基于PLC控制的建筑灯饰电气控制系统设计毕业设计论文

常州工学院学士学位论文ABSTRACTOwningalargelandareastillcannotchangethefactthathugepopulationleadstopercapitaarableareafewinChina.Thereforeititgreatlysignificantforustouseourlandreasonablely,effectivelyandrepeatedly.Undertheconditionofnaturalfourseasons,generallycropgrowingcycleisonceayear.Whilethecontrollabilityofthegrowingcycleischangingslowlywhengreenhousesemerges.Simplegreenhousesareunabletoprovidethebestgrowingenvironmentforcropsduringanti-season.Buttheenviromentfactscanbechangedtomakethegrowingenvironmentclosetothatthecropsneedbycombiningautomaticdetection,automaticcontrolsystemandthegreenhouses.ThisdesignapplysthemitsubishiFX2Nseriesprogrammablelogiccontrollerasacontrolleringreenhouseautomaticcontrolsystem.Intheprocessofplantgrowth,temperature,lightintensity,humidityplayasignificantrole.Thustheprecisionandresponsespeedofsensorisimprotantwhenmonitoringaboveenvironmentalfactors.Themonitoreddateinsidethegreenhouseissenttoacontrollerbythesensor.PLCwillcomparethedifferencebetweenactualdataandthesetvalue,andthussendacommandtothecontrolactuators:motor,pumpandlights.Byadjustingtheactualdatatoshortenthedifference,theenvironmentwillgraturallybechangedtobemoresuitableforplantstogrow.Asaconsequence,aremotemonitoringcanberealizedbycombiningaPLC,acomputerandaconfigurationMCGG.Keywords：greenhouses，PLC，temperaturesensor，HumiditySensor

目录TOC\o"1-2"\h\z\t"标题3,3,标题4,4"18677ABSTRACT 218918第一部分设计任务与调研 425351.1本课题的研究背景和目的 441201.2国内外研究状况及已有成果 4160891.3设计及研究方案 4293881.4设计过程及其研究内容 4188801.4.1设计过程如下 446501.4.2设计内容 58199第二部分设计说明 62.1声音信号的采集与筛选 692902.1.1声音的响度（振幅）信号采集 668012.1.2声音的音调（频率）信号采集 6161382.1.3声音的音色（旋律）信号采集 735532.2声控的建筑灯饰的系统总体设计方案 7254393.1PLC选择 93.1.1PLC选型 93.2光感传感器和热度传感器（智能保护） 10292443.2.1DS18B20声音换算及控制 11325603.2.2HS1101参数及特性曲线 1187803.3响度检测采集电路 