基于PLC实现的电子计算器毕业设计.docx
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基于PLC实现的电子计算器毕业设计
本科生毕业论文（设计）
基于PLC实现的电子计算器设计
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院系：
信息工程学院
专业：
自动化
学号：
***********
提交日期：
2012年4月23日
基于PLC实现的电子计算器设计
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（黄山学院信息工程学院，黄山，安徽245041）
摘要：
在人们日常生活中，买东西、记账、学习等等，凡是与数有关的，我们都可以用到计算器，可见计算器真的很重要。
本文中基于PLC设计的电子计算器比传统计算器更可靠，更方便，性能更好，更容易适应当今高速发展的社会，大大方便了人们的生活。
这次设计中，将选用OMRON系列PLC，通过梯形图和编程指令两种手段来实现简易计算器的加减乘除功能。
论文中，对计算器的发展、计算器的控制及设计要求、PLC的选定及其有关知识、硬件结构的连接及相关模块设计、软件流程图的设计、梯形图和编程指令的编写、系统的测试及有关结果进行详细阐述。
基于PLC设计的电子计算器能够完成简单的加减乘除功能，并能够用七段数码管显示相应的数字及结果，同时也能指示相应的运算类型。
关键词：
电子计算器，PLC，OMRON，梯形图，指令表
ThedesignofelectroniccalculatorbasedonPLC
Director：
XiangXiongWeiAssociateDirector：
BaoJie
（huangshancollegeinformationengineeringinstitute,huangshan,anhui245041）
Abstract:
Indailylife,shopping,billing,learningandsoon,allrelatedtothenumber,calculatorisused,so,calculatorisreallyimportant.Inthisdesign,theelectroniccalculatorbasedonPLCwillbeusedmoreconvenientandaccuratethanthetraditionalcalculator.Itwillhavebetterperformanceandbeeasiertoadapttothecurrentsocietywhichisdevelopingfast.Ofcourse,people’slivesarefacilitatedgreatlybecausecalculator.
ThisdesignwillbechosenOMRONseriesandbeusedtwomeans,theladderdiagramandprogramminginstructions,todesignasimplecalculatorwhichcanachievethesefunctions,suchasaddition,subtraction,multiplicationanddivision.Thispaperisexpoundedindetailonthedevelopmentofcalculator,thecomputercontrolanddesignrequirements,thePLCselectedandtherelevantknowledgeofPLC,thehardwarestructureandthemoduledesign,theflowchartofsoftwaredesign,theladderdiagramandprogramminginstructionspreparingandthesystemtestingandrelatedresults.
TheelectroniccalculatorwhichisbasedonthedesignofthePLCisabletocompletethesesimplefunctions,suchasaddition,subtraction,multiplicationanddivision.Thisdesignnotonlycanusethesevendigitaltubedisplaythecorrespondingfigureandresult,butalsocanindicatethecorrespondingarithmetictype.
KeyWords:
electroniccalculator,PLC,OMRON,Ladderdiagram,Instructionlist
1概述
1.1课题来源
人们在日常生活中，算工数、看时间、量温度要计数，清点人数、记录成绩要计数，统计产品、了解生产情况要计数，、、、，总之，人们做任何事情都应心中有数，广义的讲就是计算，所以计算是十分重要的概念。
我国古代最早采用的一种计算工具叫筹策，又被叫做算筹．这种算筹多用竹子制成，也有用木头，兽骨充当材料的．约二百七十枚一束，放在布袋里可随身携带．直到今天仍在使用的珠算盘，是我国古代计算工具领域中的另一项发明，明代时的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎相同。
17世纪初，西方国家的计算工具有了较大的发展，英国数学家纳皮尔发明的"纳皮尔算筹"，英国牧师奥却德发明了圆柱型对数计算尺，这种计算尺不仅能做加减乘除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数，指数函数和对数函数，这些计算工具不仅带动了计算器的发展，也为现代计算器发展奠定了良好的基础，成为现代社会应用广泛的计算工具．
