自动窗控制系统课程设计.docx
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自动窗控制系统课程设计
摘要
自动窗控制系统作为智能家居中的一个重要部分，在我国才刚刚兴起，但其发展前景广阔。
为此研究与设计自动能窗控制系统具有深远的现实意义。
本文主要阐述了基于PLC的自动窗控制系统的设计。
本系统使用作为光照检测传感器，实现了根据光照自动调节，手动调节或上位机远程遥控窗户的开度大小。
通过实际硬件连线最终仿真出自动窗的工作原理及过程，对自动窗有了更深的了解。
关键词
自动窗智能家居光敏二极管PLC
Abstract
AutomaticwindowscontrolsystemisoneoftheimportantpartinSmarthouse,inourcountryisjustemerging,butithaveagooddevelopmentinthefuture.Soresearchanddesignhavetheprofoundrealisticsignificanceofautomaticwindowcontrolsystem.ThispapermainlyexpoundsthedesignoftheautomaticWindowsbasedonPLCcontrolsystem.Thissystemisusedphotosensitivediode,realizedaccordingtothelightautomaticadjustment,manualadjustmentorPCremotecontrolofthewindowopeningsize.Basedontheactualhardwareattachment,theworkingprincipleoftheprocessisobtainedbysimulation,hadadeeperunderstandingofautomaticWindows.
Keywords:
automaticWindowsSmarthousephotosensitivediodePLC
目录
1引言1
1.1课题背景1
1.2课题的研究工作1
2方案的介绍2
2.1几种常见控制方式介绍2
2.2PLC的介绍和使用3
3系统硬件设计6
3.1控制系统组成6
3.2PLC的选择7
3.3光控测光电路8
3.4窗户及窗帘框架构造设计8
3.5PLC输人、输出口分配9
3.6自动窗控制系统输人/输出接线9
4系统软件设计10
4.1系统运行过程10
4.2组态仿真10
5系统调试14
5.1调试环境14
5.2调试步骤15
5.3调试结果15
总结16
致谢17
附录一PLC接线图19
附录二梯形图21
1引言
本章阐述了基于PLC控制的感光自动窗帘系统的市场价值、研究背景、国内外的现状、以及发展方向，明确指出了PLC控制的感光自动窗帘系统所面临的问题及一些解决方案。
1.1课题背景
生活在提高，时代在进步，人类在向文明迈进，不同的时代对居住空间、环境有不同的要求，这是社会的必然潮流。
自动窗帘遥控系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的档次，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关，以调节室内的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。
所以该产品能形成大规模生产，很快会普及全国市场，产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。
遥控自动窗帘系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。
遥控自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。
遥控自动窗帘只用一台电脑就能控制和监测住房的窗帘开关问题，给人们日上生活带来极大的方便。
这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。
同时，遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。
在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。
1.2课题的研究工作
智能家居系统是一个大的社会系统工程，我们应当加快我国智能家居标准化进程。
自动窗帘系统作为智能家居中一个很重要的部分，需要在我国智能家居这一领域，建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。
让自动窗帘系统在我国并不是远在天边，而是近在眼前。
现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两种形式居多。
就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。
利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现完全的自动化，没的摆脱对人的依赖作用。
而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完全断电而且增加遥控功能，也增加了成本，售价也相应提高。
窗帘机的控制方式大体上有三种：
声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而难以实施和普及。
因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。
本次课程设计利用组态王软件开发上位机控制界面、PLC作为主要控制器件，来完成该系统的设计。
2方案的介绍
2.1几种常见控制方式介绍
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：
继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
（1）继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的。
继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。
系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
（2）单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。
要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。
（3）工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。
但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。
且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
（4）可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。
随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。
由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。
因此，本次设计选用可编程序控制器控制作为主控制器。
2.2PLC的介绍和使用
2.2.1PLC概述及国内外情况
PLC（ProgrammablelogicController）可编程逻辑控制器，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，用于其内部存储程序，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。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
