基于PLC的智能室內(nèi)節(jié)能燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) *

余長偉，孫春虎，劉子杰，王 飛，朱 茵

(巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

當(dāng)前，室內(nèi)直流LED燈已得到廣泛應(yīng)用，它不僅美觀、可靠，而且較傳統(tǒng)交流燈能顯著的降低功耗。但是，當(dāng)前的直流LED燈，也存在明顯的缺點(diǎn)[1]。

(1) 當(dāng)夜晚房間有人點(diǎn)亮?xí)r，燈亮度不可調(diào)節(jié)，無法提供不同的亮度氛圍。

(2) 當(dāng)夜晚房間長時(shí)間無人時(shí)，燈仍以很高的亮度點(diǎn)亮，浪費(fèi)電能。

針對(duì)室內(nèi)直流LED燈以上兩點(diǎn)的不足，基于三菱PLC，設(shè)計(jì)了一種智能節(jié)能燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以設(shè)置光照強(qiáng)度、有人時(shí)燈光亮度和無人時(shí)燈光亮度，既能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)有人時(shí)的燈光亮度調(diào)節(jié)控制，以滿足不同的亮度氛圍需求，又能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無人時(shí)的燈光亮度調(diào)節(jié)控制，以降低燈光亮度，達(dá)到節(jié)能的效果。

1 控制原理

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由觸摸屏、光敏電阻采樣電路、三菱PLC、5V LED燈和光電開關(guān)組成。

光敏電阻采樣電路的采樣電壓送到PLC的A/D采樣口；觸摸屏與PLC進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)進(jìn)行顯示和控制；光電開關(guān)用于檢測(cè)室內(nèi)是否有人，接PLC的X輸入口；5V LED燈用于模擬室內(nèi)直流LED燈，受PLC的PWM輸出口控制。

PLC的PWM輸出口可輸出幅值為5 V、占空比為0%～100%的矩形波，根據(jù)Buck電路斬波原理[2]，可得，該端口可以輸出0～5 V的電壓信號(hào)，相當(dāng)于1路D/A通道輸出端口。只要控制矩形波的占空比，就可控制輸出電壓，從而讓5V LED燈呈現(xiàn)不同的亮度。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。由于光敏電阻輸出的是電阻信號(hào)，因此需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。而當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值變小；當(dāng)光照減弱時(shí)，光敏電阻的阻值變大，因此，應(yīng)當(dāng)采樣電阻R0兩端電壓。這樣當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，采樣電壓變大；當(dāng)光照減弱時(shí)，采樣電壓變小，兩者滿足線性的正比例關(guān)系，方便系統(tǒng)處理，同時(shí)符合實(shí)際情況[3]。

如圖2，光敏電阻和電阻R0串聯(lián)在5V電壓源上，電阻R0兩端的電壓作為采樣的電壓信號(hào)送到PLC的AD0、GND口；觸摸屏與PLC采用RS232總線通信；PLC的PWM、GND口控制5伏LED燈的亮度；光電開關(guān)的黑線為信號(hào)線、藍(lán)線和棕線為電源線(24 V供電)，信號(hào)線接到PLC的X0口，用于檢測(cè)室內(nèi)是否有人；24 V開關(guān)電源電路用于提供24 V直流電壓，給觸摸屏和三菱PLC供電。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路

AD0通道采樣的電壓信號(hào)，經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字量存儲(chǔ)在PLC數(shù)據(jù)寄存器D8030中。采樣的電壓信號(hào)范圍為0～10 V，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的數(shù)字量范圍為0～4095，PLC讀取D8030值就可以對(duì)采樣電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

PLC的PWM端口可輸出幅值為5 V、頻率為1 kHz、占空比可調(diào)的矩形波信號(hào)，占空比設(shè)置存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器D8033中，設(shè)定值范圍為0～1 000[4]。例如，設(shè)為100時(shí)，表示設(shè)置的占空比為10%，那么輸出電壓將為0.5 V，同理，設(shè)為900時(shí)，表示設(shè)置的占空比為90%，那么輸出電壓將為4.5 V。

3 PLC程序和觸摸屏程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制原理，并在硬件電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的PLC流程圖如圖3所示。

