【电气工程及其自动化】基于三菱fx-2n plc的具有人机界面的智能家居定时控制器设计

本科生毕业设计（论文）基于三菱FX2NPLC的具有人机界面的智能家居定时控制器设计二级学院湛江师范学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111课题研究背景及意义112本设计的主要研究内容及实现目标22智能家居系统硬件设计321控制系统结构框图322智能家居控制系统的选择3221智能家居控制系统的方式及比较3222智能家居PLC控制系统的特点及优点3223智能家居PLC使用触摸屏控制的优点4224方案的确定523电机的选择524湿度传感器的选择625可燃性气体和烟雾检测传感器的选择7251MQ2型传感器的特性及主要技术指标726可编程序控制器PLC选择8261FX系列PLC性能比较8262FX系列PLC的环境指标8263FX系列PLC的输入技术指标9264FX系列PLC的选择1027触摸屏的选型1128光敏电阻仿接线图1229红外线接线图13210集成温度传感电路图14211可燃性气体检测线图14212电压比较器电路153控制系统主程序设计1531智能家居系统的控制要求1532PLCI/O端口分配1633系统程序流程图174智能家居控制系统软件程序1841顺序功能图的设计1842智能窗户程序18421智能窗户自动程序18422智能窗户手动程序1943室内系统程序2044安防系统程序215基于GXDESIGNER的仿真与调试2251登陆界面设计2252控制界面设计2253模拟开关控制界面设计2354程序的调试2455程序的仿真256结论与展望26参考文献27附录28致谢基于三菱FX2NPLC的具有人机界面的智能家居定时控制器设计摘要本设计采用三菱PLC和多种传感器实现对智能家居常规控制的基础上，利用人机界面对PLC进行控制，PLC可编程控制器发出的脉冲信号构成全家的智能控制管理，实现自动防盗、防雨、防煤气中毒等人性化的智能家居功能。关键词PLC；人机界面；传感器；智能家居；DESIGNACCORDINGTOTHEMANMACHINEINTERFACEOFMITSUBISHIFX2NPLCINTELLIGENCEHOMECONTROLSYSTEMABSTRACTTHISDESIGNADOPTSMITSUBISHIPLCANDVARIETYTOSPREADTHEFEELINGMACHINESREALIZATIONCONTROLSTOTHEINTELLIGENCEHOMENORMALREGULATIONSOFFOUNDATIONUP,MAKEUSEOFTHEPROGRAMMABLECONTROLLEROFPLCSENDSOUTOFTHEPULSESIGNALCONSTITUTETHEINTELLIGENCEOFWHOLEFAMILYCONTROLMANAGEMENTANDCARRYOUTANTITHEFT,RAINPROOF,ANTIGASPOISONINGANDOTHERINTELLIGENTHOMEFUNCTIOMKEYWORDSPLC；MANMACHINEINTERFACE；SENSOR；SMARTHOME1绪论11课题研究背景及意义20世纪80年代初,随着大量采用电子技术的家用电器面市,住宅电子化出现。80年代中期，将家用电器/通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为SMARTHOME,也就是现在智能家居的原型。智能家居最初的定义是这样的“将家庭中各种与信息相关的通信设备/家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术HBS连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视/控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。”HBS是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UNITEDTECHNO1OGIESBUILDINGSYSTEM）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（CONNETICUT哈特佛市（HARTFORD）的CITYPLACEBUILDING时，才出现了首栋的智能型建筑,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。最著名的智能家居要算比尔盖茨的豪宅。比尔盖茨在他的“未来之路”一书中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅。他描绘他的住宅是“由硅片和软件建成的”并且要“采纳不断变化的尖端技术”。经过7年的建设，1997年，比尔盖茨的豪宅终于建成。他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。智能家居SMARTHOME频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如电子家庭ELECTRONICHOME、EHOME、数字家园DIGITALFAMILY、家庭自动化HOMEAUTOMATION、家庭网络HOMENET/NETWORKSFORHOME、网络家居NETWORKHOME、智能化家庭INTE1LIGENTHOME等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。智能家居是IT技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度进展，通讯的自由化与高层次化、业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加此外在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通讯技术之成长，也促成了智能家居的诞生。