教室智能控制系统设计毕业设计.docx
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教室智能控制系统设计毕业设计
浙江工业职业技术学院
毕业论文
（2012届）
教室智能控制系统设计
学生姓名
学号
分院电气工程分院
专业电气自动化技术
指导教师
完成日期2012年04月25日
教室智能控制系统设计
摘要加强高校节电管理，特别是照明节电不仅可以有效地节约用电、降低学校的经费开支,更重要的是通过学校的示范表率作用，提高学生乃至全社会的节电意识，实现节约能源、保护环境的目的。
为了更好地适应现代化教学的发展，学校的基本建设也应该顺应时代发展，与建筑智能化有机的结合起来，从而提高学校的管理水平和社会地位。
本系统从PLC控制，并将室内分成若干个区域,采用热释电红外探测器与声响探测器相结合的方法，对移动和静止的人体红外信号都能探测，实现了教学楼照明网络化智能监控及智能控制。
既减少了人工的参与，又达到了节能的目的.
关键词节能智能控制PLC
引言
目前，国内外照明自动控制装置基本上采用被动的人体感应探测、可见光探测、热释电红外探测、声音探测等方法.但都存在一定的不足.有的自动控制系统虽然有主动探测器，但没有和被动探测器相结合，使得主动探测器在无人情况下也一直工作;而且此类系统没有实现网络化,不能对全部教室进行集中管理。
扬州大学、山东大学、华东理工大学等许多高校的实践，到到了非常令人满意的节电效果，教室照明节电率高达40％。
实现了白天室内照度达标灯不开;室内无人灯自灭。
在室内照度不达标需要开启照明时，可根据学生坐落的位置自动开启相对应的照明，实现了高校教室照明终端的无人化自动控制管弹。
真正杜绝了高校教室照明的浪费现象。
其中较突出的是智能照明控制系统AISAC—1000，它所涉及的技术综合了自动控制、网络通信、现场总线、嵌入式软件、照明技术等多方面的知识，需要系统地考虑整个智能照明系统的总体结构、主要性能和关键技术，吸收国外同类系统的优点，并结合中国市场的实际情况，开发出一种技术水平高、性能稳定可靠、成本较低、适用于学校的智能照明系统。
第一章教室智能控制系统设计
1.1教室智能控制系统设计背景介绍
随着我国教育事业的发展,学校照明用电量越来越大，电能损失也随之增加.现在大多数教室的照明控制系统都是采用传统的手动（开和关两种）控制方式,浪费现象比较严重。
教室中的开关虽然能够实现分区控制，但是很少有人去关心哪排灯由那个开关去控制，因此就出现了所谓的长明灯现象。
这样长期以来，无形中浪费的电能是非常惊人的。
针对这种情况，本文设计出了一种用PLC作为控制器的节能、智能控制系统。
使整个系统处于自动的工作状态,实现对教室照明系统的智能控制.一方面减少了人工的参与，更为主要的是实现了人走灯灭，人来灯亮，使长明灯现象得到解决，使教室的照明用电得到合理有效的利用。
1。
2系统工作原理
本系统的工作原理是：
当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源,所有灯具不会点亮。
当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。
则开启电源，点亮灯具,并使控制程序进入监控状态,若探测无人,则发出熄灯警告,灯具亮灭闪烁，若此时教室内有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下,自然会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化,从而结束警告，使灯具继续点亮,控制器回到监控状态。
若在警告状态下，仍无人无声,则关闭灯具电源。
对于使用投影仪的多媒体教室，可以实现在投影仪开启后延迟一定的时间,自动关闭讲台区对应的灯以达到较佳的视觉效果.从而实现照明灯具无人自熄,有人自启的目的.
第二章系统硬件设计
系统的硬件设计是智能控制系统的核心内容之一，它主要分为两部分内容：
一是传感器部分，二是控制器部分，其结构图如下图1-1所示。
图1—1控制系统结构示意图
2.1传感器的选择
2。
1.1热释红外探测传感器
该传感器由三个部分组成:
热释传感器,匹配低噪放大器,菲涅尔光学系统。
热释传感器包括：
①截止波长为7—10μm的滤光晶片,与人体辐射红外中心线波长9-10μm相对应,起带通滤波器的作用，从而把人体和其它物体区分开。
②热释电陶瓷材料,将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。
③场效应管匹配器,起阻抗变换作用,使得输入阻抗高而输出阻抗低。
匹配低噪放大器的作用是当探测器所处的环境温度上升,尤其是接近人体正常体温（37-38℃）时，传感器的灵敏度下降，因而由它对放大器的增益进行补偿，以便自动适应不同季节,不同地区.
