ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０２１.０２.０３１
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余长伟ꎬ孙春虎ꎬ刘子杰ꎬ王㊀飞ꎬ朱㊀茵
(巢湖学院电子工程学院ꎬ安徽巢湖㊀２３８０００)
摘㊀要：针对当前室内直流ＬＥＤ灯控制系统存在无法调节亮度ꎬ且室内无人时灯仍以高亮状态浪费电能的缺点ꎬ基于触摸屏和三菱ＰＬＣ设计了一种智能室内节能灯控制系统ꎮ首先介绍了系统总体控制的原理㊁控制系统的硬件设计ꎻ然后介绍了ＰＬＣ程序和触摸屏程序的设计ꎻ最后搭建了控制系统的实验平台ꎬ分别进行了外界光照强度强时实验ꎬ外界光照强度弱㊁室内有人时实验和外界光照强度弱㊁室内无人时实验ꎮ实验结果表明：新型室内智能节能灯控制系统ꎬ不仅能提供不同的亮度氛围ꎻ而且当室内无人时ꎬＬＥＤ灯可以以较低的亮度点亮ꎬ节约了电能ꎮ关键词：节能ꎻ光敏电阻ꎻ三菱ＰＬＣꎻＰＷＭ调压ꎻ触摸屏 中图分类号:ＴＭ４６㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０２１)０２－０１０２－０３
ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＩｎｄｏｏｒＥｎｅｒｇｙ－ＳａｖｉｎｇＬａｍｐＢａｓｅｄｏｎＰＬＣ
ＹＵＣｈａｎｇ－ｗｅｉꎬＳＵＮＣｈｕｎ－ｈｕꎬＬＩＵＺｉ－ｊｉｅꎬＷＡＮＧ㊀ＦｅｉꎬＺＨＵ㊀Ｙｉｎ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈａｏｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ㊀２３８０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｄｏｏｒＤＣＬＥＤｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｎｏｔｐｒｏｖｉｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓꎬｔｈｅｌｉｇｈｔｓａｒｅｓｔｉｌｌｌｉｔｗｉｔｈｈｉｇｈｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｗｈｅｎｔｈｅｒｅｉｓｎｏｏｎｅｉｎｔｈｅｒｏｏｍꎬｗｈｉｃｈｗａｓｔｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ.Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｉｓꎬａｓｍａｒｔｉｎｄｏｏｒｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｌａｍｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎａｎｄＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＰＬＣｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎻｔｈｅｎꎬｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬａｓｗｅｌｌａｓｄｅｓｉｇｎ
