《基于单片机的照明控制系统设计》7200字

基于单片机的照明控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u15635摘要 1174911引言 1172111-1本设计课题的目的意义 290781.2PLC在国内外的发展现状 2233262总体方案设计 375602.1主要内容 37242.2照明控制系统的功能需求分析 3213192.3智能照明控制系统的结构和组成 338693.硬件设计 424313.1控制线路设计 4123793.2PLC的选型 6232113.3I/O地址分配 672274.软件设计 7323834.1程序流程 7270214.2程序编写 878754.3系统控制程序 10225755系统仿真 12113175.1S7-200仿真步骤 12196955.2系统仿真图 13315636结束语 1818891参考文献 19摘要目前，我国大学校园的公共照明主要控制方式多为手动控制，这种方式存在对于时间把握不准确，控制繁琐、浪费电等问题。针对这种现象，本设计基于西门子S7-200系列PLC控制器进行照明系统的自动控制。照明系统组成部分包括时间输入信号，以及三个输出信号：道路照明控制、景观灯控制、公共绿地控制。本设计主要讲述参照设计要求以及输入输出接口数量来进行PLC型号的选取以及I/O分配，最后进行模拟仿真测试，能够达到在特定时段输出端口与设计预想一致，以达到设计要求。关键词：校园照明系统；西门子S7-200；自动控制1引言1-1本设计课题的目的意义能源问题一直困扰着人们，但是往往会忽略照明用电的能源消耗，很容易造成浪费，在大学校园中照明用电占据了绝大部分，并且大学校园一般都设立于郊区，校园占地面积大，公共绿地多，并且公共照明的容量大，工作时间长，因此道路，操场，绿化等公共照明的电能消耗占比重较高。控制好公共照明的能耗就能降低整个学校的能耗以次来达到节约能源的目的。随时目前各个领域智能化自动化的推进，大学校园作为高素质人才的培养基地更应该适应时代的发展，逐步推进智能化校园的建设。校园智能照明系统采用西门子S7-200系列PLC控制来代替人工控制。可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC，具有稳定性好，易操作、编程简单、体积小巧、等等一系列优点。其功能越来越完善，应用范围也越来越广，在各大工业生产部门都有应用，可以完全满足校园的公共照明控制要求。它还可以完成顺序控制、逻辑变换、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能。并且通过众多的I/O接口创建与各类设备（生产、照明、输送、制造设备等）进行联系，从而实现对整个系统的自动控制。在校园安装PLC控制照明电路可以达到易于安装、编程方便、控制容易、运行稳定、抗干扰能力强的优点，所以采用西门子S7-200系列PLC来代替人工操作，以实现对校园照明系统的自动化控制。1.2PLC在国内外的发展现状PLC起源于20世纪60年代，发展至今已然成为世界上自动控制设备非常重要的控制器，目前，可编程控制器在全球范围内有非常广泛的运用，已经发展成了拥有16位和32位CPU构成的小型PC，实现了多任务同时处理。PLC发展至今，硬件技术以及软件方面，都有了很大的提升，比如：处理速度更快了、能耗更低了、制造成本购买成本也低了、软件功能更加完善编程灵活方便。加快了实现工业生产制造自动化的进程。目前在我国PLC也有广泛的应用，大多数还是使用国外制造的产品为主，当然随着我国现代化进程的进一步加快，PLC在我国将会有更加宽阔的发展空间以及应用场景。

2总体方案设计2.1主要内容整个系统主要由三大部分组成，主要有PLC、中间继电器、照明灯和开关。这三部分组成了智能照明控制系统，以时间作为主要输入参数，通过编程软件编写分时段的控制程序来达到自动控制的要求。依据校园的公共照明分布以及各时段的照明需求，对输入量和输出量进行I/O节点的分配，紧接着使用STEP7-Micro软件编写梯形图控制程序，最后通过仿真软件进行模拟仿真和调试，在基本满足设计要求的基础上，还要考虑到更加节约能源。2.2照明控制系统的功能需求分析（1）节能：过度的照明不仅会形成光污染还会出现资源浪费的情况，照明控制系统采用个性化的分季节分时段控制方法，利用编写程序规定的时间区间以及控制方式和控制元器件，对不同时制不同时段内的照明进行调节，实现科学有效的管理校园公共照明，最大程度的节约能源。