菲涅尔光学系统不仅要监测空间辐射来的红外光线聚焦到红外能量传感器,还要能敏锐地体现这些红外线能量的变化，而菲涅尔光学系统通过对光滑的光学镜面作棱状或柱状处理，将监测空间割裂为一系列交替的狭小红外“感应区"和“空白区”,人在其间移动,就会使有些“感应区”内的红外线时有时无，传感器接收到的是相应变化来的光脉冲,因而提高接收灵敏度，使探测距离提高到10—20m。
本系统采用的是wd-323热释电红外传感器。
其技术参数如下：
工作电压：
DC15～25V；工作电流：
2mA；工作温度：
0~50℃;接收波长7—14微米;透过率〉75％；探测率（D*）1。
4x108cmHz1/2/W；输出电流为0～20mA.
2.1。
2声响探测传感器
声响探测组件采用驻极体话筒作为探测器,接在三极管的基极与普通电阻作分压式连接,当有声波作用于话筒时，使驻极体话筒的内阻急剧下降,改变三极管的基极偏压，促使三极管的工作状态翻转，通过电平变换电路，为控制器提供检测状态,达到判断有无声响的目的.
2.1.3可见光探测传感器
光照度是表明物体被照明程度的物理量，光照度与照明光源、被照物体表面及光源所在的空间位置有关，可以用照度计来直接测量。
照度计是以光电效应为基础，将光信号转化为电信号。
按照国家以及国际的照度标准,学校教室的平均照度值最低在300LX。
本系统采用LU01型号的照度计.其技术参数如下：
工作电压：
DC9~15V；工作电流：
2mA；工作温度：
0～50℃；光感范围（可调）：
5Lx～500Lx（出厂设置在5Lx）；光感复位延时:
30s（为防止光线瞬间变化的干扰）.
在实际的工程中,我们还必须考虑检测装置的安装位置以满足实际的要求。
本系统中红外探测器和照度计的安装要考虑其有效的监测范围以及教室的具体情况使其两个区域之间有一定的交叉。
照度计的安装要考虑教室的光照角度、不同位置接收光的程度。
为了确保其正确性，尽量使其安装在灯光和自然光都照不到的位置，而且在相邻的两个区域要有一定的重叠以确保当有人在两个区域之间时保证所在区域的灯能正常开启.在必要的时候可以加一些辅助装置以确保监测的正确性、可靠性.
2。
2控制器的选择
在本系统的设计中要求保证系统的可靠性、实用性、可扩展性和网络连接等.因此系统的设计不考虑使用单片机来实现,而是采用PLC来进行控制。
2.2。
1PLC的定义
PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿和第三稿，并在1987年作了如下的定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的.它采用一类可编程的存储器，用于其内部程序存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”总之,可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术、计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置.在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此他的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。
2.2。
2PLC的特点
PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面,有着继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。
1。
可靠性高
PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面:
在硬件方面,由于采用性能优良的开关电源,并且对采用的器件进行严格的筛选,加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。
在软件方面,PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊功能可以检测到这些错误,并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样,进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。
由于采取了以上的有效措施，保证了PLC的高靠性，从而使PLC的平均无故障时间高达几十万小时。
2。
面向控制过程的编写语言，容易掌握
PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。
虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。
3.易于安装、调试、维修
在安装时，由于PLC的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路.而且PLC的软件功能取代了原来的继电器控制中的中间继电器、计时器、计数器等一些器件,所以硬件安装上的工作量相应减少。
PLC的调试可先在实验室模拟完成,模拟调试完成后再现场安装、调试.这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期.
在维修方面,PLC完善的诊断和显示功能,可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计,因此只需对出错的模块进行更换即可。
4。
网络功能强大
PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。
5.体积小、重量轻
由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。
2.3PLC机型的选择
如何在实际应用时选择合适的PLC设备，也是很关键的问题。
首先是选用合适厂家的产品。
目前市场上的PLC产品很多.最具代表性的有日本立石公司欧姆龙-OMRON、德国西门子公司以及日本三菱公司的可编程控制器（PLC）系列产品。
其中OMRON的PLC，以小型产品最受欢迎。
一方面是由于其价位较低，性能价格比较高；另一方面是由于它配有较强的指令系统。
我国普遍使用的小型（PLC产品是OMRON产品。
立石公司欧姆龙-）OMRON首推C系列PLC。
西门子PLC产品品质精良但价格昂贵.三菱公司则推出整体式PLC。
当PLC厂家确定后,便可根据PLC的技术指标来选择合适的PLC设备.例如:
输入/输出点数（PLC外部输入、输出端子总数，这是PLC最重要）的一项指标、扫描速度、指令条数、内存容量等。
通过对设计的系统分析，一个教室将会用到4个模拟量输入点，9个数字量输入点，4个数字量输出点。
考虑到应该留有20％的余量，所以系统的设计不适合采用整体式PLC,更加适合采用模块式PLC。
在本系统中,采用西门子S7-300作为控制器使用。
对于CPU采用CPU315—2DP，它具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口，可用于大规模的I/O配置以及建立分布式I/O结构。
数字量输入模块采用SM321，它具有16个输入点；数字量输出模块采用SM322，它具有16个输出点；模拟量模块采用SM331，它具有8个模拟量输入点。
系统的I/O分配表如下表所示.
