调节外接的定时元件 r,c 来进行控制。 报警电路可通过调节电阻 r1，r2,r3，r4 和电容 c1，c2 来模拟不同声响， 比如 r1=r3=10k，r2=100k，r4=150k，c1=10uf，c2=0.01uf，扬声器可以 发出像救护车鸣笛的报警声，同时第一块 555 定时器构成的多谐振荡器的输出 信号还可改变发光二极管闪烁的频率。 r r1 10k r2 100k r3 10k r4 150k r5 50k r6 10kc110u c3 0.01uf c2 0.01u c4 100uf l

41、ed ka5 vcc b trig 2 q 3 r 4 cvolt 5 thr 6 dis 7 vcc 8 gnd 1 u1 555 trig 2 q 3 r 4 cvolt 5 thr 6 dis 7 vcc 8 gnd 1 u2 555 图图 8 报警指示电路报警指示电路 3.7 控制系统供电电路控制系统供电电路 plc 的供电电路可有 plc 自带的电源模块，其他外围电路的供电电路采用 三端稳压器 mc78m05ct 为核心的稳压电路，如下图，三端稳压器 mc78m05ct 将输出电压稳定在+5v 上。电路如下图所示，这是一个输出正 5v 直流电压的稳压电源电路。ic 采用集成稳压器 7

42、805，c2、c3 分别为输入端和 输出端滤波电容。当输出电流较大时，7805 应配上散热板。 c3 10uf c2 0.1uf d1d3 d2d4 c1 2200uf vin 1 gnd 2 +5v 3 lm7805ct 1 2 tin vcc t1 b5 d5 d d6 d 图图 9 9 控制电路供电电路控制电路供电电路 4 软件部分的设计软件部分的设计 软件是自动控制系统设计的灵魂，没有软件的plc不能充分发挥其功能， 这是软件在plc控制系统中的地位，而在plc控制系统中，软件也是非常的重 要的。在照明控制系统中，硬件设备的功能是由软件来定义的，如果系统要控 制分布的照明灯具，通过有线

43、与无线串行通信来完成控制功能，通过软件定义 拨码盘功能，通过编程完成led数码的显示等等，由此可见，软件可是控制系 统中的一个重要组成部分。 该路灯控制系统的软件程序包括：时钟程序，显示程序、时间状态指示程 序，路灯控制程序、工作状态检测显示程序。也是本着软件设计的基本方法， 照明控制程序的软件设计方法是利用传统的结构化分析与设计的方法来完成的。 结构化程序设计方法虽然是早期的程序的设计方法，但该方法还一直在被广泛 地使用。结构化系统分析与设计贯穿整个软件设计过程，遵循“自顶向下，逐 步求精”的基本原则。 系统在开启后执行子程序，首先开启时钟电路，i0.0 为时钟电路控制总开 关，控制时钟电路

44、开始工作，之后需要调整系统时钟电路的时间，时间必须与 当前具体时间一致，路灯控制系统的时间通过数码管显示，显示电路也由 plc 控制输出，实行动态显示，之后对电流检测电路返回来的数据进行判断，接下 来执行时间状态输出程序，根据当前的时间决定路灯工作在那个时间段。 在这个设计中，当天黑后进入第一个工作状态，此时所有路灯都开启，或 者到达 19 点后，至 24 点为第一工作状态， 24 点后进入 第二工作状态，此时 路灯开启 2/3，到 6 点后进入第三工作状态，路灯开启 1/3，之后亮度检测，天 亮后进入第四工作状态，灯全关闭，如果亮度检测无输入到达 8 点也将进入第 四工作状态。 本照明控制系

45、统软件程序结构如图： n 执行子程序 开启2/3 全部开启 读取时钟信息 开启1/3 读取亮度检测采样 数据 亮度 定值？ 是否交通高峰 期 是否午夜 是否凌晨 全部关闭 返回 开始 n y y n y n y 图图 10 路灯控制程序路灯控制程序 4.1 step7-micro/win32 编程软件介绍编程软件介绍 step7-micro/win32 是西门子公司专为 simatic s7-200 系列可编程序控 制器研制开发的编程软件，它是基于 windows 的应用软件，功能强大，既可用 于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。下面将介绍该软件的安 装、基本功能以及如何应用编程软

46、件进行编程、调试和运行监控等内容。 step7-micro/win32 编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发， 其主要实现以下功能。 (1)在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在 脱机方式时，计算机与 plc 断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、 编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。 (2)在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的 plc 直接进行各 种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。 (3)在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型 方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方

