《plc在智能家居中的應用研究》6000字（論文）

plc在智能家居中的應用研究目錄TOC\o"1-2"\h\u357plc在智能家居中的應用研究 113312引言 1307321智能家居系統(tǒng)的主要組成部分 1195211.1智能家居布線系統(tǒng) 248011.2家具的安防和自動化系統(tǒng) 2187742PLC及其功能 2197192.1PLC 2149992.2PLC的功能 4315333系統(tǒng)實現(xiàn) 510323.1硬件設計 557153.2軟件系統(tǒng)設計 8293863.3系統(tǒng)調(diào)試

1055194結語 1028205參考文獻 11摘要：隨著社會的不斷發(fā)展，人們不斷追求更舒適、高效、安全的高品質生活。采用PLC的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC對家居智能終端的自動控制、家居環(huán)境監(jiān)測以及遠程預警報告等功能使自動控制系統(tǒng)的運行具有更高的可靠性，并極大地改善人們的家居生活[1]。本文從職能家居系統(tǒng)構成部分出發(fā)，分析了plc在防盜報警、智能溫度、燈光等方面具有較高的應用價值，最后提出了一種基于PLC技術的浴缸水溫控制系統(tǒng)設計方案，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計思路。關鍵詞：plc；智能家居；控制系統(tǒng)引言近年來，隨著社會的不斷發(fā)展與進步，智能家居系統(tǒng)發(fā)展迅猛。智能家居理念的提出，滿足了人們?nèi)粘Ｉ钏?，并且依托于PLC技術構建智能家居系統(tǒng)，對于實現(xiàn)遠程操控的應用目標有著積極的促進意義。1智能家居系統(tǒng)的主要組成部分智能家居系統(tǒng)的基本原理如圖1所示:圖1智能家居系統(tǒng)的基本原理1.1智能家居布線系統(tǒng)智能家居布線系統(tǒng)是實現(xiàn)智能家居相關功能的基礎，為此在建設初期需要對家居內(nèi)部結構進行統(tǒng)一布局和規(guī)劃，對有線電視、電腦網(wǎng)絡、影音系統(tǒng)、家庭自動化控制系統(tǒng)、電話等布線進行集中管理，建立起綜合性的布線模式，實現(xiàn)自動化控制的整體效果[2]。通過合理的系統(tǒng)布線，在家庭內(nèi)部能夠實現(xiàn)資源共享，完成共享寬帶、多臺電腦共同聯(lián)網(wǎng)、電話任意轉接等功能，以此來實現(xiàn)布線系統(tǒng)的整體擴展性和可升級性，滿足用戶的實際需求。1.2家具的安防和自動化系統(tǒng)為保證家居內(nèi)部的安全，需要設計科學的安防系統(tǒng)，用戶可以利用網(wǎng)絡隨時監(jiān)控家居內(nèi)部情況，安防系統(tǒng)主要的功能應當包括防火、防燃氣泄漏、防盜等。通過家居自動化系統(tǒng)能夠實現(xiàn)照明、家電等自動化控制。自動化控制主要的模式為分布式控制和集中控制，該系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)主要的發(fā)展方向。另外，隨著人們對個人生活水平的要求提高，家庭體驗系統(tǒng)逐漸成為了消費的熱點，智能影音系統(tǒng)以及網(wǎng)絡虛擬環(huán)境均會對智能家居的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。2PLC及其功能2.1PLC可編程邏輯控制器PLC(ProgrammableLogicController)是一種以微處理器為核心，專門為工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)所研究和設計的電子設備[3]。PLC的本質就是用于工業(yè)控制的計算機，通過可編程的存儲器實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)相應的邏輯運算、定時控制以及算術操作等面向技術人員的命令，可編程邏輯控制器是整個工業(yè)控制中的重要部分。PLC從結構上可以分為兩種:整體式和結構式。其中，對于整體式的PLC，所有的系統(tǒng)組件均被分裝在同一個機箱內(nèi)，其系統(tǒng)架構如圖2所示。而對于結構式的PLC，系統(tǒng)所包含的各個組件被單獨封裝在一個模塊中，各模塊之間的通信由連接的數(shù)據(jù)服務總線來完成，組成結構如圖3所示。圖2整體式PLC結構圖3結構式PLC結構整體式PLC和結構式PLC雖然在系統(tǒng)結構上有所差異，但對于兩種結構中的各組件而言，其在系統(tǒng)中所起到的作用卻是完全一致的。(1)中央處理單元(CPU)。與普通的計算機相同，中央處理單元是PLC的關鍵部分，是PLC的“大腦”。通常根據(jù)PLC的機型不同，所采用的CPU也有所差異，經(jīng)常用到的CPU主要有:位片式微處理器、通用微處理器以及單片微處理器3種。