1642年，年仅19岁的法国伟大科学家帕斯卡引用算盘的原理，发明了第一部机械式计算器，在他的计算器中有一些互相联锁的齿轮，一个转过十位的齿轮会使另一个齿轮转过一位，人们可以像拨电话号码盘那样，把数字拨进去，计算结果就会出现在另一个窗口中，但是只能做加减计算。
1694年，莱布尼兹在德国将其改进成可以进行乘除的计算。
此后，一直要到1950年代末才有电子计算器的出现。
[1]
计算器是人们日常工作和学习生活中的常用工具，人们利用它代替了许多位数的复杂计算，包括加减乘除和其他运算。
尤其袖珍式液晶显示电子计算器具有计算迅速、准确、操作简单、容易掌握、轻便、耗电省等优点，因此，越来越受到人们的欢迎和使用[2]。
它的需求广泛，在计算器的发展上存在着很大的空间和市场意义，这就给我的设计带来了意义。
我这次设计的电子计算器是基于PLC来制作完成的，该计算器将采用梯形图编写来实现4位数范围内的加减乘除基本的四则运算。
PLC是一个可进行数模、模数转换，可进行定位控制等一个功能强大的工业控制器，具有高可靠性，以它为基础制作的计算器将具有很高的可靠性。
1.2电子计算器的发展
1.2.1电子计算器的起源
电子计算器是由电子计算机发展过来的。
世界上第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生，由宾州大学莫奇来博士和他的学生爱克特设计。
这部机器使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，六只大象重）。
它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。
由於吃电很凶，据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色，当时制作它的目的是用来计算炮弹弹道。
[3]
随着电子工业的迅速发展，为电子计算机提供了一代比一代更有效、更可靠、体积更小的元件。
于是便制成了越来越先进的电子计算机，例如，半导体代替了电子管，集成电路又代替了半导体，大规模集成电路取代集成电路，并且正向着超大规模集成电路发展。
1971年，作为电子计算机的一个分支，世界上第一部袖珍电子计算器由美国加利福尼亚州英特尔公司的年轻工程师小霍夫研制成功[4]。
此后，美、日、德、英、法等国相竟发展袖珍计算器，从此电子计算器走上了不断发展的康庄大道。
现在的计算器的发展在其设计上普遍追寻用简单经济的技术芯片实现功能齐全的市场产品，如日本卡西欧系列科学计算器、佳能WS，信发TR12位数电子计算器，国外电子计算器正向着智能化、高精度，小体积方向发展。
中国近年来，电子计算器的发展也比较迅速，不少厂家推出了与卡西欧科学计算器功能类似的产品，如广州罗纳多计算器、深圳金泰富计算器等，一定程度上实现了计算器芯片的国产化。
1.2.2电子计算器的构成
计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成。
低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。
高档计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入程序和数据。
键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。
为减小计算器的尺寸，一键常常有多种功能。
显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器或液晶显示器等。
除显示计算结果外，还常有溢出指示、错误指示等。
计算器电源采用交流转换器或电池，电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。
为节省电能，计算器都采用CMOS工艺制作的大规模集成电路，并在内部装有定时不操作自动断电电路。
计算器可选用的外围设备有微型打印机、盒式磁带机和磁卡机等。
计算器这一小小的程序机器实际上是从计算机中割裂出来的衍生品，但因其方便快捷的操作模式，已经被广泛应用于商业等日常生活中，极大的方便了人们对于数字的整合运算。
下面是一些计算器的图片：
1.2.3电子计算器的分类
常见的计算器有三类：
①算术型计算器——可进行加、减、乘、除等简单的四则运算，又称简单计算器。
图1-1Win7下的算术型计算器（标准型）
②科学型计算器——可进行乘方、开方、指数、对数、三角函数、统计等方面的运算，又称函数计算器。
图1-2Win7下的科学型计算器
③程序计算器——可以编程序，把较复杂的运算步骤贮存起来，进行多次重复的运算。
图1-3Win7下的程序型计算器
1.3PLC简述
随着社会的不断发展进步，以及制造业对市场的需求，要生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器，即PLC（ProgrammableLogicController）正顺应了这一要求出现了，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
[5]
国际电工委员会（InternationalElectricalCommission,IEC）颁布的PLC定义为：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。
”[6]
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
其特点有：
（1）、编程方法简单易学；