47、自动加红色波浪线，语句 表的错误行前自动画上红色*，且在错误处加上红色波浪线。 (4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。 (5）设置plc的工作方式、参数和运行监控等。 用 step 编程软件编制用户程序可按以下步骤进行：启动 step 软件、建 立新工程文件、绘制梯形图、编译程序、下载程序和监视程序运行等。 （1）启动 step 编程软件 在开始菜单中找到 simatic/step 7-microwin/ step 7-microwin 选项即可启 动 step 编程软件 （2）建立新工程文件 启动 step 后，单击文件菜单中的“新建”命令，或者直接点击工具条上 的“新建”按钮来创建一个

48、新工程。 4.2 子程序子程序 （1）时钟程序的设计使用的是特殊继电器 sm0.5 提供秒脉冲，用计数器 c0 将秒脉冲转换成分脉冲，用左移指令【shl-w】形成分个位左移码，用左移 指令【shl-b】形成分十位左移码，用左移指令【shl-w】形成时个位左移码， 用左移指令【shl-b】形成时十位左移码。 程序启动后在初始状态 0 时 0 分，通过调整时间控制按钮来调整时间，开 启后首先开始 co 秒计数，当秒计数 60 后控制左移指令【shl-w】mw1 左移 一位，就是分钟个位进一位，m1.0 到 m2.1 为分钟个位标志位，共有 10 个标 志位，每个标志位标志分钟个位输出 0 到 9

49、的对应位。同样分钟进到 9 时则控 制【shl-b】mb3 左移，就是分钟十位进位，m3.0 到 m3.5 为分钟十位标志位， 共有 6 个标志位，每个标志位标志分钟十位输出 0 到 5 的对应位。分钟十位进 到 5 后控制小时计数，c1 为小时计数，同时进行小时个位【shl-w】mw4 左 移，就是小时个位进位，m4.0 到 m5.1 为小时个位标志位，共有 10 个标志位， 每个标志位标志小时个位输出 0 到 9 的对应位。小时进到 9 后，控制小时十位 进位，小时十位【shl-b】mb6 同时由计数器 c1 控制，m6.0 到 m6.2 为小时 十位标志位，共有 3 个标志位，每个标志位

50、标志小时十位输出 0 到 2 的对应位。 到达 24 时候回 0 时。 开始 c0计数 分钟个位加1 分钟十位加1 小时十位加1 小时个位加1 c1计数 所有位置零 c0=1? c1=1? m5.2=1? m3.6=1？ m2.2=1? y y y y y n n n n n 图图 11 时钟程序控制程序时钟程序控制程序 （2）显示程序是首先将左移位码变成 bcd 码输出，就是将分钟个位，还 有分钟十位，小时个位，小时十位转换成 bcd 码，m9.0-m9.3 控制 bcd 的转 换输出，当为 m9.0 时，则控制分钟个位显示，假设此时 m1.2 置位，则表示分 钟个位现在为 3，将 3 转换

51、成 bcd 码，驱动数码管分钟个位显示 3。 还由 plc 的输出继电器控制使四个数码管轮番显示。 【shl-b】mb9 指令 控制中间继电器 m9.0-m9.3 控制四个数码管轮番显示，控制内部时间数据那位 转换成 bcd 码输出。 （3）时间状态指示程序设计中首先将 24 小时分成 4 个时间段来进行考虑， 通过这四个时间端控制灯工作在不同的工作状态，但时间段并不能决定路灯工 作在那个状态，其工作状态还受光控开关控制。但时间数据 19 点时进入第一段， m7.1 置位，时间数据 24 点时进入第二段，m7.2 置位，时间数据 6 点时进入第 三段，m7.3 置位，时间数据 8 点时进入第四

52、段，m7.3 置位。 （4）状态检测报警程序此段程序就是检测有无故障输入而后作出处理。系 统假设为控制 3 路路灯，i0.5 为 1 号灯检测输入，i0.6 为 2 号灯检测输入，i0.7 为 3 号灯检测输入，1 号有输入则对应的 1 号灯故障显示报警灯 q1.4 置位，q1.7 同时置位报警；2 号有输入则对应的 2 号灯故障显示报警灯 q1.5 置位，q1.7 同 时置位报警；3 号有输入则对应的 3 号灯故障显示报警灯 q1.6 置位，q1.7 同时 置位报警。 5 总结总结 本文介绍了基于 plc 的路灯控制系统根据路灯控制系统研究的背景，路灯 控制系统的发展状况，了解了国内外的发展

53、情况，以及对一些路灯控制系统的 研究提出了软、硬件设计方案和相应的软件编制方法以及程序。本系统中沿着 让路灯控制可靠，控制方便而且节约人力物力，具有一定的节能效果。本系统 有 plc 及其外围，亮度检测装置，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装 置，电流检测电路，报警及指示电路。 本设计根据时间控制路灯的开关，同时考虑到随着季节的更迭，路灯的点 亮和熄灭时刻也应当是不一样,那么就需要一种系统来控制路灯在不同的季节有 不同的点亮和熄灭的时间。在一年四季中，难免会由于天气变化而天黑得过早 的时候，或者亮的过早过晚的时候，这个时候如果没有相应的应急措施，也将 会给交通带来不便。可以再控制系统中设置

