基于PLC的教室智能照明控制系统的设计

苏州信息职业技术学院

毕业设计报告（论文）

系别：电气与电子工程系

专业：楼宇智能化工程技术

班级：G1325**

学生姓名：***

学生学号：G132501**

设计（论文）题目：基于PLC的教室智能灯光系统

设计

指导教师：**

起讫日期：2015.9. 7~2015.11.20

毕业设计(论文)成绩评定表

学生姓名*** 系部电气与电子工程系学号G132501** 课题名称基于PLC的教室智能灯光系统设计

指导教师评语：

建议成绩：指导教师：

2015年9月14日

评阅教师评语：

建议成绩：评阅教师:

2015年9月14日

答辩小组评语：

建议成绩：答辩小组负责人：

2015年9月14日

毕业设计（论文）任务书

专业楼宇智能化学号G132501** 姓名***

课题名称：基于PLC的教室智能灯光系统设计

主要设计目标：

工作内容和要求：

1、多渠道查阅文献，寻找合适选题，确定智能照明系统的选题方向

2、针对智能照明系统主题，搜集资料，从理论上深刻理解和把握智能照明系统的控制、管理方法。

3、向校方与学生了解他们对智能照明控制的需求。

4、写作论文初稿，反复修改，以期对教室用电的成本控制提出合理化建议。

主要参考文献：

1.李源. 智能照明控制系统在办公建筑中的应用研究[J]. 科技与创新. 2016(06)

2.胡红武. 低压微电流安全智能开关控制器[J]. 高科技与产业化- 2013(07)

3.刘雅洲. 探讨智能照明控制系统及其抗干扰措施[J]. 门窗. 2014(10)

4.窦志. 智能照明控制系统与楼宇自控系统集成的实现[J]. 四川水泥. 2015(04)

5.姜玉奇. 智能照明控制系统设计与实现[D]. 合肥工业大学 2015

学生（签名）2015年9月7日

指导教师（签名）2015年9月7日

教研室主任（签名）2015年9月7日

系主任（签名）2015年9月7日

毕业设计（论文）开题报告

专业楼宇智能化学号G132501** 姓名***

设计（论文）题目基于PLC的教室智能灯光系统设计

1.选题的背景和意义：

根据中国当下的教育设施发展情况，学校的数量已经相当可观，而且随着经济水平

的提高，各种科技产品如投影仪等都在走进校园。同样的，教学能力的提升带来的是耗

电的巨量提升，作为大面积建筑，即使只是照明的耗电，在一个教室6个灯管乘以200

个教室后，用电量也是相当巨大，更别说要用其它辅助设施。节能，尤其是在能源匮乏

的当下，节电，成了一项学校不可忽视的大事。

教室智能灯光系统，是利用PLC简单、智能的特点，对教室灯光实行智能化开关，

依据探测器得到的信息判断某个区域是否需要照明，以此避免大部分学校的“长明灯”

现象。对照明的合理化控制可以极大地节约电力，在维持照明需求的基础上，节省管理

的人力，又提高了节能管理的效率。

2.课题研究的主要内容：

本文采用S7-200PLC控制器用于实现整个照明系统的控制，主要包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计有包括排线布线设计和线路图设计；软件设计应控制需要，分几大块进行I/0分配：光电传感器、人体存在传感器，同时对教室划分区域以便于精确控制。编制

系统梯形图控制程序，之后进行仿真与调试。论文内容总体可分为四章，之前是绪论，主要写选题的目的及背景、介绍相关领域中已有的成果和国内外研究状况、理清尚待进一步研究和解决的问题；第一章主要写系统设计原理；第二章为硬件设计部分；第三章主要设计梯形图程序；第四章为仿真，并对仿真结果分析和验证。

3.主要研究（设计）方法论述：

（1）理论准备阶段，查阅资料；

（2）确定系统各个部分，并进行系统设计；

（3）对整个系统进行梯形图编程和仿真，模拟测试其正确性。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止）日期工作内容