13151613.4频率检测采集电路 1423353.5音色检测采集电路 15141043.6音色PWM调制驱动电路 162863.7FX2N-232-DB通信模块 165734第三部分设计成果 17284014.1PLC主控电路 1812424.2响度检测采集电路 18272524.3频率检测采集电路 18291414.4音色检测采集电路 19320915.1单片机软件设计 20135505.2PLC软件设计 20167215.3组态设计 2216214第四部分结束语 2217066第五部分致谢 2331930第六部分参考文献 23 第一部分设计任务与调研1.1本课题的研究背景和目的随着人们生活品质的提高，在日常生活中,我们都广泛的运用着各种灯饰、LED广告牌，特别是晚上，然而现代化程度越来越高的背景下是我们的人性设计越来越受到关注，做什么事都讲究带点人情味儿，所以，针对目前大多是用时控单调的建筑灯饰，我发起了声控、PLC控、光控的建筑灯饰设计的思路。对于各种灯饰,我们大多会采用单片机。而PLC的优点是它构造简便,功能强大,而且实用价值高,效率高,适应环境能力强。而PLC控制是实现建筑灯饰的最佳的一种调速方式。它低速时,相对稳定性好;调速时,平滑性好,效率高;而且它的调速范围较大,精度高,起动电流低,节能明显。所以综合考虑，我选择了用PLC控制，实现声控、光控，而达成建筑灯饰人性化的要求。1.2国内外研究状况及已有成果对霓虹灯产业的发展现状和趋势，霓虹灯市场的供需现状、市场规模和发展潜力，霓虹灯技术与研发状况，霓虹灯产业供应链系统，包括生产商、供应商、服务商和终端用户等进行了系统、全面的调查、分析和预测后发现，在国外特别是欧美国家很早前就已经使用过声控霓虹，但是在国内，光控霓虹灯居多，而且产家竞争激烈，所以声控霓虹灯会有一定市场。之后，中国进入改革开放时代，因此，此时中国的进出口货物逐渐增加，尤其以时控为主的霓虹灯进入市场后，因此声控霓虹灯的人性化市场也逐步增大。根据市场的需求，声控霓虹灯开始走入中国的市场。1.3设计及研究方案本课题主要研究的是声控（响度、频率、音色）的霓虹灯。本设计中音色的获取，用了数模模数转换、整流、调制脉宽，PWM调制；响度，直接以电平、放大电路收集；频率以二次电路谐振滤波获取，再将收获的信号送交PLC处理。1.4设计过程及其研究内容1.4.1设计过程如下1、对选题进行初步的了解。通过查阅书籍并及时的上网查询资料，对课题的设计有个大概的想法；2、根据查阅的资料，将研究的课题的电路设计出大概部分；3、将设计出的电路与老师同学进行讨论，并对电路进行修改和完善；4、几番修改之后设计出完整的电路图，然后对PLC进行编程；5、经过同学与老师的讨论之后设计出正确的编程，进行电路仿真；6、通过仿真得到的波形，检查电路的不足；7、修改电路之后开始写论文；8、准备PPT进行论文答辩。1.4.2设计内容本文的设计内容主要有以下几点：设计并绘制总的结构框图；响度检测电路；频率检测电路；音色检测电路；音色中PWM脉宽调制电路；音色中整流驱动电路；编写PLC控制程序；而本文主要通过五个部分来对研究的课题进行阐述。第一部分是绪论部分。第二部分是总体方案论证与设计。由于整个电路图是由各个小部分组成，通过研究各个小部分而是整个大的电路逐渐完善。在这一部分则是介绍各个组成模块的电路，以及整个总电路的结构框图等。第三部分是系统硬件设计。其中包括电路中用到的PLC以及进行模数或数模转换的芯片。通过详细介绍这几种芯片的功能，使得电路的结构更加清晰。第四部分是系统软件设计。其中包括了对PLC变成的介绍。第五部分是系统模拟运行及分析。通过系统运行后的结果，进行分析。最后结论部分做出总结。

