基于PLC控制系统的自动补光灯的设计与应用.docx

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1、摘要近年来，随着城市化进程的深入，节能减排政策不断出台，新能源照明系统逐渐成为城市的首选。本文以P1C与TMS320F2812作为主控器件，对自动补光灯系统进行了研究设计。设计中的补光能源可来源于风力发电和光伏发电，安全经济。本文通过系统硬件及软件的设计，实现了自动补光灯照明系统。硬件系统主要实现了P1C与TMS320F2812的通讯连接，系统主电路连接以及驱动电路的连接，并通绘制出电路图。软件部分实现通信程序、主程序以及电池供电程序等的设计。最后通过软硬件结合进行运行测试，表明该自动补光灯照明系统能够实现正常的照明功能，且能够稳定运行，从而达到设计的预期效果。本文设计的照明系统具有节约能源、

2、自动补光的优点，具有一定的应用价值。关键词：自动补光灯；P1C；风力发电；光伏发电摘要I1绪论11.1研究背景11.2研究意义12自动补光灯的照明系统结构22.1 典型的自动补光灯照明系统配置22.2 风力发电部分22.3 光伏发电机组43自动补光灯的硬件系统62.4 1P1C与TMS320F2812的通讯62.5 2TMS320F2812最小系统73.3S7-200与TMS320F281最小系统的连接方式93.4系统恒流充电主电路103.5主控制电路113 .6大功率驱动电路134系统软件设计144 .1通信协议145 .2系统主程序的设计156 .3电池充电子程序167 .4系统发电控制子

3、程序178 .5电压电流的模数转换18结论19致谢错误!未定义书签。参考文献201绪论1.1研究背景随着现代社会的快速发展，可再生能源的不断开采，造成现有储存量的不断减少，成为人类社会发展的一大重要问题。而且现在能源消费依然以传统的不可再生资源为中心。大量的化石燃料燃烧排出的C02气体和有毒污染物质增加，世界性的气温上升，降雨量分配不平衡，冰河融化导致海面上升等问题发生，对人类社会的生存环境和生态系统的平衡产生了严重的影响。所以以近年来世界各国都在为能源而发愁，传统能源的储备量已经远远供不上一个国家的发展，而且传统能源的使用也对环境产生了很大的负担，对大气污染造成严重污染，所以现在各个国家都在

4、加大力度发展新能源，国家将新能源发展放在首位，不断出台各种政策鼓励一些企业以及科学家发展。在各大新能源中风能和太阳能最为常见,而且想比之下虽然其建造成本有点高之外，其它优势还是比较明显，所以近年来世界各国风力发电和光伏发电的也得到了快速发展。1.2研究意义现在，我国正采用的是市电网络的供电方式进行电力传输。以往的照明需要埋设电缆布线，而且照明线多，且长，所以在这中情况下需要加装变压器等电力装置，所以就使得电力传输成本变高，而且输电线路也有太多不稳定性，给电力供给系统带来巨大麻烦。所以相比于旧的电力传输，新光源不但能量转换效率上大大提高，虽然在成本上有所提高，但从长远角度看来有利于可持续发展，而

5、且还在节能减排上有显著变化。所以可以代替了传统的电力传输。本文旨在通过对自动补充光灯控制系统的研究，再结合风能和太阳能达到补充优势，为我国照明系统提供稳定可靠的电能。自动补充灯可以减少对电网的依赖，实现自动发电,储电，供电等一系列程序，不但可以节约国家资源还可以改善城市的面貌，同时让社会经济效益得到显著提高。风力发电机控制器路灯蓄电池组2自动补光灯的照明系统结构2.1 典型的自动补光灯照明系统配置以自动补充系统为基础的照明系统由于电能的产生和利用方式不同。我们可以将其分为两部分一是由市电网统一分配给道路的照明的共网型。另外一种是直接将产生的电能预先保存在蓄电池中，然后在供电系统中需要电能时打开