2015.9.7- 2015.9.9 查找资料确立选题

2015.9.9-2015.9.29 完成开题报告

2015.9.30-2015.11.17 撰写论文

2015.11.18 毕业设计答辩

2015.11.18-2015.11.20 根据答辩小组和指导老师意见修改论文，力争在内容和格式上符

合毕业设计规范要求。

五、指导教师意见：

该生能够较为全面搜集关于毕业设计的资料，能够自主的查阅文献资料，同意开题。

指导教师签名：

2015年9月29日

六、系部意见

同意开题

系主任签名：

2015年9月29日

苏州信息职业技术学院

毕业设计（论文）中期检查表

学生姓名*** 学号G132501** 指导教师**

选题情况课题名称基于PLC的教室智能灯光系统设计难易程度偏难适中√偏易

工作量较大适中√较小

符合规范化的要求

任务书有√无

开题报告有√无

外文翻译质量优良中差

学习态度、

出勤情况

好√一般差

工作进度快按计划进

行

√慢

中期工作汇

报及解答问

题情况

按计划进行

指导教师

2015年11月1日所在专业意见：

继续进行

系主任

2015年11月1日

基于PLC的教室智能照明控制系统的设计

摘要：本文阐述了教室智能照明的控制方法以及PLC在教室智能照明控制系统中的应用，并对西门子S7-200系列PLC进行了详细的介绍。然后在此基础上，提出了以S7-200系列PLC为主要器件完成教室智能灯光控制系统设计的方法，基本原理是：通过热传感器与光敏三极管搜集环境信息，判断教室是否有人以及光照是否充足。设定好合理开灯条件后，系统根据环境信息进行智能判断，以此完成教师照明的智能控制。实现节能的功能。最后，论文还给出了系统的梯形图程序设计，并进行了仿真。

本设计兼具可靠性、使用性、经济性，应当能满足大部分学校的教室照明需求，同时又能极大地实现节能。

关键词：教室智能照明PLC 梯形图程序

目录

1引言 (1)

2系统控制方案的设计 (2)

2.1系统控制方案的分析 (2)

2.2分区和分时控制方案的构想 (3)

2.3系统的功能组成 (4)

3硬件系统设计 (5)

3.1选择PLC类型 (5)

3.2数据采集电路 (6)

3.3环境光采集电路 (7)

3.4 PLC外围连线图 (7)

4软件设计 (8)

4.1程序流程图 (8)

4.2输入输出地址 (10)

4.3梯形图程序设计 (10)

结论 (13)

致谢 (13)

参考文献 (13)

附录A:程序清单 (15)

1引言

学校，这一公共设施在中国被极大地发扬光大——因为中国人多

近四万所学校，三千多万学子。在中国，大部分人的一生都有近二十年在学校度过，从最初的小学呆7小时，到后来的9小时，再后来的晚自习和早读，我们呆在教室的时间越来越长——直到大学，去上课成为选项之一而不是必须，这种生活才稍微有了些变化。

那么问题来了。在学校，甚至连电视都很少有的看的我们，消耗最大的除了脑细胞，其实就是笔芯了吧？！有人会说还有纸（包括一切书），额~好吧没错，但再想想，似乎除了这些，我们真的就没消耗掉什么社会资源了，除去衣食住行玩这种家里会供给的资源，我们在学校就是对着一片小世界满脑子想东西想问题了。学费，似乎并没有买来太多东西？

其实还有一个细节——当教室停电的时候，整栋楼的喜极而泣与鬼哭狼嚎为的都是赞美电灯的罢工。这时候才会有人发现，原来这灯也不是永远会亮着的啊！

电，这种我们触碰不到却又让校领导们恨得牙痒的资源消耗，其实一直在我们身边。为什么我们在家里总会听到与之相关的一些小细节，父母偶尔聊到水电费，对那几块几却好似看重过每月的几千块工资、看重过手里的新手机般？

