基于PLC控制的数字显示电子钟毕业设计 精品Word格式.docx
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今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。
1.2.1PLC的功能
1．PLC系统一般由以下基本功能构成：
·
多种控制功能·
数据采集、存储与处理功能·
通信联网功能·
输入/输出接口调理功能·
人机界面功能·
编程、调试功能控制功能逻辑控制：
PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。
定时控制：
它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：
接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
计数控制：
用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。
顺序控制：
在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
2．数据采集、存储与处理功能数学运算功能：
基本算术：
加、减、乘、除。
扩展算术：
平方根、三角函数和浮点运算。
比较：
大于、小于和等于。
数据处理：
选择、组织、规格化、移动和先入先出。
模拟数据处理：
PID、积分和滤波。
3．输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。
位数和精度可以根据用户要求选择。
具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。
4．通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。
如西门子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
5、人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。
允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。
实现人机界面功能的手段：
从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
6、编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
1.2.2可编程控制器的主要特点
1．可靠性高PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。
2．模块化组合灵活可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。
I/O从8～8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。
3．功能强PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。
基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。
复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。
4．编程方便PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。
新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。
5．适应工业环境PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
这是PLC产品的市场生存价值。
6．安装、维修简单与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。
使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。
然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。
一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。
7．运行速度快随着微处理器的应用，使PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。
8．PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
PLC系统与工业总线计算机和DCS系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。
促进了工业的进步。
PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。
1.3PLC的结构与工作过程
1.3.1PLC系统组成及各部分的功能
一．系统组成。
CPU运算和控制中心，存储器，输入/输出接口，编程器，
二．各部分的作用。
1．CPU运算和控制中心
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。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
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3~5年。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个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。
三种类型：
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：
无触点、寿命长、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。
1.3.2PLC的基本工作原理
一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
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，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。
二．PLC与继电器控制系统、微机区别
1．PLC与继电器控制系统区别
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。
前者用“软件”，后者用“硬件”。
2．PLC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”
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”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
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。
1.3.3主要技术性能
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2~4个字。
1.3.4PLC的分类
按结构分类：
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。
1.4PLC的应用与发展
1.4.1PLC的发展趋势
1.向小型化、专业化、低成本方向发展;
2.向大容量,高速度方向发展;
3.智能型I/O模块的发展;
4.基于PC的编程软件取代编程器;
5.PLC编程语言的标准化;
6.PLC通信的易用化;
7.组态软件与PLC的软件化;
8.PLC与现场总线相结合
1.4.2PLC的应用领域
PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。
PLC的应用范围可分成5种类型。
（1）顺序控制
如印刷机械、包装机械、机床装配生产线及电梯控制等。
（2）运动控制
PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
（3）过程控制
PLC还能控制大量的过程参数，如温度、流量、压力和液位。
一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
（4）数据处理
在机械加工中,PLC作为主要的控制与管理系统可以完成大量的数据处理工作。
（5）通信网络
第2章PLC控制的数字显示电子钟
2.1设计目的
1.熟悉集成电路的引脚安排。
2.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
3.了解数字钟的组成及工作原理。
4.熟悉数字钟的设计与制作。
2.2设计要求
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，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。
2.3电子钟的显示数值范围、PLC控制的硬件接口及软件设计
1．电子钟的显示数值范围
电子钟显示的内容通常有月、日、星期、时、分、秒等。
本系统只显示月、日、时、分、秒，采用七段显示器显示各位数字，显示数值的范围如表1所示。
表格括号中的数字表示显示的数字范围，×
表示不显示状态。
月份显示共有1～12这十二种数字。
月的个位显示数的基本值为0～9，月份的十位数字显示1或不显示。
日的个位显示值为0～9，日的十位有×
、1、2、3四种情况。
时的显示有12小时和24小时之分，取24小时显示，则时的个位显示为0～9，时的十位显示为×
、1、2。
分和秒的显示数字完全相同，在实际显示情况下，秒值不一定显示，而以∶的闪动形式来表示，闪动频率为1Hz。
分显示值为00～59，分的个位显示值为0～9，分的十位显示为0～5六个数字。
2．PLC控制硬件接口
用PLC实现电子钟的硬件接口电路如图1所示。
图中PLC采用三菱FX2－40MR，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．软件设计
本系统采用软件定时，在程序的控制下得到月、日、时、分信号，由PLC输出端输出BCD码，通过驱动器驱动各7段显示器。
系统软件分为主程序和中断服务程序，分别如图2、图3所示。
在执行正常的程序运行前，应用键操作输入月、日、时、分秒信息，才能使PLC在下个正确的时刻开始执行计时程序。
初始化开中断等待中断开始执行计时程序。
1）主程序
主程序主要完成月、日、时、分、秒等数据寄存器的初始化，设置中断指针及开放中断等功能。
当然，当定时时钟只是PLC控制系统的一部分，则主程序还包括控制系统的其它控制功能。
FX2的中断有两种方式：
外部输入信号触发中断及定时器中断。
对外部输入信号触发中断，输入信号为X0～X5；
对定时器中断，定时时间范围为10ms～99ms，定时器中断号为6～8。
本系统采用定时器中断方式，定时时间为10ms，所以中断指针为I610，即每隔10ms就执行标号为I610后面的中断程序，并根据IRET指令返回。
2）中断服务程序
中断服务程序完成计时及月、日、时、分、秒等信次数，每10ms中断一次，若D2＝50表示为0．5秒，D2＝100表示为1秒，根据D2内容即可输出频率为1Hz的方波秒信号。
其它分、时、日、月也有相应的存贮单元如数据寄存器D3、D4、D5、D6，各按相对应的关系进行计数。
当分的存贮单元内容为60时，应输出时信号。
月、日、时、分的显示采用动态显示，考虑到动态显示方式下，每位扫描间隔时间不能太长，不然会出现闪烁甚至走动现象，所以采用定时器中断（10ms）显示的方法，在中断服务程序中，执行一位LED的显示输出操作。
显示子程序如图4所示。
图中D0为第一组显示器的输出数据存储器，D1为第二组显示器输出数据存储器。
图四
图4中显示输出采用带锁存的7段显示指令，指令梯形图如下：
指令中参数K用于选择7段显示器数据输入、选通信号的正／负逻辑及显示单元的组数（1或2），它取决于PLC逻辑与7段显示逻辑的相互配合，其配合如表2、表3所示。
对二组4位显示，当7段显示的数据输入及选通信号的逻辑与PLC逻辑相同时，参数K取4。
本系统为二组四位显示，且PLC为正逻辑，显示数据输入为正逻辑，选通信号为正逻辑，所以参数取4，即为K4。
2.4数字电路CD4511的原理（引脚及功能）
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CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2所示。
其中abcd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，B1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。
a～g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300Ω的限流电阻。
CD4511引脚图
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。
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