摘要:针对当前室内直流LED灯控制系统存在无法调节亮度，且室内无人时灯仍以高亮状态浪费电能的缺点，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。首先介绍了系统总体控制的原理、控制系统的硬件设计;然后介绍了PLC程序和触摸屏程序的设计;最后搭建了控制系统的实验平台，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。实验结果表明:新型室内智能节能灯控制系统，不仅能提供不同的亮度氛围;而且当室内无人时，LED灯可以以较低的亮度点亮，节约了电能。
关键词:节能;光敏电阻;三菱PLC;PWM调压;触摸屏
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、5VLED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;5VLED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5V、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0～5V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5VLED灯呈现不同的亮度。
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(24V供电)，信号线接到PLC的X0口，用于检测室内是否有人;24V开关电源电路用于提供24V直流电压，给触摸屏和三菱PLC供电。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0～10V，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5V、频率为1kHz、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0～1000［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0．5V，同理，设为900时，表示设置的占空比为90%，那么输出电压将为4．5V。
3PLC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。
3．1PLC程序设计。所设计的PLC流程图如图3所示。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D8033，5VLED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5VLED灯的灯光亮度［5］。
3．2触摸屏程序设计。触摸屏程序画面设计如图4所示。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、24V开关电源、触摸屏、光敏电阻采样电路、5VLED灯、5V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，5VLED灯不点亮，处于熄灭状态。
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，5VLED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，5VLED灯以较暗的亮度点亮。由图7、图8的实验结果可以看出:当外界光照强度弱、室内有人时，使用者可以对5VLED灯的点亮亮度进行灵活控制，从而提供不同的亮度氛围。
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，5VLED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，5VLED灯以很暗的亮度点亮。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5VLED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。
作者:余长伟 孙春虎 刘子杰 王飞 朱茵 单位:巢湖学院电子工程学院