【PLC在楼宇自控系统内的应用研究9100字（论文）】

[1]图3-3PMS5003实物外形图3-4颗粒物传感器原理图图3-4颗粒物传感器原理图3.1.3MAX44009光照强度传感器本次设计采用了使用I2C总线的光照传感器MAX44009，其具有外围电路简单，数据采集方便，可靠性高，引脚数量少等优点，其有效量程范围为0.045lux至188,000lux，能够完整覆盖本次设计所需光照强度探测范围。图3-5图3-5光照传感器部分原理图3.1.4SHT20温湿度传感器本次设计，采用了sensirion公司生产的SHT20型温湿度传感器，其具有体积小，精度高，可靠性好，功耗低等优点。SHT20外围电路与Arduino信号线接口部分电路原理图如下图所示。SHT20在本次设计中，与MAX44009挂载与同一I2C总线上，并由Arduinomega进行数据处理与发送。图3-6温湿度测量部分原理图3.1.5热释电传感器图3-6温湿度测量部分原理图本次设计中，采用了8只热释电感应模块组成阵列，以实现对控制目标区域的有效观测，热释电传感器的工作模式设定为多次重复，即不断电复位可多次输出有效电平，延时模式设定为一分钟，足以让被探测行人在灯光亮起时长内走出探测区域。热释电传感器（PIR）与ArduinoMega信号线电路硬件连接如图所示。3.2室内传感器/解码系统硬件设计图3-7热释电部分原理图3.2.1MAX44009光照强度传感器图3-7热释电部分原理图本次设计中，室内传感器MAX44009部分与室外传感器连接方式相同，挂载于Arduinomega的硬件I2C接口（D20D21）上，MAX44009外围电路与ArduinoMega信号接口部分电路原理图如下图所示。图3-8光照传感器原理图3.2.2SHT20温湿度传感器图3-8光照传感器原理图与室外传感器硬件连接方式一致，同样与MAX44009挂载于同一I2C总线之上，SHT20外围电路与Arduino信号线接口部分电路原理图如下图所示。图3-9温湿度传感器原理图3.2.4PLC接口电路部分图3-9温湿度传感器原理图PLC电路接口部分，采用继电器输出形式，COM公共端连接外置电源GND端，各端口连接至外围模块GND端。3.3PLC外围硬件定义I0室内传感器信号输入端I0.0:光强度低信号输入端I0.1：光强度高信号输入端I0.2：温度低信号输入端I0.3：温度高信号输入端I0.4：湿度低信号输入端I0.5：湿度高信号输入端I1室外传感器信号输入端I1.0:光强度低信号输入端I1.1：光强度高信号输入端I1.2：温度低信号输入端I1.3：温度高信号输入端I1.4：湿度低信号输入端I1.5：湿度高信号输入端I1.6：空气内颗粒物报警信号输入端I2.0-I2.7：热释电信号输入端Q0伺服信号输出端Q0.0：空气过滤器控制端Q0.1：门窗开关控制端Q0.2：加温器控制端Q0.3：遮光装置控制端Q0.4:除湿装置控制端Q0.5:室内照明开关Q1.0-Q1.7:灯光控制端4系统软件设计4.1室外传感器系统设计图4-1室外传感器程序流程图图4-1室外传感器程序流程图4.1.1MAX44009部分#include"MAX44009.h"uint16_tcur_PM25,cur_PM10,cur_Temp,cur_Humi,cur_Light;boolLightL_ACT,LightR_ACT;constuint16_tLight_L=400,Light_R=1500;if(light.begin()){Serial.println("[ERROR]Lightsensorfailed");while(1);}cur_Light=light.get_lux();Serial.println("Light:\t"+(String)cur_Light);delay(100);if(cur_Light<=Light_L){Serial.println("LightL_ACT=1");LightL_ACT=true;LightR_ACT=false;digitalWrite(LightL_PIN,HIGH);digitalWrite(LightR_PIN,LOW);cur_status|=1;cur_status<<=2;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}elseif(Light_R<=cur_Light){Serial.println("LightR_ACT=1");LightL_ACT=false;LightR_ACT=true;digitalWrite(LightL_PIN,LOW);digitalWrite(LightR_PIN,HIGH);cur_status<<=1;cur_status|=1;cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}else{Serial.println("Light_ACT=0");LightL_ACT=false;LightR_ACT=false;digitalWrite(LightL_PIN,LOW);digitalWrite(LightR_PIN,LOW);cur_status<<=2;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}声明库函数，调用<MAX44009.h>头文件，并内定义光照强度高低阈值信号变量名及数据返回类型；设置光照强度检测数值阈值，单位lux；初始化函数，若无返回值则通过串口输出报错信息；在Voidloop()主循环内，调用相关库函数，读取传感器返回数值；对返回值与预设阈值进行比较判断，并根据进行数据编码送入指定字符串中等待发送。