ｏｆｔｈｅＰＬＣｐｒｏｇｒａｍａｎｄｔｈｅｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎｐｒｏｇｒａｍꎻｆｉｎａｌｌｙꎬｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔꎬａｎｄｓｅｖｅｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｓｅａｒｅꎬｗｈｅｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｓｓｔｒｏｎｇꎬｗｈｅｎｔｈｅｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉ￣ｔｙｉｓｗｅａｋａｎｄｔｈｅｉｎｄｏｏｒｈｕｍａｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔꎬａｎｄｗｈｅｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｓｗｅａｋａｎｄｗｉｔｈｎｏｉｎｄｏｏｒｈｕｍａｎ.Ｔｈｅｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｉｎｄｏｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｌａｍｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓａｔ￣ｍｏｓｐｈｅｒｅｓꎻｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｗｈｅｎｔｈｅｒｅｉｓｎｏｏｎｅｉｎｔｈｅｒｏｏｍꎬｔｈｅＬＥＤｌｉｇｈｔｓｃａｎｂｅｌｉｔｗｉｔｈａｌｏｗｅｒｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓꎬｔｈｅｒｅｂｙｓａｖｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇꎻｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒꎻＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＰＬＣꎻＰＷＭｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎꎻｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎ
０㊀引㊀言
当前ꎬ室内直流ＬＥＤ灯已得到广泛应用ꎬ它不仅美观㊁可靠ꎬ而且较传统交流灯能显著的降低功耗ꎮ但是ꎬ当前的直流ＬＥＤ灯ꎬ也存在明显的缺点[１]ꎮ(１)当夜晚房间有人点亮时ꎬ灯亮度不可调节ꎬ无法提供不同的亮度氛围ꎮ(２)当夜晚房间长时间无人时ꎬ灯仍以很高的亮度点亮ꎬ浪费电能ꎮ
针对室内直流ＬＥＤ灯以上两点的不足ꎬ基于三菱ＰＬＣꎬ设计了一种智能节能灯控制系统ꎮ系统可以设置光照强度㊁有人时灯光亮度和无人时灯光亮度ꎬ既能实现室内有人时的灯光亮度调节控制ꎬ以满足不同的亮度氛围需求ꎬ又能实现室内无人时的灯光亮度
调节控制ꎬ以降低灯光亮度ꎬ达到节能的效果ꎮ
１㊀控制原理
控制系统结构框图如图１所示ꎬ它由触摸屏㊁光敏电阻采样电路㊁三菱ＰＬＣ㊁５ＶＬＥＤ灯和光电开关组成ꎮ
光敏电阻采样电路的采样电压送到ＰＬＣ的Ａ/Ｄ采样口ꎻ触摸屏与ＰＬＣ进行双向的数据通信ꎬ同时进行显示和控制ꎻ光电开关用于检测室内是否有人ꎬ接ＰＬＣ的Ｘ输入口ꎻ５ＶＬＥＤ灯用于模拟室内直流ＬＥＤ灯ꎬ受ＰＬＣ的ＰＷＭ输出口控制ꎮ
恶劣的太阳
ＰＬＣ的ＰＷＭ输出口可输出幅值为５Ｖ㊁占空比
