【教室自动感应照明控制系统设计7500字（论文）】

第第页教室自动感应照明控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u30858摘要 I277一、引言 123802二、控制系统设计 131569（一）主要设计目标 19446（二）系统功能分析 22631（三）控制系统分析 29209（四）控制方案选择 326834（五）控制方案设计 322053（六）感应器的选择 417795三、件系统设计 620632（一）输入输出点分配 626173（二）系统控制流程图设计 631051（三）PLC外部接线图设计 76684（四）梯形图程序设计 826605四、系统仿真 1129474（一）开始仿真 119017（二）结果分析 1520159结束语 1517919参考文献 16一、引言随着现代化快速发展的趋势，能源危机已成为每个人关注的焦点。除了直接的财产损失外，电力和能源的消耗还将继续增加二氧化碳的排放并破坏自然环境。因此，资源节约一直是日常工作、生活、制造业中的主题。在环境保护和节能方面人们通常会忽略照明的电力消耗，因为其单一的容量很小并且安装更加分散。因此，它似乎是无害的。实际上，照明设备的总数是最大和最广泛的。随着道路的拓宽，单容量和总容量都大大增加，保护环境的强光越来越引人注目。能源是二十一世纪的最重要的东西就是能源，但是随着科学技术水平的不断发展，目前能源浪费是越来越严重。而本文所设计的智能照明控制系统也是在为节约能源。虽然目前我们的能源还够用，但是能源储备已经越来越跟不上时代的需要。很多能源的储存量已经告急，所以说节约能源已经被提上了日程。不管是在工业生产当中还是在平常的生活当中。我们都应该养成节约的良好习惯。根据本文所设计的智能照明系统，我们这里选择了学校作为我们的研究对象。因为随着改革开放的不断发展国家对于教育这一块投入越来越大，目前在校的学生数量非常多。所以我们这里通过学校的教室智能照明系统来为整个社会的能源节约做出自己的贡献。学校从幼儿园到大学有很多这里选择的是大学校园的教室作为设计对象，因为现在的大学管理都相对而言较开放。学生们的节能意识比较淡薄。所以说这一块是我们需要尤为关注的。虽然本文是对教室的节能控制进行研究，但是不管在什么地方，我们都需要养成节约的好习惯。由于大学的学习体质问题。教室并没有像初中高中那样的使用率，所以会造成教室无人而灯还开着的情况。虽然单次浪费的电量并不算太多，但是日积月累再加上教室的数量众多，这样一来所浪费的电能就非常的多了。这里举个例子就按每个学校一万盏灯的情况来算，每盏灯的功率按照四十瓦每小时，每盏灯每天工作10小时，这样就是40*10/100=0.4每盏灯每天使用0.4度电，每个学校每天的用电量是4000度电，按每度电0.6元计算每天学校只是照明用电花费就已经达到了2400元，全年除去节假日照明用电的电费大概在50万元左右，如果每盏灯每天浪费两个小时，全年电费就要多浪费10万元。电费还是其次，最主要的是我们造成了巨大的能源浪费。这仅仅只是一所学校的情况全国有那么多的大学，可想而知浪费是有多么的恐怖。在每次教室停电时大家都是怨声载道，想想我们所浪费的能源是有多么的可惜。二、控制系统设计（一）主要设计目标设计并制作一个教室智能照明控制系统，通过光电传感器来对教室里面的自然光线，通过红外传感器来检测教室里面各区域的人员分布。利用PLC控制系统来进行总体的控制，根据时间段来进行对应的系统控制。系统控制主要包括：1.自然光检测电路，对照明现场的亮度进行检测，如果现场亮度符合照明要求，系统应关闭照明设备；2.人体红外检测电路，当照明现场亮度不符合照明要求且有人经过时，系统启动照明设备；3.按照不同时间段来进行对应的照明控制，例如：正常上课时间，晚自习时间以及晚上的睡觉时间。（二）系统功能分析目前市面上的绝大部分控制系统绝大部分都是采用的数字化的形式去进行管理的，它主要是由系统单元、输入单元以及输出单元三个部分所组成。每一个单元他都有着固定而且唯一的单元地址。它的功能需要利用软件来进行设计，当然这里面不包括电源设备，单元是不需要进行功能设计的。