4.1.2PMS5003程序部分（1）#include"pms.h"（2）PmsAltSerialpmsSerial;pmsx::Pmspms(&pmsSerial);uint16_tcur_PM25,cur_PM10;（3）boolPM25L_ACT,PM25R_ACT;（4）constuint16_tPM25_L=0,PM25_R=200;（5）Serial.println(pmsx::pmsxApiVersion);if(!pms.begin()){Serial.println("[ERROR]PMScommunicationfailed");return;}pms.setPinReset(pinReset);pms.setPinSleepMode(pinSleepMode);if(!pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_RESET)){pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_SLEEP);pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_WAKEUP);}pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_MODE_PASSIVE);pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_READ_DATA);pms.waitForData(pmsx::Pms::TIMEOUT_PASSIVE,pmsx::PmsData::FRAME_SIZE);pmsx::PmsDatadata;autostatus=pms.read(data);if(status!=pmsx::PmsStatus::OK){Serial.print("PMSsensor:");Serial.println(status.getErrorMsg());}pms.write(pmsx::PmsCmd::CMD_MODE_ACTIVE);if(!pms.isWorking()){Serial.println("[ERROR]PMSsensorfailed");} switch(status){casepmsx::PmsStatus::OK:{Serial.println("_________________");constautonewRead=millis();Serial.print("Waittime");Serial.println(newRead-lastRead);lastRead=newRead;autoview=data.raw;cur_PM25=view.getValue(4);cur_PM10=view.getValue(5);Stringstr;str=String(cur_PM25)+"\t"+view.getName(4)+"["+view.getMetric(4)+"]"+"|diameter:"+view.getDiameter(4);Serial.println(str);str=String(cur_PM10)+"\t"+view.getName(5)+"["+view.getMetric(5)+"]"+"|diameter:"+view.getDiameter(5);Serial.println(str);if(cur_PM25<0||cur_PM25>1000||cur_PM10<0||cur_PM10>1000){Serial.println("[ERROR]PMSDATAERROR");gotoloopend;}（6）if(cur_PM25<=PM25_L){PM25L_ACT=true;PM25R_ACT=false;digitalWrite(PM25L_PIN,HIGH);digitalWrite(PM25R_PIN,LOW);Serial.println("PM2.5L_ACT=1");cur_status|=1;cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}elseif(PM25_R<=cur_PM25){PM25L_ACT=false;PM25R_ACT=true;digitalWrite(PM25L_PIN,LOW);digitalWrite(PM25R_PIN,HIGH);Serial.println("PM2.5H_ACT=1");cur_status|=1;cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}else{PM25L_ACT=false;PM25R_ACT=false;digitalWrite(PM25L_PIN,LOW);digitalWrite(PM25R_PIN,LOW);Serial.println("PM2.5_ACT=0");cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}delay(100);break;}casepmsx::PmsStatus::NO_DATA:{Serial.println("[INFO]PMSNODATA");gotoloopend;break;}default:{Serial.print("[ERROR]PMSerror:");Serial.println(status.getErrorMsg());gotoloopend;}}声明库函数，调用相关头文件；调用软串口函数，并设置变量类型；定义空气内颗粒物密度判定阈值变量；预设相关数据判定阈值；初始化PMS5003，若通讯错误则串口输出报错信息；Voidloop()循环内PMS相关函数，读取程序返回值并判断，将结果输入字符串中等待发送，若数据错误则不执行后续程序，并发送报错信息。4.1.3SHT20程序部分#include"uFire_SHT20.h"声明SHT20对应库函数。boolTempL_ACT,TempR_ACT;boolHumiL_ACT,HumiR_ACT;定义温度、湿度变量。constuint16_tTemp_L=15,Temp_R=30;constuint16_tHumi_L=20,Humi_R=60;设定变量阈值。