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。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
2.2.2PLC的工作原理
PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷心三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
2.2.3PLC的特点
可靠性高，抗干扰能力强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，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。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、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，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2.4PLC的发展、趋势及未来张望
发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
2.2.5PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3系统硬件设计
可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。
因此，将可编程控制器应用于窗自动控制系统，完全能满足控制要求。
且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。
3.1控制系统组成
该自动控制系统主要完成窗户及窗帘的自动控制。
本系统由以下几部分组成：
电源、PLC、RS232串口、光敏二极管、电机、微动开关、上位机等。
PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的电信号是否有效确定自动窗运行指令的输出。
系统结构示意图如图3-1所示。
图3-1自动窗帘系统结构示意图
该窗及窗帘控制系统中，PLC分别控制电动机正反转实现窗户及窗帘的拉开和关闭。
窗控制器可通过上位机组态软件进行远程遥控；也可实现窗户及窗帘手动开、关控制；还可以根据室外环境亮度实现自动控制。
该自动窗控制系统结构框图如图3-2所示。
图3-2系统结构框图
3.2PLC的选择
该自动窗控制系统设计实际需要输入12点，输出6点，PLC主控制器采用欧姆龙CPM1A型PLC。
这种机型的PLC配有相应的编程软件CX-Programmer进行编程及监视，不仅可以通过手持编程器对PLC编程，也可在个人PC机上进行编程。
在自动运行过程中，可通过程序内部辅助继电器的状态监控系统运行状态，现场调试十分方便。
PLC的一般结构如图3-2所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。
（1）中央处理单元（CPU）
与通用计算机中的CPU一样。
PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。
CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。
（2）存储器
存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。
（3）I/O模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。
输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。
通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。
（4）电源模块
输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。
它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。
3.3光控测光电路
.光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
常见的有2CU、2DU等系列。
光敏二极管如图3-3所示。
本设计选用发射极输出形式的光检测电路，电阻R11可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同。
光控检测电路由D7（光敏二极管）、Q2、R11和R12组成，利用PLC的0.11输入通道完成对环境亮度的测试工作。
光控检测电路如图3-4所示。
图3-3光敏二极管图3-4光控检测电路
3.4窗户及窗帘框架构造设计
微动开关是一种施压促动的快速转换开关，因为其开关的触点间距比较小，故名微动开关，又叫灵敏开关。
微动开关工作原理是：
外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作簧片上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。
当传动元件上的作用力移去后，动作簧片产生反向动作力，当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作。
微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。
其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。
本系统选用SZM-V型微动开关，其额定电压:
125-250（V），额定电流10A，机械寿命:
10（万次）。
窗户及窗帘框架构造设计相似，都包括微动开关连接电路设计和窗架的制作与设计。
本设计中的微动开关安装在窗帘滑杆上，当窗帘移动到预定位置时，触动微动开关，使PLC检测到信号，此时电机停转，窗帘停到指定位置。
窗帘框架构造如图3-5所示。
图3-5窗帘框架构造
3.5PLC输人、输出口分配
输入/输出地址分配如表1
表1自动窗帘控制系统输入/输出地址分配
输入
输出
窗帘停止按钮S1
0.00
窗帘电机正转K1
10.00
窗帘打开按钮S2
0.01
窗帘电机反转K2
10.01
窗帘关闭按钮S3
0.02
窗帘运行指示灯
10.02
微动开关上SQ1
0.03
窗户电机正转K3
10.03
微动开关上SQ2
0.04
窗户电机正转K4
10.04
窗户停止按钮S4
0.05
窗户运行指示灯L1
10.05
窗户打开按钮S5
0.06
窗户关闭按钮S6
0.07
微动开关上SQ3
0.08
微动开关上SQ4
0.09
手动与自动运行模式选择S5
0.10
光照检测输入
0.11
3.6自动窗控制系统输人/输出接线
PLC接线图见附录一。
4系统软件设计
4.1系统运行过程
电气系统组成以后，为了实现最优控制，还需精心编制PLC的控制程序。
在PLC的控制程序中，需要进行处理的逻辑信号首先是室外光照强度检测信号，该信号用来控制窗及窗帘的开闭形式，同时还可通过按钮完成窗及窗帘的手动控制，实现窗及窗帘任意位置启停控制。
其次还要检测每个行程开关的信号，通过对这些输入信号的处理，给出相应的运行状态显示和信息处理。
上位机组态软件实时监控自动窗控制系统运行状态，并摇控实现窗及窗帘任意位置启停控制。
所有这些控制信号的给出，都是PLC根据各种输入信号通过控制程序处理实现的。
PLC程序流程图如图4-1所示。
这些程序之间必须协调一致、判断合理，才能完成自动窗的整体控制。
根据自动窗所要实现的功能以及PLC顺序执行程序的特点，编写PLC的梯形图程序。
PLC的梯形图见附录二所示。
图4-1PLC程序流程图
4.2组态仿真
组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindows
升级会员 