智能路燈控制系統(tǒng)..

1、四川師范大學成都學院電子工程系課程設(shè)計報告前言近年來，隨著中國國力的逐漸增強，發(fā)展的日新月異，我國的電力能源十分緊張，所以，環(huán)保節(jié)能逐漸成為當今社會的主題。各種節(jié)能設(shè)備、節(jié)能家電應運而生，在照明領(lǐng)域運用節(jié)能方法來節(jié)約電能也已經(jīng)為人們所接受1。目前，路燈照明系統(tǒng)的傳統(tǒng)節(jié)能方法主要有兩種，一是光源節(jié)能方法，另一種是控制節(jié)能方法?？刂乒?jié)能方法主要采用人工控制節(jié)能、時控控制節(jié)能、光控控制節(jié)能和節(jié)能器控制節(jié)能等方法來進行節(jié)能。在控制節(jié)能方法中，運用智能控制節(jié)能方法能在節(jié)省人工的基礎(chǔ)上做到節(jié)約資源，避免浪費。對普通路燈進行智能照明改造后，可大幅度降低路燈的電耗，有效提高節(jié)能率。僅以廣州中國科學院軟件應用技

2、術(shù)研究所在南沙逸暉路的改造工程為例，共有十八盞燈，智能路燈在LED燈的基礎(chǔ)上進行了改造，增加了來車檢測模式和時間控制模式對照明設(shè)備進行控制。通過一年的最終檢測結(jié)果顯示：節(jié)能率高達78.73%，年節(jié)省費用達到6044.4元，相當于年均節(jié)省9.93噸標準煤，年均二氧化碳排放量減少24.75噸。試想，偌大的中國千千萬萬的路燈，如果其中半數(shù)以上都能運用這項技術(shù)，那么可節(jié)約的能源將是難以估量的。為響應節(jié)能環(huán)?？谔柕奶栒伲敬嗡龅恼n程設(shè)計就是一個能根據(jù)外部光線強弱通過光敏開關(guān)控制路燈點亮或者熄滅的一個電子產(chǎn)品。目前，有關(guān)智能路燈控制的產(chǎn)品已經(jīng)非常多，自己也深知設(shè)計的這個電子產(chǎn)品有許多的不足，但能首次設(shè)計

3、自己的產(chǎn)品，并能做到在實現(xiàn)相同功能的基礎(chǔ)上節(jié)約成本，這是非常有意義的，不僅提高自己的動手能力，還豐富了課余生活。1四川師范大學成都學院電子工程系課程設(shè)計報告1總體設(shè)計方案圖1智能路燈控制系統(tǒng)框圖智能路燈控制系統(tǒng)由西門子S7-200系列PLC,總開關(guān)，光敏電阻及輸出系統(tǒng)（也就是路燈）構(gòu)成。該節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)路燈工作環(huán)境的光線強弱通過光敏開關(guān)自動控制路燈的開或關(guān)，從而對路燈進行節(jié)能控制，智能路燈控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。2. 單元模塊設(shè)計2.1 PLC概述2.1.1 PLC的基本信息PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運

4、算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程刃。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。2.1.2 PLC介紹PLC的基本概念早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC3。但是為了避免與個人計算機（PersonalComputer，的簡稱混淆，所以將

5、可編程序控制器簡稱PLC。PLC自1969年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC，研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國、日本、德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為： 電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵

6、入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài),并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器

7、存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 輸入輸出接口電路a. 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。b. 現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。 通信模塊如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。圖2PLC內(nèi)部運作架構(gòu)PLC的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整

8、個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入4。 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先

9、左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令5。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)4四川師范大學成都學院電子工程系課程設(shè)計報告據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排

10、在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 輸出刷新階段當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。PLC的特點 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機構(gòu)成復雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。 使用方便，編

11、程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。 能適應各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。PLC目前的主要品牌美國AB,和利時，ABB，松下，西門子，匯川，三菱，歐姆龍，臺達，富士，施耐德，信捷，創(chuàng)研等。2.2光敏電阻光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負

12、極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）靘的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化。5四川師范大學成都學院電子工程系課程設(shè)計報告光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬

13、的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。2.3智能路燈智能路燈又叫智能化路燈，或者智慧路燈、智慧照明，是采用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，對城市公共照

14、明管理系統(tǒng)進行全面升級，實現(xiàn)路燈集中管控、運維信息化、照明智能化。目前，廣州中國科學院軟件應用技術(shù)研究所（簡稱“廣州軟件所”）在這領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，在國內(nèi)有大量的實施案例。由于傳統(tǒng)路燈的弊端：如能源浪費嚴重、管理手段單一、信息化水平低下、缺乏故障主動報警機制、故障燈位置難以發(fā)現(xiàn)等一系列問題。近幾年來國內(nèi)很多城市都已經(jīng)開始采用智能路燈技術(shù)，對傳統(tǒng)路燈進行改造。僅2012年的廣東省推廣使用LED照明產(chǎn)品實施方案就提出：廣東全省道路、公共場所、政府機關(guān)、國有企事業(yè)單位等財政或國有資本投資建設(shè)的照明工程以及南沙、前海、橫琴等新規(guī)劃建設(shè)的新區(qū)要求一律使用LED照明產(chǎn)品，根據(jù)方案，珠三角地區(qū)要力爭在2