（2）灯具使用寿命：在灯具正常使用中难免会造成长时间工作导致的发热问题，但是采用PLC控制可以延长灯具的使用寿命，这样不仅可以免去大量的更换灯具的费用，还减少了灯具的损坏老化而产生的人工维修费用，降低了系统的运行成本，管理和维护变得更加简单。（3）管理的高效率：如何使得系统控制和操作更方便快捷，修改控制系统的参数更加灵活，使管理更趋于自动化提高效率，减少人力的重复劳动。智能照明控制系统将一般照明的人工控制开关转变为智能化管理，使人工将自身的管理意识用到智能照明控制。（4）人性化：基于plc的智能照明控制系统，不但可以精确的控制照明时间，在对的时间就应该对应正确的灯光提高了整体的灯光质量，让人们摆脱太阳落山了道路却还漆黑一片的苦恼，也不会再有光线充足的情况下路灯却被提前打开的疑惑。科技是由人类推动的就得回归运用到人上去，让科技更好的服务学生。2.3智能照明控制系统的结构和组成一般来说目前智能照明控制系统大都为数字式的照明管理系统，由微电脑PC或微处理器进行运算，组成部分为系统单元、输入、输出单元。且各单元间都有一个特定的单元地址。通过CPU的处理计算，控制系统的功能可以通过编程软件进行设定。系统单元：主系统的任务是对各个区域实现相同的控制网络和信号采样方案，子系统的基本职责为把不同控制的网络体系在各分区实施，子系统、主系统双方之间的数据传输要经由不同的信息元件连接组合来完成[1]。输入单元：主要是用来将外部的各种输入信号经过特定的转换方式变成系统可识别的信号模式。比如说人机交互页面的控制面板，各种输入开关、软起动/软关断、红外接收器、外接时钟等。PLC的输入端口丰富可以实现多节点同时管控，在本设计中输入单元主要为PLC的内部时钟的数据以及手动开关。使得系统满足预设的要求。输出单元：校园照明系统的输出单元是接收由处理器运算后输出的信号，来控制相对应回路或线路的响应器件做出相应的动作。控制原理为集中控制，分散执行。本设计输出单元都为继电器线圈，用于控制灯具的亮暗，完成预设的要求。

（2）智能照明控制系统的优点

节能效果：用基于PLC的照明控制系统来代替传统的手动控制最主要的目的在于减少能源的消耗。针对公共区域，根据照明需求一般采取有效控制开灯数量，该措施节能效果最为直接有效[2]。这样会导致增加控制次数，增加人力负担，由于本设计是由PLC控制整个照明系统所以不用考虑人力成本的问题。通过这种方式节能效果突出，大约可以降低30%以上的能耗。延长光源的使用寿命：在照明系统的维护成本中光源的成本占据了绝大部分，所以延长光源的使用寿命就成了降低成本最重要的一部分。智能照明控制系统通过对灯光时间的管控，使得光源使用寿命有所增加。不仅可以节省更换灯具的人力成本，还可以节省灯具的购买费用，进一步降低系统的维护费用。3.硬件设计3.1控制线路设计由于校园的内部道路人车比较混杂，所以光照强度不应小于15Lx，学校采取的路灯排列方式为双侧交错位置，杆距约等于20m到25m左右[1]。这样有利于减小光线死角。由于智能照明控制系统采用分时控制方法，所以得对道路照明进行编号。分为四类：左侧单数、左侧双数、右侧单数、右侧双数，每一类路灯由一条回路控制。在景观照明部分采用单双号由不同回路控制，这么做以便在第二时段时景观照明可以做出1/2灯具熄灭的输出结果。而道路照明虽然只保留1/2的灯具亮着，但是我们设定的灯杆距离为25m，并不算太远，况且校园内部道路并不算宽。再加上我们采用的是交错布置，光线足以覆盖整个路面达到照明需求。由于校园公共照明设施数量多，灯具容量较大，本机线路设计采用分级供电方式，以便在故障时减小停电面积以及便于安装和维护。每一条回路都有一个受控于PLC城西的接触器来控制。供电系统示意图如图3-1所示（图中只画出了三种灯具的一条供电系统）。图3-1供电系统示意图3.2PLC的选型PLC型号的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。一般PLC机型选择的基本原则是优先满足系统功能需要，在维护方便的前提下,追求更高的性价比。选择时还应考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,在多个设备多个系统兼容的情况下还应考虑到使机型尽量统一。