《plc在智能家居中的应用研究》6000字（论文）

plc在智能家居中的应用研究目录TOC\o"1-2"\h\u357plc在智能家居中的应用研究 113312引言 1307321智能家居系统的主要组成部分 1195211.1智能家居布线系统 248011.2家具的安防和自动化系统 2187742PLC及其功能 2197192.1PLC 2149992.2PLC的功能 4315333系统实现 510323.1硬件设计 557153.2软件系统设计 8293863.3系统调试

1055194结语 1028205参考文献 11摘要：随着社会的不断发展，人们不断追求更舒适、高效、安全的高品质生活。采用PLC的智能家居系统，实现了PLC对家居智能终端的自动控制、家居环境监测以及远程预警报告等功能使自动控制系统的运行具有更高的可靠性，并极大地改善人们的家居生活[1]。本文从职能家居系统构成部分出发，分析了plc在防盗报警、智能温度、灯光等方面具有较高的应用价值，最后提出了一种基于PLC技术的浴缸水温控制系统设计方案，给出了系统的软硬件设计思路。关键词：plc；智能家居；控制系统引言近年来，随着社会的不断发展与进步，智能家居系统发展迅猛。智能家居理念的提出，满足了人们日常生活所需，并且依托于PLC技术构建智能家居系统，对于实现远程操控的应用目标有着积极的促进意义。1智能家居系统的主要组成部分智能家居系统的基本原理如图1所示:图1智能家居系统的基本原理1.1智能家居布线系统智能家居布线系统是实现智能家居相关功能的基础，为此在建设初期需要对家居内部结构进行统一布局和规划，对有线电视、电脑网络、影音系统、家庭自动化控制系统、电话等布线进行集中管理，建立起综合性的布线模式，实现自动化控制的整体效果[2]。通过合理的系统布线，在家庭内部能够实现资源共享，完成共享宽带、多台电脑共同联网、电话任意转接等功能，以此来实现布线系统的整体扩展性和可升级性，满足用户的实际需求。1.2家具的安防和自动化系统为保证家居内部的安全，需要设计科学的安防系统，用户可以利用网络随时监控家居内部情况，安防系统主要的功能应当包括防火、防燃气泄漏、防盗等。通过家居自动化系统能够实现照明、家电等自动化控制。自动化控制主要的模式为分布式控制和集中控制，该系统是智能家居系统主要的发展方向。另外，随着人们对个人生活水平的要求提高，家庭体验系统逐渐成为了消费的热点，智能影音系统以及网络虚拟环境均会对智能家居的发展产生重要影响。2PLC及其功能2.1PLC可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController)是一种以微处理器为核心，专门为工业生产开发所研究和设计的电子设备[3]。PLC的本质就是用于工业控制的计算机，通过可编程的存储器实现工业系统相应的逻辑运算、定时控制以及算术操作等面向技术人员的命令，可编程逻辑控制器是整个工业控制中的重要部分。PLC从结构上可以分为两种:整体式和结构式。其中，对于整体式的PLC，所有的系统组件均被分装在同一个机箱内，其系统架构如图2所示。而对于结构式的PLC，系统所包含的各个组件被单独封装在一个模块中，各模块之间的通信由连接的数据服务总线来完成，组成结构如图3所示。图2整体式PLC结构图3结构式PLC结构整体式PLC和结构式PLC虽然在系统结构上有所差异，但对于两种结构中的各组件而言，其在系统中所起到的作用却是完全一致的。(1)中央处理单元(CPU)。与普通的计算机相同，中央处理单元是PLC的关键部分，是PLC的“大脑”。通常根据PLC的机型不同，所采用的CPU也有所差异，经常用到的CPU主要有:位片式微处理器、通用微处理器以及单片微处理器3种。其中，8位通用和单片微处理器主要用于工业中的小型PLC，且通常只包含其中一种；16位通用和单片的微处理器则主要用于工业控制中的中型PLC，有时在中型PLC中会采用双CPU的结构来满足实际需要;而位片式微处理器则被用于大型PLC中，该片式处理器中的位处理器通过位操作的方式实现PLC编程语言向机器语言的变换，能够大幅增强PLC系统的运行速度。为了满足需要，在大型PLC中通常会采用多CPU的结构。(2)存储器。RAM存储器可以对任意存储单元进行读或者写的操作，但在断电时不会保存数据；ROM存储器相较RAM而言，读取速度较慢且不能改写，但在断电时不会丢失数据，主要用于存放固定的系统软件等。在PLC中，系统程序一般由生产厂家提供，不允许用户的操作和修改，通常存放在ROM中。而对于用户程序而言，需要根据实际的需求不断调整和修改程序，所以将用户程序放在RAM中，并配备电源系统以保证数据信息不会丢失[4]。2.2PLC的功能2.2.1防盗报警系统通过PLC设计出的智能防盗系统，采用密码锁,具有入室防盗的作用，增加了门锁的安全性及可靠性;还具有监视和保护的作用,一旦陌生人靠近房屋,系统就会启动报警装置,可在报警信号传入处理器前实施处理措施，处理器要能结合收到的报警信号把预存的相应报警信息以短信形式发送到用户手机上[5]。2.2.2智能窗帘控制系统通过PLC设计出的智能窗帘控制系统，通过遥控器可以控制窗帘电机，方便人们对窗帘的控制。当需要打开窗帘时，按开窗开关电机反转，电机转动时通过传动装置带动窗帘打开，当需要关闭窗帘时，按下按钮，电机转动通过传动装置带动窗帘关闭。2.2.3智能灯光控制系统通过应用光电传感器和PLC可编程序控制器相结合，传感器可以不断检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给PLC。当控制电路的电压产生变化，灯光会自然变化；在亮度小于PLC设定值时，灯会自动亮起；当房间内长时间无人移动时，人体红外探测器会延时动作切断电源，关闭灯光，以实现智能照明，智能灯光的实现是通过面板手动控制或遥控器的控制，对家庭中的所有灯进行控制，达到一键开关的效果。2.2.4智能温度控制系统通过PLC设计出的智能温度系统是智能家居系统的重要构成，这一系统能够通过对空气进行自动处理，实现空气标准的自动化调节，从而使我们生活在最佳的舒适度范围内。当PLC如果检测到的温度信息与设定值进行比较，如果检测信号高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；同理，如果检测信号低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的[6]。智能温度系统可以使室内不至于出现忽冷忽热的情况,还极大地减少了人工操作。3系统实现设计并制作一个水温自动控制系统，控制为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。利用单片机AT89C51实现水温的智能控制，使水温能够在40-90度之间实现控制温度调节。利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在七段发光二极管板上。3.1硬件设计3.1.1控制要求（1）PLC型号选择