其中，8位通用和單片微處理器主要用于工業(yè)中的小型PLC，且通常只包含其中一種；16位通用和單片的微處理器則主要用于工業(yè)控制中的中型PLC，有時在中型PLC中會采用雙CPU的結構來滿足實際需要;而位片式微處理器則被用于大型PLC中，該片式處理器中的位處理器通過位操作的方式實現(xiàn)PLC編程語言向機器語言的變換，能夠大幅增強PLC系統(tǒng)的運行速度。為了滿足需要，在大型PLC中通常會采用多CPU的結構。(2)存儲器。RAM存儲器可以對任意存儲單元進行讀或者寫的操作，但在斷電時不會保存數(shù)據(jù)；ROM存儲器相較RAM而言，讀取速度較慢且不能改寫，但在斷電時不會丟失數(shù)據(jù)，主要用于存放固定的系統(tǒng)軟件等。在PLC中，系統(tǒng)程序一般由生產(chǎn)廠家提供，不允許用戶的操作和修改，通常存放在ROM中。而對于用戶程序而言，需要根據(jù)實際的需求不斷調(diào)整和修改程序，所以將用戶程序放在RAM中，并配備電源系統(tǒng)以保證數(shù)據(jù)信息不會丟失[4]。2.2PLC的功能2.2.1防盜報警系統(tǒng)通過PLC設計出的智能防盜系統(tǒng)，采用密碼鎖,具有入室防盜的作用，增加了門鎖的安全性及可靠性;還具有監(jiān)視和保護的作用,一旦陌生人靠近房屋,系統(tǒng)就會啟動報警裝置,可在報警信號傳入處理器前實施處理措施，處理器要能結合收到的報警信號把預存的相應報警信息以短信形式發(fā)送到用戶手機上[5]。2.2.2智能窗簾控制系統(tǒng)通過PLC設計出的智能窗簾控制系統(tǒng)，通過遙控器可以控制窗簾電機，方便人們對窗簾的控制。當需要打開窗簾時，按開窗開關電機反轉，電機轉動時通過傳動裝置帶動窗簾打開，當需要關閉窗簾時，按下按鈕，電機轉動通過傳動裝置帶動窗簾關閉。2.2.3智能燈光控制系統(tǒng)通過應用光電傳感器和PLC可編程序控制器相結合，傳感器可以不斷檢測周圍環(huán)境的照度水平，可以探測到某個區(qū)域是否有人移動，以及輸入人們的控制指令，并把相應的信號傳送給PLC。當控制電路的電壓產(chǎn)生變化，燈光會自然變化；在亮度小于PLC設定值時，燈會自動亮起；當房間內(nèi)長時間無人移動時，人體紅外探測器會延時動作切斷電源，關閉燈光，以實現(xiàn)智能照明，智能燈光的實現(xiàn)是通過面板手動控制或遙控器的控制，對家庭中的所有燈進行控制，達到一鍵開關的效果。2.2.4智能溫度控制系統(tǒng)通過PLC設計出的智能溫度系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的重要構成，這一系統(tǒng)能夠通過對空氣進行自動處理，實現(xiàn)空氣標準的自動化調(diào)節(jié)，從而使我們生活在最佳的舒適度范圍內(nèi)。當PLC如果檢測到的溫度信息與設定值進行比較，如果檢測信號高于設定值，則啟動制冷系統(tǒng)，降低環(huán)境溫度；同理，如果檢測信號低于設定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達到控制溫度的目的[6]。智能溫度系統(tǒng)可以使室內(nèi)不至于出現(xiàn)忽冷忽熱的情況,還極大地減少了人工操作。3系統(tǒng)實現(xiàn)設計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變。利用單片機AT89C51實現(xiàn)水溫的智能控制，使水溫能夠在40-90度之間實現(xiàn)控制溫度調(diào)節(jié)。利用儀器讀出水溫，并在此基礎上將水溫調(diào)節(jié)到我們通過鍵盤輸入的溫度（其方式是加熱或降溫），而且能夠將溫度顯示在七段發(fā)光二極管板上。3.1硬件設計3.1.1控制要求（1）PLC型號選擇

本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7—200PLC。S7-200

是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。

（2）硬件選擇

S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226型號，

CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O

點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O

點或35路模擬量I/O

點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)[7]。

（3）S7-200

PLC的PID功能指令

PID循環(huán)（PID）指令根據(jù)表格(TBL)中輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID循環(huán)計算。

