基于PLC的电子密码锁毕业论文设计.docx

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基于PLC的电子密码锁毕业论文设计

基于PLC的电子密码锁毕业论文设计

摘要

本毕业设计介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。

采用松下公司系列的PLC,设计了一个简单的密码锁控制系统。

密码锁控制系统通过了可编程序控制器来控制和实现开锁和报警过程。

可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。

现已广泛应用于工业生产所控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序的方式进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

本文从经济实用的角度出发，结合外围的矩阵键盘输入、LED液晶显示、报警、开锁等，用C语言编写主控芯片的控制程序,设计了一款可以多次更改密码，具有报警功能的电子密码控制系统。

这种电路设计具有防试探按键输入、智能控制上锁、开锁、报警、修改密码等多种功能。

密码保密性强、灵活性高.

该设计采用松下公司的系列可编程控制器。

系列有被已在国内广泛使用的系列代替的趋势。

我们在这里有必要详细介绍松下的系列可编程控制器的性能指标,硬件组成和指令。

PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术,更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置,设计控制系统。

该设计为密码锁自动控制的PLC控制，主要介绍了密码锁自动控制系统的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试,控制系统PLC程序。

最后，在该设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师、同学，在此表示衷心的感谢。

由于在设计过程中存在许多不足，希望老师和同学给我指出，我会及时改正。

本设计主要介绍密码锁的设计和原理.

关键词:

可编程控制器;密码锁;梯形图；交流接触器；电磁

1绪论………………………………………………………………………………………。

1

1。

1PLC的历史由来………………………………………………………………………1

1。

2PLC的硬件组成…………………………………………………………………….。

..2

1。

3PLC的软件组成………………………………………………………………………2

2。

5电子密码锁的应用…………………………………………………………………。

5

2.6PLC的应用克服电子密码锁缺陷…………………………………………………..5

5.2设计步骤………………………………………………………………………………16

1绪论

1。

1PLC的历史由来

一种新型的控制装置，一项先进的应用技术,总是随着工业生产的实际需要而产生的。

在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务,可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器柜，且占据大量的空间。

继电器运行时又产生大量噪声，消耗大量电能。

1968年，美国通用汽车公司为改造汽车生产设备的传统控制方式，解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题,提出著名的技术指标并在社会上公开指标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用控制器,它具有以下特点：

1、编程简单，可在现场方便的编辑及修改程序

2、价格便宜,性价比要高于继电器控制系统

3、体积要明显小于继电器控制柜

4、具有数据通信功能

5、输入可以是AC115V

6、输出为AV115V、2A以上

7、硬件维护方便，最好是插件式结构

8、扩展时，原有系统只需做很小改动

于是可编程控制器应运而生,1969年，美国数字设备公司根据上诉要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP—14，并在GM公司的汽车生产线上应用成功,取得了显著的经济效益。

当时,人们把它称为可编程逻辑控制器.

1969年，第一个把PLC商品化的是美国哥德公司，型号为084。

1971年，日本从美国引进了这项技术,研制出日本第一台可编程控制器DSC—8。

1973-1974年,德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司于1973年研制出欧洲第一台PLC，型号为SIEAT1CS4。

我国从1974年开始研制PLC，1977年开始应用于工业。

1。

2PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出（I/O）模块、电源、编程器等组成。

硬件基本结构图如下1.2—1所示:

图1.2—1PLC硬件基本结构：

1.3PLC的软件组成

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合。

它包括系统程序和用户程序.系统程序又包括监控程序、编译程序、诊断程序等。

软件基本结构图如下1.3-1所示：

图1.3-1软件基本结构图

2电子密码锁的背景

2.1密码锁的发展

随着社会物质财富的日益增长和人们生活水平的提高，安全成为现代居民最关心的问题之一。

而锁自古以来就是把守门户的铁将军,人们对它要求甚高,即要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。

据有关资料介绍,电子锁得研究从30年代就开始了，在某些特殊场所早就有所应用。

研究这种锁的初衷，是提高锁的安全性，因为电子锁的密码钥量（密码量）极大,可以和机械所配合，避免因钥匙被仿制而出现的问题。

在安全性极高的前提下，他的另一个特点是无需钥匙却被越来越多的人所欣赏。

因为电子锁只需要记住一组密码，无需携带金属钥匙,免除了人们的烦恼，电子所得种类繁多，从大的方面讲可能有数十种，例如数码锁、指纹锁、卡片锁、磁卡锁、生物锁等等。

但是能谈的上实用一些或者大众化一些的还是按键式电子密码锁,这是一种操作方式类似于银行取款机式的电子锁，通过键盘上的数码按键依次输入一组密码,如果密码与内部已约定的密码相同,则输出一个电信号，以驱动电磁铁或者小马达将门闩打开，完成一个开锁过程。

