基于PLC与触摸屏密码的交通信号灯实训论文资料.docx
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基于PLC与触摸屏密码的交通信号灯实训论文资料
编号：
桂林电子科技大学信息科技学院
电气控制系统实训
论文说明书
题目：
交通信号灯控制
系别：
机电工程系
专业：
机械电子工程
学生姓名：
朱子任
学号：
1453200122
指导教师：
廖晓梅
职称：
高级工程师
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究
2015年6月20日
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
关于学位论文版权使用授权的说明
本人完全了解桂林电子科技大学信息科技学院关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：
学院有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学院有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学院有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学院有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。
学位论文作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
摘要
自从1969年世界上第一台PLC：
PDP-14诞生起，人类走向智能工业的脚步似乎不可逆转。
在经历数十年的飞速发展后，如今的PLC已经发展出以三菱，西门子等为代表的一系列高性能PLC。
由于，PLC一直都是工业智能化的重要支柱，PLC便成为当代工科生的必修课。
本次试训内容为信号灯的模拟设计，要求根据十字路口的红黄绿交通灯的具体要求，设计出一套交通信号灯控制系统，满足日常生活的需要。
绿灯要求有闪的动作；数据设定画面必须有密码方可进入，且密码可进行修改；时间设定/显示单位为秒，主画面中须有总剩余时间和每种类型交通灯运行的剩余时间显示，总时间进度条的显示等等。
本实训耗时两周，经过仔细调试，实训作品可以达到所有要求，运行稳定。
通过实训，本人进一步熟悉了PLC的使用方法，并积累了宝贵的经验。
关键词：
信号灯闪烁；触摸屏密码设置；数码管显示
目录
引言…………………………………………………………………………………………1
1方案设计………………………………………………………………………………1
1.1顺序梯形图设计方案…………………………………………………………………1
1.2触摸屏设计方案………………………………………………………………………1
1.3硬件设计方案…………………………………………………………………………1
2硬件设计……………………………………………………………………………1
2.1PLC可编程逻辑控制器………………………………………………………………1
2.1.1CPU……………………………………………………………………………………2
2.1.2存储器…………………………………………………………………………………2
2.1.3接口……………………………………………………………………………………2
2.1.4编程器…………………………………………………………………………………2
2.1.5电源……………………………………………………………………………………2
2.2外部电路………………………………………………………………………………2
2.2.1启动、停止开关电路………………………………………………………………2
2.2.2信号灯电路……………………………………………………………………………3
2.2.3数码管显示电路………………………………………………………………………3
2.2.4电源电路………………………………………………………………………………5
3软件设计………………………………………………………………………………5
3.1总开关…………………………………………………………………………………5
3.2密码设置保存…………………………………………………………………………5
3.3信号灯信号控制………………………………………………………………………6
3.4信号灯信号输出………………………………………………………………………7