目前,世界上PLC产品大致可以分成三大流派每个流派都各有特点，分别是欧洲、美国、日本。在经过控制要求的分析及I/O点数估算之后选用了在我国运用范围较广，性价比高的小型PLC——西门子S7-200。这个系列的控制器不仅有极高的可靠性，还有丰富的拓展模块等优点。并且西门子为这款PLC开发了一款方便快捷的编程软件——STEP7-Micro/WINV4.0，这款软件可以在Windows系统下很方便的进行程序的编写、修改，以及可以对PLC内部进行监控调试。这使得s7-200适用于各种规模的控制系统，涵盖了几乎所有与需要自动化控制的领域。比如生产制造，机床等，可以说S7-200完全满足本设计的要求，3.3I/O地址分配本次设计的对象为大学校园公共区域照明控制系统，主要有景观灯和道路照明，根据设计要求输入信号有实时时钟输入，启停开关等其中当I0.0为高电平则系统进入自动控制模式，无需人为操作。输入信号地址分配表如表3-1所示。表3-1输入信号分配表信号名称地址实时时钟输入I0.0启动开关I0.1停止开关I0.2春冬启动开关I0.3夏秋启动开关I0.4根据设计要求其中道路照明分为左侧单数灯、左侧双数灯、右侧单数灯、右侧双数灯四个输出信号，将草坪和景观灯的输出信号分别平分为两部分，各占两个输出口。总共需要8个输出信号扣。输出信号地址分配表如表3-2所示。表3-2输出信号分配表输出信号名称地址1#草坪Q0.03#草坪5#草坪Q0.14#草坪1#花坛Q0.23#花坛2#花坛Q0.34#花坛左侧单数灯Q0.4左侧双数灯Q0.5右侧单数灯Q0.6右侧双数灯Q0.74.软件设计4.1程序流程梯形图程序首先根据用户输入的时间来对时制进行判断，分为夏秋、春冬两种不同的时制。然后分别在不同的时制下分三个时段做出相应的判断继而改变输出的高低电平。系统的程序流程图如4-1图所示。图4-1程序流程图4.2程序编写4.2.1STEP7-Micro/WINV4.0编程软件主界面本次使用的西门子S7-200拥有一个由西门子公司专门为S7-200系列控制器开发的非常方便快捷的编程软件——STEP7-Micro/WINV4.0。用户所需程序的生成主要是STEP7提供了标准的PLC编程语言，语句表（STL）、梯形图（LAD）、顺序功能流程图（SFC）和功能块图（FBD）等[3]。它的软件界面主要由浏览条、菜单栏、指令树、工具栏等组成。软件主界面如图4-2所示：图4-2STEP7软件主界面图4.2.2时钟设置及读写PLC发展至今绝大多数已经具备内部实时时钟功能，可以提供年月日时分秒的数据，当然S7-200系列也包括在内，除了型号221、222的这两款CPU。S7-200内部实时时钟的精确度为±120s/月，最大误差不超过七分钟/月。在编写程序时使用传送控制指令，可以将实时时间输入进PLC当中。读写程序的编写需要用到读取实时时钟指令READRTC从CPU的实时时钟读取当前日期和时间，并把它们装载到从参数T指定的字节地址开始的8字节时间缓存区内[4]。4.3系统控制程序校园照明系统电气控制原理图比较繁杂，但是由PLC控制后，程序简单稳定还容易编写，而且后续修改方便，既满足了设计要求，又能使系统稳定运行。4.3.1系统分时控制方案学生的作息相对有规律一些，通过观察不难发现，一般晚上有课的学生会在八点半左右下课，一般在21点至22点左右都会回到寝室，22点过后只剩下少部分学生在外活动，学校寝室的门禁一般在23点30分左右，所以过了这个时间基本上没有学生在外，这时候学校公共区域对于照明的需求达到最低要求。由此将开灯的时间段分为三个阶段19点到22点之间为第一时段照明全亮，22点到24点为第二时段关闭一半照明，24点到五点只保留1/4的路灯，满足最低照明需求。由于季节的变换，夏季昼长夜短，冬季昼短夜长。所以在春冬时制下，开灯较早，熄灯较晚。这样控制简单易行，节能效果显著。节假日多也是学校的特点之一，一年的假期大概有三个月左右。在大学校园里寒暑假只有少部分学生留校，因此在寒暑假期间景观灯照明采用手动控制，基本上不开启。在临时需要时可手动开启，以备不时之需。而道路照明在亮灯时段固定开启1/4，来满足道路的最低照明需求，毕竟放假期间学校人数不多，在路上的行人及车辆自然也少了。4.3.2分时智能控制程序编写校园照明控制系统亮灯时间分为三个时段，不同季节三个时间段的具体时间有所不同，一般在春冬季节天黑得比较早，太阳升起的时间较晚，而夏秋季节则反之。所以把一年分为两个时制，在设计时考虑季节的识别进而调整三个时间段的时间，来更加精确的控制灯具开关时间，以此来获得显著的节能效果。4.3.3

