基于PLC的數(shù)碼顯示控制系統(tǒng)設(shè)計

1、物理與電子工程學(xué)院 課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)： 班級： 學(xué)生姓名學(xué)號課程名稱PLC原理與應(yīng)用設(shè)計題目基于PLC的數(shù)碼顯示控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計目的、主要內(nèi)容（參數(shù)、方法）及要求設(shè)計目的： 通過設(shè)計有關(guān)數(shù)碼管顯示的PLC控制程序熟悉PLC系統(tǒng)設(shè)計流程，加深對PLC工作原理的理解，熟練掌握相關(guān)指令的編寫方法，在實踐中加深對工業(yè)通信技術(shù)理論知識的理解。 主要內(nèi)容：1、課程設(shè)計應(yīng)包含硬件電路原理圖，軟件設(shè)計流程圖，軟件設(shè)計程序，仿真電路圖等部分內(nèi)容。2、基本功能包括：可以發(fā)光；可以靜態(tài)顯示；可以用電腦改變數(shù)字。3、主要技術(shù)參數(shù)：PLCS7-200；數(shù)碼管LG15012AH。4、系統(tǒng)設(shè)計：本設(shè)計

2、是基于西門子S7-200PLC的數(shù)碼管靜態(tài)顯示，該設(shè)計是以S7-200基本系統(tǒng)為核心的一套應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括PLC、復(fù)位電路、外圍電路、顯示電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。工作量2周時間，每天3學(xué)時，共計42學(xué)時進(jìn)度安排第1天：明確課程設(shè)計的目的和意義，根據(jù)課程設(shè)計要求查找相關(guān)資料第2-3天：學(xué)習(xí)課程設(shè)計中用到的S7-200PLC相關(guān)知識第4-5天：根據(jù)課程設(shè)計的要求完成硬件主要芯片選型及硬件電路設(shè)計。第6-7天：學(xué)習(xí)CAD軟件，繪制硬件電路原理圖。第8-10天：學(xué)習(xí)S7-200編程軟件，完成軟件系統(tǒng)設(shè)計。第11-12天：通過試驗箱，進(jìn)行仿真調(diào)試。第13-14天：撰寫課程設(shè)計報告。主要參考資料1

3、李道霖電氣控制與PLC原理及應(yīng)用 M北京: 電子工業(yè)出版社，20042 張鳳珊電氣控制及可編程序控制器2版 M北京: 中國輕工業(yè)出版社，20033 馬志溪電氣工程設(shè)計 M北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，20024 劉增良，劉國亭電氣工程CAD M北京: 中國水利水電出版社，20025 王兆義小型可編程控制器實用技術(shù) M北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2002指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字物理與電子工程學(xué)院2012級本科課程設(shè)計摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,在現(xiàn)代生活中,PLC在交通燈、電梯、搶答器等系統(tǒng)日益得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀,文章介紹了PLC在數(shù)碼管顯示控制中的應(yīng)用,并給出其PLC控制系統(tǒng)的接線圖和梯形圖程序設(shè)計

4、。該設(shè)計具有可編程性、線路簡單、可靠性高等特點,提高了系統(tǒng)的靈活性及可擴(kuò)展性,實驗結(jié)果驗證了該設(shè)計的實用性。關(guān)鍵詞：PLC；數(shù)碼管；梯形圖目 錄1 緒論11.1 概述11.2 設(shè)計過程及工藝要求11.3 設(shè)計的重點與難點12 模塊簡介22.1系統(tǒng)總體概述22.2 S7-200 CPU介紹22.3 LED數(shù)碼管介紹43 系統(tǒng)調(diào)試63.1 PLC的外部接線與I/O分配63.2功能的介紹63.3梯形圖83.4調(diào)試與仿真實物84 心得體會10參 考 文 獻(xiàn)11附 錄12I1 緒論1.1 概述隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，人們的生活節(jié)奏越來越快，時間觀念也越來越強(qiáng)，并逐步開始運(yùn)用新的科技手段改善自己的生活條件和

5、質(zhì)量，享受高科技給人們帶來的及時、舒適的生活環(huán)境。目前眾多電子類產(chǎn)品用于顯示功能常用到數(shù)碼管LED。數(shù)碼管LED的結(jié)構(gòu)簡單顯示方便。它可以實時顯示或循環(huán)播放數(shù)字、圖形和圖像信息，具有顯示方式豐富、觀賞性強(qiáng)、顯示內(nèi)容修改方便、響應(yīng)速度快、亮度高、顯示穩(wěn)定、功耗低且壽命長等多種優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、商業(yè)廣告、體育比賽、交通等諸多領(lǐng)域，是信息傳播的有力工具之一。數(shù)碼管是一類顯示屏，通過對其不同的管腳輸入相對的電流會使其發(fā)亮 。從而顯示出數(shù)字能夠顯示時間，日期，溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。由于它的價格便宜、使用簡單。七段數(shù)碼管在家電及工業(yè)控制中有著很廣泛的應(yīng)用。特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用如空調(diào)、熱水器