3.5数码管数据输出………………………………………………………………………7
3.6清零……………………………………………………………………………………9
4触摸屏模拟…………………………………………………………………………10
4.1主界面………………………………………………………………………………10
4.2密码设置界面………………………………………………………………………10
4.3参数设置界面………………………………………………………………………13
5总结…………………………………………………………………………………14
辞谢………………………………………………………………………………………15
附录………………………………………………………………………………………16
引言
随着PLC系统的高速发展，现代工业制造逐渐向智能化发展。
掌握PLC也就成为现代工科生的一项必备技能。
通过对三菱PLC进行实训设计，我们可以更好的了解PLC的基本原理与设计开发过程，从而，进一步了解PLC项目的制作流程与方法。
本次试训作品主要由程序、触摸屏和硬件三个部分组成，分别用GXdeveloper8.62、GTdesigner3、AltiumDesigner三款软件设计。
下面就从这三方面进行论述。
1.方案设计
本实训具体设计思路如下：
利用按钮开关控制系统开启；PLC根据程序逐一输出相应信号，驱动彩色LED进行交通信号演示、数码管倒计时显示；并可利用触摸屏输入原密码并与PLC内部存储的原密码比较，从而通过安全认证，进行密码与参数的修改。
1.1顺序梯形图设计方案
利用GXDeveloper8.62软件编辑PLC，使其在收到启动信号后依据参数，求得信号跳转节点位置，并利用T0计时器，配合CMP功能语句控制相应输出端在指定节点做出相应反映，并通过增设其他计时器，获得倒数计时，并用MOV指令或SEGD指令将数值传输给数码管输出电路。
实现各方向信号灯有序输出，数码管清晰正确显示。
并可以搭配触摸屏实现安全认证，参数密码修改。
1.2触摸屏设计方案
通过DTdesigner3软件，我们设计出的触摸屏应准确对应梯形图，可利用触摸屏上模拟的相关按钮、指示灯等设备模拟各方向信号灯信号的跳转，并新建两个窗口实现安全认证、时间参数与密码的设置。
1.3硬件设计方案
本次实训的硬件并非像往常一样直接由AltiumDesigner设计出PCB电路图然后进行焊接。
本次试训使用的是万用板，故，只需设计出原理图，然后焊接就可以了。
硬件需要实现的功能主要包括，利用按钮实现启动、停止的输入；通过彩色LED模拟信号灯的跳转；根据PLC输出的BCD代码实现数码管数值的递减显示。
2.硬件设计：
本实训作品硬件的功能是这样实现的：
首先利用按钮启动PLC，PLC驱动相应寄存器、时间继电器，在相应时间驱动输出端进行相应输出；驱动代表信号灯的六个彩色LED和指示牌的数码管显示。
2.1PLC可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器实在继电器控制和计算机控制基础上开发出来的，并通过微型处理器，集成了自动控制、计算机、网络通信等技术的自动工业控制装置。
其与机器人、CAD/CAM一起构成了工业自动化三大技术支柱。
本次实训所采用的FX2N系列PLC是由三菱公司推出的高性能小型PLC。
拥有计算速度快、存储容量大、I/O控制口可控制性强、内部功能多样等特点。
三菱FN2X系列PLC如图2.1所示
图2-1三菱FX2N系列PLC
2.1.1CPU
CPU由控制器、计算器和寄存器集成与一块芯片中，并通过数据总线、地址总线、控制总线等控制存储器、输入输出接口、编程器，从而，按照PLC内系统程序赋予的功能，指挥PLC完成相应的工作任务。
2.1.2存储器
PLC内部的存储器包括了系统程序存储器、用户程序存储器、数据存储器三种。
系统程序存储器决定了PLC的基本功能，大多由生产厂家编写，主要有系统管理程序、用户指令解释程序、功能程序与系统程序调用等部分。
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，其存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
数据存储器是PLC运行过程中，存储需生成或调用中间结果数据和组态数据而开辟的，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需长期保存，所以用存储器RAM存储。