系统单元输入单元以及输出单元这三个大部分。这三个单元的主要功能是通过数字化的形式对整个教室照明系统进行智能化的控制。每一个单元的工作方式都是不一样的。以下就对整个三个单元的工作方式进行介绍：第1个系统单元，照明控制系统的主系统对各区域进行同级和同时的数据采集。再进行统一的处理而子系统则负责各个区域，主系统和子系统之间需要实现连接这样才能保证整个采集数据过程的及时性。第2个是输入单元，输入单元的主要设备是光敏传感器以及红外感应器这两个。首先是光敏传感器来感知外界的光照程度与此同时红外传感器同时检测区域内是否有人在。这两个传感器是同时进行工作的，在工作的时候不分先后顺序。这两个传感器将收集到的信号传输到PLC当中去进行处理这就是输入单元功能。第3个输出单元，输出单元再接收到PLC经过处理过后的数据以后，将其输出到对应的终端设备当中，以完成对整个系统的控制。输出单元一般情况下会有各种形式的继电器。本文所设计的这种输出是通过灯光来进行输出的。但是有一些其他的控制系统当中。也会有对应的其他的一些终端设备来接收输出单元输出的信号进行工作。以上三个就是整个系统的功能组成。通过我们的设计校园教室智能照明控制系统会有以下的一些优点，首先第1个是它的节能效果很好。通过这种方式能够精确地控制教师照明用电可以最大程度地避免造成电能的浪费；科学的使用照明系统再加上智能控制能够极大地弥补校园在照明用电上的浪费。整体的节能效果可以达到30%甚至更多。第2点是由于采用了智能控制的系统，极大地延长了灯具的使用寿命，灯具的使用寿命延长不仅能节约了学校在照明系统上的投入同时侧面的也反映出其对节约所作出的贡献。（三）控制系统分析在对整个智能照明控制系统进行设计之前，我们需要对教师照明系统的需求进行充分的分析。首先要考虑到整个不同教室的学生的作息时间是否一致以及学校是否有一些特殊的安排。其次是教室那么大是不是每次都必须打开所有的灯光。这些都是我们在设计整个照明控制系统时所要关注的问题。针对整个系统的具体控制而言我们需要从以下的几个方面去进行设计：（1）由于大学不像初中和高中，大学的课程相较而言较为自由，每个班级都不是固定在一个教室上课的所以在设计照明系统的时候要考虑整体利用的问题。根据实际情况添加每个学校的使用时间。（2）学校有周末、假期以及其他的一些作息时间这些因素我们在设计系统的时候也需要考虑进行去。（3）每个班级的学生不一样，而教室的大小相对比较统一，所以是不是每次开灯都是需要全部打开，还是打开一部分灯光即可。（4）为了应对一些特殊的情况我们不仅仅需要设计采用PLC进行控制的照明系统，而且还要设计传统的手动控制开关，这样方便我们来应对可能出现的一些特殊情况。总体来说我们设计的教室智能照明控制系统，它的主要输入参数是自然的光照强度和人体是否存在这两组数据，另外需要手动控制和自动控制相互融合。（四）控制方案选择随着工业自动化发展趋势的逐步改善和市场环境的转变，确定了自动化技术的深入，广泛的发展趋势，并提高了相关技术的综合性。智能照明技术发展迅速。智能照明技术也多种多样，其设计方案也在不断改进。针对智能照明控制设计了三种方案设计，并比较了所计划方案的优缺点。方案一：使用传统的继电器－交流接触器电源电路自动控制系统设计方案。由继电器和交流接触器组成的控制回路，其技术成熟而完善，并广泛应用于各个领域。但是该方案花费高昂，布线复杂，并且拓展灵活度低。方案二：基于单片机设计并执行智能照明控制系统的设计方案。选择单片机设计作为主要的系统软件来收集传感器数据信息，并控制实际的操作机构进行工作。该方案投入较低，布线简单。但是由于单片顺序执行指令的工作原理，其编程相对复杂。且由于单片机通常内部ROM较小，大多需要其他的外部拓展。方案三：基于PLC的控制系统设计。PLC控制是根据继电器－交流接触器控制的发展趋势而形成的。其投入适中，并且具有良好的拓展性和适应性。在现阶段，随着PLC技术的发展趋势和应用，PLC控制系统正在逐步取代继电器－交流接触器控制系统。上述三种方案的优缺点如表所示。表1控制方案比对表方案投入硬件复杂度拓展性可靠性方案一较低极其复杂极低极低方案二较低相对复杂灵活相对较低方案三适中相对简单非常灵活可靠在经过比对之后，决定选择了方案三的基于PLC的控制系统。