提供PID循環(huán)指令（成比例、整數(shù)、導出循環(huán)）進行PID計算。邏輯堆棧（TOS）頂值必須是“打開”（功率流）狀態(tài)，才能啟用PID計算。本指令有兩個操作數(shù)：表示循環(huán)表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循環(huán)”號碼。

循環(huán)表存儲九個參數(shù)，用于控制和監(jiān)控循環(huán)運算，包括程序變量、設置點、輸出、增益、樣本時間、整數(shù)時間（重設）、導出時間（速率）以及整數(shù)和（偏差）的當前值及先前值。

如果循環(huán)表起始地址或指令中指定的PID循環(huán)號碼操作數(shù)超出范圍，CPU編譯器將生成一則錯誤（范圍錯誤），編譯將會失敗。PID指令不對某些循環(huán)表輸入值進行范圍檢查。您必須保證程序變量和設置點（以及作為輸入的偏差和先前程序變量）是0.0和1.0之間的實數(shù)。如果進行PID計算的數(shù)學運算時遇到錯誤，將設置SM1.1（溢出或非法數(shù)值）并終止PID指令的執(zhí)行[7]。

本系統(tǒng)的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統(tǒng)初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入并控制電加熱爐的正常運行。主程序流程圖如圖4：圖4主程序流程圖3.1.2系統(tǒng)子模塊設計

（1）溫度采集電路

溫度采集電路溫度采集采用溫度傳感器DS18B20，它可以采集溫度數(shù)據(jù)，然后溫度數(shù)據(jù)直接進行A/D轉換，可以直觀且實時的檢測當時的周圍環(huán)境溫度。DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。DSl8B20的測量范圍從-55℃到125℃，誤差為0.5℃，工作電壓則是在3-5V，自己設定的溫度存儲在芯片的內(nèi)部即EEPROM中。它有著3個引腳，當我們的設計使用的是外部電源給系統(tǒng)供電時，VCC腳接電源，GND腳接地，DQ腳作為信號端接單片機的P3.4

I/O口。在VCC腳和DQ腳之間我們還需要接1個阻值約莫為4.7K的上拉電阻R16，用來使我們的總線在不使用的時候也能保持高電平。溫度傳感器DS18B20將自身采集到的溫度信號轉換為數(shù)字信號存儲起來，通過I/O口傳送給單片機，單片機從而控制程序驅動LCD12864顯示溫度，控制整個系統(tǒng)[8]。溫度采集電路原理圖如圖5所示：圖5溫度采集電路圖（2）水溫控制電路

本設計采用電動控制門閥來控制水的流量以達到溫度控制的功能，它采用的原理主要是熱平衡原理。假設熱水為T1，冷水為T2，混合水的溫度為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熱水*T1+M冷水*T2）/（M冷水+M熱水），令A=M熱水/M冷水

則T3為（AT1+T2）/(1+A)，可以得出這是以A的遞增函數(shù)，這樣子當實際溫度小于設定溫度值時，可以控制2個電動調(diào)節(jié)門閥使得A增大，使得溫度逐步達到所需要的值。

（3）單片機最小系統(tǒng)

時鐘電路是用于產(chǎn)生STC89C52單片機正常工作所需的時鐘控制信號。它的產(chǎn)生來自于兩種電路形式，內(nèi)部振蕩方式與外部振蕩方式。在引腳ATXL1和ATXL2外接晶振就構成了內(nèi)部振蕩方式。單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，外接晶振以后，構成了自振振蕩器來產(chǎn)生時針脈沖，內(nèi)部振蕩信號相對穩(wěn)定，多數(shù)電路設計均采用。本設計也是采用內(nèi)部振蕩的方式。在單片機最小系統(tǒng)圖6所示，圖中C6與C7起著穩(wěn)定振蕩頻率與快速起振的作用，電容值是30pF，晶振頻率為12MHZ，內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘復位操作可以使單片機的片內(nèi)初始化，以一種確定的初始狀態(tài)開始運行[9]。