2.1.3接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行原件连接的接口电路。
PLC的输入口有直流输入、交流输入、等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出、和继电器输出等类型
2.1.4编程器
编程器的作用是将用户编写的程序下载至PLC用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统参数等。
2.1.5电源
PLC的电源的作用是将外部输出的交流电转化为可使用的直流电。
PLC大都采用工作稳定、抗干扰能力强的开关稳压电源。
同时很多PLC也可以向外提供24V的稳压电源。
2.2外部电路
2.2.1启动、停止电路
此电路由两个轻触开关、排针组成。
排针用于连接PLC的输入端，控制PLC的启动和停止。
在此实训中，排针接开关的两端分别接X1X2端口，接两按钮公共端的接在输入端的COM端。
启动、停止电路如图2-2所示。
图2-2启动、停止电路
2.2.2信号灯电路
信号灯电路由输入端、电阻、彩色LED组成。
LED共阴连接，并分别串联300欧姆的电阻用于限流。
LED分为红绿黄三色，每种颜色各两个，分别连接着Y0至Y5的六个输出端，用来演示南北、东西方向的信号灯。
信号灯电路如图2-3所示。
图
2-3信号灯电路
2.2.3数码管显示电路
数码管电路与信号灯电路相近。
数码管按照要求需要按照信号灯信号显示相应数值，在本次实训中，我将其作为各个方向红灯的数值显示端。
数码管电路我先后有两套方案。
第一套是通过PLC发送对应信号给译码器4511，再由译码器4511驱动数码管。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码-七段码译码器。
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。
可直接驱动共阴LED数码管。
这种方法比较节省输出端口，接线也略微简单一些。
但是译码器CD4511是一个大问题。
由于未知原因，实训过程中译码器CD4511无法正常工作。
故我在随后的尝试中，放弃了这一方案。
使用译码器的电路原理图，如图2-4所示。
图2-4带译码器的数码管显示电路
第二套方案是利用PLC内部的程序，直接控制数码管输出BCD代码控制数码管显示。
这种方法每个数码管要使用至少8个PLC的输出端，对PLC输出端消耗严重。
但是由于，此次实训规模不大，控制两个数码管还是足够的。
故在实训后期被采纳。
直接使用PLC驱动数码管的数码管显示电路如图2-5所示。
图2-5直接使用PLC驱动数码管的数码管显示电路
2.2.4电源模块
由于，PLC的输出端仅作为开关，并不输出电平。
所以，我们需要用外接电源连接PLC的COM端口来驱动外部电路。
本实训中，我用USB2.0母头作为电源输出端，用连接线输入电源，从而驱动外部电路。
电源模块如图2-6所示。
图2-6电源模块
3.软件设计
3.1.总开关
由常开点x0，常闭点X1，以及寄存器M0共同构成了一个起保停电路。
从而，利用m0，构成了下列所有程序的总开关。
总开关梯形图如图3-1显示。
图3-1总开关梯形图
3.2密码设置保存
下列语句的作用是：
在触摸屏中实现参数的设置，并为参数设置修改密码。
具体方式在下面介绍触摸屏时会系统介绍，这里先介绍程序意义。
程序运行后，CPU便对比D10、D20的值、当D10=D20时，M60被按下后，D40便被赋予D20。
随后，利用D12（默认值为0），将D10、D40清零。
后半部分同理。
密码设置保存梯形图如图3-2所示。
图3-2密码设置保存梯形图
3.3信号灯信号控制
这一部分的作用是将刚刚获得的参数D20，变成信号灯信号变化的时间节点，并在相应节点进行特定的寄存器输出。
在修改参数后，D2便被赋值，在程序中，D2代表的是南北绿灯变为黄灯的节点。
随后，分别利用SUB（减法）指令，ADD（加法）指令，分别得到D1（南北绿灯进入闪烁阶段的节点）、D3（南北黄灯变为红灯、东西红灯变为绿灯的节点）、D4（东西绿灯进入闪烁阶段的节点）、D5（东西绿灯结束，黄灯启动的节点）、D0（东西黄灯、南北红灯结束、重新循环的节点）。
所有数值确定后，利用CMP对比指令在相应节点分别启动M10、M12、M20、M22等相应寄存器。
（CMP对比指令的使用方法如下：
CMP指令中需要分别包含两个数值，一个输出端，这数值可以是寄存器D、时间计数器T、计数器C。
以[CMPT0D1M10]为例，在T0小于D10时，M10得电，M11、M12断电；而T0等于D1时，M11得电，M12、M10断电；随后D1大于T0，M12得电，其余两位断电）。