第二部分设计说明2.1声音信号的采集与筛选首先，声音是既调频又条幅度的，再者，从物理学的角度来定义，声音的三大要素分别为：响度、音调、音色，为了设计出更人性化、吸人眼球的建筑灯饰、霓虹来装饰美丽的夜晚，我们本次设计需要从这三点入手，本次设计因为能力有限，就简单印证原理性地每个要素仅截选二到三个节点或者波段来进行设计。2.1.1声音的响度（振幅）信号采集声音的强弱那么就叫做响度。响度是用感觉判断去声音强弱，即声音响亮的那个程度，根据这个方法的话，可以把声音由轻到响的排列出来。响度的实际大小取决于音强、音高、音色、音长等其他条件。如果条件相同，则又有元音听起来比辅音响的特点。元音中，开口度大的低元音听起来则会比开口度小的高元音要响一些；辅音中，浊音会比清音响，送气音比不送气音会要响。一直以来人们对于响度都有两种不同的看法：首先为感觉响度；其次为感知响度。感觉响度：它直接关系到人耳内神经活动，因此它可以用数学模型来表示的，现在经常用感觉响度表来表示；感知响度：主要是指让充当听众角色的人有兴趣的声音，没有真实存在的模型可以建立，不同的听众遇到有不同的声音会有不同的响应。这种感觉也就是人们常常说的“鸡尾酒会效应”（选择性关注），这是指常人的一种听力选择能力，处于这种情况下，注意力集中在某一个人或某几个人的谈话之中而忽略背景中其他人的对话或噪音。这个效应揭示了人类听觉系统令人十分惊奇的能力，使得我们可以在噪声中正常谈话。2.1.2声音的音调（频率）信号采集音调主要是由声音的频率决定的。对于一定的强度的纯音，音调会随着频率的升降而进行升降；对于一定频率的纯音、低频纯音的音调会随着响度的增加而进行下降，但是呢，高频纯音的音调却会随着响度的增加而进行上升。另外一方面，音调的高低还会与与之发出声音的物体的结构有关，这是因为发声体的结构部分影响了声音的频率。大致上，处于2000Hz以下的低频的纯音音调会随着响度的增加而进行下降，3000Hz以上的高频纯音音调会随着响度的增加而进行上升。对于音调，我们可以进行定量的判断。其中音调的单位称为美（mel）：选取频率1000Hz、声压级等于40分贝的纯音的音调作为标准，称之1000美，另外一些纯音，听起来调子高一倍的纯音称之2000美，调子低一倍的称之500美，依此进行类推，可以建立起整个可听频率区域的音调标度。这样子得到的声压级40分贝的纯音的音调与频率的关系会是这样子：音调高的：轻，短，细；音调低的：重，长，粗。人的童声高音频率范围为260-880Hz，低音频率范围为196-700Hz，女声高音频率范围为220-1.1KHz,低音频率范围为200-700KHz，男声高音频率范围为160-523KHz低音频率范围为80-358Hz。本次设计中声音的音调（频率）信号采集是进行3个选频点：200Hz点、500Hz点、800Hz点。实现的方式是对声音信号接入一个电容电感的并联选频电路，而进行声音的选取。通过筛选出来的频点而输出0或1的开关量送交PLC选取灯型。2.1.3声音的音色（旋律）信号采集音色（musicalquality）是指声音的感觉特性。音调的高低决定于发声体振动的频率，响度的大小决定于发声体振动的振幅,但不同的发声体由于材料、结构不同，发出声音的音色也就不同，这样我们就可以通过音色的不同去分辨不同的发声体音色是声音的特色，根据不同的音色，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或人发出的。同样的响度和音调上不同的音色就好比同样饱和度和色相配上不同的明度的感觉一样。音色之兮音。音色又名音品。音色的不同取决于不同的泛音，每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音，除了一个基音外，还有许多不同频率（振动的速度）的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说相同的话也有不同的音色，因此可以根据其音色辨别出是不同的人。声音是由发声的物体振动产生的，当其整体振动时发出基音，但同时其各部分也有复合的振动，各部分振动产生的声音组合成泛音。由于部分小于整体，所有不同的泛音都比基音的频率高，但强度都相当弱，否则无法调准乐器的音高了。需要把音色和音质区别开来。“音质”这个词，一般笼统的意义是声音的品质，但是在音响技术中它包含了三方面的内容：声音的音高，即音频的强度或幅度；声音的音调，即音频的频率或每秒变化的次数；声音的音色，即音频泛音或谐波成分。2.2声控的建筑灯饰的系统总体设计方案系统总体设计方案如下图1.4。