因为任何一种并不廉价而又是生活必须的资源在人数与时间的加持下会成为一份重逾泰山的压力，甚至成为一场灾难。

能源危机，这种看似离我们很远的东西其实很近：水电价格越来越贵，停水停电的次数越来越多，油价只涨不跌等等一直有人在呼吁节能减排、节约能源，这种的确是有效的办法却一直不受人重视。因为大家都被生活磨光了斗志与热情，已不愿再花心力做一些收效甚微的事。

但科技在进步，科技的力量之强，足以扛起我们肩上大半繁琐而又低效的生活需求，将我们从机械重复某种事情中解放出来，不想做可以不再做，交给能做的更好的它——智能化工程

对学校而言节约用水能做到的毕竟有限，但节约用电却是潜力巨大！还是那句话——我们人多。一所再小的学校，都有几十个教室几千号人，除开寒暑假，一年12个月我们有近十个月是在学校度过的。而每天我们有至少有四个小时需要用到灯（这还不算阴雨天的全天开灯），一个教室四根节能灯管开四个小时要几度电？开一个月呢？一年十个月呢？再乘以几十个教室？！你还觉得几块几的电费。。。。。。便宜么？

再说一件事，其实在一年的十个月里，有至少20%的状况是不需要那些灯开着的：教室四根灯管全开，却只来了十几个人上早读，剩下的还有十几分钟才会

陆陆续续到场，那么这十几分钟其实就只要一根或两根灯管亮着即可，什么？你小看这几分钟？那就请你再乘一遍以上数据看看。诸如此类还有人走灯未灭，厕所没人却长明灯等等现象，真要管的话，人力物力精力都不止这个价，可这确实是可以避免的消耗。

如果拥有一套智能化可以控制照明的灯光系统，以上问题便不复存在。至于成本，一次投入，价格低廉，低价维保，高效收益！还能体验到附带的由科技带来的方便。

基于可编程控制器（PLC）的教室智能灯光系统不仅可以带来高效灵敏的照明服务，通过自动的环境数据采集，还可以智能调整教室的光照，让以前简单死板的开关控制电灯时代成为过去，基本以后都不需要碰开关那种一年要换好几个的东西了。当然如果半夜装修，开关依然能用，它是没问题的。传统的机械开关与控制系统兼容，避免系统的非人性化问题。

本文采用S7-200PLC控制器用于实现整个照明系统的控制，主要包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计有包括排线布线设计和线路图设计；软件设计应控制需要，分几大块进行I/0分配：光电传感器、人体存在传感器，同时对教室划分区域以便于精确控制。编制系统梯形图控制程序。论文内容总体可分为四章，之前是绪论，主要写选题的目的及背景、介绍相关领域中已有的成果和国内外研究状况、理清尚待进一步研究和解决的问题；第一章主要写系统设计原理；第二章为硬件设计部分；第三章主要设计梯形图程序。

2系统控制方案的设计

本章主要讲述了对整个系统控制方案的细化设计，其中主要内容包括对对分区分时控制方案的设想以及系统控制方案的分析。

2.1系统控制方案的分析

系统的传感器输入主要是依靠红外感应以及光敏三极管检测信号。设计上采用系统自控与手动开关兼容的方式。环境光照充足的情况下，不开灯;环境光照不足达到阀值时，可以自动开灯，但要先结合红外探测器确认是否有人在教室，有人才会开，否则依然不开；教室没人后，延时一定时间后，系统会把所有灯全部关闭。同时，系统要加设作息时间表，配合学校的教学安排，对系统的给电进行控制，特殊教室如实验室等以及特殊节假日如寒暑假等，系统会进行特殊供电设置，以控制系统自身的用电消耗。机械开关与系统兼容，即使系统出现一些不