目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。12本设计的主要研究内容及实现目标（1）研究内容1）电路模块设计与器件选型2）控制系统软件设计3）基于GTDESIGNER3软件的仿真（2）实现功能要求1）根据天气情况自动开关窗户、判断室内是否潮湿自动开关除湿器2）根据室内亮度及是否有人自动开关灯、室内温度超过设定值开启冷气3）判断室内是否危险气体超标，若是便发出警报并开防爆排气扇4）晚上睡觉时或外出时开启红外线感应，有人进屋便发出警报2智能家居系统硬件设计21控制系统结构框图图1控制系统结构框图22智能家居控制系统的选择221智能家居控制系统的方式及比较（1）PLC智能化高，逻辑控制可靠度高，具有通讯功能，占体积小，功耗小，输入输出不具有隔离功能，一个部件损坏，影响整体功能。（2）继电器，动作有寿命限制，一个元件故障可能造成整个系统崩溃，会将故障扩大化，成本最低，也最容易被伪劣产品冒充，可维修度最高，同时维修成本也低。（3）微机控制，原理上与PLC相同，PLC其实就属于微机的一种，但与PLC相比微机在运算速度、信号采集、通信及IO口多等方面更占优势，但相应的成本也高。微机控制可以采用单微机控制或多微机控制，但它的系统结构、互联方式、信息交换和出错恢复方面还存在很多技术难关。222智能家居PLC控制系统的特点及优点PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。输出端PLC输入端电源控制按钮湿敏传感器温敏传感器红外探测器温度开关其他电源通断指示灯声光报警信号电机驱动信号家电驱动信号烟雾传感器触摸屏RS232通讯端口PLC与普通微机一样，以通用和专用CPU作为字处理器，实现通道字的运算与数据存储。（1）可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线大大减少，与此同时，系统的维修简单。维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如。冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC有较高的易操作性，它具有编程简单。操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。PLC的硬件方面。采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件，对存储器内容的保护等。PLC的软件方面，也采用了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波，软件自诊断，简化编程语言等。（2）易操作性对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可以显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。由于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断。维修人员可以很快找到故障的部位。（3）灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用面拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变的十分容易。（4）具有联网功能在智能家居控制中采用PLC，用软件实现了对智能家居运行的自动控制，可靠性大大提高；去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化；PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；PLC可以进行故障自动检测与报警显示。提高运行安全性，并便于检修；更改控制方案时不需要改动硬件接线。最为重要的是随着智能家居的发展，更新添加设备不需要过多费用。223智能家居PLC使用触摸屏控制的优点触摸屏作为一种新型的人机界面，是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误。即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的IO点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能。相对的提高了整套设备的附加价值。224方案的确定通过比较选择，本设计采取了由PLC和触摸屏等多种其他设备组成的控制系统，可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系。由触摸屏向可编程控制器（PLC）发出起，停等信号。同时传感器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系。各种传感器传来信息，具体精确度可通过对可调电阻的调节实现。通过各种传感器的信息，对系统进行自锁和反馈，更加适合设计的理念。23电机的选择这里电机的选择主要用于窗户的开关，电机按电源供电方式可分为四种1、交流供电式电机。普通窗帘电机，特点是功率大，马力大。缺点是耗电大、噪音大、震动大、不节能，只能用于直轨道。主要应用于工程。2、直流供电式电机。相对交流电机，优点是体积小，振动小，噪音小，耗电小。缺点是马力小。主要应用于家庭和宾馆。3、电池供电式电机。近几年发展起来的一种新型电机，优点是采用普通干电池供电，耗电是普通电机的1/2000，节能环保，8节普通电池可以用12年，在欧洲、美洲、澳洲这几年得到大量的推广。