6、放电开关由电池供给照明的独立供电方式。但是，不管是什么形式的供电方式，其关键仍然是电能的有效利用，是独立供电系统由市电网以外独立的产生电能并且有效利用方式。如图2.1所示，目前，自动补充光灯照明系统的典型结构已经在该基础上进行了研究。光伏电池图2.1自动补全系统的典型配置框图2.2 风力发电部分2.2.1 风力机的分类和输出特性水平轴风力涡轮的旋转轴与风向平行，许多水平轴风力涡轮通过改变风向实时改变风的位置，容易受到风向影响。垂直轴风力涡轮的旋转轴垂直于风向。这种方法设计简单，机翼不需要改变风向来调节风的位置，但速度慢，建筑成本高。图2.3示出了垂直轴风力发电机风力发电机是通过调整风力机和发电

7、机的转速获得最大的输出功率，驱动发电机产生电能，如图2.4所示在图2.4中，是风力涡轮开始旋转时的风速，V2为额定功率下的风速，保护风速。风速在VI以下的情况下，风力涡轮不旋转。风速超过VI时，风力涡轮开始运转，使发电机旋转发电，将输出的电力供给电池，装载或保存备用。当电池端子电压达到预先设定的电压值时，该开关将根据预编码的控制程序自动切换。由此，将系统放入闭环稳定电路进行控制。可以很好地充电和利用电池。2.2.2 风力发电机及其功率特性曲线交流发电机一般分为同步发电机和异步发电机两种。同步发电机的运行速度由其极对数和运行频率决定。异步发电机的运行速度可以根据实际情况自由调整。价格便宜，一般比

8、配置相同的现代电机贵。根据励磁方式，异步发电机分为感应发电机、永磁发电机和自激发电机。这个系统的风力涡轮机是小型的近代直接驱动的永久磁铁发电机。图2.5示出了风力涡轮的特性功率曲线会出现先增大后减小的情况。最大输出在中间会达到一定的速度。这是进行风力发电系统最大功率点监视的基本基础。图2.5风力发电机的输出根据旋转速度而变化从图2.5中，可以看出当使用特定算法监视风力涡轮的最大功率点时，在采样时，不需要测量风力发电机的旋转速度和输出功率，仅需要测量风力发电机的转速度。如果采用直接运动（风力发电机和发电机），风力发电机的转速与发电机的转速应相同。2. 3光伏发电机组2.3.1太阳能电池的能量转换

9、原理和分类光伏电池主要由P型半导体和N型半导体构成，以光伏效应为原理进行能量转换的光电元件，然后经过太阳光照后将光能转化为电能，当太阳光照射到P-N结上时，产生电子一空穴对。如图2.6所示阳光图2.6太阳能结构示意图太阳能电池主要分为：晶体硅太阳能电池；硅薄膜太阳能电池；硒光电池;化合物太阳能电池等几大类。2.3.2太阳能电池的等效电路把利用P/N结光生伏特效应做成的理想等效电路图，将光照下的P-N结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流1R为外载荷。这个等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流1,其中一部分用来抵消结电流1另一部分即为供给负载的电流IRo如图2

10、.73自动补光灯的硬件系统3. 1P1C与TMS320F2812的通讯P1C其实是建立在单片机之上的产品，而且P1C也单片机应用系统的一个特例。单片机属于一种芯片，在有些时候配合外围电路可以来设计各种功能，在有ARM之前，多数的小型的P1C都是用单片机来作为CPU。这次系统主要是以TMS320F2812为核心，由于单片机使用的输出是串行输出ITn1电平，而P1C自由串行输出口RS-485信号接口,所以可以通过A89C51的串行口与MAX485芯片相连,然后与S7200的RS-485口进行通信.单片机的串行通信线RXD和TXD通过电路转换为RS-485信号和P1C通迅。3. 图3.1TMS320