表2—1I/O分配表
数字量输入信号
数字量输出信号
1
I0.0
讲台区域照度计
1
Q0。
0
讲台区域灯光控制继电器
2
I0。
1
区域1照度计
2
Q0.1
区域1灯光控制继电器
3
I0。
2
区域2照度计
3
Q0.2
区域2灯光控制继电器
4
I0。
3
区域3照度计
4
Q0.3
区域3灯光控制继电器
5
I0.4
讲台区域声响传感器
6
I0。
5
区域1声响传感器
7
I0.6
区域2声响传感器
8
I0.7
区域3声响传感器
9
I1.0
投影仪开关
模拟量输入信号
模拟量输出信号
1
PIW256
讲台区域红外传感器
2
PIW257
区域1红外传感器
3
PIW258
区域2红外传感器
4
PIW259
区域3红外传感器
第三章系统程序设计
3。
1S7-300的编程语言
3.1.1PLC编程语言的国际标准
IEC61131是PLC的国际标准,1992～1995年发布了IEC61131标准中的1～4部分，我国在1995年11月发布了GB/T15969—1/2/3/4（等同于IEC61131—1/2/3/4）.IEC61131—3广泛地应用PLC、DCS和工控机、“软件PLC”、数控系统、RTU等产品.
定义了5种编程语言
（1）指令表IL（Instructionlist）：
西门子称为语句表STL。
（2）结构文本ST（Structuredtext）：
西门子称为结构化控制语言
（SCL）.
（3）梯形图LD（Ladderdiagram）：
西门子简称为LAD.
（4）功能块图FBD（Functionblockdiagram）：
标准中称为功能方框图语言。
（5）顺序功能图SFC（Sequentialfunctionchart）：
对应于西门子的S7Graph.
PLC的编程语言如下图3—1所示。
图3—1PLC的编程语言
3.1.2STEP7中的编程语言
S7-300PLC用STEP7软件编写程序.常用的编程语言有梯形图语言（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图语言（SFC）和功能块语言（FBD），而且各种语言之间可以用STEP7软件相互转化。
（1）顺序功能图（SFC）：
STEP7中的S7Graph
（2）梯形图（LAD）直观易懂，适合于数字量逻辑控制。
“能流”（Powerflow）与程序执行的方向。
（3）语句表（STL）:
功能比梯形图或功能块图强.
（4）功能块图（FBD）：
“LOGO！
”系列微型PLC使用功能块图编程。
（5）结构文本（ST）：
STEP7的S7SCL（结构化控制语言）符合EN61131-3标准。
SCL适合于复杂的公式计算、复杂的计算任务和最优化算法，或管理大量的数据等。
（6）S7HiGraph编程语言
图形编程语言S7HiGraph属于可选软件包，它用状态图（stategraphs）来描述异步、非顺序过程的编程语言。
（7）S7CFC编程语言
可选软件包CFC（ContinuousFunctionChart，连续功能图）用图形方式连接程序库中以块的形式提供的各种功能。
（8）编程语言的相互转换与选用
在STEP7编程软件中，如果程序块没有错误，并且被正确地划分为网络，在梯形图、功能块图和语句表之间可以转换。
如果部分网络不能转换，则用语句表表示。
语句表可供喜欢用汇编语言编程的用户使用。
语句表的输入快，可以在每条语句后面加上注释。
设计高级应用程序时建议使用语句表。
梯形图适合于熟悉继电器电路的人员使用。
设计复杂的触点电路时最好用梯形图。
功能块图适合于熟悉数字电路的人使用。
S7SCL编程语言适合于熟悉高级编程语言（例如PASCAL或C语言）的人使用.
S7Graph，HiGraph和CFC可供有技术背景，但是没有PLC编程经验的用户使用.S7Graph对顺序控制过程的编程非常方便，HiGraph适合于异步非顺序过程的编程，CFC适合于连续过程控制的编程。
在本设计中，将使用梯形图进行程序设计。
根据系统的控制要求，本系统的流程图如下图3—2所示。
图3—2控制系统流程图
3。
2梯形图程序设计
系统的程序设计将按照流程图进行编写。
（1）上电复位程序
由于S7—300和200不同没有内部继电器，所以它的上电激活一周期，需要的OB100软启动里面编写，暖启动开机第一个扫描周期扫描其余不扫描，可以在OB100里置位一个位。
M2。
0为FC105的BIPOLAR参数，将M2.0置位表示输入值为双极性。
如下图3—3所示.
