【教室自動感應(yīng)照明控制系統(tǒng)設(shè)計7500字（論文）】

第第頁教室自動感應(yīng)照明控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u30858摘要 I277一、引言 123802二、控制系統(tǒng)設(shè)計 131569（一）主要設(shè)計目標 19446（二）系統(tǒng)功能分析 22631（三）控制系統(tǒng)分析 29209（四）控制方案選擇 326834（五）控制方案設(shè)計 322053（六）感應(yīng)器的選擇 417795三、件系統(tǒng)設(shè)計 620632（一）輸入輸出點分配 626173（二）系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計 631051（三）PLC外部接線圖設(shè)計 76684（四）梯形圖程序設(shè)計 826605四、系統(tǒng)仿真 1129474（一）開始仿真 119017（二）結(jié)果分析 1520159結(jié)束語 1517919參考文獻 16一、引言隨著現(xiàn)代化快速發(fā)展的趨勢，能源危機已成為每個人關(guān)注的焦點。除了直接的財產(chǎn)損失外，電力和能源的消耗還將繼續(xù)增加二氧化碳的排放并破壞自然環(huán)境。因此，資源節(jié)約一直是日常工作、生活、制造業(yè)中的主題。在環(huán)境保護和節(jié)能方面人們通常會忽略照明的電力消耗，因為其單一的容量很小并且安裝更加分散。因此，它似乎是無害的。實際上，照明設(shè)備的總數(shù)是最大和最廣泛的。隨著道路的拓寬，單容量和總?cè)萘慷即蟠笤黾?，保護環(huán)境的強光越來越引人注目。能源是二十一世紀的最重要的東西就是能源，但是隨著科學技術(shù)水平的不斷發(fā)展，目前能源浪費是越來越嚴重。而本文所設(shè)計的智能照明控制系統(tǒng)也是在為節(jié)約能源。雖然目前我們的能源還夠用，但是能源儲備已經(jīng)越來越跟不上時代的需要。很多能源的儲存量已經(jīng)告急，所以說節(jié)約能源已經(jīng)被提上了日程。不管是在工業(yè)生產(chǎn)當中還是在平常的生活當中。我們都應(yīng)該養(yǎng)成節(jié)約的良好習慣。根據(jù)本文所設(shè)計的智能照明系統(tǒng)，我們這里選擇了學校作為我們的研究對象。因為隨著改革開放的不斷發(fā)展國家對于教育這一塊投入越來越大，目前在校的學生數(shù)量非常多。所以我們這里通過學校的教室智能照明系統(tǒng)來為整個社會的能源節(jié)約做出自己的貢獻。學校從幼兒園到大學有很多這里選擇的是大學校園的教室作為設(shè)計對象，因為現(xiàn)在的大學管理都相對而言較開放。學生們的節(jié)能意識比較淡薄。所以說這一塊是我們需要尤為關(guān)注的。雖然本文是對教室的節(jié)能控制進行研究，但是不管在什么地方，我們都需要養(yǎng)成節(jié)約的好習慣。由于大學的學習體質(zhì)問題。教室并沒有像初中高中那樣的使用率，所以會造成教室無人而燈還開著的情況。雖然單次浪費的電量并不算太多，但是日積月累再加上教室的數(shù)量眾多，這樣一來所浪費的電能就非常的多了。這里舉個例子就按每個學校一萬盞燈的情況來算，每盞燈的功率按照四十瓦每小時，每盞燈每天工作10小時，這樣就是40*10/100=0.4每盞燈每天使用0.4度電，每個學校每天的用電量是4000度電，按每度電0.6元計算每天學校只是照明用電花費就已經(jīng)達到了2400元，全年除去節(jié)假日照明用電的電費大概在50萬元左右，如果每盞燈每天浪費兩個小時，全年電費就要多浪費10萬元。電費還是其次，最主要的是我們造成了巨大的能源浪費。這僅僅只是一所學校的情況全國有那么多的大學，可想而知浪費是有多么的恐怖。在每次教室停電時大家都是怨聲載道，想想我們所浪費的能源是有多么的可惜。二、控制系統(tǒng)設(shè)計（一）主要設(shè)計目標設(shè)計并制作一個教室智能照明控制系統(tǒng)，通過光電傳感器來對教室里面的自然光線，通過紅外傳感器來檢測教室里面各區(qū)域的人員分布。利用PLC控制系統(tǒng)來進行總體的控制，根據(jù)時間段來進行對應(yīng)的系統(tǒng)控制。系統(tǒng)控制主要包括：1.自然光檢測電路，對照明現(xiàn)場的亮度進行檢測，如果現(xiàn)場亮度符合照明要求，系統(tǒng)應(yīng)關(guān)閉照明設(shè)備；2.