4、太阳能供电式电机。完全采用太阳能电池供电，完全绿色产品，更加节能环保，电力完全来自于太阳的能量。充一天电，没太阳也能用一个月，寿命10年以上。是世界上最新的电机。目前在欧洲、美洲、澳洲得到很大的应用。综合上面的电机类型和我们的设计概念我们最终选择使用直流供电式电机，因为它体积小，振动小，噪音小，耗电小。在直流电机仲我们选择直流减速电机ZJ2008705,直流减速电机即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础上,加上配套齿轮减速箱齿轮减速箱的作用是,提供较低的转速,较大的力矩同时,齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩这大大提高了。表1性能参数表空载NOLOAD负载LOAD制动BREAK型号TYPE额定电压VOLTV电流CURENTA转速SPEEDR/MIN转向ROTATION电流CURENTA转矩TORQUENM转速SPEEDR/MIN电流CURENTA转矩TORQUENMCCW8538496ZJ2008702123100120CW8538410016030ZJ200870324151601844431431609030ZJ2008704360450CW11546ZJ20087052415156CW2934751ZJ20087062415151179CW5314717324湿度传感器的选择HONEYWELL公司的HIH3610湿度传感器是为大批量OEM设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP封装。线形放大电压输出，驱动电流200微安，器件一致性好1。湿度传感器HIH3610主要性能（1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路；（2）3针可焊塑封；（3）宽量程0100RH非凝结，宽工作温度范围4085；（4）高精度2RH，极好的线形输出；（5）5VDC恒压供电，0839VDC放大电压输出；（6）低功耗设计200微安驱动电流；（7）激光修正互换性；（8）快速响应15秒；（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能。5VHIH3610VOUT图2HIH3610引脚图25可燃性气体和烟雾检测传感器的选择图3气敏元件的结构图MQ2气敏元件的结构和外形如图25所示结构AORB,由微型AL2O3陶瓷管、SNO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流3。251MQ2型传感器的特性及主要技术指标1MQ2型传感器的一般特点1MQ2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。2MQ2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。3MQ2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。4电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压502V。2MQ2型传感器的特性参数1回路电压VC524V；2取样电阻RL0120K；3加热电压VH502V；4加热功率P约750MW；5灵敏度以甲烷为例R0AIR/RS01CH45；6响应时间TRES10秒；7恢复时间TREC30秒2。26可编程序控制器PLC选择261FX系列PLC性能比较FX系列PLC性能比较如表2所示8表2FX系列PLC主要产品的性能比较型号I/0点数基本指令执行时间功能指令模拟模块量通信FX0S10301636S50无无FX0N241281636S55有较强FX1N1412805507S177有较强FX2N16256008S298有强262FX系列PLC的环境指标FX系列PLC的环境指标如表3所示表3FX系列PLC的环境指标环境温度使用温度0550C，储存温度20700C环境湿度使用时3585RH（无凝露）防震性能JISC0911标准，1055HZ，05最大2G,3轴方向各2次但用DIN导轨安装时为05G抗冲击性能JISC0912标准,10G,3轴方向各3次抗噪声能力用噪声模拟器产生电压为1000伏峰峰值、脉宽1S、30100HZ的噪声绝缘耐压AC1500V,1MIN接地端与其他端子间绝缘电阻5M以上（DC500V兆欧表测量，接地端与其他端子间）接地电阻第三种接地，如接地有困难，可以不接使用环境无腐蚀性气体，无尘埃263FX系列PLC的输入技术指标表4FX系列PLC的输入技术指标项目FX1SFX1NFX2N和FX2NC运算控制方式存储程序，反复运算I/O控制方式批处理方式（在执行END指令时），可以使用I/O刷新指令基本指令055微秒/指令07微秒/指令008微秒/指令运算速度应用指令37微秒/指令数百微秒/指令152数百微秒/指令程序语言逻辑梯形图和指令表，可用步进梯形指令来生成顺序控制指令程序容量内置2KB步内置8KB步内置8KB用存储盒可达16KB步基本、步进基本指令27条，步进指令2条指令数量应用指令85条89条128条I/O设置最多30点最多128点最多256点表5FX系列PLC的输入技术参数输入电压DC24V10元件号X0X7其他输入点输入信号电压DC24V10输入信号电流DC24V,7MADC24V,5MA输入开关电流OFFON45MA35MA输入开关电流ONOFFUR时，输出为高电平UOH。图B为其传输特性。图9电压比较器电路3控制系统主程序设计31智能家居系统的控制要求1、智能窗户在其他传感器传送信号到来时候能够自动的开关窗。2、可燃性气体和烟雾检测在检测到可燃性气体和烟雾达到一定浓度时开启防爆排气扇并响警报。3、自动开关灯根据设定的亮度和判断客厅是否有人存在，当天色暗到设定的亮度时自动开启电灯。