圖3 PLC程序控制流程圖

如圖3，當(dāng)外界光照強(qiáng)度大于等于PLC觸摸屏設(shè)置的光照強(qiáng)度時(shí)，PLC復(fù)位M10和D8033，5V LED燈熄滅；當(dāng)外界光照強(qiáng)度小于PLC觸摸屏設(shè)置的光照強(qiáng)度時(shí)，PLC置位M10，此時(shí)若室內(nèi)有人，PLC將有人時(shí)的燈光亮度值D4送到D8033中，若此時(shí)室內(nèi)無人，PLC將無人時(shí)的燈光亮度值D12送到D8033中；D4值和D12值均可改變，從而可以靈活控制5V LED燈的燈光亮度[5]。

這一創(chuàng)新方法是目前正在法國各地推廣的許多做法之一，它們可以幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的國家目標(biāo)。2008年，法國政府宣布了農(nóng)業(yè)政策的一項(xiàng)重大轉(zhuǎn)變，呼吁將農(nóng)藥使用量減半，政府希望在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。沒有任何擁有如此龐大和多樣化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的國家嘗試過如此雄心勃勃的計(jì)劃。這個(gè)目標(biāo)“非常具有革命性”，特別是因?yàn)榉▏菤W洲第二大殺蟲劑消費(fèi)國，布魯塞爾減少農(nóng)藥使用行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的亨麗特·克里斯里坦森（Henriette Christensen）說道。

3.2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏程序畫面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 觸摸屏程序畫面

由圖4可看出：觸摸屏可以對(duì)室內(nèi)節(jié)能燈控制系統(tǒng)的光照強(qiáng)度閾值進(jìn)行設(shè)置，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器D0中，大于閾值時(shí)，LED燈熄滅，小于閾值時(shí)，LED燈點(diǎn)亮；也可以對(duì)有人時(shí)的燈光亮度進(jìn)行設(shè)置，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器D2中；還可以對(duì)無人時(shí)的燈光亮度進(jìn)行設(shè)置，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器D8中[6]。

4 實(shí) 驗(yàn)

在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，搭建了室內(nèi)節(jié)能燈控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并分別進(jìn)行了外界光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)實(shí)驗(yàn)、外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)有人時(shí)實(shí)驗(yàn)和外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)無人時(shí)實(shí)驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)總圖

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)總圖如圖5所示。系統(tǒng)包括：光電開關(guān)、PLC工控板板、24 V開關(guān)電源、觸摸屏、光敏電阻采樣電路、5 V LED燈、5 V電源、編程計(jì)算機(jī)。

4.2 外界光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)實(shí)驗(yàn)

圖6為外界光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出：當(dāng)外界光照強(qiáng)度大于PLC觸摸屏設(shè)置的光照強(qiáng)度閾值時(shí)，5 V LED燈不點(diǎn)亮，處于熄滅狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)總圖 圖6 外界光照強(qiáng)度高時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)有人時(shí)實(shí)驗(yàn)

圖7為外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)有人、燈光亮度設(shè)置為90%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出：此時(shí)，5V LED燈以很亮的亮度點(diǎn)亮。

圖8為外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)有人、燈光亮度設(shè)置為20%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出：此時(shí)，5V LED燈以較暗的亮度點(diǎn)亮。

圖7 設(shè)置值為90%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖8 設(shè)置值為20%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4 外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)無人時(shí)實(shí)驗(yàn)

圖9為外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)無人、燈光亮度設(shè)置為80%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出：此時(shí)，5V LED燈以較亮的亮度點(diǎn)亮。

圖10為外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)無人、燈光亮度設(shè)置為10%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出：此時(shí)，5V LED燈以很暗的亮度點(diǎn)亮。

圖9 設(shè)置值為80%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖10 設(shè)置值為10%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖9、圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)外界光照強(qiáng)度弱、室內(nèi)無人時(shí)，使用者同樣可以對(duì)5V LED燈的點(diǎn)亮亮度進(jìn)行靈活控制。當(dāng)設(shè)置的燈光亮度值較低時(shí)，耗電量較小，即可達(dá)到室內(nèi)無人時(shí)的節(jié)能控制效果。

5 結(jié) 語

基于觸摸屏和三菱PLC，對(duì)一種智能室內(nèi)節(jié)能燈控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)。較傳統(tǒng)LED燈控制系統(tǒng)，不僅能提供不同的亮度使用氛圍，同時(shí)還能達(dá)到室內(nèi)無人時(shí)的節(jié)能控制效果，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。