11、与S7200连接示意图4. 1.1RS-485的概要与特点RS-485是一个物理接口，简单来说是一个硬件。它通常采用两线制与四线制，但是现在更多是使用两线制方式其接线方式如图3.1所示。而且RS-485用的通信方式是半双工，数据传输方式为差分式传输又叫平衡传输。RS-485,平衡传输，抗干扰强，可多机并联，主从通讯，只需要单5V电源，一般可传输1000米，半双工，是常用的数字通信的方式。图3.2RS-485网络接线图3. 1.2S7-200系统P1C的概述S7-200P1C系统是一种紧凑型可编程序控制器。其主要结构特点如图3.3所示它能够满足各种自动控制设备的控制要求。S7-200除了具有P1

12、C一些基本的控制功能外，还有一些其它的功能包括了各种独特的指令集，其中包括了：逻辑指令、复杂数学运算指令、PID指令、以及字符串指令、时钟指令等一些通讯功能。S7-200的通讯功能已经远远超过了小型P1C的整体通讯水平。所有的西门子S7-200P1C系列的CPU都包括在两种类型中，分别是DC:DC:DC和AC:DC;继电器和两种，这两种继电器输出电压基本都是输出电压基本为220V交流或者为24V直流。西门子P1CS7-200是属于SMIATICS7系列中的一个小型可编程控制器，适用于控制自动化。S7-200的使用范围可以简单到灯的控制也可以复杂自动化控制，其应用领域相当大o它基本覆盖所有与自动

13、检测、自动化控制的有关领域。图3.3S7-200P1C系统主要结构特点3.2TMS320F2812最小系统TMS320F2812的最小系统电路由TMS320F2812芯片、3OM晶体振荡器、电源电路、电容器、电阻器、传感器构成。特别是为了接收DSP,需要接收端口，所以配置有14针JTAG模拟接口。设计芯片电源电路时，必须将模拟接地和数字接地连接到电感器上，将电源线和地线连接到地线上。图3.4示出了TMS320F322的最低系统配置。ADCIN接口是负责控制器与外部信息的连接、完成从模拟系统向数字转换与外部串行通信的通信接口。(1)内核供电电路TMS320F2812芯片正常工作需要3.3V电压和

14、1.8V内核电压。DSP的控制输出受到电压稳定性的影响。这个系统设计选用的是最高精度的TPS677D318oTPS677D318的输入电压请求为+5V。在芯片正常运行后，可输出恒定电压。图3.5是电源发生电路。（2）串行通信电路串行端口（SCI）是异步串行通信接口，用于经由两个信号线（也称为UART）交换数据。TMS320F322包括两个SCI通信系列，即SCIA和SCIB,其中可以选择其中一个。在SCI通信期间，数据传输和接收在16级FIFO中进行，发射机和接收机具有独立的运动比特和中断标志比特，并且可以在全双工和半双工模3.3S7-200与TMS320F281最小系统的连接方式该文选择的单

15、片机为TMS320F281DSP机型，P1C系统选用了S7-200,其中P1C与TMS都可以采用串行异步通信,而且P1C与单片机都可以采用RS-485半双工的通信方式,所以本文通过其两者都具有的串行通信接口RS-485相通信,然后P1C通过梯形图，单片机通过C语言进行汇编语言使其融合连接在一起如图3.7图3.8TMS320与S7-200连接示意图2自动补充光灯系统由风力与光伏两个发电组等构成的。通过A/D转换模块将采集到的风力发电机输出的电压与光伏电池输出的电压，传入控制器当中，又通过计算出对应的PWM脉冲信号输入到驱动电路将信号放大到控制开关电路实现充放电控制。(1)同时有风和光照下：风力发电机和光伏电池同时向蓄电池提供电能。(2)有风没有太阳：光伏发电机组处于停止状态，蓄电池只能接收到风力发电机提供的电能。(3)无风有太阳：风力发电机停止工作，光伏发电机继续向蓄电池进行电力传输(4)没有风也没有太阳：风力发电机和光伏发电机组都处于休眠状态，都不产生电能，停止向蓄电池传输电能。3. 4系统恒流充电主电路能量转换的过程控制主要由系统恒流充电主电路来进行，如图3.9所示。主电路主要由3个MoS开关管（QI、Q2、Q3）和Boost电路构成。3.53.6 主控制电路3.7 .1直流电流采样电路信号采样