本温度控制系统采用德国西门子S7—200PLC。S7-200

是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

（2）硬件选择

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系统选用S7-200CPU226型号，

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O

点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O

点或35路模拟量I/O

点。13K字节程序和数据存储空间。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。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统[7]。

（3）S7-200

PLC的PID功能指令

PID循环（PID）指令根据表格(TBL)中输入和配置信息对引用LOOP执行PID循环计算。

提供PID循环指令（成比例、整数、导出循环）进行PID计算。逻辑堆栈（TOS）顶值必须是“打开”（功率流）状态，才能启用PID计算。本指令有两个操作数：表示循环表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循环”号码。

循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、输出、增益、样本时间、整数时间（重设）、导出时间（速率）以及整数和（偏差）的当前值及先前值。

如果循环表起始地址或指令中指定的PID循环号码操作数超出范围，CPU编译器将生成一则错误（范围错误），编译将会失败。PID指令不对某些循环表输入值进行范围检查。您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前程序变量）是0.0和1.0之间的实数。如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行[7]。

本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统初始化，实现参数输入并控制电加热炉的正常运行。主程序流程图如图4：图4主程序流程图3.1.2系统子模块设计

（1）温度采集电路

温度采集电路温度采集采用温度传感器DS18B20，它可以采集温度数据，然后温度数据直接进行A/D转换，可以直观且实时的检测当时的周围环境温度。DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。DSl8B20的测量范围从-55℃到125℃，误差为0.5℃，工作电压则是在3-5V，自己设定的温度存储在芯片的内部即EEPROM中。它有着3个引脚，当我们的设计使用的是外部电源给系统供电时，VCC脚接电源，GND脚接地，DQ脚作为信号端接单片机的P3.4

I/O口。在VCC脚和DQ脚之间我们还需要接1个阻值约莫为4.7K的上拉电阻R16，用来使我们的总线在不使用的时候也能保持高电平。温度传感器DS18B20将自身采集到的温度信号转换为数字信号存储起来，通过I/O口传送给单片机，单片机从而控制程序驱动LCD12864显示温度，控制整个系统[8]。温度采集电路原理图如图5所示：图5温度采集电路图（2）水温控制电路

本设计采用电动控制门阀来控制水的流量以达到温度控制的功能，它采用的原理主要是热平衡原理。假设热水为T1，冷水为T2，混合水的温度为T3，易而得之T1＞T3＞T2，由Q吸等于Q放

可以得到：可以得出

T3=（M热水*T1+M冷水*T2）/（M冷水+M热水），令A=M热水/M冷水

则T3为（AT1+T2）/(1+A)，可以得出这是以A的递增函数，这样子当实际温度小于设定温度值时，可以控制2个电动调节门阀使得A增大，使得温度逐步达到所需要的值。