声音经过采集分离成了三种有用的信号，分别为响度、频率、音色；其中响度由于人的感官明确，需求配合的是递增递减的视觉效果，所以我选择的是将我们发出的声音的响度进行采集、检测后判别是否具有发起特殊灯效的程度，声音小则灯均匀亮灯，其亮灯数量为总数的1/3；声音稍大，则灯均匀亮2个，其亮灯数量为总数的2/3；声音再大，达到最高标准，则全部亮灯。频率用于人物判别，一般人在正常说话情况下，频率是较为稳定的，而这个时候当之有固定人，则灯会按照选定的人的频率附近模式亮起，如：当女高音发声，则判定会处于800Hz左右，则“沙”字会进行闪烁；当男低发声，则判定会处于200Hz左右，则“长”字会进行闪烁；当儿童发声时候，则判定会处于500Hz左右，则“大学”俩字会进行闪烁，体现出选人的人性化设置。另外，旋律模块的引用也是十分有爱的，音色的判别是用来判别说话的缓急的，通过波峰之间的包络而进行不同亮度的驱动，使得灯根据人说话的缓急和节奏进行跳跃，使得现场会具有动感性，其原理是:先经过整流电路进行整流，截取包络，使得电路更圆滑平稳；其次，对电路进行数模转换，将圆滑平稳的旋律、音色变成受控的正弦波，将这个受控的正弦波与基准三角波通过比较器进行比较而得到一个占空比具有特定性质的波，利用这个通过PWM脉宽调制得到的波，进行灯部分的驱动，不同的占空比对应着开断电的市场，从而通过人眼的视觉效果达到呈现亮灭的感觉。其中PWM调制技术很好地保证了其驱动的稳定性和可靠性，而且在一定程度上能减轻能耗，从而使得器件使用寿命得以延长。图1.4声控PLC建筑灯饰调控原理3.1PLC选择我们使用的、学习的可编程序控制器它是从20世纪60年代就已经开始发展了，那时被用于工业控制装置，到了现在，发展成了种类繁多功能齐全的工厂智能不二选择，它呀，按照逻辑条件进行顺序的动作，它会按照时序动作;另外呢，还有与顺序、时序无关的一些按照逻辑关系而进行连锁保护动作的一些控制;以及很多很多的开关量、脉冲量、计数器、计时器、模拟量的越限报警等等状态量为主体的—些离散量的数据采集的监视。我们使用的现代的PLC按结构型式可以分成整体箱式和模块组合式，整体箱式结构简单、体积小，而且多为小型或低档PLC；模块组合式呢能根据用户需要进行灵活配置、现场的应变能力强、维修起来方便，根据I/O点数可以分成小型、中型和大型，编程语言可以是梯形图或者是指令表。本次设计采用的是模块组合式。3.1.1PLC选型根据本次设计要求调制音乐的响度、频率、音色从而实现建筑灯饰的控制，7个执行机构，需要控制7个输出点，，一共是5个输入点；因此可选三菱FX2N-16M型PLC。三菱FX2N-16M三种输出性能指标：表2.1FX2N-16M三种输出性能指标

3.2光感传感器和热度传感器（智能保护）光照式传感器内光照电效应器件分光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等，本次设计采用光敏晶闸管作为传感器感光元件，其结构如下：（a）结构图（b）图形符号图2.3光敏晶闸管LCR它有三个PN结，即J1、J2、J3，顶部还有玻璃透镜，把光线集中照射到J2上，光敏晶闸管的阳极正接，阴极反接。J1、J3正偏，J2反偏，晶闸管正向阻断状态。当有一定的光照度透过玻璃照射在J2上，在光能的激发下，J2附近产生大量的电子空穴对，它们在外电压下产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。可以通过和电阻一起使用，根据电阻的大小的不同而改变光照度。光敏晶闸管的特点是导通电流比光敏晶体管大的多，工作电压也大，因此输出功率大，在工业自动化检测控制和生活中得到广泛的应用，在本次试验中，白天有了它，能使得电路截止，从而达到自动开启灯饰的功能。而温度传感器分金属热电阻、半导体热电阻、集成温度传感器；本次设计中采用数字式集成温度传感器DS18B20，其引脚图2.1：图2.1DS18B20引脚图表2.2引脚详细说明DS18B20特点独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中简单的多点分布式测温应用无需外部器件可通过数据线供电。供电范围为3.0V到5.5V。