2。

2电子密码锁的概念

电子锁是采取电子电路控制,以电磁铁或者卫星电机和锁体作为执行装置的机电一体化锁具,相比传统的机械锁具，电子锁不适用金属钥匙，保密性、精度都有很大提高.电子所得发明思路，源自古代发明的自动机械，例如古希腊数学家赫伦的液压自动门，中国古代诸葛亮的木牛流马,它们以重力或蒸汽压力驱动,最广泛的用途乃是用在古代木道德地下机关。

电子工业的诞生，使得一微小电量驱动机械成为可能，于是有了电子锁一日潜力的跃进。

2。

3电子密码锁的性能特点

1．保密性好:

编码量多,远远大于弹子锁.随机开锁成功率几乎为零。

2．密码可变：

用户可以经常更改密码,防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。

3.误码输入保护：

当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。

4。

电子密码锁操作:

简单易行，一学即会。

5.干扰码功能:

在输入正确密码前可输入任意码.

6。

安保功能：

　如果连续输错4次密码将会自动断电3分钟。

7。

紧急开启功能:

出门时无需其他操作，只需一次的把手动作，可机械的开启门，所以遇到火灾等应急状况下也迅速，安全的开启门。

8。

入侵感应功能：

在门上锁的状态下，有人破锁而入时，会发出强力的报警音。

9.火灾报警功能:

在室内如果温度达到75°左右，将会发出强力的报警音,同时锁自动开启。

10.双重锁定功能:

外部强制锁定，在内部不能开启，适用于外出时，防止有人入侵.内部强制锁定，在外部不能开启，让您在家时更安心、安全。

11.弱电提醒当电量不足时：

在启动开门时，会有美妙的音乐提示您及时更换电池。

12.自动上锁功能:

采用全自动锁芯，门关后6秒内自动上锁，外出更加安全。

13。

外部显示功能：

当密码输入错误,锁舌没正常锁到位,室内反锁，弱电等情况下，外部都有提示功能。

2。

4电子密码锁的电路组成部分

（1）字密码输入电路

（2）控制电路

（3）显示电路

2.5电子密码锁的应用

（1）主要应用于保险箱

（2）金库，大型仓库

（3）运钞车

2.6PLC的应用克服电子密码锁缺陷

PLC控制密码锁的设计，克服了机械式密码锁的密码量少,安全性能差的缺点,是密码锁无论在技术上还是技能上都有了很大的提高。

以前的密码锁，不但总类少，而且密码设计简单,很容易被破解，安全性能很是不高，并且接线比较复杂，可靠性也比较低,功耗高，灵活性低.只要忘记密码，就要重新解锁，开锁甚至于换锁。

密码锁的设计本来是为了保护我们的安全，为我们的日常生活带来便捷，但是机械式的密码锁一旦毁坏却是很麻烦的。

从1977年开始,PLC开始逐渐应用到我国各工业内，从而使PLC走到了密码锁，改进了以往密码锁的缺陷,为我们带来了方便。

现在的密码锁有如下几个特点：

1.保密性好,编码量多

2。

密码可变，可经常更换密码，防止密码被盗

3.将PLC程序灌入密码锁内，遗忘密码时也方便找回

4.密码输入保护,输入多次不正确会立即报警

5.操作简单，一学就会

3PLC的结构和工作原理

3.1PLC的基本结构

PLC实质是一种用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同.根据结构形式的不同,PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。

3。

2整体式结构的PLC

整体式结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在一起。

基本结构框图如图3。

2-1所示。

图3。

2—1整体式结构

电源

中央处理器

系统总线

输入/输出单元

存储器

编程器

3。

3模块式结构的PLC

模块式结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线想到联系。

基本结构框图如3.3-2所示

图3.3-2模块式结构

编程器

其他PLC或上位机

现场设备

电源模块

CPU

模块

通信

模块

输入模块

输出模块

殊功功能模块

机架

3.4PLC各组成部分介绍

（1）中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑"。

它按PLC中系统程序赋予的功能,接受并存储从编程器键入的用户程序和数据。

用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据,并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中.它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。

通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。

其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等.

（2）存储器

根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器.