人體紅外檢測電路，當照明現(xiàn)場亮度不符合照明要求且有人經(jīng)過時，系統(tǒng)啟動照明設(shè)備；3.按照不同時間段來進行對應(yīng)的照明控制，例如：正常上課時間，晚自習時間以及晚上的睡覺時間。（二）系統(tǒng)功能分析目前市面上的絕大部分控制系統(tǒng)絕大部分都是采用的數(shù)字化的形式去進行管理的，它主要是由系統(tǒng)單元、輸入單元以及輸出單元三個部分所組成。每一個單元他都有著固定而且唯一的單元地址。它的功能需要利用軟件來進行設(shè)計，當然這里面不包括電源設(shè)備，單元是不需要進行功能設(shè)計的。系統(tǒng)單元輸入單元以及輸出單元這三個大部分。這三個單元的主要功能是通過數(shù)字化的形式對整個教室照明系統(tǒng)進行智能化的控制。每一個單元的工作方式都是不一樣的。以下就對整個三個單元的工作方式進行介紹：第1個系統(tǒng)單元，照明控制系統(tǒng)的主系統(tǒng)對各區(qū)域進行同級和同時的數(shù)據(jù)采集。再進行統(tǒng)一的處理而子系統(tǒng)則負責各個區(qū)域，主系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間需要實現(xiàn)連接這樣才能保證整個采集數(shù)據(jù)過程的及時性。第2個是輸入單元，輸入單元的主要設(shè)備是光敏傳感器以及紅外感應(yīng)器這兩個。首先是光敏傳感器來感知外界的光照程度與此同時紅外傳感器同時檢測區(qū)域內(nèi)是否有人在。這兩個傳感器是同時進行工作的，在工作的時候不分先后順序。這兩個傳感器將收集到的信號傳輸?shù)絇LC當中去進行處理這就是輸入單元功能。第3個輸出單元，輸出單元再接收到PLC經(jīng)過處理過后的數(shù)據(jù)以后，將其輸出到對應(yīng)的終端設(shè)備當中，以完成對整個系統(tǒng)的控制。輸出單元一般情況下會有各種形式的繼電器。本文所設(shè)計的這種輸出是通過燈光來進行輸出的。但是有一些其他的控制系統(tǒng)當中。也會有對應(yīng)的其他的一些終端設(shè)備來接收輸出單元輸出的信號進行工作。以上三個就是整個系統(tǒng)的功能組成。通過我們的設(shè)計校園教室智能照明控制系統(tǒng)會有以下的一些優(yōu)點，首先第1個是它的節(jié)能效果很好。通過這種方式能夠精確地控制教師照明用電可以最大程度地避免造成電能的浪費；科學的使用照明系統(tǒng)再加上智能控制能夠極大地彌補校園在照明用電上的浪費。整體的節(jié)能效果可以達到30%甚至更多。第2點是由于采用了智能控制的系統(tǒng)，極大地延長了燈具的使用壽命，燈具的使用壽命延長不僅能節(jié)約了學校在照明系統(tǒng)上的投入同時側(cè)面的也反映出其對節(jié)約所作出的貢獻。（三）控制系統(tǒng)分析在對整個智能照明控制系統(tǒng)進行設(shè)計之前，我們需要對教師照明系統(tǒng)的需求進行充分的分析。首先要考慮到整個不同教室的學生的作息時間是否一致以及學校是否有一些特殊的安排。其次是教室那么大是不是每次都必須打開所有的燈光。這些都是我們在設(shè)計整個照明控制系統(tǒng)時所要關(guān)注的問題。針對整個系統(tǒng)的具體控制而言我們需要從以下的幾個方面去進行設(shè)計：（1）由于大學不像初中和高中，大學的課程相較而言較為自由，每個班級都不是固定在一個教室上課的所以在設(shè)計照明系統(tǒng)的時候要考慮整體利用的問題。根據(jù)實際情況添加每個學校的使用時間。（2）學校有周末、假期以及其他的一些作息時間這些因素我們在設(shè)計系統(tǒng)的時候也需要考慮進行去。（3）每個班級的學生不一樣，而教室的大小相對比較統(tǒng)一，所以是不是每次開燈都是需要全部打開，還是打開一部分燈光即可。（4）為了應(yīng)對一些特殊的情況我們不僅僅需要設(shè)計采用PLC進行控制的照明系統(tǒng)，而且還要設(shè)計傳統(tǒng)的手動控制開關(guān)，這樣方便我們來應(yīng)對可能出現(xiàn)的一些特殊情況?？傮w來說我們設(shè)計的教室智能照明控制系統(tǒng)，它的主要輸入?yún)?shù)是自然的光照強度和人體是否存在這兩組數(shù)據(jù)，另外需要手動控制和自動控制相互融合。（四）控制方案選擇隨著工業(yè)自動化發(fā)展趨勢的逐步改善和市場環(huán)境的轉(zhuǎn)變，確定了自動化技術(shù)的深入，廣泛的發(fā)展趨勢，并提高了相關(guān)技術(shù)的綜合性。