基于PLC控制的的建筑灯饰电气控制系统设计论文.doc

目 录
第一部分 设计说明与调研 3
1.1 选题背景和意义 3
1.2 PLC在国内外的发展状况 3
1.3设计及研究方案 4
1.4设计的过程和主要内容 4
1.4.1 设计过程 4
1.4.2 主要内容 4
第二部分 设计的内容说明 6
2.1 基于PLC控制的建筑灯饰的优缺点 6
2.2 声音信号的采集与筛选 9
2.2.1 声音的响度（振幅）信号采集 9
2.2.2 声音的音调（频率）信号采集 9
2.2.3 声音的旋律信号采集 10
2.3声控的建筑灯饰的系统总体设计方案 10
第三部分 设计成果 13
3.1 PLC硬件的选择 13
3.2 响度检测采集电路 14
3.3 频率检测采集电路 14
3.4 旋律检测采集电路 15
3.5旋律PWM调制驱动电路 16
3.6 PLC主控电路 17
3.7 PLC软件设计 19
第四部分 结束语 21
第五部分 致谢 22
第六部分 参考文献 23
附录 24

I

第一部分 设计说明与调研

1.1 选题背景和意义
随着人们生活品质的提高，在日常生活中,我们都广泛的运用着各种灯饰、LED广告牌，特别是晚上，然而现代化程度越来越高的背景下是我们的人性设计越来越受到关注，做什么事都讲究带点人情味儿，所以，针对目前大多是用时控单调的建筑灯饰，我发起了声控、PLC控、光控的建筑灯饰设计的思路。对于各种灯饰,我们大多会采用单片机。而PLC的优点是它构造简便,功能强大,而且实用价值高,效率高,适应环境能力强。而PLC控制是实现建筑灯饰的最佳的一种调速方式。它低速时,相对稳定性好;调速时,平滑性好,效率高;而且它的调速范围较大,精度高,起动电流低,节能明显。所以综合考虑，我选择了用PLC控制，实现声控、光控，而达成建筑灯饰人性化的要求。
1.2 PLC在国内外的发展状况
可编程控制器是六十年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。我们使用的现代的PLC按结构型式可以分成整体箱式和模块组合式，整体箱式结构简单、体积小，而且多为小型或低档PLC；模块组合式呢能根据用户需要进行灵活配置、现场的应变能力强、维修起来方便，根据I/O点数可以分成小型、中型和大型，编程语言可以是梯形图或者是指令表。本次设计采用的是模块组合式，20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
1.3设计及研究方案
本课题主要研究的是声控（响度、频率、旋律）的广告霓虹灯。
本设计中旋律的获取，用了数模模数转换、整流、调制脉宽，PWM调制；响度，直接以电平、放大电路收集；频率以二次电路谐振滤波获取，再将收获的信号送交PLC处理。
1.4设计的过程和主要内容
1.4.1 设计过程
1. 先了解本题目的大概意思，从网上查询一些资料或到图书馆查阅相关资料，和指导老师进行交流，从而获得一些设计思路。
2. 将设计出的电路与老师同学进行讨论，并对电路进行修改和完善。
3. 设计一个完整的电路图，用PLC进行编程和实操模拟，做出相应的程序进行电路仿真。
4. 通过仿真得到波形和型号，再次检查电路的不足之处。
1.4.2 主要内容
1、设计并绘制总的结构框图；
2、响度检测电路；
3、频率检测电路；
4、旋律检测电路；
5、旋律中PWM脉宽调制电路；
6、旋律中整流驱动电路；
7、编写PLC控制程序；
总体大致过程为先通过获取旋律，用了数模模数转换、整流、调制脉宽，PWM调制；响度，直接以电平、放大电路收集；频率以二次电路谐振滤波获取，再将收获的信号送交PLC处理，处理得到信号，通过广告霓虹灯，随旋律的改变，而随之发生变化。

第二部分 设计的内容说明

2.1 基于PLC控制的建筑灯饰的优缺点
1.使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
2.功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
4.可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
5.系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
6.维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故
7. 缺点：PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容， 编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。