復位即是單片機初始化，當AT89S52單片機的復位引腳RST出現(xiàn)2個機器周期以上的的高電平，就會自動執(zhí)行復位操作。單片機復位有多種形式如片內(nèi)復位，上電復位，按鈕電平復位和按鈕脈沖復位。本次設計采用電或開關復位，能實現(xiàn)的是電源接通以后自動復位，而且能夠在單片機運行的時候，按下開關可以達到單片機復位的效果。圖6最小系統(tǒng)圖3.2軟件系統(tǒng)設計3.2.1主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件部分主要是由主程序流程圖，鍵盤掃描流程圖，水位溫度控制流程圖，LCD顯示處理流程圖。當通電時，主程序啟動，初始化液晶顯示器即對液晶顯示器設置并口方式，基本指令操作，顯示開或關光標，然后清除LCD顯示內(nèi)容，接著溫度及溫度下限和工作狀態(tài)，通過鍵盤掃描子程序，設定溫度的下限值，經(jīng)過顯示處理得出系統(tǒng)工作位flag的值，當設定的溫度在35℃到45℃之間時，flag=1，當設定的溫度不在35℃到45℃之間，flag=0。經(jīng)過系統(tǒng)工作位flag值的判斷，當flag=0時，溫度控制恢復至初始狀態(tài)，然后跳轉到LCD顯示處繼續(xù)循環(huán)，當flag=1時，執(zhí)行溫度控制子程序來控制溫度和水位，然后也跳回到LCD顯示處繼續(xù)循環(huán)[10]。主程序流程圖如下圖7所示：圖7主程序流程圖3.2.2水位溫度控制流程圖

本程序主要將水位和水溫控制在一個范圍內(nèi)，在水位未達到水位下限時，語音提示加水，冷熱水混加，保證有足夠的水，可以用來洗浴。在水位處在水位上限和下限之間時，溫度高于溫度上限時，則加入冷水，直至溫度上限。溫度低于溫度下限時，則加入熱水，直至溫度不低于溫度上限。溫度處于溫度上下限之間時，溫度就適用于洗浴了。水位高于水位上限時，語音提示排水，進行排水處理。溫度控制的流程圖如下8所示：圖8水位溫度控制流程圖3.2.3溫度采集電路流程圖

DS18B20溫度傳感器的每一次命令和數(shù)據(jù)傳輸都是從寫時序開始，數(shù)據(jù)傳送給單片機時，需要啟動讀時序來接收數(shù)據(jù)，每一次的讀時序和寫時序都需要60μs，在獨立的讀和寫時序之間最少需要1μs的恢復時間。它的寫和讀時序都有0時序和1時序。在寫時序的0時序時，單總線被最少拉低60μs，保證它能夠在15μs-45μs，可以正確的采樣。在寫時序的1時序，單總線拉低，在15μs內(nèi)釋放。在讀時序的0時序，總線的狀態(tài)是低電平，讀時序的1時序，總線則是高電平，要保持15μs的采樣總線。溫度采集電路流程圖如下圖9所示：圖9溫度采集電路流程圖3.3系統(tǒng)調(diào)試

首先進行了系統(tǒng)硬件的看設計調(diào)試，在硬件焊接完成以后，檢查了每個元器件的引腳，檢查有沒有虛焊或者是短路，查看電路的設計有沒有問題，如沒有問題，則進行上電測試，按照系統(tǒng)方案設計的模塊進行測試，看看有無元器件過熱現(xiàn)象，如果元器件部分沒有問題，便進行其他功能的測試。硬件調(diào)試沒有問題后，進行軟件調(diào)試，首先檢查LCD12864液晶顯示屏，看上電后是否正常顯示字符。其次，檢查存儲模塊是否能讀寫信息。再次，調(diào)試單片機與數(shù)模轉換模塊。最后將寫好的程序導入AT89S52單片機中，接上+5V電源然后開始調(diào)試，首先進行顯示檢查，查看LCD12864是否能正常顯示，然后開始設定溫度下限，觀察是否溫度設定被限定在35℃到45℃，高于45℃或者低于35℃顯示溫度異常，返回重新設置，設定完成之后，紅燈藍燈一起亮，表示冷熱水混加，在達到P3.3時

開始比較溫度，溫度低于設定溫度時，紅燈亮，表示開始加熱水，溫度高于設定溫度時，藍燈亮表示加冷水，達到P3.2時，黃燈亮5秒表示排水5秒。一切無誤之后，就說明整體調(diào)試成功。4結語智能家居PLC控制系統(tǒng)可以自動控制家居終端設備，住宅內(nèi)各種與信息相關的家居終端、各類傳感器、報警裝置整合到一起，保持家庭設備與環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，為人們提供生活、工作、學習和娛樂的各種智能服務，營建一個舒適安全的家庭環(huán)境。本文基于PLC設計了家用浴缸水溫的控制系統(tǒng)，使之快速，穩(wěn)定，精準的達到要求的溫度在硬件方面主要用到溫度控制單元、計算機和S7-200PLC；而軟件方面則通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件對PLC的PID指令進行操作，具有較高的應用價值。參考文獻[1]黃麗麗.物聯(lián)網(wǎng)技術在智能家居