智能照明技術(shù)發(fā)展迅速。智能照明技術(shù)也多種多樣，其設(shè)計方案也在不斷改進。針對智能照明控制設(shè)計了三種方案設(shè)計，并比較了所計劃方案的優(yōu)缺點。方案一：使用傳統(tǒng)的繼電器－交流接觸器電源電路自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案。由繼電器和交流接觸器組成的控制回路，其技術(shù)成熟而完善，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是該方案花費高昂，布線復雜，并且拓展靈活度低。方案二：基于單片機設(shè)計并執(zhí)行智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。選擇單片機設(shè)計作為主要的系統(tǒng)軟件來收集傳感器數(shù)據(jù)信息，并控制實際的操作機構(gòu)進行工作。該方案投入較低，布線簡單。但是由于單片順序執(zhí)行指令的工作原理，其編程相對復雜。且由于單片機通常內(nèi)部ROM較小，大多需要其他的外部拓展。方案三：基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計。PLC控制是根據(jù)繼電器－交流接觸器控制的發(fā)展趨勢而形成的。其投入適中，并且具有良好的拓展性和適應(yīng)性。在現(xiàn)階段，隨著PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用，PLC控制系統(tǒng)正在逐步取代繼電器－交流接觸器控制系統(tǒng)。上述三種方案的優(yōu)缺點如表所示。表1控制方案比對表方案投入硬件復雜度拓展性可靠性方案一較低極其復雜極低極低方案二較低相對復雜靈活相對較低方案三適中相對簡單非常靈活可靠在經(jīng)過比對之后，決定選擇了方案三的基于PLC的控制系統(tǒng)。此方案投入雖略高，但是擁有較高的可靠性，抗干擾性。并且硬件系統(tǒng)簡單，易于維護，不易故障。（五）控制方案設(shè)計在設(shè)計整個控制系統(tǒng)之前我們要預先設(shè)計一個控制對象這里我們需要滿足以上所提到的一些控制要求，所以選擇了一個較大的教室作為控制對象進行控制。一般的教室周圍都有窗戶。基本上都能接收到外界的光線，所以這里我們選擇1樓的教室用于控制系統(tǒng)設(shè)計，因為1樓大多數(shù)可能會有樹木遮擋會造成自然采光效果不好。這樣的選擇更加能夠體現(xiàn)我們控制系統(tǒng)設(shè)計作用。因為本文選擇的是較大的1樓教室，所以要考慮到幾種情況，一是教室比較大?？赡軙袑W生做不滿的情況，其次是處于1樓周圍可能會有樹木遮擋住自然光，導致教室內(nèi)光線不好。所以這里我們將教室分為5個區(qū)域。首先最上面的是講臺是，其次從左到右分別是一、二、三、四這四個區(qū)域。這樣我們在每個區(qū)域加裝紅外感應(yīng)器以及光敏三極管進行數(shù)據(jù)的收集。這樣能保證每個區(qū)域都可以單獨控制將節(jié)能效果做到最好。同時也能夠保證老師和學生們都能夠正常的工作或?qū)W習。我們需要在每個區(qū)域內(nèi)加裝紅外感應(yīng)器以及光敏傳感器。紅外感應(yīng)器一般可以安裝在屋頂或者說光源燈的旁邊。這樣就可以有效的探測到范圍之內(nèi)是否有學生存在，另外光敏傳感器最合適的安裝位置是在靠角落的位置，因為這樣能夠更好地判斷整個教室的光亮程度，進而判斷是否需要打開教室的照明系統(tǒng)。以下是教室區(qū)域分布圖。圖1教室區(qū)域分布圖（六）感應(yīng)器的選擇針對智能照明控制系統(tǒng)的感應(yīng)器主要有兩個方面的感應(yīng)器。第1個就是用來檢測光線強弱程度的感應(yīng)器。第2個就是用來檢測是否有人的紅外感應(yīng)器。這兩個感應(yīng)器是同時進行工作的互相不會產(chǎn)生干擾。紅外傳感器的發(fā)射機發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被紅外接收機接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當被探測目標侵入該警戒線時，紅外光束被部分或全部遮擋，此時接收機接收的信號就會發(fā)生變化，它經(jīng)放大與信號處理后，即控制發(fā)出報警信號。