24

2.2 声音信号的采集与筛选
首先，声音是既调频又条幅度的，从物理学的角度来定义，声音的三大要素分别为：响度、音调、旋律，为了设计出更人性化、吸人眼球的建筑灯饰、霓虹来装饰美丽的夜晚，我们本次设计需要从这三点入手，本次设计因为能力有限，就简单印证原理性地每个要素仅截选二到三个节点或者波段来进行设计。
2.2.1 声音的响度（振幅）信号采集
声音的强弱那么就叫做响度。响度是用感觉判断去声音强弱，即声音响亮的那个程度，根据这个方法的话，可以把声音由轻到响的排列出来。响度的实际大小取决于音强、音高、旋律、音长等其他条件。如果条件相同，则又有元音听起来比辅音响的特点。
2.2.2 声音的音调（频率）信号采集
音调的高低还会与与之发出声音的物体的结构有关，这是因为发声体的结构部分影响了声音调主要是由声音的频率决定的。对于一定的强度的纯音，音调会随着频率的升降而进行升降；对于一定频率的纯音、低频纯音的音调会随着响度的增加而进行下降，高频纯音的音调却会随着响度的增加而进行上升。
本次设计中声音的音调（频率）信号采集是进行3个选频点：200Hz点、500Hz点、800Hz点。实现的方式是对声音信号接入一个电容电感的并联选频电路，而进行声音的选取。通过筛选出来的频点而输出0或1的开关量送交PLC选取灯型。
2.2.3 声音的旋律信号采集
旋律是指声音的感觉特性。音调的高低决定于发声体振动的频率，响度的大小决定于发声体振动的振幅,但不同的发声体由于材料、结构不同，发出声音的旋律也就不同，这样我们就可以通过旋律的不同去分辨不同的发声体旋律是声音的特色，根据不同的旋律，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或人发出的。同样的响度和音调上不同的旋律就好比同样饱和度和色相配上不同的明度的感觉一样。旋律之兮音。
除了一个基音外，还有许多不同频率（振动的速度）的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的旋律，使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说相同的话也有不同的旋律，因此可以根据其旋律辨别出是不同的人。
2.3声控的建筑灯饰的系统总体设计方案
本次设计是关于一个广告牌上面标着“音乐茶厅”的四个大字，会随着响度、频率、旋律；字的亮度会随着改变，其中响度由于人的感官，其原理是:先经过整流电路进行整流，截取包络，使得电路更圆滑平稳；其次，对电路进行数模转换，将圆滑平稳的旋律、旋律变成受控的正弦波，将这个受控的正弦波与基准三角波通过比较器进行比较而得到一个占空比具有特定性质的波，利用这个通过PWM脉宽调制得到的波，进行灯部分的驱动，不同的占空比对应着开断电的市场，从而通过人眼的视觉效果达到呈现亮灭的感觉。其中PWM调制技术很好地保证了其驱动的稳定性和可靠性，而且在一定程度上能减轻能耗，从而使得器件使用寿命得以延长。
声音