（2）、功能强，性能价格比高；（3）、硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强；（4）、可靠性高，抗干扰能力强；（5）、系统的设计、安装、调试工作量少；（6）、维修工作量小，维修方便；（7）、体积小，能耗低[7]。
现主要应用于：
（1）、数字量逻辑控制；
（2）、运动控制；（3）、闭环过程控制；（4）、数据处理；（5）、通信及联网[8]。
1.4OMRON系列PLC
在全世界上百个PLC制造厂中，有几家举足轻重的公司，它们分别为德国的西门子公司，美国罗克韦尔自动化公司所属的A-B公司，GE-Fanuc公司，法国的施耐德公司，日本的三菱公司，以及日本欧姆龙公司，由此可以知道，OMRON系列PLC在全世界也占有一定的地位。
欧姆龙系列PLC根据I/O点数量主要分为：
微型系列：
CPM1A、CPM2A、CP1H、CP1L；小型系列：
CPM2C、CQM1H、CJ1M；中型系列：
C200H、CJ1、CS1；大型系列：
CV、CS1D。
[9]
其特点主要表现在：
（1）、应用简单；
（2）、可靠性高；（3）、抗电磁干扰性能好，环境适应性强；（4）、功能完善；（5）、成熟的工控网络体系，通信便捷，易于远程实时监控[10]。
在本次设计中，我将用到数据传送指令@MOV（021），四则运算类指令+BC（406），-BC（416），*B（424），/B（434）以及七段译码指令SDEC（078）。
下面是对这些指令的大概介绍：
1.4.1数据传送指令
数据传送指令：
传送指令MOV是将源数据（指定通道内的数据或一个4位十六进制数）传递到一个目标通道。
@MOV属于上微分型指令，即在上升沿时有效。
它在梯形图和助记符中的表示分别为：
S：
源数据@MOVS
D：
目标通道D
梯形图助记符
其中S的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
CIO，W，H，A448-A959，T，C，D。
1.4.2四则运算指令
四则运算类指令：
四则运算类指令包括BCD码及二进制数的加、减、乘、除等指令和双字BCD码及二进制数的加、减、乘、除等指令，主要完成加、减、乘、除功能。
（1）+BC指令表示带CYBCD码加法指令，它是将两个通道内的4位BCD码或两个4位BCD码常数相加，所得和输出到结果通道，它在梯形图和助记符中的表示分别为：
S1：
被加数通道+BCS1
S2：
加数通道S2
D：
结果通道D
梯形图助记符
其中S1和S2的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
CIO，W，H，A448-A959，T，C，D，*D或@D。
（2）-BC指令表示带CYBCD码减法指令，它是将两个通道内的4位BCD码或两个4位BCD码常数相减，所得差输出到结果通道，它在梯形图和助记符中的表示分别为：
S1：
被减数-BCS1
S2：
减数S2
D：
结果通道D
梯形图助记符
其中S1和S2的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
CIO，W，H，A448-A959，T，C，D，*D或@D。
（3）*B指令表示将两个4位的BCD码相乘，并将积输出到结果通道，结果占有两个通道，它在梯形图和助记符中的表示分别为：
S1：
被乘数*BS1
S2：
乘数S2
D：
运算结果的首通道D
梯形图助记符
其中S1和S2的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
CIO000-CIO6142，W000-W510，H000-H510，A448-A958，T0000-T4094，C0000-C4094，D00000-D32766，*D或@D。
（4）/B指令表示将两个通道内的4位BCD码或两个4位BCD码常数相除，并将商输出到结果通道，结果占有两个通道，一个用于存储商，另一个用于存储余数，它在梯形图和助记符中的表示分别为：
S1：
被除数/BS1
S2：
除数S2
D：
运算结果的首通道D
梯形图助记符
其中S1和S2的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
CIO000-CIO6142，W000-W510，H000-H510，A448-A958，T0000-T4094，C0000-C4094，D00000-D32766，*D或@D。
1.4.3七段译码指令
七段译码指令：
SDEC指令是将源通道中1-4位十六进制数根据设定分别译作供七段数码管显示的数据，并输出到指定的目标通道的低8位或高8位。
S：
源通道的首通道SDECS
K：
控制通道K
D：
转换结果的首通道D
梯形图助记符
其中S的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D或@D。
其中K的区域：
CIO，W，H，A，T，C，D，*D，@D或#。
其中D的区域：
W，H，A448-A959，T，C，D，*D或@D
控制通道K：
指定要转换的第一个数字（0-3）
2控制要求及设计要求
2.1控制要求
在这次设计中，计算器将能达到以下控制要求：
1．由按键输入的数值显示在7段数码管上，但只限4位数。
2．按加、减、乘、除键时，第一次输入的值被存放在缓冲区中，当做被加、减、乘、除数，且加、减、乘、除相对的运算指示灯会亮。
3．接着输入一个数，之后若是按下“=”键，则此加、减、乘、除数被存放于另一个缓冲区中，与刚才输入的数做运算。
4．将运算结果显示在7段数码管上。
2.2设计要求
为了更好的展示本次设计的电子计算器，我将从以下几个设计要求入手：
1、设计PLC外部输入/输出点
2、画出PLC外部接线图