15、013年底前，東西北地區(qū)在2014年底前，普及LED公共照明，帶動全社會普及LED照明，實現(xiàn)全省同比口徑下照明節(jié)能50%以上。智能路燈大有可為。相比傳統(tǒng)路燈而言，智能路燈具有高效節(jié)能、智能管理、穩(wěn)定可靠、配置靈活等優(yōu)點，在提倡節(jié)能環(huán)保的當今社會必將有一片廣闊的發(fā)展前景。2.4EM2352.4.1模擬量擴展模塊接線圖及模塊設(shè)置EM235是最常用的模擬量擴展模塊，它實現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。下面以EM235為例講解模擬量擴展模塊接線圖，如圖3。250戲姍i內(nèi)宣ImL-xlMOVD血II埒譏I帕檳訓忙R1000000mmm24VDC-1；申：|毋_邑©二a：g：）$IriI

16、IrnC_nIIri_I°圖3EM235模塊接線圖圖3演示了模擬量擴展模塊的接線方法，對于電壓信號，按正、負極直接接入X+和X；對于電流信號，將RX和X+短接后接入電流輸入信號的“+"端；未連接傳感器的通道要將X+和X短接。對于某一模塊，只能將輸入端同時設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。2.4.2 EM235的常用技術(shù)參數(shù)表1EM235常用技術(shù)參數(shù)表模擬量輸入特性模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍電壓（單極性）010V05V0IV0500MV0100MV050MV電壓（雙極性）±10V±5V±2.5V土IV±500MV±

17、250MV±100MV±50MV±25MV電流020MA數(shù)據(jù)字格式雙極性全量程范圍32000+32000單極性全量程范圍032000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點數(shù)1信號范圍電壓輸出±10V電流輸出020MA數(shù)據(jù)字格式電壓一32000+32000電流032000分辨率電流電壓12位電流11位下表說明如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM235擴展模塊，開關(guān)1至昨可選擇輸入模擬量的單/雙極性、增益和衰減。量的單/雙極性、增益和衰減。由下表可知，DIP開關(guān)SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當SW6為ON時，模擬量輸入為單極性輸入，SW6為OFF時，模擬量

18、輸入為雙極性輸入。SW4和SW5決定輸入模擬量的增益選擇，而SW1，SW2,SW3共同決定了模擬量的衰減選擇。6個DIP開關(guān)決定了所有的輸入設(shè)置。也就是說開關(guān)的設(shè)置應用于整個模塊，開關(guān)設(shè)置也只有在重新上電后才能生效。2.4.3 模擬量擴展模塊的尋址每個模擬量擴展模塊，按擴展模塊的先后順序進行排序，其中，模擬量根據(jù)字節(jié)開始。例如：AIW0，AIW2,AIW4、AQWO,AQW2。每個模擬量擴展模塊至少占兩個通道，即使第一個模塊只有一個輸出AQW0,第二個模塊模擬量輸出地址也應從AQW4開始尋址，以此類推。3. 軟件設(shè)計3.1系統(tǒng)流程圖圖5流程圖3.2V4.0STEP7Microwin編程軟件介紹

19、V4.0STEP7Microwin編程軟件是專為西門子公司的S7-200系列而設(shè)計的編程工具軟件，使該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控。3.2.1V4.0STEP7Microwin的窗口組件r電IU.U<d工且繪itt圭口程.出QOD)171螢遍墩據(jù)塊按杏EJ15三表醪廊圖加久久幾鬻判昭頂口1rgcpuiRtitrnu5：*回苻Z裏+(HJ橫帝克±.己選堆爆*嚼翊唱Effi湘r*4工具：的唯潛弋wLuj伍進電1丄刖供莊申沮佶E-創(chuàng)比歳U臼轉(zhuǎn)換It已計竈岳&回浮點斯+灶r”Q卄時，“杞|呂TEP7-Mii=io/

20、WIN-Jfl貝1：If-刪舐jifMPLC|P)內(nèi)匚JIAJJ&iI-nlxi-mkIBk-!x.*'''2-311a41KS1i1i>7111811191110'11'玄怪奚型敘JS黑羽Jta.lO.DPlmplITEHP楓蚯八，,_ir'1slT程咸移酥fI阿格汪荒m±1圖6V4.0STEP7Microwin打開后窗口界面圖3.2.2操作欄顯示編程特性的按鈕控制群組(1) 視圖：選擇該類別，為程序塊、符號表，狀態(tài)圖，數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)塊，交叉參考及通訊顯示按鈕控制。(2) 工具：選擇該類別，顯示指令向?qū)А⑽谋撅@示向?qū)?、位?/p>

21、控制向?qū)?、EM235控制面板和調(diào)制解調(diào)器擴展向?qū)У陌粹o控制。3.2.3符號表/全局變量表窗口允許用戶分配和編輯全局符號(即可在任何POU中使用的符號值，不只是建立符號的POU)。您可以建立多個符號表?？稍陧椖恐性黾右粋€S7-200系統(tǒng)符號預定義表。3.2.4輸出窗口在用戶編譯程序時提供信息。當輸出窗口列出程序錯誤時，可雙擊錯誤信息，會在程序編輯器窗口中顯示適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)。當您編譯程序或指令庫時，提供信息。當輸出窗口列出程序錯誤時，您可以雙擊錯誤信息，會在程序編輯器窗口中顯示適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)。3.3如何輸入PLC控制程序3.3.1打開新項目雙擊STEP7-Micro/WIN圖標，或從"開始"菜單選擇SIMATIC>STEP7Micro/WIN,啟動應用程序。會打開一個新STEP7-Micro/WIN項目。3.3.2進入編程狀態(tài)單擊左側(cè)查看中的程序塊，進入編程狀態(tài)。圖8選擇主程序狀態(tài)133.4程序設(shè)計阿塔1網(wǎng)第標題10.01READ_RT匚匚KJrun1匚itTL-rlUVB10110VB10I9V810215VB102口15)4. 設(shè)計結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計過程和原理可設(shè)計得到一個智能路燈控