54、一个光照亮度的检测装置。利用时 间控制为主，再以亮度检测装置进行辅助控制。达到最佳的效果。 本系统是基于plc的路灯控制系统，完成的任务是实现路灯的自动开启和 关闭，当夜晚（或光线较暗）来临时，且处于交通高峰期时，路灯全部开启， 交通高峰期过后，进入按比例开启，午夜按2/3，凌晨时段按1/3，可检测任意一 路灯的工作电流，当路灯发生漏电故障可以实现报警，并显示该路灯的位置。 达到一定的节能的目的。 设计中采用了路灯时间控制为主，而且还有路灯环境监测数据采样，送入 plc进行辅助控制，保障了因天气变化而导致时间控制法的不足。但由于设计 能力的有限，论文中还有很多的问题，亮度检测电路设计的可靠性不

55、好，而且 容易受到照明系统本身光源的干扰而产生误动作，这样将影响路灯的正常工作， 还有就是时间显示上，在实际应用中应该设计的更加合理直观。在本设计中让 我认识了西门子plc s7-200，了解了plc的外围介绍，还有他的编程方法，参 考了很多文献资料。 致谢致谢 通过大学五年的学习，让我学到了很多对将来有用的知识，我在这里不仅 体会到了学习的乐趣，以及学习兴趣的作用，通过在一起学习也知道同学的重 要。论文结束之际，首先感谢我的指导老师，指导老师在本次设计中给予了殷 切指导，在写论文的过程中，老师给我做了全程的分析与引导。指导老师知识 渊博、治学严谨。他的认真与细致让我佩服。 本文能得以顺利完成

56、承蒙指导老师的帮助，从论文题目的选定，研究方法 和结构的确立，至研究内容的细到审定和殷切指正，以及再研究工作中的支持 和鼓励，谨至由衷的感谢与敬意。在此期间老师严谨的治学之风和丰富的学识， 亦使我在专业上受益非浅。 最后，对所有在我学习生活中给予帮助和关心的人表示衷心的感谢！ 参考文献参考文献 1王海韬. 城市路灯远程监控系统的研究,电子工程师，2001 2王振宇. 监控与数据采集系统在城市路灯管理中的应用，电子工程师，2002 4王 刚. 路灯远程监控系统结构及关键技术研究,南京理工大学，2004 5刘君华. 智能传感器系统 m. 西安：西安电子科技大学出版社，1999 6黄贤武，郑筱霞，曲

57、波等. 传感器实际应用电路设计m. 成都：电子科技大学出版社， 1997,4-10 7月霞，孙传友. ds18b20 硬件连接及软件编程j. 传感器世界，2001（12）：25-29 8廖常初. plc 基础及应用m.2 版.北京：机械工业出版社，2007 9廖常初. s7-200plc 编程及应用m.北京：机械工业出版社，2007 10廖常初. s7-200plc 基础教程m.北京：机械工业出版社，2007 11 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2003 12 雷声.电力控制与 plc 应用. 北京：机械工业出版社，1996 13 廖长初.可编程序控制器的编程方

58、法与工程应用.重庆：重庆大学出版社，2001 14 卢巧.欧姆龙 plc 编程指令与梯形图快速入门.北京：电子工业出版社，2010 15 陈汝全. 电子技术常用器件应用手册m.第二版，机械工业出版社，2002 年 5 月第一 版 16陈永甫编著.电子电路智能化设计m.实例与应用.北京：电子工业出版,2002.8 17康华光主编.电子技术基础(第四版) m.北京：高等教育出版社，1999 18 张永瑞.电路基础教程m.北京：科学出版社，2005 19 邱关源.电路(第四版)m.北京:高等教育出版社,2003:289-290. 20张勇.protel 99se 电路设计技术入门与应用m.北京：电子工业出版社，2007 附录附录 1： 表表 3 3 中间继电器的地址分配中间继电器的地址分配 编程元件编程地址作用 m0.1c0 复位及分钟个位显示脉冲 m0.2分钟十位显示脉冲 m0.3小时个位显示脉冲 m0.4小时十位显示脉冲 m1.0分钟个位显示 0 m1.1分钟个位显示 1 m1.2分钟个位显示 2 m1.3分钟个位显示 3 m1.4分钟个位显示 4 m1.5分钟个位显示 5 m1.6分钟个位显示 6 m1.7分钟个位显示