信号灯信号控制梯形图如图3-3所示。
图3-3信号灯信号控制梯形图
3.4信号灯信号输出
在所有输出确立后，程序便可以利用这些输出来控制输出寄存器了。
限于篇幅，本段就以从循环开始到南北、东西信号灯信号第一次互换这一过程进行介绍。
当信号灯开始循环时，M12输出并驱动Y0输出东西绿灯，同时M32驱动Y3输出南北红灯；当要求绿灯进入闪烁阶段时，M12断电，同时启动以T1、T2构成的1s周期振荡程序，用来实现绿灯的三秒闪烁；三秒闪烁结束，M22断电，Y0断电，Y2得电，绿灯熄灭，黄灯点亮；最后，到了南北、东西信号灯互换，M32断电，Y1、Y3断电，Y4、Y3得电，南北黄灯与
东西红灯熄灭，南北绿灯和东西红灯点亮，互换完成，新的一轮信号开始。
最后，利用T0完成重置，新的循环开始。
信号灯信号输出梯形图如图3-4所示。
图3-4信号灯信号输出梯形图
3.5数码管数据输出
由于PLC输出端数量有限、且实训时间限制，本次试训仅用两个七段数码管显示两条路上的红灯时间。
而红灯的总时间刚好是总时间的一半，而总时间是由T0的上限值D0控制，故，可先将D0除以二存入D6内作为红灯的总时间。
不过，数码管所显示的数值是逐秒递减的，而，D6里的数值并不会改变。
故，我们可以再使用一个计时器T3。
T3计时器的数值每100ms增一，将D6的值减去T3，将值输入D8，D8便成为一个每100ms减一的递减数值。
最后将D8的值除以10，所得到的数值便以红灯总时间为初始时间，并逐秒递减。
这里要注意一下DIV指令的输出，以程序中[DIVD60K10D70]指令为例；D60在DIV除以K10后，商会被放入寄存器D70中，而余数则会被自动存入寄存器D71中。
好了，数值到手了，下面就是输出给数码管了，这里，我要介绍两种解决方法，其一如果是用4511的同学就直接将这两个值输给相应的输出口就可以了。
而像这样的多段输出就应该交给MOV指令。
下图[MOVD70K1Y010]的意思是将D70的值以二进制的形式，赋给以Y010为首的四个输出端，在这里K1的意思就是四个输出端。
这个方法比较省输出端，接线也比较简单。
数码管数据输出梯形图如图3-5所示。
但是！
CD4511译码器使用起来并不容易。
所以这套方案直接抛弃。
第二套方案，使用了一个PLC内部的数码管输出程序：
SEGD。
它的输出方法是将相应的数值，直接在PLC内部翻译成可以显示数码管的BCD码，然后就可以直接用PLC控制数码管了。
这个方法一个数码管要消耗8个输出端，不过对于这样的小实训，妥妥的够用了。
使用SEGD指令的数码管数据输出梯形图如图3-6所示。
图3-5使用CD4511译码器的数码管数据输出梯形图
图3-6使用SEGD指令的数码管数据输出梯形图
3.6清零
最后循环结束，计算完成，可以打扫打扫，准备下一个循环了。
既然T0是用来实现循环的，那么用它来启动清零也就顺理成章了。
在这里，清零的对象是所有CMP指令中使用的继电器。
清零梯形图如图3.7所示。
图3-7清零梯形图
4.触摸屏模拟
程序介绍完了，接着我们来讲触摸屏模拟。
本次试训中，我所使用的触摸屏版本是GTDesigner3，触摸屏要实现的功能有：
利用触摸屏（注意是用触摸屏设置，不是触摸屏模拟软件设置）进行密码设置、参数设置、交通灯显示。
4.1主界面
主界面的主要作用是模拟四个方向的红绿灯，并让其按照程序设置交替显示。
所以，首先应按照程序放置对应的启动、停止按钮，并放置代表Y输出口的六个信号灯。
同时，主界面还要有两个画面切换开关（图）用来进行参数和密码的设置。
我在设计主界面时，还放置了代表D60寄存器的一个数据显示。
同时，我也将用于存放密码的D20、用于显示参数的D2放了上去方便调试（密码忘掉是很坑爹的）。
正常使用时，按下启动键，信号灯便根据程序和参数依次点亮、熄灭；按下停止按钮信号灯输出停止。
当需要设置参数和密码时，分别点击相应的画面切换按钮即可。
主界面如图4.1所示。
图4.1主界面
4.2密码设置界面
密码设置相对复杂，需要配合梯形图程序实现。
首先点击左上角的画面设置窗口，新建两个窗口并分别设置名称与代号，例如图4-2中，我将一个窗口名称设置为密码设置、画面编号为1。
然后，回到主界面，右击需要对应的画面切换开关，将其所对应的画面编号设置为1。
（如图4-3所示）这样，在触摸屏上按这个按钮，就可以弹出我们命名为密码设置的窗口了。
设置完了按钮，然后设置密码设置窗口。
（参考上图3.2）密码设置窗口的工作是需要梯形图程序配合使用的。
首先，建立两个数据输入，分别用于存放原密码和要输入的