测温范围为-55～＋125℃（－67～＋257℉）在－10～＋85℃范围内精确度为±5℃温度计分辨率可以被使用者选择为9～12位最多在750ms内将温度转换为12位数字用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统3.2.1DS18B20声音换算及控制DS18B20采用12位存储温度值，最高位为符合，存储方式如下，负温度S=1，正温度S=0。表2.3TEMPERATUREREGISTERFORMATFigure23.2.2HS1101参数及特性曲线表2.5最大参数值（Ta=25℃）图2.2输出特性曲线 3.3响度检测采集电路我这次设计中间的响度截取点，采用的是将声音信号放大处理，转换成3Vpp左右的电平，通过多个电平的差异区分出不同响度的状态，从而输出开关量，最后与PLC模块进行匹配从而选取灯型。反复尝试了很多次，找了1~12Vpp的电压响应段反复测试，在这里要感谢高岳民教授，在老师的指导下我少走了很多弯路，凭借老师的经验，仔细在3Vpp~5Vpp附近进行了尝试，取得了较好效果，且在运算放大器的选择上也多亏了老师的指导，在这里由衷地感谢老师！图3.3响度检测采集电路图3.4频率检测采集电路频率检测部分的电路如下图，主要利用了电容电感并联谐振获取频率，再添加去抖动电容得到较稳定的输出，保持较稳定的实效跟踪。图3.4频率检测采集电路图 根据上图频率检测部分的电路图我们可以了解到，频率的截取是充分利用了电容与电感组合的谐振而实现预期目标的，根据LC振荡电路计算，当我们的声音频率接近200Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo1；当我们的声音频率接近500Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo2；当我们的声音频率接近800Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo3；我们这么做了之后，就能够得到不受外界影响的人性化程度高的，跨越波频段高、涵盖广的频率输出灯型，送由PLC进入灯型选择从而人性化地实现灯型的展现。3.5音色检测采集电路音色的选取也是本次设计的核心亮点，它的选取比较之前的响度和频率而言的话是不一样的，它独特之处在于连续性好，它并不是点式而是连贯的波，经过整流后变得更缓和，再经过数模转换，变成可控的正弦波与标准三角波比较而得出了具备了占空比特性的PWM调制信号，可以直接用于驱动电路，而且PWM技术的引用，直接就是利用的软开关，对于资源的损耗具有不可比拟的优势；同时，使得系统具有高度的稳定性，和一定程度的抗衰老性。音色的选取总电路图如下：图3.5音色检测采集电路图 首先经过0808进行模/数转换，获得标准的基准之，再经过0832进行模/数转换，获得受调的正弦波，最后与基准三角波比较而实现PWM调制，再允以驱动后续LED灯，通过开关通断时间而控制亮度，达到音色控制亮度的目的。3.6音色PWM调制驱动电路音色的的PWM调制驱动电路是一个重要的小细节，一开始我是准备直接用音色控制驱动的，但是高教授提醒了我，说现在先进的PWM技术可以很好地节省能源，而且PWM技术的引用，直接就是利用的软开关，对于资源的损耗具有不可比拟的优势；同时，使得系统具有高度的稳定性，和一定程度的抗衰老性。图3.6音色信号的PWM调制电路图 音色的的PWM调制驱动电路是一个重要的小细节，获得的PWM脉冲调制信号，直接控制开关通断，很大程度减小了硬件损耗。3.7FX2N-232-DB通信模块FX2N-232-DB通信功能模块扩展板，安装FX2N系列PLC的基本单元中，用于RS-232通信。1.特点在RS232C设备之间数据传输。在RS232C设备之间使用专用协议进行数据传输。通信格式设置包括波特率，奇偶性和数据长度，由参数或FX2N可编程控制器的特殊数据寄存器D8120进行设置表2.6技术参数第三部分设计成果4.1PLC主控电路PLC是整个温室控制系统的核心，所有执行机构都由PLC发出命令，PLC的输入、输出端子4.2响度检测采集电路主控器选用Atmel公司89系列单片机中的AT89S51。89系列单片机是以8031为内核构成的，和8051兼容，片内4KB的Flash存储器支持在线下载程序，方便系统开发中进行调试。