图3—3通电复位程序
（2）光照度与声响检测
对光照度和声响进行检测，若同一个区域中满足光照度不足和有声响则对应的M得电。
如下图3-4所示。
图3-4光照度与声响检测程序
（3）模拟量输入
对4个区域内的红外传感器进行数据采集，并将采集的模拟量转换为数字量存放的存储器内。
如下图3—5所示
图3-5模拟量输入程序
（4）数据的判断
对采集进的数据进行判断，看是否让灯点亮。
假设输入电流大于等于10mA时,为检测到有人。
如下图3—6所示。
图3—6数据判断程序
（5）投影仪打开延时
当在投影仪开启后延迟一定的时间，自动关闭讲台区对应的灯以达到较佳的视觉效果。
如下图3—7所示。
图3-7延时程序
3.3人机界面设计
系统的软件设计还包括了人机界面。
本系统的人机界面主要可以分为三部分：
学校总貌，单个教学楼控制，单个教室控制。
学校总貌如下图3-8所示。
图3-8学校总貌
在界面中点击相应的教学楼，便可以进了相应的教学楼控制界面。
点击“返回”，可以回到上一界面.如下图3-9所示。
图3-91号楼控制界面
在界面中点击相应的教室,便可以进了相应的教室控制界面。
点击“返回"，可以回到上一界面。
如下图3—10所示.
图3—101#202教室控制界面
在界面中可以监控教室里各个区域的灯光，光照亮度，有没有人.
点击“远控”可以实现远程控制，点击“自控”可以恢复到自动控制，点击“返回”回到上一菜单。
3.4系统网络设计
在设计完单个教室智能控制之后,还需要将一个个教室连接在一起组成一个网络，进行集中的管理和控制。
S7-300的通信网络分为:
MPI数据通信；PROFIBUS；工业以太网；点对点连接;AS—i网络过程通信。
S7—300网络通信如下图3-11所示.
图3—11S7—300网络通信
出于价格和实用上的考虑,采用PROFIBUS作为系统的网络连接通信。
工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统。
•S7—300PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS—DP网上。
•带有PROFIBUS–DP主站/从站接口的CPU能够实现高速和使用方便的分布式I/O控制。
•PROFIBUS的物理层是RS-485接口。
最大传输速率为12MBit/S，最多可以与127个节点进行数据交换.网络中可以串接中继器，用光纤通信距离可达90Km。
•可以通过CP342/343通讯处理器将S7—300与PROFIBUS–DP或工业以态网系统相连。
完全可以达到系统的设计要求。
PROFIBUS–DP的网络通信如下图3—12所示。
图3—12PROFIBUS—DP网络通信
结论
（1）前两年半的时间都在学习工业自动化的理论基础知识，并未真正地去应用和实践,大三上半年的实训课，使我的动手能力有所提高.经过通过这次毕业设计,让我学到了不少东西,感触也满深的,总的说来这次毕业设计，我接触到了平时没有接触的元器件及仪器设备，尝试了全新的知识和制作。
从中发现了自己的很多不足。
我体会到学习理论知识、培养自学能力、训练思维方法和创新思维方法的重要性；知识掌握得越多，设计就会更全面、顺利、完整。
（2）设计是理论与实践相结合，巩固基础知识与培养创新思维相结合,个人作用与集体协作相结合的一门大型实践课,它培养我们学生的全面素质。
我经过这次系统性的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计、实验的详细过程，这些在我们将来的学习和工作有很大的帮助.
（3）毕业设计对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以了进一步的巩固。
（4）毕业设计培养了我严肃认真和实是求事科学态度，而且培养了我耐心、仔细的工作作风，同时也增强了学生之间、学生与老师之间的友情。
致谢
本论文是在陈怀忠老师的悉心教诲指导下完成的，在整个毕业设计期间，得到了导师的认真指导和帮助，导师的严谨学风和渊博学识使本人受益匪浅，在此表示诚挚的敬意和由衷的感谢。
同时要感谢电气工程分院领导和老师给我们提供了良好的环境和热心指导。
在整个设计过程中，我不但巩固了已经所学的许多基础知识和专业知识，而且在查阅大量课外书籍的同时，开阔了视野，增长了见识，并学到了许多有用的东西，对整个设计有了明确的认识。
感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位领导和老师，由于首次做教室智能控制系统的设计,错误、漏洞一定不少，望各位老师不吝赐教。
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