6、、冰箱等等。在實際生活中,數(shù)碼管顯示在交通燈、電梯、搶答器等處都可以見到。由此可見,數(shù)碼管的顯示控制在實際生活中的應(yīng)用十分廣泛。本次課程設(shè)計通過利用西門子S7-200型PLC，來實現(xiàn)對數(shù)碼管顯示數(shù)字的控制。根據(jù)所給的數(shù)碼管顯示動畫來設(shè)計PLC控制程序。動畫給我們以下信息量：能夠按“+”“”按鈕來控制數(shù)碼管的數(shù)字加減，也可以按自增、自減按鈕控制數(shù)碼管數(shù)字自增與自減。通過S7-200PLC程序來實現(xiàn)輸出控制數(shù)碼管。1.2設(shè)計過程及工藝要求（1）基本功能 可以發(fā)光 可以顯示 可以用電腦改變字符（2）主要技術(shù)參數(shù) PLC選擇SIMATICS7-200 數(shù)碼管選擇LG15012AH CPU選擇2261.

7、3設(shè)計的重點與難點本設(shè)計的主要任務(wù)是顯示數(shù)字，因此在硬件安裝方面需要有適當(dāng)?shù)拿娣e來安裝電子顯示屏，并且還要通過數(shù)據(jù)線把電子顯示屏和電腦連起來。軟件設(shè)計的重點是：程序的編寫；S7-200與CAD兩種軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用；以及整體電路的設(shè)計與調(diào)試。2 模塊簡介2.1 系統(tǒng)總體概述本設(shè)計是基于PLC的數(shù)碼管顯示，該設(shè)計是以PLC SIMATIC S7-200 CPU226基本系統(tǒng)為核心的一套應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括PLC、外圍電路、顯示電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。見圖2-1所示：電源電路外圍電路外圍電路PLCS7-200LED數(shù)碼管圖2-1 系統(tǒng)總體框圖 2.2 S7-200 CPU介紹西門子S7系列可編程控制

8、器分為S7-400、S7-300、S7-200三個系列，分別為S7系列的大、中、小型可編程控制器系統(tǒng)。S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號。小型PLC中，CPU221價格低廉能滿足多種集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的單元，通過可連接的擴(kuò)展模塊即可處理模擬量。CPU 224具有更多的輸入輸出點及更大的存儲器。CPU 226和226XM是功能最強(qiáng)的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。四種型號的PLC具有下

9、列特點：（1）集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU 221和CPU222具有180mA 輸出。CPU224輸出280mA，CPU 226、CPU 226XM輸出400mA 可用作負(fù)載電源。（2）高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達(dá)20KHz，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實現(xiàn)定位任務(wù)。（3）通信口：CPU 221、CPU222和CPU224具有1個RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2個RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。（4）模擬電位器：CPU221/222有1個模擬電位器，CPU2

10、24/226/226XM有2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行時的參數(shù)。如定時器、計數(shù)器的預(yù)置值，過程量的控制參數(shù)。（5）EEPRO：存儲器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具，無需編程器并可進(jìn)行輔助軟件歸檔工作。（6）電池模塊：用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時器、計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存儲大約5 天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。（8）不同的設(shè)備類型：CPU 221226 各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。（9）數(shù)字量輸入/輸出點

11、：CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點；CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點；CPU 224 具有14個輸入點和10個輸出點；CPU226/226XM 具有24個輸入點和16個輸出點。CPU22X主機(jī)的輸入點為24V直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流（MOS型）兩種類型。（10）高速計數(shù)器：CPU 221/222有4個30KHz高速計數(shù)器，CPU224/226/226XM有6個30KHz的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更快的脈沖信號。為很多PLC控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖2-2所示:圖2-2 S7-200 CPU226

12、引腳圖2.3 LED數(shù)碼管介紹 數(shù)碼管的外形及引腳排列如圖2-3所示:圖2-3 數(shù)碼管實物與引腳圖2.3.1 LED數(shù)碼管的分類 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二

13、極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。2.3.2 LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 （1)靜態(tài)顯示驅(qū)動   靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編

14、程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個呢：），實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。（2)動態(tài)顯示驅(qū)動   數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼

15、管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.3.3 LED數(shù)碼管的主要參數(shù)（1)8字高度 8字上沿與下沿的距離。比外型高度小。

16、通常用英寸來表示。范圍一般為0.25-20英寸。 （2)長*寬*高 長數(shù)碼管正放時，水平方向的長度；寬數(shù)碼管正放時，垂直方向上的長度；高數(shù)碼管的厚度。 （3)時鐘點   四位數(shù)碼管中，第二位8與第三位8字中間的二個點。一般用于顯示時鐘中的秒。數(shù)碼管使用的電流與電壓。 （4)電流 靜態(tài)時，推薦使用10-15mA；動態(tài)時，16/1動態(tài)掃描時，平均電流為4-5mA，峰值電流50-60mA。2.3.4 LED數(shù)碼管的常見問題（1)顯示效果 由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大，并且還與溫度有關(guān)，為了