SHT20.measure_all();cur_Temp=SHT20.tempC;cur_Humi=SHT20.RH;voidloop()循环内定义变量与返回值if(cur_Temp<=Temp_L){Serial.println("TempL_ACT=1");TempL_ACT=true;TempR_ACT=false;digitalWrite(TempL_PIN,HIGH);digitalWrite(TempR_PIN,LOW);cur_status|=1;cur_status<<=2;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}elseif(Temp_R<=cur_Temp){Serial.println("TempR_ACT=1");TempL_ACT=false;TempR_ACT=true;digitalWrite(TempL_PIN,LOW);digitalWrite(TempR_PIN,HIGH);cur_status<<=1;cur_status|=1;cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}else{Serial.println("Temp_ACT=0");TempL_ACT=false;TempR_ACT=false;digitalWrite(TempL_PIN,LOW);digitalWrite(TempR_PIN,LOW);cur_status<<=2;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}if(cur_Humi<=Humi_L){Serial.println("HumiL_ACT=1");HumiL_ACT=true;HumiR_ACT=false;digitalWrite(HumiL_PIN,HIGH);digitalWrite(HumiR_PIN,LOW);cur_status|=1;cur_status<<=2;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);}elseif(Humi_R<=cur_Humi){Serial.println("HumiR_ACT=1");HumiL_ACT=false;HumiR_ACT=true;digitalWrite(HumiL_PIN,LOW);digitalWrite(HumiR_PIN,HIGH);cur_status<<=1;cur_status|=1;cur_status<<=1;Serial.print("\t\t[DEBUG]");Serial.println(cur_status,BIN);读取库函数返回值，并与预设阈值进行比较。将比较结果送入变量字符串中。4.1.4热释电传感器部分constuint16_tPIR_PIN[9]={0,54,55,56,57,58,59,60,61};定义热释电传感器引脚对应数组for(uint16_ti=1;i<=8;i++){pinMode(PIR_PIN[i],INPUT);}读取引脚数组，并初始化设定引脚为输入状态。for(uint16_ti=1;i<=8;i++){if(digitalRead(PIR_PIN[i])==HIGH){cur_status|=1;}cur_status<<=1;}读取引脚状态，并将输入结果送入结果判定数组内。4.1.5串口发送程序Serial.begin(9600);Serial1.begin(9600);设定串口0串口1工作模式与波特率。八位数据帧，无校验位，停止位1，波特率9600。Serial1.print('S');Serial1.println(cur_status,BIN);串口1，将特定格式判断结果数组发送。4.2室内传感器部分图4-2室内传感器部分程序流程图4.2.1SHT20温湿度传感器与MAX44009传感器部分图4-2室内传感器部分程序流程图本部分移植自室外传感器部分，因此除去逻辑判断并输出引脚电平部分不同外，其余代码基本一致。#include"uFire_SHT20.h"声明SHT20对应库函数。boolTempL_ACT,TempR_ACT;boolHumiL_ACT,HumiR_ACT;定义温度、湿度变量。constuint16_tTemp_L=15,Temp_R=30;constuint16_tHumi_L=20,Humi_R=60;设定变量阈值。SHT20.measure_all();cur_Temp=SHT20.tempC;cur_Humi=SHT20.RH;voidloop()循环内定义变量与返回值cur_Light=light.get_lux();Serial.println("Light:\t"+(String)cur_Light);delay(100);SHT20.measure_all();cur_Temp=SHT20.tempC;cur_Humi=SHT20.RH;Serial.println("Temperature:\t"+(String)cur_Temp+"°C");Serial.println("RH:\t"+(String)cur_Humi+"%");//Serial.println((String)SHT20.vpd()+"kPaVPD");//光传感器和SHT20采样if(cur_Light<=Light_L){Serial.println("LightL_ACT=1");LightL_ACT=true;LightR_ACT=false;digitalWrite(LightL_PIN,HIGH);digitalWrite(LightR_PIN,LOW);}elseif(Light_R<=cur_Light){Serial.println("LightR_ACT=1");LightL_ACT=false;LightR_ACT=true;digitalWrite(LightL_PIN,LOW);digitalWrite(LightR_PIN,HIGH);}else{Serial.println("Light_ACT=0");LightL_ACT=false;LightR_ACT=false;digitalWrite(LightL_PIN,LOW);digitalWrite(LightR_PIN,LOW);}if(cur_Temp<=Temp_L){Serial.println("TempL_ACT=1");TempL_ACT=true;TempR_ACT=false;digitalWrite(TempL_PIN,HIGH);digitalWrite(TempR_PIN,LOW);}elseif(Temp_R<=cur_Temp){Serial.println("TempR_ACT=1");TempL_ACT=false;TempR_ACT=true;digitalWrite(TempL_PIN,LOW);digitalWrite(TempR_PIN,HIGH);}else{Serial.println("Temp_ACT=0");TempL_ACT=false;TempR_ACT=false;digitalWrite(TempL_PIN,LOW);digitalWrite(TempR_PIN,LOW);}if(cur_Humi<=Humi_L){Serial.println("HumiL_ACT=1");HumiL_ACT=true;HumiR_ACT=false;digitalWrite(HumiL_PIN,HIGH);digitalWrite(HumiR_PIN,LOW);}elseif(Humi_R<=cur_Humi){Serial.println("HumiR_ACT=1");HumiL_ACT=false;HumiR_ACT=true;digitalWrite(HumiL_PIN,LOW);digitalWrite(HumiR_PIN,HIGH);}读取库函数返回值，并与预设阈值进行比较。并将对应引脚电平输出。4.2.2串口数据读取解码输出部分uint16_tPINS[]={0,10,11,12,13,14,15,16,21,22,23,24,25,26,27,28};bools[20];定义接收变量数组。if(Serial1.available()>0){t1=Serial1.read();if(t1=='S'){for(uint16_ti=0;i<=16;i++){while(Serial1.available()==0){}t2=Serial1.read();if(i==0||i==16){continue;}if(t2=='0'){s[PINS[i]]=0;Serial.println("i="+(String)i+",LOW");}elseif(t2=='1'){s[PINS[i]]=1;Serial.println("i="+(String)i+",HIGH");}else{Serial.println("[ERROR]dataerror,i="+(String)i);}}}delay(2);}接收串口数据，并获取有效数据，将判断结果赋值给指定数组。if(digitalRead(P)==HIGH){for(uint16_ti=1;i<=15;i++){digitalWrite(PINS[i],s[i]);}}根据数组内部数值，对各输出引脚状态寄存机赋值。if(digitalRead(P)==HIGH){for(inti=1;i<=15;i++){digitalWrite(PINS[i],s[i]);}}若检测到PLC给出信号，则刷新各引脚状态。4.3PLC主控程序部分采光控制部分PLC程序段，当处于上课/晚自习时间时，自动监测室内外灯光强度,根据程序段进行遮光及开灯补光等动作。图4-3光照控制部分程序空气质量及温湿度控制部分，根据各传感器发送至I输入口信号，根据预设逻辑判断并控制相关设备，对室内湿度，温度，空气质量等进行控制与调整。例如空气颗粒物指数过高时自动关闭门窗，并将空气过滤装置开启，以维持室内空气洁（PM2.5＜75μg/m³）。图4-3光照控制部分程序图4-4温湿度控制部分程序室外走廊灯部分控制程序，根据RTC时钟，自动判断处于何种时段，并选取对应控制逻辑对走廊内灯光进行控制。白天上课时段，将根据室外光照强度，判断是否需要对走廊进行补光照明，并在行人经过时自动开启热释电传感器对应的图4-5走廊灯控制程序图4-4温湿度控制部分程序图4-5走廊灯控制程序为预设变量设定初始值，PLC上电后SM0.0上电一个扫描周期，执行MOV_B语句，并将其预定数值装定进入系统RTC时钟。图4-7图4-7RTC时钟设置部分（2）图4-8读取RTC图4-8读取RTC时钟程序段图4-10时间判断程序（2）图4-9时间判断程序（1）将VW23内当前时间数据与预设时间阈值比较，并将对应辅助继电器线圈通激活对应不同时间段控制系统工作状态。图4-10时间判断程序（2）图4-9时间判断程序（1）5传感器平台搭建测试及PLC仿真调试5.1传感器平台通过USB连接室外传感器平台与电脑，打开串口监视器，读取debug信息与编码后逻辑判断信息。检测无误后开始检查室内传感器。用USB线缆连接室内传感器主控板与电脑，打开串口监视器，查看DEBUG信息，解码与逻辑判断输出正常。图5-1485图5-1485总线信号波形图（时基5ms）5.2PLC主控测试图5-3图5-3装载PLC程序图5-2设定PLC对应CPU型号装载完成程序后，将仿真软件调整为RUN状态，开始测试。5.2.1热释电控制走廊灯部分测试首先在设置内，更改时间为上课时间（6:30——18:30），并将室外光L端（I1.0）置于有信号输入状态，随后将热释电信号输入端（I2.0）随机选择送入信号，观察输出状态。图5-5热释电控制端信号输入——输出状态测试结果表明，在测试条件室外光照强度不足/夜间等状态时，热释电控制端可通过接受对应信号控制走廊灯开启及关闭。5.2.2室内补光/遮光部分测试如图所示，当室内光线过暗时，程序根据设定，自动打开室内照明灯（Q0.5），进行补光照明。如图所示，当室外光线过强时，自动开启遮光装置（Q0.3），并自动开启室内照明灯（Q0.5）。图5-6室内光照过暗时PLC输出图5-6室内光照过暗时PLC输出图5-7室外光线过强时输出5.2.3空气质量及温湿度控制部分将空气污染警告（I1.6）信号置位，可观测到PLC控制门窗关闭（Q0.1）并控制空