人性化的情况，也可以手动开关灯。

2.2分区和分时控制方案的构想

在设计之初，应当根据现实，选择有代表性的教室进行数据采集，这里选择的是苏州信息职业技术学院的B102小教室。教室双面采光，但由于在一楼，左右两面的窗户都有部分被树木遮挡，自然采光很不理想；同时，由于上课时没有座位固定上的要求以及人数偏少，总有部分教室是不需要照明的，所以，便设计分区控制，将教室分成四块区域，分别用四组红外探头以及光敏三极管进行数据采集。下如图2.1为对教室进行分区域控制方案的概念图。

老师讲台区域

靠前门区（前排左）靠前窗区(前排右)

靠后门区（后排左）靠后窗区（后排右）

图2.1传感器在教室的分区控制图

红外探测器通常安装在这几个区域的上方比如屋顶或灯底座旁，或能有效地覆盖该区域探测范围的地方比如贴墙角顶斜向覆盖某块区域，光照传感器安装在每个区域光照较暗的地方，如果桌子不移动的话最好安装在最靠角落最不容易采光的人的桌子上。对于有时候需要用投影仪播放教学影片的情况，可以在讲台区域顺手的地方安装一个控制按钮以手动的方式给PLC提供动作信号使开始放影时关闭整个教室的灯，同时放影完毕后能迅速打开教室灯光，以适应实际的使用要求。分别在每个区域安装一至三个光敏传感器和一个红外探测器，安装时就可以调试好数据。每个元器件的电源与信号线路采用并联的方式，确保某个元件的故障不会影响到其它原件正常工作。一个设备的损坏不会对其它设备造成影响。同时，分不同时间段对系统的运新状态实行控制，工作日的白天，有人要用教室，PLC正常工作，晚上不需要PLC工作，则优先进入低耗休眠直到天亮或者手动启动系统。所以另外提出了分时控制的构想，在编制三时段梯形图程序时，会具

体说明。

2.3系统的功能组成

大部分智能照明控制系统都是数字式的照明管理系统，它由输入单元、输出单元和系统单元三部分组成。每一单元都拥有唯一的单元地址，利用软件完成功能设定，电源设备除外。输入单元、输出单元和系统单元，这三大部分主要功能组合成为了我们常见的数字式的照明管理系统，也是人们通常采用的智能照明控制系统组合。负载回路划分到输出单元下，由输出单元控制。

各单元介绍如下：

（1）系统单元：主系统对各区域进行同级同时的数据采集以及统一控制管理；子系统则细化到各区域的具体控制。主系统与子系统之间可采用实际连线方式或者无线数据传输等实现连接。

（2）输入单元：用于将外部光电信号以及探测信号转化为可进行数据传输的可让系统识别的电子信号。还包括输入设备如可编程的电子开关模板、红外线接收部件及红外线遥控器，各具优劣的多种控制板等。可进行多点控制、时序控制等，调整灯光，以达到使周围环境保持适宜的光照程度，节约电能。

（3）输出单元：用于接收系统处理完成的控制信号并向动作模块发送命令的部分。输出单元有各种形式的继电器。系统大都采用分散执行、集中控制和管理的方式，同时也配置智能照明控制柜，智能控制柜内装有PLC的有关自动及手动控制开关，并且连接到几个综合控制的动作模块上，模块用于讲台的一键开关灯以及整个系统的照明开关控制。