17、保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當(dāng)溫度變化時驅(qū)動芯片還要能夠自動調(diào)節(jié)輸出電流的大小以實現(xiàn)色差平衡溫度補(bǔ)償。（2)安全性 即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅(qū)動電路后可防止由于電流故障所引起的數(shù)碼管的大面積損壞。另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級聯(lián)延時開關(guān)特性，可防止反向尖峰電壓對發(fā)光二極管的損害。超大規(guī)模集成電路還具有熱保護(hù)功能，當(dāng)任何一片的溫度超過一定值時可自動關(guān)斷，并且可在控制室內(nèi)看到故障顯示。（3)怎樣測量數(shù)碼管引腳，分共陰和共陽 找公共共陰和公共共陽：首先，我們找個

18、電源（3到5伏）和1個1K（幾百歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的，找到一個就夠了，然后GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陽的。也可以直接用數(shù)字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負(fù)極。3系統(tǒng)調(diào)試3.1 PLC外部接線與I/O口分配（1）I/O分配如下：總開關(guān)按鈕 I0.0數(shù)碼管手動遞增按鈕 IO.1數(shù)碼管手動遞減按鈕 IO.2 數(shù)碼管自動遞增按鈕 IO.3數(shù)碼管自動遞減按鈕 IO.4

19、數(shù)碼管a段LED Q0.0數(shù)碼管b段LED Q0.1數(shù)碼管c段LED Q0.2數(shù)碼管d段LED Q0.3數(shù)碼管e段LED Q0.4數(shù)碼管f段LED Q0.5數(shù)碼管g段LED Q0.6（2）PLC外部接線：根據(jù)實驗箱的CPU,數(shù)碼管，開關(guān)的原理圖可知：數(shù)碼管是共陰極的。因此將數(shù)碼管公共端接0V,同時開關(guān)的公共端也接0V。CPU的輸入公共端1M以及輸出公共端1L,2L都接24V。然后根據(jù)I/O口分配其接線：總開關(guān)按鈕I0.0接實驗箱第一個開關(guān)，數(shù)碼管遞增按鈕I0.1接實驗箱第二個開關(guān)，數(shù)碼管遞減按鈕I0.2接實驗箱第三個開關(guān)，數(shù)碼管自動遞增按鈕I0.3接實驗箱第四個開關(guān)，數(shù)碼管自動遞減按鈕I0.4

20、接實驗箱第五個開關(guān)。數(shù)碼管的接法按I/O分配依次連線即可，但是注意數(shù)碼管小數(shù)點dp在本次設(shè)計中沒有運(yùn)用，將其懸空不連接輸出口。3.2功能的介紹(1)、通過總按鈕可以實現(xiàn)關(guān)閉與復(fù)位的功能，數(shù)碼管當(dāng)前無論顯示什么都可以將其關(guān)閉再次打開將其置0。(2)、通過控制數(shù)碼管遞增按鈕可以達(dá)到數(shù)碼管遞增的功能及實現(xiàn)每按一次按鈕就可以加1，同時也可以同過自動遞增功能實現(xiàn)遞增，值的順序是0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,b,c,d,E,F(3)、通過控制數(shù)碼管遞減按鈕可以達(dá)到數(shù)碼管遞減的功能及實現(xiàn)每按一次按鈕就可以減1，同時也可以同過自動遞減功能實現(xiàn)遞減，值的順序是0,F,E,d,c,b,A,9,8,7

21、,6,5,4,3,2,1(4)、實現(xiàn)功能的程序框圖如圖3-2所示：總按鈕I0.0上升沿導(dǎo)通自動遞增按鈕I0.1遞減按鈕I0.2SM0.5上升沿導(dǎo)通VB9自加1VB9自減1VB9復(fù)位通過SEG輸出到QB0下降沿導(dǎo)通QB0復(fù)位,關(guān)閉數(shù)碼管顯示自動遞減按鈕I0.4SM0.5遞增按鈕I0.1上升沿導(dǎo)通圖3-2 程序框圖3.3梯形圖用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9軟件編寫梯形圖如圖3-3所示： 圖3-3 梯形圖3.4調(diào)試與仿真實物調(diào)試過程：（1）編寫好梯形圖程序后，先用程序編譯找出程序常規(guī)的問題。（2）沒有錯誤提示后，在實驗箱根據(jù)PLC外部接線圖進(jìn)行連線。（3）點擊下載，將程序載入PLC中。（4）單擊運(yùn)行，將PLC變?yōu)镽UN模式。（5）打開軟件程序狀態(tài)監(jiān)控。 （6）控制按鈕I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4進(jìn)行調(diào)試，觀察程序狀態(tài)監(jiān)控，同時觀察數(shù)碼管的變化。（7）直到數(shù)碼管可以按功能介紹一樣控制操作，說明調(diào)試成功。仿真圖如圖3-4所示：圖3-4 仿真圖部分實物圖如圖3-5所示：圖3-5 實物圖4 心得體會在技術(shù)報告中，主要介紹了準(zhǔn)備作品時的基本思路，包括機(jī)械、電路以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，分析了系統(tǒng)的改進(jìn)辦法，測量調(diào)整以及在其他細(xì)節(jié)方面的優(yōu)化。在電路方面，以模塊形式分類,在最小系統(tǒng)、主板、等