此方案投入虽略高，但是拥有较高的可靠性，抗干扰性。并且硬件系统简单，易于维护，不易故障。（五）控制方案设计在设计整个控制系统之前我们要预先设计一个控制对象这里我们需要满足以上所提到的一些控制要求，所以选择了一个较大的教室作为控制对象进行控制。一般的教室周围都有窗户。基本上都能接收到外界的光线，所以这里我们选择1楼的教室用于控制系统设计，因为1楼大多数可能会有树木遮挡会造成自然采光效果不好。这样的选择更加能够体现我们控制系统设计作用。因为本文选择的是较大的1楼教室，所以要考虑到几种情况，一是教室比较大。可能会有学生做不满的情况，其次是处于1楼周围可能会有树木遮挡住自然光，导致教室内光线不好。所以这里我们将教室分为5个区域。首先最上面的是讲台是，其次从左到右分别是一、二、三、四这四个区域。这样我们在每个区域加装红外感应器以及光敏三极管进行数据的收集。这样能保证每个区域都可以单独控制将节能效果做到最好。同时也能够保证老师和学生们都能够正常的工作或学习。我们需要在每个区域内加装红外感应器以及光敏传感器。红外感应器一般可以安装在屋顶或者说光源灯的旁边。这样就可以有效的探测到范围之内是否有学生存在，另外光敏传感器最合适的安装位置是在靠角落的位置，因为这样能够更好地判断整个教室的光亮程度，进而判断是否需要打开教室的照明系统。以下是教室区域分布图。图1教室区域分布图（六）感应器的选择针对智能照明控制系统的感应器主要有两个方面的感应器。第1个就是用来检测光线强弱程度的感应器。第2个就是用来检测是否有人的红外感应器。这两个感应器是同时进行工作的互相不会产生干扰。红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，它经放大与信号处理后，即控制发出报警信号。红外的发射光源通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。还有一些半导体激光器，如砷镓铝双异质结半导体激光器等，也工作在红外波段，因而也是一种主动红外传感器。主动红外传感器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形，其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射出红外脉冲调制光谱。这样，就降低了电源的功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光的干扰能力。图2红外传感器光电传感器，是对外界光信号或光辐射由响应或转换功能的敏感器件。传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，进而判断光照强弱。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，也就是取决于光照强度。图3光电传感器三、件系统设计（一）输入输出点分配针对于PLC的输入输出接口分配，首先我们在选择PLC的输入输出接口数量的时候，首先第1个考虑的因素就是控制系统，实际所需要的输入输出接口量，在满足实际控制需求的输入输出接口数量之后，在此基础之上还要额外增加10%~20%左右的预留量，这样做的目的就是为了防止如果后期对控制系统有其他的额外需求，或者说有调整的时候预留出一部分量。不必为了调整一小部分功能而更换整个PLC；第2个就是在选择输入输出口数量的时候，需要尽可能地考虑经济因素，不要预留太多接口，避免造成浪费。表2I/O分配表输入信号输入点输出信号输出点启动按钮I0.0讲台区域灯Q0.0停止按钮I0.1区域1灯Q0.1投影开关I0.2区域2灯Q0.2光电感应器1I0.3区域3灯Q0.3光电感应器2I0.4区域4灯Q0.4光电感应器3I0.5光电感应器4I0.6光电感应器5I0.7红外感应器1I1.0红外感应器2I1.1红外感应器3I1.2红外感应器4I1.3红外感应器5I1.4（二）系统控制流程图设计进行完输入输出端口分配后，对系统的整体控制流程进行设计，方便后续程序的编写。