季节自动选择程序

校园智能照明控制系统的优点之一就是可以节能，但是为了使电能消耗进一步降低。在编写程序时加上了一段季节选择程序，主要是为了使在不同季节里系统会做出相应的反应。程序中的VW202是时间缓存区内表示月份的数据，当M2.0为高电平时程序判断结果为夏秋，反之，当M2.1为高电平时程序判断结果为冬春。将夏、秋时制的时间定为每年的5月1日0点至10月31日的24点，其余则为春冬时制区间。当然了根据学校位置所在的地区不同可以稍加修改。季节控制程序如图4-5所示。图4-5季节控制程序4.3.4分时段控制程序使用数据比较功能指令将预设时间段的数据跟实时时间数据作比较，来得到设计预想的结果。相叫于普通指令来看，这样做可以使得程序简洁易懂。编写梯形图程序时将夏秋时制19点~22点划分为第一时段，然后第二时段截止到24点为止，到隔天的凌晨五点为止为第三时段。上面包括了一天中所有的亮灯时段。道路照明需要满足不同时制下分时段控制，而景观照明第一时段全亮，第二时段保留一半光源，第三时段全暗的控制要求。近几年来国家供电系统越来越完善，大学校园一般很少出现停电的情况，因此并没有编写时间自动校正程序。所以在停电后或者是第一次使用时必须手动输入实时的时间来同步或修正时钟。下面举个例子来说明左侧双数路灯的梯形图控制程序如图4-4所示。图4-4左侧双数路灯控制程序在程序中可以看到当M2.0为高电平时为夏秋时制Q0.5全时间段都为高电平，使用时间较长。在这里考虑到灯具寿命问题，所以在编写程序时使得春冬时制下就只有第一时段为高电平，减少灯具的使用时间。以延长灯具的使用寿命减小维护成本。5系统仿真5.1S7-200仿真步骤在STEP7中将编译好的程序导出，在仿真软件中把程序载入进PLC里。然后选择与程序对应的CPU模块，在仿真软件中找到工具栏的开关按钮启动运行，使PLC在RUN模式下进行仿真[4]。在仿真软件中，实际输入信号由一个拨开关模拟，而输出信号则是由PLC上的发光二极管来显示，二极管灯亮表示这个输出高电平，二极管灯没亮则相反。在仿真调试时，按照设计时要求的时段，依次改变时间变量，经过多次测试记录下在特定情况下PLC的输出结果是否与设计时预想的结果一致。如果一致则证明此程序满足系统设计的要求5.2系统仿真图把模拟输入按钮I0.0向上拨，使其表现为高电平。此时将时间输入PLC内部时钟，下面为控制系统在多个预设的时段下的仿真输出。（1）5月5日15：00这个时间为夏秋时制不亮灯时段，各个输出都为低电平，仿真结果如图5-1所示。图5-1夏秋时制无灯亮时仿真图（2）5月5日19：00这个时间为夏秋时制第一时段，所有灯全亮，各个输出都为高电平，仿真结果如图5-2所示。图5-2夏秋时制第一时段仿真图（3）5月5日22:30这个时间为夏秋时制第二时段，所有灯亮一半，一半输出为高电平一半表现为低电平，仿真结果如图5-3所示。图5-3夏秋时制第二时段仿真图（4）5月6日01：10这个时间为夏秋时制第三时段，景观灯全暗，只保留1/4道路照明保证最低安全照明，输出结果只有Q0.5为高电平，其余均为低电平，仿真结果如图5-4所示。图5-4夏秋时制第三时段仿真图（5）12月01日12:00这个时间为春冬时制不亮灯时段，各个输出都为低电平，仿真结果如图5-5所示。图5-5春冬时制无灯亮时仿真图（6）12月01日18：00这个时间为夏秋时制第一时段，所有灯全亮，各个输出都为高电平，仿真结果如图5-6所示。图5-6春冬时制第一时段仿真图（7）12月01日21:45这个时间为夏秋时制第二时段，所有灯亮一半，一半输出为高电平一半表现为低电平，仿真结果如图5-7所示图5-7春冬时制第二时段仿真图（8）12月01日23:30这个时间为春冬时制第三时段，景观灯全暗，只保留1/4道路照明保证最低安全照明，输出结果只有Q0.7为高电平，其余均为低电平仿真结果如图5-8所示图5-8春冬时制第三时段仿真图通过把特定的时间编写进plc的内部时钟，经过程序的判断得到一个输出结果，并观察在设定好的时段的仿真输出。例如在输入时间五月五日19:00后将I0.0输入开关打开，季节判断程序自动识别这个时间为夏秋时制，M0.0得电，经过分时程序判断此时PLC输出端的二极管指示灯Q0.0~Q0.7全输出高电平