（3）单片机最小系统

时钟电路是用于产生STC89C52单片机正常工作所需的时钟控制信号。它的产生来自于两种电路形式，内部振荡方式与外部振荡方式。在引脚ATXL1和ATXL2外接晶振就构成了内部振荡方式。单片机内部有一个高增益反相放大器，外接晶振以后，构成了自振振荡器来产生时针脉冲，内部振荡信号相对稳定，多数电路设计均采用。本设计也是采用内部振荡的方式。在单片机最小系统图6所示，图中C6与C7起着稳定振荡频率与快速起振的作用，电容值是30pF，晶振频率为12MHZ，内部振荡方式所得的时钟复位操作可以使单片机的片内初始化，以一种确定的初始状态开始运行[9]。

复位即是单片机初始化，当AT89S52单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的的高电平，就会自动执行复位操作。单片机复位有多种形式如片内复位，上电复位，按钮电平复位和按钮脉冲复位。本次设计采用电或开关复位，能实现的是电源接通以后自动复位，而且能够在单片机运行的时候，按下开关可以达到单片机复位的效果。图6最小系统图3.2软件系统设计3.2.1主程序流程图

系统的软件部分主要是由主程序流程图，键盘扫描流程图，水位温度控制流程图，LCD显示处理流程图。当通电时，主程序启动，初始化液晶显示器即对液晶显示器设置并口方式，基本指令操作，显示开或关光标，然后清除LCD显示内容，接着温度及温度下限和工作状态，通过键盘扫描子程序，设定温度的下限值，经过显示处理得出系统工作位flag的值，当设定的温度在35℃到45℃之间时，flag=1，当设定的温度不在35℃到45℃之间，flag=0。经过系统工作位flag值的判断，当flag=0时，温度控制恢复至初始状态，然后跳转到LCD显示处继续循环，当flag=1时，执行温度控制子程序来控制温度和水位，然后也跳回到LCD显示处继续循环[10]。主程序流程图如下图7所示：图7主程序流程图3.2.2水位温度控制流程图

本程序主要将水位和水温控制在一个范围内，在水位未达到水位下限时，语音提示加水，冷热水混加，保证有足够的水，可以用来洗浴。在水位处在水位上限和下限之间时，温度高于温度上限时，则加入冷水，直至温度上限。温度低于温度下限时，则加入热水，直至温度不低于温度上限。温度处于温度上下限之间时，温度就适用于洗浴了。水位高于水位上限时，语音提示排水，进行排水处理。温度控制的流程图如下8所示：图8水位温度控制流程图3.2.3温度采集电路流程图

DS18B20温度传感器的每一次命令和数据传输都是从写时序开始，数据传送给单片机时，需要启动读时序来接收数据，每一次的读时序和写时序都需要60μs，在独立的读和写时序之间最少需要1μs的恢复时间。它的写和读时序都有0时序和1时序。在写时序的0时序时，单总线被最少拉低60μs，保证它能够在15μs-45μs，可以正确的采样。在写时序的1时序，单总线拉低，在15μs内释放。在读时序的0时序，总线的状态是低电平，读时序的1时序，总线则是高电平，要保持15μs的采样总线。温度采集电路流程图如下图9所示：图9温度采集电路流程图3.3系统调试

首先进行了系统硬件的看设计调试，在硬件焊接完成以后，检查了每个元器件的引脚，检查有没有虚焊或者是短路，查看电路的设计有没有问题，如没有问题，则进行上电测试，按照系统方案设计的模块进行测试，看看有无元器件过热现象，如果元器件部分没有问题，便进行其他功能的测试。硬件调试没有问题后，进行软件调试，首先检查LCD12864液晶显示屏，看上电后是否正常显示字符。其次，检查存储模块是否能读写信息。再次，调试单片机与数模转换模块。最后将写好的程序导入AT89S52单片机中，接上+5V电源然后开始调试，首先进行显示检查，查看LCD12864是否能正常显示，然后开始设定温度下限，观察是否温度设定被限定在35℃到45℃，高于45℃或者低于35℃显示温度异常，返回重新设置，设定完成之后，红灯蓝灯一起亮，表示冷热水混加，在达到P3.3时

开始比较温度，温度低于设定温度时，红灯亮，表示开始加热水，温度高于设定温度时，蓝灯亮表示加冷水，达到P3.2时，黄灯亮5秒表示排水5秒。一切无误之后，就说明整体调试成功。4结语智能家居PLC控制系统可以自动控制家居终端设备，住宅内各种与信息相关的家居终端、各类传感器、报警装置整合到一起，保持家庭设备与环境的协调统一，为人们提供生活、工作、学习和娱乐的各种智能服务，营建一个舒适安全的家庭环境。本文基于PLC设计了家用浴缸水温的控制系统，使之快速，稳定，精准的达到要求的温度在硬件方面主要用到温度控制单元、计算机和S7-200PLC；而软件方面则通过STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC的PID指令进行操作，具有较高的应用价值。参考文献[1]黄丽丽.物联网技术在智能家居