3、设计梯形图
4、写出软件程序并测试
2.3方案对比
1、基于单片机设计的电子计算器：
在一片半导体硅片上集成了中央处理器、存储器和各种I/O接口，这样一块集成电路芯片具有一台微型计算器的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
单片机自20世纪70年代问世以来，已广泛应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、家用电器、机电一体化设备、汽车电子等各个方面。
基于单片机设计的电子计算器，在性能方面比传统计算器有了很大的改进，同时，单片机经济实惠，成本相对较低。
然而，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。
在当今科技日新月异，突飞猛进的时代，要求产品改朝换代的周期非常短，同时也需要产品有很高的可靠性。
这对单片机来说可谓是一个致命的缺点。
2、基于PLC设计的电子计算器：
PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障及诊断程序，使系统中除PLC以外的电路设备也获得故障自诊断保护。
其次，它易于设备的扩展、便于维护、开发周期短。
PLC的这些优点注定了它将得到广泛的发展。
基于PLC设计的电子计算器，能够充分发挥PLC的这些优点，也使得计算器拥有很高的性能。
3硬件结构图和模块设计
3.1数字键盘连接
数字键盘的连接如图3-1所示，它反映的是电子计算器的大致硬件结构。
图3-1数字键盘连接图
3.2程序流程图
程序连接图是展示这个系统整个程序是怎样编辑的，在图3-2中，我们能知道基于PLC设计的电子计算器的大概原理。
3.3模块设计
一个电子计算器的设计大概包括以下几个方面的设计：
1、按键部分的设计；2、显示部分的设计；3、运算程序部分设计；4、清屏显示部分设计。
现在，我将一一介绍这些模块。
3.3.1按键模块设计
使用计算器时，我们需要通过按键模块输入我们想要计算的数据或者通过特殊按键输入实现计算器的一些特殊功能，按键模块的设计通常有两种设计方案：
方案一：
采用4*4行列式键盘，分别设定数字键和功能键，采用查询方式，每次有按键按下时，先判断是数字键，还是功能键，但这种采用了大量的I/O线，连接起来很复杂，不宜采用。
方案二：
采用独立式按键。
独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，各键相互独立，每个按键各接一条输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易地判断哪个键被按下。
在本次设计中，我们采用方案二。
3.3.2显示模块设计
如今作显示的主要有LED（发光二极管）和LCD液晶显示器，同样，在本次设计中，我们也有两种方案的选择。
方案一：
使用7位LED数码管来做显示。
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器件，这种显示器有共阴极和共阳极两种，它具有：
1、成本低廉，配置灵活；2、低压，低功耗；3、显示信息量大；4、长寿命；5、无辐射，无污染。
方案二：
使用液晶显示器来显示。
液晶是介于固态和液态间的有机化合物，将其加热会变成透明液态，冷却后变成结晶的浑浊固态。
在电机的作用下，产生冷热变化，从而影响它的透光性，来达到显示的目的。
由于方案二成本较高，而对于设计一个简单的电子计算器来说，显示方面的要求不是很高，采用LED显示器已经足够，所以我们采用方案一。
LED七段数码管各数码分布图如图3-3，LED七段数码管译码原理图如图3-4。
图3-3七段数码管各段码分布图图3-4七段数码管译码原理图
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。
因此提供给LED显示器的段码正好是一个字节。
在使用中，一般习惯上还是以“a”段对应段码的最低位。
各段与字节中各位对应关系如表3-5所示：
代码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
图3-5段码与字节中各位对应关系
按照上述格式，8段LED的段码如表3-6所示
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0H
b
7CH
83H
1
06H
F9H
C
39H
C6H
2
5BH
A4H
d
5EH
A1H
3
4FH
B0H
E
79H
86H
4
66H
99H
F
71H
8EH
5
6DH
92H
P
73H
8CH
6
7DH
82H
U
3EH
C1H
7
07H
F8H
T
31H
CEH
8
7FH
80H
y
6EH
91H
9
6FH
90H
“灭”
00H
FFH
A
7FH
88H
、、、
、、、
、、、
图3-68段LED段码
3.3.3运算程序和清屏显示设计
运算程序设计：
运算程序主要由加减乘除指令来完成，前面已经介绍，这里不再赘述。
清屏显示设计：
我将设定一个特殊功能键-复位键，来完成清屏功能。
当按下复位键时，数码管就会清零。
4程序编写
4.1PLC选定
由于电子计算器的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（欧姆龙）公司生产的多功能小型C20P主机。
该机输入点为12，输出点为8。
内部主要有：
136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。
4.2I/O点分配
本次设计中I/O点分配为：
输入设备
输入点号
输出设备
输出点号
按键0-9
0.00-
升级会员 