显示电路采用4个共阳极LED数码管，用于显示温度、湿度数值，本次设计只采用一组数码管，所以可以轮流显示，从P0口输出段码，列扫描P2.0～P2.3来实现，列驱动用9012三极管，采用RS-232C与PLC通信，由于本次设计温度采集有温室内、锅炉内两部分，需要挂接两片温度传感器U2和U3，U2用作温室采集，而U3用作锅炉水温采集，并且当U2温度过低时才去采集锅炉内温度，否则不需对U3进行读写数据，硬件原理图如图3.2所示。图3.2温度设计硬件图4.3频率检测采集电路光照检测部分是由光敏元件（由于光敏晶闸管在元件库里不好找，这里以光敏三级管代替，其工作原理大致相同）和电阻组成，当光照强度过弱时，三极管处于截止状态，发射极为低电平，由于发射极与单片机P1.0连接，所以当单片机检测到电平为低时说明光照强度过弱，需要增加光强，当光强足够大时基极电流也增大使得三极管处于放大状态，发射极为高电平，本次设计加人了可变电阻VR1，通过调节VR1可以改变光照强度的临界值，电路设计图如图3.3所示。图3.3湿度及光照设计硬件图湿度检测部分由芯片NE556与R3、R4、C4等组成，NE556内部含有555定时器。因为湿度传感器为电容式，本次采用电容C4代替HS1101。根据湿度传感器HS1101输出特性曲线当相对湿度%RH为60～80时电容值在183pF～190pF,当相对湿度%RH<60时电容值小于180pF，而当相对湿度%RH>80时电容值大于190pF,而且相对湿度与电容值近似线性关系，查有关资料得到其关系为，（3.1）如此间接的把湿度信号转换为频率信号。根据NE556工作原理输出端得到矩形脉冲，其充电放电时间分别为，（3.2）（3.3）输出方波频率:（3.4）由（3.1）～（3.4）式得到频率跟湿度关系：（3.5）4.4音色检测采集电路锅炉内的水加热主要针对温室用，功率较小采用380V单相加热，这样还可减少对三相不平衡的影响，加热由单片机控制电压大小来控制波数注释：1)K1断开时为PWM方式，闭合为CYC方式。2）W1功率限制电位器不接时，功率不受限。3）温控仪表为0-5V输出时接1、4（4为正）。4）手动控制时，1、4、7接10K电位器。5)温控仪表为4-20mA输出时,接1、3（3为正）。5.1单片机软件设计单片机软件主要包括主程序、读温度子程序、计算湿度子程序、计算光照子程序、显示数据程序等1.响度子程序设计读出温度子程序主要功能是读出RAM中的九个字节，在读出时必须进行CRC校验，校验有误不能进行温度数据改写，读出温度子程序流程图如图4.2所示。温室转换命令是让温度开始转换，采用12为分辨率，温度寄存器里的值是以0.065为步进，即温度值为温度寄存器里的二进制乘以0.065就是实际的十进制温度值，转换时间约为750ms。计算温度子程序将RAM中的读取值进行BCD码转换、运算，并判断正负，计算子程序流程如图4.3所示。图4.3计算温度子程序流程图图4.4相对湿度计算流程图2.湿度子程序设计湿度是根据频率间接计算出来的，根据公式（5）以及本次硬件设计R4、R3分别为15K和100K可得出%RH=(f-1.3*106)/3*103。设定闸门时间为1s让定时/计数器T1工作在方式一，T1得到的值就是f，如果溢出则可直接说明相对湿度过大，否则判断相对湿度是否在60～80之间，其程序流程图如图4.4所示。5.2PLC软件设计PLC通过FX2N-232-DB与外部声音检测电路相连，从而获得声音的各个要素的参数，经过比较分类，选出应有灯型。图4.6PLC程序5.3组态设计组态主要是实现远程监控，通过对上位机的操作就可以实现对PLC的控制，主要的通信变量有响度、频率、音色。第四部分结束语本文主要阐述了从选题分析、到元件选取、到元件参数资料、到硬件电路设计、最后在将软件和硬件相结合，以及实现上下位机通信、监控等，真正实现了农业自动化和能源节约、环保有机的结合到一块，在指导老师的精心指导和帮助下终于完成了整个题目的设计和论文的撰写工作。本次的设计整个系统主要完成的工作有：获取声音信号，将声音信号转化为需求的电信号，并从中反映出声音的各个特性并截取生成PLC需求的开关信号。采用工业传输给PLC，让得到的信号量跟预先设定的数值相比较，当过高、过低或相等时PLC驱动相应的执行机构发出相应的动