旋律检测
整 流
脉宽调制

频率检测
响度检测

灯具驱动

PLC

灯的亮度、光效

音乐
茶厅
灯型
边框
灯型

由声音控制的建筑灯饰

图1 声控PLC控制原理图

图2 声控PLC实物图

说明：本设计主要是围绕‘音乐茶厅’广告霓虹灯进行设计，需要围绕声音的采集接收处理在经PLC控制完成。
第三部分 设计成果

3.1 PLC硬件的选择
根据本次设计要求调制音乐的响度、频率、旋律从而实现建筑灯饰的控制，7个执行机构，需要控制7个输出点，，一共是5个输入点；因此可选三菱FX2N-16M型PLC。
三菱FX2N-16M三种输出性能指标：
表3.1 FX2N-16M三种输出性能指标
项目
继电器输出
晶闸管输出
晶体管输出
外部电源
AC250V，DC30V以下
AC85～242V
DC5～30V
最大负载
电阻负载
2A/1点；8A/4点（公用）；8A/8点（公用）
0.3A/1点；0.8A/4点
0.5A/1点；0.8A/4点；1.6A/8点（Y0、Y1以外）；0.3A/1点（Y0、Y1）
感性负载
80V·A
15V·A/AC100V；80V·A/AC200V
12W/DC24（Y0、Y1以外）；0.9W/DC24V（Y0、Y1）
灯负载
100W
30W
1.5W/DC24（Y0、Y1以外）；0.9W/DC24V（Y0、Y1）
开路电流
——
1mA/AC100V；2mA/AC200V
0.1mA/DC30V
最小负载
DC5V 2mA
0.4V·A/AC100V；1.6V·A/AC200V
——
响应时间
OFF→ON
约10ms
1ms以下
0.2ms以下
ON→OFF
约10ms
最大10ms
0.2ms以下
回路隔离
继电器隔离
光电晶闸管隔离
光电耦合隔离
动作显示
LED灯亮
LED灯亮
LED灯亮

3.2 响度检测采集电路

我这次设计中间的响度截取点，采用的是将声音信号放大处理，转换成3Vpp左右的电平，通过多个电平的差异区分出不同响度的状态，从而输出开关量，最后与PLC模块进行匹配从而选取灯型。

响度检测采集电路图
3.3 频率检测采集电路
根据频率检测部分的电路如下图，主要利用了电容电感并联谐振获取频率，再添加去抖动电容得到较稳定的输出，保持较稳定的实效跟踪。

频率检测采集电路图
频率检测部分的电路图我们可以了解到，频率的截取是充分利用了电容与电感组合的谐振而实现预期目标的，根据LC振荡电路计算，当我们的声音频率接近200Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo1；当我们的声音频率接近500Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo2；当我们的声音频率接近800Hz时可经过电路的变换和滤波后得到较为稳定可靠不抖动的输出Vo3；我们这么做了之后，就能够得到不受外界影响的人性化程度高的，跨越波频段高、涵盖广的频率输出灯型，送由PLC进入灯型选择从而人性化地实现灯型的展现。
3.4 旋律检测采集电路
旋律的选取也是本次设计的核心亮点，它的选取比较之前的响度和频率而言的话是不一样的，它独特之处在于连续性好，它并不是点式而是连贯的波，经过整流后变得更缓和，再经过数模转换，变成可控的正弦波与标准三角波比较而得出了具备了占空比特性的PWM调制信号，可以直接用于驱动电路，而且PWM技术的引用，直接就是利用的软开关，对于资源的损耗具有不可比拟的优势；同时，使得系统具有高度的稳定性，和一定程度的抗衰老性。
旋律的选取总电路图下：

旋律检测采集电路图
首先经过0808进行模/数转换，获得标准的基准之，再经过0832进行模/数转换，获得受调的正弦波，最后与基准三角波比较而实现PWM调制，再允以驱动后续LED灯，通过开关通断时间而控制亮度，达到旋律控制亮度的目的。
3.5旋律PWM调制驱动电路
旋律的的PWM调制驱动电路是一个重要的小细节，一开始我是准备直接用旋律控制驱动的，但是高教授提醒了我，说现在先进的PWM技术可以很好地节省能源，而且PWM技术的引用，直接就是利用的软开关，对于资源的损耗具有不可比拟的优势；同时，使得系统具有高度的稳定性，和一定程度的抗衰老性。

旋律信号的PWM调制电路图
旋律的的PWM调制驱动电路是一个重要的小细节，获得的PWM脉冲调制信号，直接控制开关通断。
3.6 PLC主控电路
PLC是整个建筑灯饰控制系统的核心，所有执行机构都由PLC发出命令，PLC的输入、输出端子分配表如表4.1：
表3.6端子分配
输入设备
输入端子
输出设备
输出端子
总停止按钮SB1
X000
边框灯组1
Y000
旋律信号SA1
X001
边框灯2
Y001
频率低信号PNP
X002
边框灯3
Y002
频率中信号PNP
X003
“音乐”字灯
Y003
频率高信号PNP
X004
“茶厅”字灯
Y004
响度低信号PNP
X005
“音乐茶厅”字灯
Y005
响度中信号PNP
X006

