自動打鈴控制器課程設計報告

學校、機關、工廠、車站、碼頭、醫(yī)院、郵電等企事業(yè)單位通常都是以電鈴作為 作息時間信號 , 鈴聲已日益成為人們生活中的一部分。鈴聲作為作息時間信號，最原 始的控制方式就是人工控制。按照作息時間表敲鈴，以及后來出現(xiàn)了電鈴但沒有能實 現(xiàn)自動控制也是由人工按電鈕開關來電鈴發(fā)出鈴聲都是人工控制方式。隨著計算機技 術、自動控制技術和通訊技術的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的技術 -電氣控制與可編程控制技 術，而計算機向微型方向的一個分支發(fā)展，則出現(xiàn)了主要是用于控制領域的單片機。 由于這些新興的法實現(xiàn)打鈴的自動化。目前的自動打鈴器，主要包括用單片機控制、 用 PLC 控制、用電腦程序控制、用繼電器控制這幾種控制方式。

機向微型方向的一個分支發(fā)展，則出現(xiàn)了主要是用于控制領域的單片機。由于這 些新興的控制技術的各種應用芯片的發(fā)展，人們用不同的方法實現(xiàn)打鈴的自動化。目 前的自動打鈴器，主要包括用單片機控制、用 PLC 控制、用電腦程序控制、用繼電器 控制這幾種控制方式。 1.2 課題設計的目的和意義 本次設計的作息時間控制系統(tǒng)采 用的是可編程控器控制方式。可編程控制器的英文為 ProgrammableController，到

20 世紀 90 年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為 PC；加之可編程序的概念所涵蓋的 范圍太大，所以美國 AB 公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器 (PLC-Programmable Logic Controller)，為了方便，仍簡稱 PLC 為可編程序控制器。 國際電工委員會（IEC）對 PLC 的定義是：“PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專 為工業(yè)環(huán)境而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出， 控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程�？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都按易于與工業(yè) 系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計�！庇捎� PLC 具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，所以 PLC 已廣泛應用于鋼鐵、石油、 化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè), 成為工業(yè)自控設備之首。在 PLC 應用方面，我國也很活躍，近年來每年約新投入 10 萬臺套 PLC 產(chǎn)品，年銷售額 30 億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面的應用，還需要加大投入�？梢灶A計 21 世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設 計及制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。從產(chǎn)品 規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大兩個方向發(fā)展。從產(chǎn)品的配套性能上看，產(chǎn)品的 品種會更豐富、規(guī)格會更齊備。完美的人機界面、完備的通訊設備會更好地適應各種 工來控制場合的需求。從網(wǎng)絡的發(fā)展狀況來看，可編程控制器和其他工業(yè)控制計算機 網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展主向。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展， 可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡或國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在眾多領域發(fā) 揮越來越大的作用。PLC 對實現(xiàn)我國工業(yè)自動化有重要的意義。雖然用其它三種控制 方式也可以實現(xiàn)作息時間控制的自動化，但是用 PLC 控制方式具可靠性高，抗干擾能 力強的特點，PLC 無故障時間高達 30 萬小時，更能適應惡劣的環(huán)境。鈴聲的自動控制 系統(tǒng)擺脫人工打鈴、打鐘的繁瑣，鈴聲的單調(diào)乏味，以及控制時間的長短不便，把人 們從繁煩的操作中解放出來，也最大限度的緩解各企事業(yè)單們的資金負擔，真正實現(xiàn) 打鈴的無人看守。

目前，學校中的作息時間一般是由自動打鈴控制器完成的。盡管這種控制器的功能 單一，用單片機或數(shù)字電路組成的控制器成本較低，市場上就可買的到自動打鈴控制 器一般是用單片機或數(shù)字電路組成的。但是用 PLC 同樣可以完成自動定時打鈴的控 制。在本課程設計中，把它作為一個典型的時序控制任務，完成 PLC 的課程設計實訓， 還是很有意義。

本次設計是采用 PLC 來控制數(shù)碼管的顯示和響鈴的輸出，分，時，星期均采用 7448 進行外部七段譯碼 。其中時間顯示為動態(tài)顯示，星期顯示為靜態(tài)顯示，該系統(tǒng)能根據(jù) 作息時間表自動控制電鈴，有時間星期顯示調(diào)節(jié)及控制功能，當秒脈沖計數(shù) 60 次之后 向分鐘進位。當分鐘顯示數(shù)碼管顯示到 59 之后又向小時進位，而小時則是用了一個計 數(shù)器，當計數(shù)器計了 24 次之后向星期進位，同理星期顯示也是用了一個計數(shù)器，7 次 之后使程序全部復位。系統(tǒng)接通電源，通過分鐘調(diào)節(jié)按鈕，小時調(diào)節(jié)按鈕，將系統(tǒng)時 間和星期調(diào)節(jié)為當前時間和星期；然后按下計時開始按鈕，系統(tǒng)開始計時；系統(tǒng)時間 和星期通過數(shù)碼管顯示出來。按下啟動按鈕，系統(tǒng)進入控制狀態(tài)，將系統(tǒng)當前時間和 星期與作息時間表比較，又輸出口端口輸出打鈴控制信號。上課鈴為短音，響 0.5 秒， 停 0.5 秒，共持續(xù) 20 秒；下課鈴為長音，響 2 秒，停 1秒，共持續(xù) 15 秒；起床，早 操等時間的鈴聲為連續(xù)打鈴；為了不影響休息周六周日不打鈴。