紅外的發(fā)射光源通常用紅外發(fā)光二極管，其特點是體積小、重量輕、壽命長、功耗小，交直流供電都能工作，晶體管、集成電路都能直接驅(qū)動。還有一些半導體激光器，如砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器等，也工作在紅外波段，因而也是一種主動紅外傳感器。主動紅外傳感器的光源通常采用脈沖調(diào)制的脈沖波形，其發(fā)射機采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源，使它產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形，去調(diào)制紅外二極管發(fā)光，以發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣，就降低了電源的功耗，提高了靈敏度，和系統(tǒng)抗雜散光的干擾能力。圖2紅外傳感器光電傳感器，是對外界光信號或光輻射由響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的敏感器件。傳感器利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，進而判斷光照強弱。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。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。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。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，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，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，也就是取決于光照強度。圖3光電傳感器三、件系統(tǒng)設(shè)計（一）輸入輸出點分配針對于PLC的輸入輸出接口分配，首先我們在選擇PLC的輸入輸出接口數(shù)量的時候，首先第1個考慮的因素就是控制系統(tǒng)，實際所需要的輸入輸出接口量，在滿足實際控制需求的輸入輸出接口數(shù)量之后，在此基礎(chǔ)之上還要額外增加10%~20%左右的預留量，這樣做的目的就是為了防止如果后期對控制系統(tǒng)有其他的額外需求，或者說有調(diào)整的時候預留出一部分量。不必為了調(diào)整一小部分功能而更換整個PLC；第2個就是在選擇輸入輸出口數(shù)量的時候，需要盡可能地考慮經(jīng)濟因素，不要預留太多接口，避免造成浪費。表2I/O分配表輸入信號輸入點輸出信號輸出點啟動按鈕I0.0講臺區(qū)域燈Q0.0停止按鈕I0.1區(qū)域1燈Q0.1投影開關(guān)I0.2區(qū)域2燈Q0.2光電感應(yīng)器1I0.3區(qū)域3燈Q0.3光電感應(yīng)器2I0.4區(qū)域4燈Q0.4光電感應(yīng)器3I0.5光電感應(yīng)器4I0.6光電感應(yīng)器5I0.7紅外感應(yīng)器1I1.0紅外感應(yīng)器2I1.1紅外感應(yīng)器3I1.2紅外感應(yīng)器4I1.3紅外感應(yīng)器5I1.4（二）系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計進行完輸入輸出端口分配后，對系統(tǒng)的整體控制流程進行設(shè)計，方便后續(xù)程序的編寫。系統(tǒng)控制流程圖如圖所示。圖4系統(tǒng)控制流程圖（三）PLC外部接線圖設(shè)計根據(jù)表5的輸入輸出分配進行PLC的外部接線設(shè)計，在設(shè)計之前要了解基本的電路接線原理，因為PLC的接線也是建立在傳統(tǒng)的電路原理之上的，如下就是PLC的外部接線圖。圖5PLC外圍接線圖（四）梯形圖程序設(shè)計在輸入輸出接口已經(jīng)分配完成過后，我們想要對整個控制系統(tǒng)進行控制，我們要設(shè)計PLC能夠運行的程序，本文在設(shè)計PLC能夠使用的程序時是采用的STEP7-MicroSMART編程軟件來進行編程的，本文的程序是采用梯形圖程序，當然除了梯形圖程序以外還有邏輯功能模塊圖，指令表等控制方式，在這里就不多一一的闡述。