基于PLC的智能室内节能灯控制系统设计 *

余长伟，孙春虎，刘子杰，王 飞，朱 茵

(巢湖学院 电子工程学院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

当前，室内直流LED灯已得到广泛应用，它不仅美观、可靠，而且较传统交流灯能显著的降低功耗。但是，当前的直流LED灯，也存在明显的缺点[1]。

(1) 当夜晚房间有人点亮时，灯亮度不可调节，无法提供不同的亮度氛围。

(2) 当夜晚房间长时间无人时，灯仍以很高的亮度点亮，浪费电能。

针对室内直流LED灯以上两点的不足，基于三菱PLC，设计了一种智能节能灯控制系统。系统可以设置光照强度、有人时灯光亮度和无人时灯光亮度，既能实现室内有人时的灯光亮度调节控制，以满足不同的亮度氛围需求，又能实现室内无人时的灯光亮度调节控制，以降低灯光亮度，达到节能的效果。

1 控制原理

控制系统结构框图如图1所示，它由触摸屏、光敏电阻采样电路、三菱PLC、5V LED灯和光电开关组成。

光敏电阻采样电路的采样电压送到PLC的A/D采样口；触摸屏与PLC进行双向的数据通信，同时进行显示和控制；光电开关用于检测室内是否有人，接PLC的X输入口；5V LED灯用于模拟室内直流LED灯，受PLC的PWM输出口控制。

PLC的PWM输出口可输出幅值为5 V、占空比为0%～100%的矩形波，根据Buck电路斩波原理[2]，可得，该端口可以输出0～5 V的电压信号，相当于1路D/A通道输出端口。只要控制矩形波的占空比，就可控制输出电压，从而让5V LED灯呈现不同的亮度。

图1 控制系统结构框图

2 硬件设计

控制系统硬件电路如图2所示。由于光敏电阻输出的是电阻信号，因此需要对其进行信号转换，从而转换为电压信号。而当光照增强时，光敏电阻的阻值变小；当光照减弱时，光敏电阻的阻值变大，因此，应当采样电阻R0两端电压。这样当光照增强时，采样电压变大；当光照减弱时，采样电压变小，两者满足线性的正比例关系，方便系统处理，同时符合实际情况[3]。

如图2，光敏电阻和电阻R0串联在5V电压源上，电阻R0两端的电压作为采样的电压信号送到PLC的AD0、GND口；触摸屏与PLC采用RS232总线通信；PLC的PWM、GND口控制5伏LED灯的亮度；光电开关的黑线为信号线、蓝线和棕线为电源线(24 V供电)，信号线接到PLC的X0口，用于检测室内是否有人；24 V开关电源电路用于提供24 V直流电压，给触摸屏和三菱PLC供电。

图2 控制系统硬件电路

AD0通道采样的电压信号，经12位A/D转换后，变为数字量存储在PLC数据寄存器D8030中。采样的电压信号范围为0～10 V，经A/D转换后对应的数字量范围为0～4095，PLC读取D8030值就可以对采样电压数据进行处理。

PLC的PWM端口可输出幅值为5 V、频率为1 kHz、占空比可调的矩形波信号，占空比设置存储在数据寄存器D8033中，设定值范围为0～1 000[4]。例如，设为100时，表示设置的占空比为10%，那么输出电压将为0.5 V，同理，设为900时，表示设置的占空比为90%，那么输出电压将为4.5 V。

3 PLC程序和触摸屏程序设计

根据系统的控制原理，并在硬件电路的基础上，进行了系统软件设计，包括PLC程序设计和触摸屏程序设计。

3.1 PLC程序设计

所设计的PLC流程图如图3所示。

图3 PLC程序控制流程图

如图3，当外界光照强度大于等于PLC触摸屏设置的光照强度时，PLC复位M10和D8033，5V LED灯熄灭；当外界光照强度小于PLC触摸屏设置的光照强度时，PLC置位M10，此时若室内有人，PLC将有人时的灯光亮度值D4送到D8033中，若此时室内无人，PLC将无人时的灯光亮度值D12送到D8033中；D4值和D12值均可改变，从而可以灵活控制5V LED灯的灯光亮度[5]。

这一创新方法是目前正在法国各地推广的许多做法之一，它们可以帮助农民实现一个难以实现的国家目标。2008年，法国政府宣布了农业政策的一项重大转变，呼吁将农药使用量减半，政府希望在10年内实现这一目标。没有任何拥有如此庞大和多样化农业系统的国家尝试过如此雄心勃勃的计划。这个目标“非常具有革命性”，特别是因为法国是欧洲第二大杀虫剂消费国，布鲁塞尔减少农药使用行动网络的亨丽特·克里斯里坦森（Henriette Christensen）说道。

3.2 触摸屏程序设计

触摸屏程序画面设计如图4所示。

图4 触摸屏程序画面

由图4可看出：触摸屏可以对室内节能灯控制系统的光照强度阈值进行设置，并存储在数据寄存器D0中，大于阈值时，LED灯熄灭，小于阈值时，LED灯点亮；也可以对有人时的灯光亮度进行设置，并存储在数据寄存器D2中；还可以对无人时的灯光亮度进行设置，并存储在数据寄存器D8中[6]。

4 实 验

在软硬件设计的基础上，搭建了室内节能灯控制系统的实验平台，并分别进行了外界光照强度强时实验、外界光照强度弱、室内有人时实验和外界光照强度弱、室内无人时实验。

4.1 系统实验总图

系统实验总图如图5所示。系统包括：光电开关、PLC工控板板、24 V开关电源、触摸屏、光敏电阻采样电路、5 V LED灯、5 V电源、编程计算机。

4.2 外界光照强度强时实验

图6为外界光照强度强时的实验结果，由结果可看出：当外界光照强度大于PLC触摸屏设置的光照强度阈值时，5 V LED灯不点亮，处于熄灭状态。

图5 系统实验总图 图6 外界光照强度高时的实验结果

4.3 外界光照强度弱、室内有人时实验

图7为外界光照强度弱、室内有人、灯光亮度设置为90%时的实验结果，由结果可看出：此时，5V LED灯以很亮的亮度点亮。

图8为外界光照强度弱、室内有人、灯光亮度设置为20%时的实验结果，由结果可看出：此时，5V LED灯以较暗的亮度点亮。

图7 设置值为90%时的实验结果 图8 设置值为20%时的实验结果

4.4 外界光照强度弱、室内无人时实验

图9为外界光照强度弱、室内无人、灯光亮度设置为80%时的实验结果，由结果可看出：此时，5V LED灯以较亮的亮度点亮。

图10为外界光照强度弱、室内无人、灯光亮度设置为10%时的实验结果，由结果可看出：此时，5V LED灯以很暗的亮度点亮。

图9 设置值为80%时的实验结果 图10 设置值为10%时的实验结果

由图9、图10的实验结果可以看出：当外界光照强度弱、室内无人时，使用者同样可以对5V LED灯的点亮亮度进行灵活控制。当设置的灯光亮度值较低时，耗电量较小，即可达到室内无人时的节能控制效果。

5 结 语

基于触摸屏和三菱PLC，对一种智能室内节能灯控制系统的软硬件进行了设计，并搭建了实验平台及实验。较传统LED灯控制系统，不仅能提供不同的亮度使用氛围，同时还能达到室内无人时的节能控制效果，具有一定的实用和参考价值。