4、红外线感应在夜晚睡觉时开动防盗，红外线感知开启，当有人经过中断就会发出警报。5、点停功能每个电器可以手动控制关闭一些不使用的功能。6、急停功能整个系统能通过一个按键来实现急停，停止整个系统的运作。32PLCI/O端口分配PLCI/O端口分配如表7所示表7系统I/O接口资源配置表元件名作用元件名作用X000系统启动信号Y000窗户开关电机正转X001系统停止Y001窗户开关电机反转X002窗台光敏信号输入Y002排气扇启动X003窗台湿度信号输入Y003警报启动X004窗台左限位开关输入Y004客厅电灯启动X005窗台右限位开关输入Y005除湿器启动X006窗户红外线输入Y006冷气启动X007客厅光敏信号输入Y007X010门口红外线输入Y010X011厨房危险气体信号输入Y011X012客厅湿度信号输入Y012X013客厅红外线输入Y013X014安防红外线启动输入Y014X015温度信号启动输入Y015X016点动窗户开关电机正转Y016X017点动窗户开关电机反转Y017X020窗户开关手动控制X021窗户开关自动控制X022自动开关灯中断33系统程序流程图系统运行室内运行室内亮度是否足够室内是否有人是否开启电灯否是温度是否超过设定是室内是否有人是开启冷气否室内是否潮湿否是开除湿器否窗户系统是否晴天开启窗户是否是是否有雨是关闭窗户否安防系统危险气体是否超标是开排气扇否开启警报安防启动是否有阻断信号是否否图10系统程序流程图4智能家居控制系统软件程序41顺序功能图的设计采用SFC（SEQUENTIALFUNCTIONCHART）顺序功能图语言用于编制复杂的顺序控制程序，利用这种编程方法能够比较容易地编写出复杂的顺序控制顺序，从而提高了工作效率，对于程序调试也极为方便。根据职能家居设计特性，设置顺序功能图如下图10所示图11顺序功能图42智能窗户程序421智能窗户自动程序在按下启动按钮后，窗户自动控制当感测判断是晴天、阳光好的时候，打开窗户让室内空气与外面对流。当在感知为雨天或者阳光不好时，自动关上窗户。422智能窗户手动程序当不需要自动开关窗户的时候，可以使用人工点动开关，符合人性化。43室内系统程序该系统在主要通过电子器件的检测来完成的，通过相应的电子传感器送过来的信号来实现对其他器件的启动。44安防系统程序5基于GXDESIGNER的仿真与调试51登陆界面设计三菱触摸屏中设置登录密码认证，可以有限的阻挡其他人的随意操作，保证了监护系统的稳定可靠性。另外，简洁的登录页面能让用户快速地掌握操作流程，在登录界面显示维修号码，方便如果仪器出现故障能联系维修。图12触摸屏登陆界面52控制界面设计输入密码后进入触摸屏主界面，主界面分为两个板块，一边为控制面板，一边为运行状态，监控状况简单明了，如下图所系图13触摸屏控制界面53模拟开关控制界面设计进入自动控制界面，可以看到各个软件的运行状态，当系统出现局部故障时可以从模拟开关中快速判断问题所在，如下图所示图14触摸屏模拟开关控制界面54程序的调试541调试的方法程序调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。主要方法如下一、回溯法排错。确定最先发现错误症状的地方，人工沿程序的控制流往回追踪源程序代码，直到找到错误或范围。二、归纳法排错。是一种系统化的思考方法，是从个别推断全体的方法，这种方法从线索（错误征兆出发），通过分析这些线索之间的关系找出故障。分4步（1）收集有关数据。收集测试用例，弄清测试用例观察到哪些错误征兆，以及在什么情况下出现错误等信息。（2）组织数据。整理分析数据，以便发现规律，即什么条件下出现错误，什么条件下不出现错误。（3导出假设。分析研究线索之间的关系，力求找出它们的规律，从而提出关于错误的一个或多个假设，如果无法做出假设，则应设计并执行更多的测试用例，以便获得更多的数据。（4）证明假设。假设不等于事实，证明假设的合理性是极其重要的，不经证明就根据假设排除错误，往往只能消除错误的征兆或只能改正部分错误。证明假设的方法是用它解释所有原始的测试结果，如果能圆满地解释一切现象，则假设得到证明，否则要么是假设不成立或不完备，要么是有多个错误同时存在。三、演绎法排错。设想可能的原因，用已有的数据排除不正确的假设，精化并证明余下的假设。四、对分查找法。如果知道每个变量子啊程序内若干个关键点上的正确值，则可用赋值语句或输入语句在程序中的关键点附近“注入”这些变量的正确值，然后检查程序的输出。如果输出结果是正确的，则表示错误发生在前半部分，否则，不妨认为错误在后半部分。这样反复进行多次，逐渐逼近错误位置。542调试过程中遇到的问题PLC程序和触摸屏程序写完后，进入程序调试阶段，在这过程中遇到下列的一些问题（1）只有检查到有毒气体时才出现报警信号，红外线检测时没报警。原因编写程序是出现双线圈输出。解决办法支路合并，实现单线圈输出。（2）停止后不能返回。原因程序复位，没有跳转步。解决办法用JUMP跳转到初始步。（3）仿真的时候有时按下触摸屏上的键时，没有反应，检查PLC程序和触摸的程序都没错。原因经上网查询及阅读一些有关资料，确定是电脑硬件的问题，有时因为电脑的反应速度与仿真软件的读取速度不同步，导致有时按下按钮的时候PLC读取不了该动作。解决办法暂时还没找到有效的解决办法，只有在仿真的时候，对着PLC时序图来按键，如果发现有问题，就多按一次。55程序的仿真在GXDEVELOPER打开PLC程序，点击“梯形图逻辑测试起动”按钮，进入PLC程序仿真，再打开GTSIMULATOR，打开触摸屏程序，入系统调试仿真，观察并记录现象，如图54是职能家居处于风扇排毒气的工作状态图15触摸屏仿真界面6结论与展望本设计采取了由PLC和多种其他设备组成的控制系统，人工手动触摸屏启动，可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系。从而向各个设备发出起，停等信号。同时传感器也将工作状态信号送给PLC，形成