采用智能灯光控制系统的优点：

（1）良好的节能效果：精确的用电控制可以最大程度的避免浪费，科学的照明模式可以极大地弥补校园用电管理上的疏漏，排除“长明灯”的存在。节电效果可达30%以上。

（2）延长灯具的寿命：使用时间的减少是对灯具的一种养护，同时开关使用的减少亦是极大地减少了灯具的损耗速度。

（3）改善环境，提高效率：智能化高效化的工作环境将提升人们的精神面貌，减轻了一份生活负担对人的帮助是无法估量的，即使只是记得关灯这种小事。

3硬件系统设计

本章主要讲述了PLC类型的选择和其CPU的选型以及人体存在传感器、光照传感器等硬件的工作原理，最后设计出了PLC的外围连线图。

3.1选择PLC类型

作为公共设施的系统，稳定可靠、高效、反应快速、极具扩展性是必要要求。西门子S7-200PLC系列的PLC稳定可靠，体积小、扩展性强，符合设计要求。

虽然只是一种属于小型PLC的的产品，但西门子显然对它寄予厚望，体积小、制造成本与价格低廉、给予大量的技术优化。这款PLC是卖着小型PLC的价却拥有着大中型PLC级别功能的神器，指令集丰富、功能强大、价格低廉、扩展性极强这些优点使之成为了小规模控制领域的热宠。在智能家居行业，同是近几年新出现的科技产物，两者的结合度之高仿佛命中注定。

不同的CPU决定了控制器的功能侧重，市面上有五种CPU型号的S7-200PLC，其中的CPU224型由于最贴近要求，本着达到要求不浪费投入的原则，便不再考虑其他型号。集成14个输入点位，数字量I/O点输出可达24个。最多可连接7个扩展模块，甚至最大还能扩展至248路数字量I/O点，又或者扩展成35路模拟量I/O点。有6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。有13K字节程序和数据存储空间。2个RS485通讯编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可容易地整体拆卸错误！未找到引用源。。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

根据第1章的图2-1传感器在教室的分区控制图可知，本系统的输入点包括1个启动开关、1个停止开关、1个投影开关、5个红外探测传感器、5个光敏传感器，输出点为5个区域的节能灯，由于CPU224模块有14个输入，10个输出正好满足要求。用红外探测器和光敏传感器作为检测装置来检测教室数据。控制系统的框图如图3.1所示。

图3.1 控制系统框图

3.2数据采集电路

教室的采光度或者说光照强度与人体红外感应便是采集线路的主要采集任务。采光感应方面，有种光敏三极管结合了光敏二极管的光感特性和三极管的稳定灵敏，是个不错的选择。而人体传感器要求灵敏度高，识别度高，可靠性强，因此本系统选用了低电平输出的HP-208型号的人体红外传感器。HP-208-N-L 人体感应模块(低电平输出)基于红外线技术的自动控产品, 灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器,如自动门、自动洗手机、自动滴液器、感应冲水器、各类智能玩具以及其它感应电器设备等。功能特点：（1）全自动感应: 人进入其感应范围则输出低电平， 人离开感应范围则自动延时关闭低电平，输出待机时的高电平。 （2）光敏控制：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。 （3）两种触发方式：a.不可重复触发方式:即感应输出低电平后，延时时间段一结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：即感应输出低电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持低电平，直到人离开后才延时将低电平变为高电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点). 4.具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束,可以紧跟

PLC

控制器及I/O

扩展模块 红外探测器 1—5

控制按钮

多 路 开 关

光照度探测器1—5

投影仪开关

日光灯N

日光灯2

日光灯1

着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号错误！未找到引用源。。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

3.3环境光采集电路

光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流ceo I 。有光照时，产生的b I 增大，成为光电流e I 。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

环境光采集电路原理图如图3.2所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻态状态小于1K 欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻态状态，100k 欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。

图3.2环境光采集电路原理图

3.4 PLC 外围连线图

PLC 外围接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。教室照明智能控制外部接线图如图3.3所示。

图3.3 PLC外围连线图

4软件设计

4.1程序流程图

根据上述具体功能要求，可设计出教室智能照明控制系统在运行时的程序框图，如图所示。将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。如下图4.1所示。

图4.1程序流程图

如图4-1所示程序设计，智能系统先是通过时间来判断的，例如如果时间段在23点到6点之间，智能系统控制灯光的功能会进入休眠状态，此时教室灯光的控制只能通过手动开关来控制。另外，如果时间段不在23点到6点之间，系统才会通过判断光照是否充足和有没有人体存在，来合理开关灯的。在多媒体教室，还要考虑投影仪的情况，如果教室中的投影仪开关开启，系统会延时60秒后，不管讲台区域的灯是否开启，智能系统都会关闭讲台区域的灯。