目前梯形圖控制程序，是在整個PLC控制當中使用的是最為廣泛的整個梯形圖控制程序，看起來非常的直觀，對于整個系統(tǒng)操作的體現(xiàn)也是非常形象的，以下就是具體梯形圖設(shè)計。在進行具體的控制流程設(shè)計時要先對系統(tǒng)的CPU進行選擇。以下就是本次設(shè)計的具體程序。網(wǎng)絡(luò)1：系統(tǒng)的啟動停止程序，I0.0是啟動、I0.1是停止。網(wǎng)絡(luò)2：當啟動開關(guān)I0.0閉合之后，T37開始計時，計時時間5分鐘。網(wǎng)絡(luò)3：計數(shù)程序，T37計時時間5分鐘后，C1計數(shù)1次，網(wǎng)絡(luò)4：C1大于0且小于144是表示在這個時間內(nèi)M0.1都是閉合的，這個時間代表的是早上6點到晚上6點共計12個小時。網(wǎng)絡(luò)5：C1大于144且小于216是表示這個時間之內(nèi)M0.2都是閉合的，這個時間是晚上6點到晚上12點，共計6個小時。網(wǎng)絡(luò)6：C1大于216且小于288是表示這個時間之內(nèi)M0.3都是閉合的，這個時間是晚上12點到早上6點，共計6個小時。網(wǎng)絡(luò)7：整體智能照明系統(tǒng)的聯(lián)合控制程序，可以同時根據(jù)實際情況控制所有區(qū)域的照明。網(wǎng)絡(luò)8：投影儀開關(guān)延時關(guān)閉講臺區(qū)域燈。圖6選擇CPU型號圖7網(wǎng)絡(luò)1圖8網(wǎng)絡(luò)2圖9網(wǎng)絡(luò)3圖10網(wǎng)絡(luò)4、5、6圖11網(wǎng)絡(luò)7圖12網(wǎng)絡(luò)8四、系統(tǒng)仿真（一）開始仿真在正式開始仿真的時候，首先要選擇對應(yīng)的CPU，本設(shè)計所采用的CPU是224型號的。在程序裝載完成之后，首先是要點擊運行按鈕，此時我們在把I0.0接通，系統(tǒng)就開始正常進行工作了。這時我們可以看出系統(tǒng)還是處于剛剛接通的狀態(tài)，其中綠色部分的數(shù)字代表著輸入點分別是0對應(yīng)著I0.0，1對應(yīng)著I0.1，以此類推。輸出部分包括主要的燈光照明系統(tǒng)。是需要在輸入端有對應(yīng)的動作才可以使得它能夠正常的輸出。仿真時為了節(jié)省時間，對時間設(shè)定進行了一定程度的調(diào)整，這不會影響實際工作狀態(tài)。這時候當I0.0處于接通狀態(tài)時系統(tǒng)開始工作，具體如下圖所示：圖13系統(tǒng)開機1.此時如果教室有人打開投影儀，系統(tǒng)開始計時，一分鐘之后講臺區(qū)域燈關(guān)閉，如圖所示。圖14投影區(qū)域延時控制開關(guān)2.白天6：00-18：00（仿真數(shù)為0-12）教室有人，且光照充足，此時應(yīng)不亮燈，仿真圖如下：圖15白天采光良好3.白天6：00-18：00（仿真數(shù)為0-12）教室有人，光照不足，此時應(yīng)根據(jù)人數(shù)探測結(jié)果，區(qū)域性開燈。仿真圖如下：圖16白天采光不好4.晚上晚自習時間，18：00-24：00（仿真數(shù)為12-18），此時秩序教室有人就會亮燈。圖17晚自習時間5.深夜時分0：00-6：00（次日），仿真數(shù)為18-24，此時教室不會亮燈。仿真結(jié)果如圖所示。圖18深夜時分（二）結(jié)果分析本次設(shè)計的教室智能照明控制系統(tǒng)主要是有三個時間段，分別是：6：00-18：00；18：00-24：00；0：00-6：00（次日）這三個時間段，通過前文的程序仿真以及實際的使用來進行分析看。這種控制方式基本能夠滿足系統(tǒng)的實際控制要求以及教室照明的實際使用需求。系統(tǒng)的整體程序一切運行正常，基本能夠滿足教室智能照明控制的需求。結(jié)束語本次畢業(yè)采用的是PLC控制器進行設(shè)計的，通過PLC控制整個教室照明系統(tǒng)使其能夠達到節(jié)能的作用。通過本次設(shè)計讓我深刻地體會到了一個完整的控制系統(tǒng)需要多個單元相配合，如果某一方面出現(xiàn)問題，則會導致整個系統(tǒng)無法實現(xiàn)既定的功能。本次照明系統(tǒng)實現(xiàn)了對教室照明進行智能控制的目的，可以有效地節(jié)省電費開支。并且，合理的進行開關(guān)控制，可以有效地延長燈具使用壽命。這會帶來不小的的效益，所以說雖然一個教室節(jié)約的電能不多，但是整體加起來還是非常的可觀的?？?/p>