智能路燈控制系統(tǒng)

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計(jì)報(bào)告前言近年來(lái)，隨著中國(guó)國(guó)力的逐漸增強(qiáng)，發(fā)展的日新月異，我國(guó)的電力能源十分緊張，所以，環(huán)保節(jié)能逐漸成為當(dāng)今社會(huì)的主題。各種節(jié)能設(shè)備、節(jié)能家電應(yīng)運(yùn)而生，在照明領(lǐng)域運(yùn)用節(jié)能方法來(lái)節(jié)約電能也已經(jīng)為人們所接受10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。控制節(jié)能方法主要采用人工控制節(jié)能、時(shí)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(lái)進(jìn)行節(jié)能。在控制節(jié)能方法中，運(yùn)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(fèi)。對(duì)普通路燈進(jìn)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(guó)科學(xué)院軟件應(yīng)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(jìn)行了改造，增加了來(lái)車檢測(cè)模式和時(shí)間控制模式對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制。通過(guò)一年的最終檢測(cè)結(jié)果顯示：節(jié)能率高達(dá)78.73%,年節(jié)省費(fèi)用達(dá)到6044.4元，相當(dāng)于年均節(jié)省9.93噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均二氧化碳排放量減少24.75噸。試想,偌大的中國(guó)千千萬(wàn)萬(wàn)的路燈，如果其中半數(shù)以上都能運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，那么可節(jié)約的能源將是難以估量的。為響應(yīng)節(jié)能環(huán)保口號(hào)的號(hào)召，本次所做的課程設(shè)計(jì)就是一個(gè)能根據(jù)外部光線強(qiáng)弱通過(guò)光敏開(kāi)關(guān)控制路燈點(diǎn)亮或者熄滅的一個(gè)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(jì)的這個(gè)電子產(chǎn)品有許多的不足，但能首次設(shè)計(jì)

3、自己的產(chǎn)品，并能做到在實(shí)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(dòng)手能力，還豐富了課余生活。1 .總體設(shè)計(jì)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(mén)子S7-200系列PLC,總開(kāi)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(qiáng)弱通過(guò)光敏開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制路燈的開(kāi)或關(guān)，從而對(duì)路燈進(jìn)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(jì)2.1 PLC概述2.1.1 PLC的基本信息PL久一種專門(mén)在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的

4、指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程2oPLCi具有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。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(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)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(jiǎn)稱PC3。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLGPLCH1969年美

5、國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國(guó)、日本、德國(guó)的可編程序控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。PLC勺基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC勺制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%（+15%范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC4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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒

6、定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)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(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，對(duì)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(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的

7、存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。輸入輸出接口電路a.現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。b.現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。功能模塊如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。通信模塊如以太網(wǎng)、RS48SPro巾bus-DP通訊模塊等。圖2PLC內(nèi)部運(yùn)作架構(gòu)PLC的工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。輸入

8、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(yīng)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(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入40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(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)

9、算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)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(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)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(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過(guò)程

10、影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)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(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí),才是PLC的真正輸出。PLC的特點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開(kāi)關(guān)量控制為其特長(zhǎng)；也能進(jìn)行連續(xù)過(guò)程的PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的綜合自動(dòng)化。使用方便，編程簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，而無(wú)需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改程

11、序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。PLC目前的主要品牌美國(guó)AB,和利J時(shí)，ABB松下，西門(mén)子，匯川，三菱，歐姆龍，臺(tái)達(dá)，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(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鈿等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)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(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)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(cè)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

12、電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見(jiàn)光（0.40.76）葩的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。設(shè)計(jì)光控電路時(shí)，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(jì)大為簡(jiǎn)化。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)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的硫化物、硒化物和硫化物等半導(dǎo)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

13、靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)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(guò)，受到一定波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)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(jì)算技術(shù)，對(duì)城市公共照明管理系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)，實(shí)現(xiàn)路燈集中管控、運(yùn)維信息化、照明智能化。目前，廣州中國(guó)科學(xué)院軟件應(yīng)用技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱廣州軟件所”）在這領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平，在國(guó)內(nèi)有大量

14、的實(shí)施案例。由于傳統(tǒng)路燈的弊端：如能源浪費(fèi)嚴(yán)重、管理手段單一、信息化水平低下、缺乏故障主動(dòng)報(bào)警機(jī)制、故障燈位置難以發(fā)現(xiàn)等一系列問(wèn)題。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)很多城市都已經(jīng)開(kāi)始采用智能路燈技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)路燈進(jìn)行改造。僅2012年的廣東省推廣使用LED照明產(chǎn)品實(shí)施方案就提出：廣東全省道路、公共場(chǎng)所、政府機(jī)關(guān)、國(guó)有企事業(yè)單位等財(cái)政或國(guó)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(zhēng)在2013年底前，東西北地區(qū)在2014年底前，普及LED公共照明，帶動(dòng)全社會(huì)普及LED照明，實(shí)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