系统程序存储器：

用来存入软件的存储器.系统程序相当于计算机操作系统,是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的,并固化到ROM里，用户不能修改其内容。

用户程序存储器：

用来存放用户根据控制要求编制的程序。

不同类型的PLC，其存储容量也不一样。

数据存储器:

用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。

因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。

（3）输入/输出单元

输入/输出单元是PLC与外部设备连接的纽带.输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。

输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。

对输入/输出接口的要求：

良好的抗干扰能力，对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。

（4）电源部分

不同型号的PLC有不同的供电方式,所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流.

（5）编程器

编程器是PLC的一个重要外围设备，用它将用户程序写入PLC用户程序存储器。

它一方面对PLC进行编程，另一方面又对PLC的工作状态进行监控。

几乎每个PLC厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC.它还可以在线检测程序的运行情况.在出现故障时，通过编程器可能很方便的找出错误。

（6）特殊功能单元

主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。

随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。

PLC程序设计梯形图如下：

3。

4-3PLC程序设计梯形图：

3。

5基本指令

2.5.1LD/LDI指令：

LD和LDI指令是连接在母线连接的触点。

表示操作开始.LD是常开触点,LDI是常闭触点。

2.5.2AND/ANI指令：

AND和ANI指令是串联连接的触点，AND是常开触点，ANI是常闭触点.

2.5。

3OR/ORI指令：

OR和ORI指令是并联连接的触点，执行逻辑“或”的功能.OR是常开触点,ORI是常闭触点。

2.5.4OUT指令：

OUT指令执行逻辑输出的功能，条件成立时为ON，条件不成立时为OFF.

2。

5。

5ANB/ORB指令：

ANB完成支路间的串联的功能，用于执行支路之间“于"操作；ORB完成支路间的并联的功能，用于执行支路之间“或”操作.

2。

5。

6比较指令：

CMP（Compare）的功能指令编号为FNC10，16位运算占7个程序步，32位运算占13个程序步。

2.5.7传送指令：

MOV的功能号为FNC12，它是将源操作数的内容传送目标操作数。

2。

5。

8四则逻辑运算指令

（1）二进制加法指令ADD

ADD的功能号为FNC20,它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相加,然后运算结果传送到指定的目标操作数中。

（2）二进制减指令SUB

SUB的功能号为FNC21。

它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相减，然后运算结果传送到指定的目标操

（3）二进制乘法指令MUL

MUL的功能号为FNC22。

它是作数中将源操作数S1和S2中的16位二进制数相乘，然后运算结果传送到指定的目标操作数为首地址的软元件中。

（4）二进制除法指令DIV

DIV的功能号为FNC22.它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相除，然后运算结果传送到指定的目标操作数D中,余数传送到D+1中。

4PLC在密码锁里的应用

4.1PLC在密码锁里的控制

1、由输入点输入密码，要开启一定要按照之前输入的设定值，才能驱动PLC的Y0输出。

2、各输入/输出点配置由设计人员配置

3、将启动按钮按下即可开始使用。

4、当设定输入密码按钮为ON时，表示可以设定密码值，由数字键设定输入值,数字键可以重复输入,最少为9位数.

5、当设定输入密码按钮为OFF时,表示可以开始由数字键输入密码进行开锁。

6、当确认键为ON时，表示开锁密码值与设定值开始比较。

7、密码比较错误，错误灯亮起，表示输入错误，之后按下清除钮清除输入值后可以重新输入，输入错误3次即无法输入。

8、输入正确密码时，则驱动正确指示灯,表示开锁成功。

9、要更改密码设定值时，按下清除清除按钮，之后再按下启动/重新输入按键即可重新使用.

10、输入错误密码3次后，则无法再输入。

若想重新输入使用，需先将重置按键按下重置清楚后，再按启动/重新输入按钮，重新启动后即可重新输入。

图4。

1—1PLC在电子密码锁应用程序

4。

2循环扫描技术

PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段,输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

扫描过程如下图所示。

图4.2-2一个扫描周期

在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元.

4。

2.1执行程序阶段

在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据存储器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

这一阶段执行完后,进入输出阶段。

在这个程序执行中,输入信号的状态和数据保持不变。

4.2。

2输出阶段

在这个阶段中,PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上,并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。

4。

3PLC的输入/输出响应时间

I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也不同。

下面就给出了最短和最长响应时间.

最短响应时间：

一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短.考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。

最短响应时间如下图所示。

最长响应时间：

在一个扫描更完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应。

这时响应时间最长如下图所示.