PLC 產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 PLC 的分類，通常根據(jù)其結構 形式的不同、功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致分類。

（1） 整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、CPU、I/O 接口等部件都集中裝在一個 機箱內(nèi)，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC 一般采用這種整體式結構。 整體式 PLC 由不同 I/O 點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內(nèi)有 CPU、I/O 接口、與I/O 擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或 EPROM 寫入器相連 的接口等。擴展單元內(nèi)只有 I/O 和電源等，沒有 CPU。基本單元和擴展單元之間一般 用扁平電纜連接。整體式 PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制 單元等，使其功能得以擴展。

（2） 模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分，分別做成若干個單獨的模 塊，如 CPU 模塊、I/O 模塊、電源模塊（有的含在CPU 模塊中）以及各種功能模塊。 模塊式 PLC 由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊 式 PLC 的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型 PLC 一般采用模塊式結構。

還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。疊裝式 PLC 其 CPU、電源、I/O 接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接， 并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。

（1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能， 還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于 邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

（2）中檔 PLC 除具有低檔 PLC 的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術 運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程 I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可 增設中斷控制、PID 控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。

（3）高檔 PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、 位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC 機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制系 統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。

（1）小型 PLC——I/O 點數(shù)< 256 點；單 CPU、8 位或 16 位處理器、用戶存儲器 容量 4K 字以下。   

（3）大型 PLC——I/O 點數(shù)> 2048 點；多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲 器容量 8～16K。

選擇 PLC 時，應考慮性能價格比�？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、 可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。

用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因 此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和 選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。

4N25 為光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。SCR-100 是雙向晶閘管可以 認為是一對反并聯(lián)連接的普通晶閘管的組成，它有兩個主電極 T1 和 T2，以及一個門 極 G。門極使器件在主電極的正反兩個方面均可觸發(fā)導通，因此在 50HZ 的電壓下， 由于每 0.01s 內(nèi)都有一個觸發(fā)電壓，使得有一個主電極觸發(fā)導通，由于接的是交流， 所以每個主電極總會在下一個半波時由于電壓反向而自動關斷，但在這個半波內(nèi)另一 個主電極卻因為觸發(fā)脈沖的到來而導通。所以整個周期中不管是哪個半周期只要有觸 發(fā)脈沖就會使晶閘管導通�？傮w電路工作原理當輸入端 Y15 為低電平時，4N25 輸入 端電流為 0，輸出相當于開路。當 Y15 為高電平時，輸出電鈴回路導通。其電路圖見

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顯示器可顯示數(shù)字、字符及系統(tǒng)的狀態(tài)。它們的驅動電路簡單、易于實現(xiàn)且價格低廉， 因此，得到了廣泛應用。本次設計要用到 5 個數(shù)字作為時間和星期的顯示, 不需顯示

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此外，顯示器中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以 dp 表示），用于顯示小數(shù) 點。通過七個發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號。 LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：  

把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極,使用時公共陰極接地，這樣陽極端 輸入高電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平的則不點亮。

把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接+5V。這樣陰極 端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不點亮。  

七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段。因此提供給 LED 顯示器的字 型代碼正好一個字節(jié)。各代碼位的對就關系如下表3-1。

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此次計設采用的共陰極 LED 顯示器，其中時間顯示為動態(tài)顯示，星期顯示為靜態(tài) 顯示

計算機輔助設計編程是通過專用的 PLC 編程軟件，在計算機上進行程序設計，可 以進行在線編程或者離線編程，也可以進行離線仿真或者在線調(diào)試。通過專用的 PLC 編程軟件，還可以方便地實現(xiàn)程序存取、加密或生成 EXE 類型的應用程序。

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控制程序是本系統(tǒng)的核心部分，任何外部硬件都是在程序的控制下進行運轉的。 為了便于分析，下面將分段對程序進行注釋該系統(tǒng)軟件由計時及時間調(diào)節(jié)程序，顯示 程序，作息時間表程序和控制程序四個結構組成。

根據(jù)課程設計任務書的設計要求，我們通過之前一個星期的學習和實驗，為這次 設計提供了經(jīng)驗，使我能在規(guī)定時間內(nèi)完成了課程要求，仿真成功并能使自動打鈴系 統(tǒng)順利運行，完成了預期目標。 通過本次課程設計，我學會了程序的設計、分析， 數(shù)碼管針腳的尋找。在實際的操作過程中遇到了很多棘手的問題，但是在指導老師以 及同學們的共同努力下把問題都一一解決了。 通過本次課程設計，我學會了 PLC 的 基本編程方法，對 PLC 的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在理論的運用中， 提高了我的工程素質，在沒做課程設計之前，對一些細節(jié)不太重視，當我把自己想出 來的程運用到 PLC 上的時候，問題出現(xiàn)了：不是不能運行，就是運行的結果與課程設計的要求不相符合。通過解決一個個在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，我對 PLC 的理解與認 識得到就加強；看到了理論與實踐的差距；意識到?jīng)]有理論的知識的支持，實踐是無 從下手的，理論與實踐相結合，可以使我的整體素質得到提高。

[1] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應用技術（第二版）[M].北京:北京航空航天大學出 版社,2007:34-89.