15、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(diǎn)，在提倡節(jié)能環(huán)保的當(dāng)今社會(huì)必將有一片廣闊的發(fā)展前景。2.4 EM2352.4.1 模擬量擴(kuò)展模塊接線圖及模塊設(shè)置EM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)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(kuò)展模塊接線圖，如圖3。250歐蝴（內(nèi)置yg11I1世后ML，IIM0圖3EM235模塊接線圖圖3演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入X+和X；對(duì)于電流信號(hào)，將RX和X+短接后接入電流輸入信號(hào)的“+”端；未連接傳感器的通道要將X+和X-短接。對(duì)于某一模塊，只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程和格式，即

16、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(diǎn)數(shù)4輸入范圍電壓（單極性）010V0-5V0-1V0-500MV0-100MV0-50MV電壓（雙極性）±10V±5V±2.5V±1V±500MV±250MV±100MV土50MV±25MV電流020MA數(shù)據(jù)字格式雙極性全量程范圍一32000+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(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍電壓輸出土10V電流輸出020MA數(shù)據(jù)字格式電壓一32000+

17、32000電流032000分辨率電流電壓12位電流11位下表說(shuō)明如何用DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置EM235擴(kuò)展模塊,開(kāi)關(guān)1至伯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(kāi)關(guān)SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)SW6為ON時(shí)，模擬量輸入為單極性輸入，SW6為OFF時(shí)，模擬量輸入為雙極性輸入。SW4和SW5決定輸入模擬量的增益選擇，而SW1SW2SW3共同決定了模擬量的衰減選擇。6個(gè)DIP開(kāi)關(guān)決定了所有的輸入設(shè)置。也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個(gè)模塊，開(kāi)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(kuò)展模塊的尋址每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊，按擴(kuò)展模塊的先后順序進(jìn)行排序，其

18、中，模擬量根據(jù)字節(jié)開(kāi)始。例如：AIW0,AIW2,AIW4、AQW0,AQW2。每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊至少占兩個(gè)通道，即使第一個(gè)模塊只有一個(gè)輸出AQW0,第二個(gè)模塊模擬量輸出地址也應(yīng)從AQW祈始尋址，以此類推。3 .軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)流程圖圖5流程圖3.2 V4.0STEP7Microwin編程軟件介紹V4.0STEP7Microwin編程軟件是專為西門(mén)子公司的S7-200系列而設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)通信，進(jìn)行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控。3.2.1 V4.0STEP7Microwin的窗口組件*/桂重4樹(shù)交更學(xué)等敦需忸狀芯的籽寫(xiě)差喳山宓口

19、楔霹叁后序關(guān)輯器居皆喋修圖6V4.0STEP7Microwin打開(kāi)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(hào)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)?、文本顯示向?qū)?、位置控制向?qū)?、EM235控制面板和調(diào)制解調(diào)器擴(kuò)展向?qū)У陌粹o控制。3.2.3 符號(hào)表/全局變量表窗口允許用戶分配和編輯全局符號(hào)(即可在任何POU中使用的符號(hào)值，不只是建立符號(hào)的POU)。您可以建立多個(gè)符號(hào)表?？稍陧?xiàng)目中增加一個(gè)S7-200系統(tǒng)符號(hào)預(yù)定義表3.2.4輸出窗口在用戶編譯程序時(shí)提供信息。當(dāng)輸出窗口列出程序錯(cuò)誤時(shí)，可雙擊錯(cuò)誤

20、信息，會(huì)在程序編輯器窗口中顯示適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)。當(dāng)您編譯程序或指令庫(kù)時(shí)，提供信息。當(dāng)輸出窗口列出程序錯(cuò)誤時(shí)，您可以雙擊錯(cuò)誤信息，會(huì)在程序編輯器窗口中顯示適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)。3.3 如何輸入PLC控制程序3.3.1 打開(kāi)新項(xiàng)目雙擊STEP7-Micro/WIN圖標(biāo)，或從"開(kāi)始”菜單選擇SIMATIC>STEP7Micro/WIN,啟動(dòng)應(yīng)用程序。會(huì)打開(kāi)一個(gè)新STEP7-Micro/WIN項(xiàng)目。3.3.2 進(jìn)入編程狀態(tài)單擊左側(cè)查看中的程序塊，進(jìn)入編程狀態(tài)圖8選擇主程序狀態(tài)3.4 程序設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題:麗葬一10GIREMRTCEMEHOVB1OQ-4 .設(shè)計(jì)結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計(jì)過(guò)程和原理可設(shè)計(jì)得到一個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)季節(jié)的改變，即時(shí)間段的改變而改變路燈的開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間，并且當(dāng)周圍光線亮度有所改變是，光敏