为０％~１００％的矩形波ꎬ根据Ｂｕｃｋ电路斩波原理[２]ꎬ可得ꎬ该端口可以输出０~５Ｖ的电压信号ꎬ相当于１
２０１ 设计与开发㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
２０２１年第２期(第３４卷ꎬ总第１７２期) 机械研究与应用
∗收稿日期:２０２１－０２－０１
基金项目：国家级大学生创新创业项目：一种基于ＰＬＣ的节能路灯控制系统(编号:２０１９１０３８００２０)ꎻmesh自组网
国家级大学生创新创业项目：一种智能蓄电池组充放电装置(编号:２０１９１０３８００２１)ꎻ安徽省高校优秀青年人才项目计划：一般项目(编号:ｇｘｙｑ２０１９０８３)ꎻ
巢湖学院校级科研产学研专项项目：小型四旋翼无人机的自适应模糊协同控制(编号:ＸＬＹ－２０１７０８)ꎮ
作者简介：余长伟(１９９８－)ꎬ男ꎬ安徽巢湖人ꎬ研究方向：电气与自动化ꎮ
路Ｄ/Ａ通道输出端口ꎮ只要控制矩形波的占空比ꎬ就可控制输出电压ꎬ从而让５ＶＬＥＤ灯呈现不同的亮度
ꎮ
图１㊀控制系统结构框图
２㊀硬件设计
控制系统硬件电路如图２所示ꎮ由于光敏电阻输出的是电阻信号ꎬ因此需要对其进行信号转换ꎬ从而转换为电压信号ꎮ而当光照增强时ꎬ光敏电阻的阻值变小ꎻ当光照减弱时ꎬ光敏电阻的阻值变大ꎬ因此ꎬ应当采样电阻Ｒ０两端电压ꎮ这样当光照增强时ꎬ采样电压变大ꎻ当光照减弱时ꎬ采样电压变小ꎬ两者满足线性的正比例关系ꎬ方便系统处理ꎬ同时符合实际情况[３]ꎮ
如图２ꎬ光敏电阻和电阻Ｒ０串联在５Ｖ电压源静水天平
上ꎬ电阻Ｒ０两端的电压作为采样的电压信号送到ＰＬＣ的ＡＤ０㊁ＧＮＤ口ꎻ触摸屏与ＰＬＣ采用ＲＳ２３２总线通信ꎻＰＬＣ的ＰＷＭ㊁ＧＮＤ口控制５伏ＬＥＤ灯的亮度ꎻ光电开关的黑线为信号线㊁蓝线和棕线为电源线(２４Ｖ供电)ꎬ信号线接到ＰＬＣ的Ｘ０口ꎬ用于检测室内是否有人ꎻ２４Ｖ开关电源电路用于提供２４Ｖ直流电压ꎬ给触摸屏和三菱ＰＬＣ供电
ꎮ
图２㊀控制系统硬件电路
㊀㊀ＡＤ０通道采样的电压信号ꎬ经１２位Ａ/Ｄ转换后ꎬ变为数字量存储在ＰＬＣ数据寄存器Ｄ８０３０中ꎮ
采样的电压信号范围为０~１０Ｖꎬ经Ａ/Ｄ转换后对应的数字量范围为０~４０９５ꎬＰＬＣ读取Ｄ８０３０值就可以对采样电压数据进行处理ꎮ
ＰＬＣ的ＰＷＭ端口可输出幅值为５Ｖ㊁频率为１
ｋＨｚ㊁占空比可调的矩形波信号ꎬ占空比设置存储在数据寄存器Ｄ８０３３中ꎬ设定值范围为０~１０００[４]ꎮ例如ꎬ设为１００时ꎬ表示设置的占空比为１０％ꎬ那么输出电压将为０.５Ｖꎬ同理ꎬ设为９００时ꎬ表示设置的占空比为９０％ꎬ那么输出电压将为４.５Ｖꎮ
３㊀ＰＬＣ程序和触摸屏程序设计
根据系统的控制原理ꎬ并在硬件电路的基础上ꎬ进行了系统软件设计ꎬ包括ＰＬＣ程序设计和触摸屏程序设计ꎮ
３.１㊀ＰＬＣ程序设计
所设计的ＰＬＣ流程图如图３所示
ꎮ
桥梁建设图３㊀ＰＬＣ程序控制流程图
㊀㊀如图３ꎬ当外界光照强度大于等于ＰＬＣ触摸屏设置的光照强度时ꎬＰＬＣ复位Ｍ１０和Ｄ８０３３ꎬ５ＶＬＥＤ灯熄灭ꎻ当外界光照强度小于ＰＬＣ触摸屏设置的光照强度时ꎬＰＬＣ置位Ｍ１０ꎬ此时若室内有人ꎬＰＬＣ将有人时的灯光亮度值Ｄ４送到Ｄ８０３３中ꎬ若此时室内无人ꎬＰＬＣ将无人时的灯光亮度值Ｄ１２送到Ｄ８０３３中ꎻＤ４值和Ｄ１２值均可改变ꎬ从而可以灵活控制５ＶＬＥＤ灯的灯光亮度[５]ꎮ
３.２㊀触摸屏程序设计
触摸屏程序画面设计如图４所示
ꎮ图４㊀触摸屏程序画面
㊀㊀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ꎬ并存储在数据寄存器Ｄ０中ꎬ大于阈值时ꎬＬＥＤ灯熄灭ꎬ小于阈值时ꎬＬＥＤ
灯点亮ꎻ也可以对有人时的灯光亮度进行设置ꎬ并存