系统控制流程图如图所示。图4系统控制流程图（三）PLC外部接线图设计根据表5的输入输出分配进行PLC的外部接线设计，在设计之前要了解基本的电路接线原理，因为PLC的接线也是建立在传统的电路原理之上的，如下就是PLC的外部接线图。图5PLC外围接线图（四）梯形图程序设计在输入输出接口已经分配完成过后，我们想要对整个控制系统进行控制，我们要设计PLC能够运行的程序，本文在设计PLC能够使用的程序时是采用的STEP7-MicroSMART编程软件来进行编程的，本文的程序是采用梯形图程序，当然除了梯形图程序以外还有逻辑功能模块图，指令表等控制方式，在这里就不多一一的阐述。目前梯形图控制程序，是在整个PLC控制当中使用的是最为广泛的整个梯形图控制程序，看起来非常的直观，对于整个系统操作的体现也是非常形象的，以下就是具体梯形图设计。在进行具体的控制流程设计时要先对系统的CPU进行选择。以下就是本次设计的具体程序。网络1：系统的启动停止程序，I0.0是启动、I0.1是停止。网络2：当启动开关I0.0闭合之后，T37开始计时，计时时间5分钟。网络3：计数程序，T37计时时间5分钟后，C1计数1次，网络4：C1大于0且小于144是表示在这个时间内M0.1都是闭合的，这个时间代表的是早上6点到晚上6点共计12个小时。网络5：C1大于144且小于216是表示这个时间之内M0.2都是闭合的，这个时间是晚上6点到晚上12点，共计6个小时。网络6：C1大于216且小于288是表示这个时间之内M0.3都是闭合的，这个时间是晚上12点到早上6点，共计6个小时。网络7：整体智能照明系统的联合控制程序，可以同时根据实际情况控制所有区域的照明。网络8：投影仪开关延时关闭讲台区域灯。图6选择CPU型号图7网络1图8网络2图9网络3图10网络4、5、6图11网络7图12网络8四、系统仿真（一）开始仿真在正式开始仿真的时候，首先要选择对应的CPU，本设计所采用的CPU是224型号的。在程序装载完成之后，首先是要点击运行按钮，此时我们在把I0.0接通，系统就开始正常进行工作了。这时我们可以看出系统还是处于刚刚接通的状态，其中绿色部分的数字代表着输入点分别是0对应着I0.0，1对应着I0.1，以此类推。输出部分包括主要的灯光照明系统。是需要在输入端有对应的动作才可以使得它能够正常的输出。仿真时为了节省时间，对时间设定进行了一定程度的调整，这不会影响实际工作状态。这时候当I0.0处于接通状态时系统开始工作，具体如下图所示：图13系统开机1.此时如果教室有人打开投影仪，系统开始计时，一分钟之后讲台区域灯关闭，如图所示。图14投影区域延时控制开关2.白天6：00-18：00（仿真数为0-12）教室有人，且光照充足，此时应不亮灯，仿真图如下：图15白天采光良好3.白天6：00-18：00（仿真数为0-12）教室有人，光照不足，此时应根据人数探测结果，区域性开灯。仿真图如下：图16白天采光不好4.晚上晚自习时间，18：00-24：00（仿真数为12-18），此时秩序教室有人就会亮灯。图17晚自习时间5.深夜时分0：00-6：00（次日），仿真数为18-24，此时教室不会亮灯。仿真结果如图所示。图18深夜时分（二）结果分析本次设计的教室智能照明控制系统主要是有三个时间段，分别是：6：00-18：00；18：00-24：00；0：00-6：00（次日）这三个时间段，通过前文的程序仿真以及实际的使用来进行分析看。这种控制方式基本能够满足系统的实际控制要求以及教室照明的实际使用需求。系统的整体程序一切运行正常，基本能够满足教室智能照明控制的需求。结束语本次毕业采用的是PLC控制器进行设计的，通过PLC控制整个教室照明系统使其能够达到节能的作用。通过本次设计让我深刻地体会到了一个完整的控制系统需要多个单元相配合，如果某一方面出现问题，则会导致整个系统无法实现既定的功能。本次照明系统实现了对教室照明进行智能控制的目的，可以有效地节省电费开支。并且，合理的进行开关控制，可以有效地延长灯具使用寿命。这会带来不小的的效益，所以说虽然一个教室节约的电能不多，但是整体加起来还是非常的可观的。科