PLC电子时钟设计Word格式文档下载.docx

1、数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。第一章 PLC的概要70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PLC（programmable controller）。 本章作为基础主要介绍PLC的由来及发展，以及它的特点与应用，在学习之前首先明白它的一些基础知识，以便为下面的学习打下基础。1.1 PLC的由来1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制

2、器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmable logic controller）。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）。但由于PC容易与个人计算机（personal computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数

3、字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。第二章PLC控制系统的概要本章将详细介绍PLC控制系统的硬件和原理，要设计一个PL

4、C控制系统，首先要掌握它的硬件结构和工作原理，然后才能进行程序设计。本章作为控制系统的核心，我们要掌握控制系统的原理和步骤，以便为下面的设计打下基础。2.1 PLC控制系统的组成及各部分的功能2.1.1 系统组成 PLC系统由CPU运算和控制中心，存储器，输入/输出接口，编程器等组成。2.1.2 PLC控制系统的各部分的功能1. CPU中央处理器cpu起“心脏”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数

5、据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2.存储器 具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口（1）输入接口光电耦合器由两个

6、发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路 。工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭

7、合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。表2-1 三种类型对比 继电器输出 有触点 寿命短 频率低 交直流负载 晶体管输出 无触点 寿命长 直流负载 晶闸管输出 交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。2.2 PLC控制系统的基本工作原理2.2.1 PLC的工

8、作方式PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式。1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。2.2.2 PLC与继电器控制系统、微机区别1PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“

9、串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”，后者工作方式是“待命或中断”。2.3 PLC的编程2.3.1 PLC的编程方法 PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。2.3.2 PLC的编程语言及特点1. PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言等等。2. 梯形图语言特点：（1）每个梯形图由多个梯级组成。（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数

10、次。（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。2.4 PLC系统的主要参数及分类2.4.1 PLC的主要参数用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数，移位指令占2个字。数据操作指令占24个字。2.4.2 PLC系统的分类 1整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种

11、结构。 2模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修。第三章 数字显示电子钟的硬件设计 本章重点 熟悉集成电路的引脚安排，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。了解数字钟的组成及工作原理。3.1 PLC控制的设计的一般步骤1设计指标时间以24小时为一个周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间，计时过程具有报时功能，当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时，为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。 2设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）。 元器件及参数选择。 电路仿真与调试。 3制作要求 自行装配和调试，

12、并能发现问题和解决问题。 4编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。3.2 PLC控制的硬件接口用PLC实现电子钟的硬件接口，显示器采用七段LED显示器，共接入两组共8位，其中第一组（上面）4位用来表示小时、分,从左至右分别表示月的十位、月的个位、日的十位、日的个位。采用BCD码驱动器CD4511把PLC输出的月、日、时、分等显示BCD码变换成对应的显示器所要求的7段驱动信号。图中秒信号输出为1Hz方波，可作秒点闪动信号，与电子手表中的秒点闪动相同，表示在走时图中的时信号输出为一脉冲，表示整点小时时刻到的定时脉冲信号，可作控制用，如每小时放一次音乐控制。3.3 数

13、字电路CD4511的原理（引脚及功能）331数字电路CD4511的原理 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 3-1 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B

14、1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300

15、的限流电阻。 图3-1 CD4511引脚排列其功能介绍如下 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。3.3.2 CD4511的引脚 CD4511是一

16、个用于驱动共阴极 LED （数码管） 显示器的 BCD 码七段码译码器，具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。图3-2 CD4511的引脚 3.3.3 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电

17、平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3。 图3-3 8421 BCD 码（1）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（2）消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如表3-4所示。 表3-4 CD4511真值表输 入 出LEBILIDCBAabcdefg显示X18消隐2345679锁 存锁存 消隐输出J的电平为 J=（C+B）D+BI 如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）/D 据上式，当输入BCD代码从1010-1111

18、时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。 CD4518/CC4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；若用CLK信号上升沿触发，触发信号由CLK端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。 CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数