３０１ 机械研究与应用 ２０２１年第２期(第３４卷ꎬ总第１７２期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与开发
储在数据寄存器Ｄ２中ꎻ还可以对无人时的灯光亮度
进行设置ꎬ并存储在数据寄存器Ｄ８中[６]ꎮ
４㊀实㊀验
在软硬件设计的基础上ꎬ搭建了室内节能灯控制系统的实验平台ꎬ并分别进行了外界光照强度强时实验㊁外界光照强度弱㊁室内有人时实验和外界光照强度弱㊁室内无人时实验ꎮ
４.１㊀系统实验总图系统实验总图如图５所示ꎮ系统包括：光电开关㊁ＰＬＣ工控板板㊁２４Ｖ开关电源㊁触摸屏㊁光敏电阻采样电路㊁５ＶＬＥＤ灯㊁５Ｖ电源㊁编程计算机ꎮ
４.２㊀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ꎬ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ꎬ５ＶＬＥＤ灯不点亮ꎬ处于熄灭状态
ꎮ
图５㊀系统实验总图㊀㊀图６㊀外界光照强度高时的
实验结果
４.３㊀外界光照强度弱㊁室内有人时实验
图７为外界光照强度弱㊁室内有人㊁灯光亮度设置为９０％时的实验结果ꎬ由结果可看出：此时ꎬ５ＶＬＥＤ灯以很亮的亮度点亮ꎮ图８为外界光照强度弱㊁室内有人㊁灯光亮度设
置为２０％时的实验结果ꎬ由结果可看出：此时ꎬ５Ｖ
ＬＥＤ灯以较暗的亮度点亮ꎮ
㊀图７㊀设置值为９０％时的实㊀图８㊀设置值为２０％时的
验结果
实验结果
㊀㊀由图７㊁图８的实验结果可以看出：当外界光照
强度弱㊁室内有人时ꎬ使用者可以对５ＶＬＥＤ灯的点亮亮度进行灵活控制ꎬ从而提供不同的亮度氛围ꎮ
４.４㊀外界光照强度弱㊁室内无人时实验
图９为外界光照强度弱㊁室内无人㊁灯光亮度设置为８０％时的实验结果ꎬ由结果可看出：此时ꎬ５Ｖ
ＬＥＤ灯以较亮的亮度点亮ꎮ图１０为外界光照强度弱㊁室内无人㊁灯光亮度设
置为１０％时的实验结果ꎬ由结果可看出：此时ꎬ５Ｖ体育看台
ＬＥＤ灯以很暗的亮度点亮ꎮ
图９㊀设置值为８０％时的实㊀图１０㊀设置值为１０％时的
验结果
实验结果
㊀㊀由图９㊁图１０的实验结果可以看出：当外界光照强度弱㊁室内无人时ꎬ使用者同样可以对５ＶＬＥＤ灯的点亮亮度进行灵活控制ꎮ当设置的灯光亮度值较
低时ꎬ耗电量较小ꎬ即可达到室内无人时的节能控制
效果ꎮ
５㊀结㊀语
基于触摸屏和三菱ＰＬＣꎬ对一种智能室内节能灯控制系统的软硬件进行了设计ꎬ并搭建了实验平台及实验ꎮ较传统ＬＥＤ灯控制系统ꎬ不仅能提供不同的亮度使用氛围ꎬ同时还能达到室内无人时的节能控制效果ꎬ具有一定的实用和参考价值ꎮ参考文献:
[１]㊀方益树.风光互补直流ＬＥＤ路灯照明系统的设计[Ｊ].铜陵学院
学报ꎬ２０１３ꎬ１２(５):１１０－１１２.
[２]㊀王兆安.电力电子技术[Ｍ].北京：机械工业出版社ꎬ２００９.
机器人模型制作[３]㊀张㊀佳ꎬ蔡㊀涛ꎬ王高原.基于光敏电阻的传感器实验设计与实现[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０２０ꎬ３７(１１):４２－４７.[４]㊀深圳市恩昱科技有限公司.ＦＸ２Ｎ－２０ＭＴ系列ＰＬＣ工控板使用
说明书[Ｚ].２０１７.
[５]㊀李金城.三菱ＦＸ２ＮＰＬＣ功能指令应用详解(修订版)[Ｍ].北
京：电子工业出版社ꎬ２０１８.
[６]㊀赵剑威.触摸屏技术及其在堆垛机系统中的功能应用[Ｊ].起重
运输机械ꎬ２０２０(２１):８１－８４.
４０１ 设计与开发㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年第２期(第３４卷ꎬ总第１７２期) 机械研究与应用