开始

Y

PLC 自动休

眠

06：00—18：

00

18：00—23：

00

若投影仪打开,讲台处灯60s 关闭

N

开灯

不开灯 N

Y

不开灯

是否是23：00—06：00

光照是否充

足

是否有人 是否有人 不开灯

开灯 N

Y

Y

N

4.2输入输出地址

系统输入点及地址：启动开关I0.0、停止开关I0.1、红外探测器I1.0～I1.4、光照传感器I0.3～I0.7、投影仪开关I0.2。T37和T38为定时器。为了减少输出点数，一个区域作为一个输出点，其地址Q0.0～Q0.4。表4-1为I/O地址分配表。

表4-1 I/O地址分配表

输入点输出点

元件名称地址编码元件名称地址编码

启动开关I0.0 讲台区域灯Q0.0

停止开关I0.1 区域1灯Q0.1

投影开关I0.2 区域2灯Q0.2

光照探测器I0.3～I0.7 区域3灯Q0.3

红外探测器I1.0～I1.4 区域4灯Q0.4

4.3梯形图程序设计

用SETP7软件语句表编写的控制程序如图4.2所示。

图4.2 梯形图

网络1 ：闭合I0.0后，中间继电器M0.0通电并自锁，只有当停止开关I0.1按下后，M0.0才断开。

网络2和网络3：M0.0保持通电时，计时器T37计时3000*100ms=5分钟后，其常开触点闭合，计数器C1计数一次，同时网络2中T37的常闭触点断开，等

其T37常闭触点重新闭合后，T37重新开始计时，如此重复，当计数器C1计数到288次，即288*5min=1440min，即24小时，计数器复位并重新开始计数。

网络4、5、6：为分时控制梯形图程序，系统在仿真运行时，设定其初始时间为6:00，即C1>=0时，当计数器C1计数范围在0~144之间，即这12个小时内，中间继电器M0.1都保持导通。另外，M10.1代表在时间段6.00—18.00保持导通状态，M0.2代表在时间段18.00—23.00保持导通状态，M0.3代表在时间段23.00—6.00保持导通状态。但是要确定的是M0.1、M0.2、M0.3这3个时间段的继电器，在任何时候只有一个能保持导通状态。

网络7为本系统的输出梯形图程序，其中I0.3至I0.7代表光照探测器的控制触点，I1.0至I1.4为红外探测器的控制触点，Q0.0至Q0.4代表教室5个区域的灯。

本程序设计的基本原理和工作过程如下：1）当时间段在6.00—18.00时，常开触点M0.1保持导通状态，假设此时教室中5个区域都有人体存在，各个区域的红外探测器会感应到相应区域的人体，并使常开触点I1.0至I1.4闭合导通，如果教室中个区域光线很充足，光照探测器会使常开触点I0.3至I0.7保持断开，反之，若光线不足，光线探测器会使其闭合，从而使整个回路导通，各个区域的灯会点亮。假设教室中全部区域都有人且灯都亮着，某区域的人突然全部走完了，红外探测器会自动感应到该区域的人体存在情况，从而反馈到其控制的常开触点，从而控制灯光的开和关。另外还有一种特殊的情况，当网络8中投影仪开关I0.2开启后，定时器T38开始计时，当其计时到600*100ms即60s时，其网络7中的常闭触点会断开，从而会使讲台区域的灯关闭。2）当时间段在18.00—23.00时，此时M0.2处于导通状态，因为此时一般光线比较暗，已不需要光照探测器工作，只需红外探测器来感应人体的存在与否来控制教室相应区域的灯光开关情况。3）当时间段位于23.00—6.00时，老师学生一般都不会在教室学习了，此时M0.3的常闭触点会断开，所有探测器停止工作，保留手动开灯的功能。