图4。

5-3最短响应时间

输入

输出

一个扫描周期

|←最短响应时间→|

最长响应时间：

在一个扫描更完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化,要等到下个扫描周期才能得到响应。

这时响应时间最长如下图所示。

图4.5-4最长响应时间

一个扫描周期

输入

输出

｜←最长响应时间→|

5PLC控制系统设计原则和设计步骤

5。

1设计原则

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。

PLC控制系统的设计应遵循以下原则：

（1）根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制要求。

（2）在满足控制要求的前题下，尽量减少PLC系统硬件费用。

（3）考虑到以后控制要求的变化,所以控制系统设计时应考虑到PLC的可扩展性。

（4）控制系统使用和维护方便、安全可靠。

5。

2设计步骤

一般PLC控制系统的设计步骤如图1-3所示，具体操作如下：

（1）控制要求分析

在设计PLC控制系统之前,必须对工艺流程进行细致的分析,详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己要完成的任务，设计出令人满意的控制系统.

（2）确定I/O设备

根据控制要求选择合理的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等）。

并根据选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。

（3）选择合适的PLC

确定PLC的点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择.选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。

（4）PLC程序设计

本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程.首先把工艺流程分为若干阶段,确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备,还有不同阶段之间的关系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。

（5）I/O点数分配

点数分配就是PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。

（6）模拟调试

程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求.

（7）现场联机调试

现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。

在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求.

（8）整理技术文件

这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。

图5。

2—1设计步骤示意图

开始设计

控制要求分析

确定I/O设备

选择合适的PLC

I/O点数分配

PLC程序设计

模拟调试

现场联机调试

整理技术文件

设计结束

6密码锁控制系统设计

图6-1计数器格式示意图

6。

1在设计密码锁之前,需要明白计数器的原理

6。

1。

1计数器书写格式：

（1）FEO型PLC初始设置计数器为C100—C143。

此序号可用系统寄存器重新设置。

设置时应注意TM和CT前后序号错开。

同一程序中同序号的计数器只能使用一次,而对应的敞开常闭触点可使用无数次.

（2）计数器有两个输入端，时钟端CP和复位端R，分别有两个输入触点控制.时钟输入端脉冲和复位端脉冲均为上升沿起作用，输入端R比脉冲端CP优先权高。

（3）计数器设置值即为计数器初始值，与定时器一样，该值只能是1-32767中任意十进制数，书写时前面一定要加“K”字母，同样,计数器的设定值和经过值也用同一型号的SV和EV来存放。

（4）计数器为减一计数，每来一个时钟脉冲,计数器减一，直至减至为零,此时计

数器各对应的触点开始动作，常闭触点断开，常开触点闭合。

（5）当R端接通时，计数初始化，对应触点断开，计数器复位，重新开始计数。

6.1。

2懂得密码器报警源

图6.1-2报警程序图

指令如下:

LDX4

ORX5

ORY1

LDIX0

OUTY1

当开锁人误按按钮SB4（X4）、SB5（X5）时线圈（交流接触器）Y1得电，Y1常开闭合自锁,报警器不断报警。

6.2密码锁控制系统的控制要求

控制要求：

（1）SB7为起动按键，按下SB7才可进行开锁,

（2）SB1、SB2、SB3为可按压键，开锁条件:

SB1设定按压次数为3次，SB2设定按压次数为2次，SB3设定按压次数为6次,如此按下方可打开，

（3）SB4、SB5为禁按钮，一按就会报警，

（4）SB6为复位按钮，按下开锁作业，

（5）SB8停止按钮。

6。

2.1密码锁控制系统的工作流程示意图如图6.2-3所示

图6。

2—3密码锁控制流程图

6。

2。

2设备控制要求

密码控制系统的要求是能实现“正常运行"和“复位停止”两种控制方式。

1.正常运行

“正常运行”方式具体控制要求如下：

（1）按下SB7启动密码控制系统

（2）按SB1三下,按下SB2两下，按下SB3六下，密码锁开.

注意:

密码只有一个,要顺序按下按钮SB1SB2SB3,才能开锁。

2复位停止

“停止复位”方式具体控制要求如下：

（1）若按下“停止”按扭SB8，操作过程停止，系统失电,要操作从新按下SB7,开始操作.

（2）在输入密码过程中，如果出现错误,这时就要复位从新操作，此时按下SB6,重新输入密码，有三次机会进行开锁操作，达到3次输入错误的密码报警器开始报警。

密码锁面板图：

3。

报警系统

在操作过程中，如果误按SB4或SB5，系统就会报警，警报声长鸣，通知主人,这是密码锁防盗报警系统。

6。

3密码锁控制系统的PLC选型和资源配置

6。

3。

1控制系统结构梯形图

图6.3—4密码锁控制系统梯形图

6.3。

2梯形图编程语言

PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。

PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。

梯形