响度高信号PNP
X007

开始按钮SB2
X010

PLC输入、输出端子接线图如图下所示。

PLC端子接线图
3.7 PLC软件设计
PLC通过FX2N-232-DB与外部声音检测电路相连，从而获得声音的各个要素的参数，经过比较分类，选出应有灯型。其一次循环判断的流程图如图下所示。
开始

读PLC程序

Y
响度3？

打开所有灯

Y
响度2？

打开1、2组框灯，关3组灯。

打开1组边灯，关2、3组边灯。

Y
响度1？

“音乐”字灭
Y
频率3？

Y
频率2？

“茶厅”字灭

频率1？
Y

“音乐茶厅”灭

结束

PLC中一次判断的流程图

PLC通过FX2N-232-DB与外部声音检测电路相连，从而获得声音的各个要素的参数，经过比较分类，选出应有灯型。其中旋律仅用来做灯的驱动，不直接介入单片机程序，具体梯形图如图下所示。

第四部分 结束语
本文主要阐述了从选题分析、到元件选取、到元件参数资料、到硬件电路设计、最后在将软件和硬件相结合，以及实现上下位机通信、监控等，真正实现了建筑灯饰自动化和能源节约、环保有机的结合到一块，在指导老师的精心指导和帮助下终于完成了整个题目的设计和论文的撰写工作。
本次的设计整个系统主要完成的工作有；
1、 获取声音信号，将声音信号转化为需求的电信号，并从中反映出声音的各个特性并截取生成PLC需求的开关信号。
2、 通过PWM调制技术控制开关的通断而减少能耗，从而省电、节能。
系统可进一步改进与完善：
1、配合时控，但是要计算成本下降的问题。
2、整个设计缺乏实际验真，应将整个设计应用到实际当中，这样才能判断检测系统的软硬件能否完美结合。

第五部分 致谢
在进行设计、学习的过程中经各科任课老师耐心教导，让我获得了丰富的专业知识，使我的专业能力大大提高。在论文编写过程中，
衷心感谢老师在这期间给予我们的无私帮助。感谢老师在百忙之中仍抽出时间和我们研究、讨论设计中所遇到的难点，直到我们找到解决问题的途径。另外，我还要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。
在这1个月的中，经常跟同学在一起学习、共同解决问题、交流思想和知识。与其说是学习，我更感觉到我们是在一起工作。这让我对不久之后即将参加的工作无限向往，我想我更未来同事的合作也会像跟他们合作一样快乐的。在整个设计期间我还向其他一些同学请教了很多问题，衷心感谢他们给予我的无偿帮助。
感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！
通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。
第六部分 参考文献
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[15]赵文博，刘文涛.单片机语言C51程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005:1-10.
附录
指令表：
0 LD X000
1 SET Y000
2 SET M0
3 LD X014
4 RST Y000
5 RST M0
6 LD X005
7 ANI T2
8 OUT T1 K20
11 LD T1
12 ANI T2
13 OUT T2 K20
16 LD X006
17 ANI X011
18 ANI X012
19 MOV K1 D100
24 LD X007
25 ANI X012
26 MOV K2 D100
31 LD X010
32 MOV K3 D100
37 LD X011
38 OUT Y005
39 LD X012
40 OUT Y006
41 LD X013
42 OUT Y007
43 LD M0
44 MPS
45 AND X001
46 MPS
47 LD X004
48 LD X005
49 AND T1
50 ORB
51 ANB
52 OUT Y001
53 MPP
54 LD X004
55 LD X005
56 ANI T1
57 ORB
58 ANB
59 OUT Y002
60 MRD
61 AND X002
62 OUT Y003
63 MPP
64 AND X003
65 OUT Y004
66 LD X014
67 PWM D100 K3 Y010
74 END