图4-2画面窗口的设置
图4.3密码设置按钮的建立和设置界面
图3-2密码设置保存梯形图
新密码。
以实训中的密码设置为例，我将D10、D40分别作为原密码和新密码的输入端，D20作为原密码储存端，M60按钮作为确定按钮。
当需要输入密码时，只要在触摸屏中点击“密码设置”按钮便会弹出窗口，（如图4-4）在原密码后的输入端输入原密码，（如图4-5）同时在新密码中输入新设的密码，再单击确认按钮。
此时，在梯形图程序中，D10、D20在[=D10D20]中比较，当D10等于D20时，只要M60按下，后续步[MOVD40D20]便会执行，此步的作用是将存有新密码的D40寄存器赋值于D20寄存器，从而实现密码更新与储存。
而下一步[=D12K0]，的作用实质上就是一个一指令（管他里面是D12还是别的，只要能让它默认都执行后续步骤就可以）。
它会默认执行后续指令，即通过两个MOV指令将D10与D40清零。
这一步的作用在于，它会防止D10、D40在下一次点开这个窗口的时候，仍然显示上一次输入的密码，从而防止密码泄露。
按下了确定按钮，就可以返回主界面了。
此时，新的密码已经修改好了。
（如图4-6）
图4.4密码设置窗口
图4-4触摸屏中弹出的密码设置窗口（正在键入原密码）
图4-5设置新密码
图4-6密码设置完成
4.3参数设置
参数设置功能的思路与密码设置大致相同。
只是，这次更改的值不是用于存放密码的D10，而是用于存放时间参数的D2。
因此，本部分仅做简单的文字介绍。
首先，和上面一样，开辟出一个用于参数设置的窗口，并进行画面设置，而后，在主界面上创建一个用于的时间设置画面切换按钮，这里我把它命名为“时间设置”。
窗口内的布局与设置和密码设置相同。
首先，设一个寄存器D30，用于安全认证，；D50寄存器为时间参数输入端；（由于参数不需要保密，也可以直接上参数储存寄存器D2，并取消D2的清零），D2为参数储存寄存器，M61按钮作为确定按钮。
当需要输入参数时，只要在触摸屏中点击“参数设置”按钮弹出窗口，在原密码后的输入端输入原密码，同时在新参数输入端中输入新设的参数，再单击确认按钮。
此时，在梯形图程序中，D10、D30在[=D10D30]中比较，当D10等于D30时，只要M61按下，后续步[MOVD50D2]便会执行，此步的作用是将存有新参数的D50寄存器赋值于D2寄存器，从而实现参数更新与储存。
5.总结
经过紧张的两周，我们的实训终于做完了。
虽然，PLC的调试远不如想象中的那么顺利，但最终，作品稳定的工作，证明我们实训最终成功了。
通过本次试训，我们对PLC的了解更深了一步，也对它的操作环境有了更深刻的了解，特别是在PLC编程、触摸屏设置，调试方面，我想当初用单片机做“打地鼠”一样将实训的总功能分解为若干子功能；并按照先后循序进行排序，并逐一解决；从而逐步实现各个功能；最终实现所有功能的方法。
可以说，这次实训极大地提升了我独立思考，独立解决问题，距离成为合格的程序员又近了一步。
相信这将是我专业又一个重要的的里程碑。
谢辞
感谢我们的导师廖晓梅对我们的实训悉心教导。
导师严谨踏实的工作态度和科学的思想方法极大地帮助和影响了我们的思维方式。
对此，我们衷心对他的关心和指导表示感谢。
在工作期间，机器人研究中心也给予了我们很大的帮助。
我的队友杨飞，龚敬永，以及李进坚等同学对我们的论文与实训提出了很多宝贵的意见。
在此，我们对他们的帮助表示感谢。
附录
梯形图展示（选用SEGD语句直接驱动数码管）
触摸屏展示
密码设置窗口
时间设置窗口
主界面
硬件
实物图
实物原理图
I/O口、部分软元件分配表（未使用译码器）
PLC接口
对应器件
PLC软元件
X1
启动按钮
M0
程序启停控制
X2
停止按钮
M60
（触摸屏）密码设置按钮
Y0
南北绿灯
M60
（触摸屏）参数设置按钮
Y1
南北黄灯
D1
南北绿灯开始闪烁时间
Y2
南北红灯
D2
南北绿灯转黄灯时间
Y3
东西红灯
D3
南北黄灯转红灯，东西红
灯转绿灯时间
Y4
东西绿灯
Y5
东西黄灯
D4
东西绿灯转黄灯时间
Y10
二位数数码管输入端A
D5
循环结束
Y11
二位数数码管输入端B
D6
循环一般总时间（也可以用D3）
Y12
二位数数码管输入端C
Y13
二位数数码管输入端D
D10
原密码输入端
Y14
二位数数码管输入端E
D20
新密码输入端
Y15
二位数数码管输入端F
D30
原密码输入端
Y16
二位数数码管输入端G
D40
密码存储端
Y20
一位数数码管输入端A
D50
参数存储端（南北绿灯延续时间）
Y21
一位数数码管输入端B
Y22
一位数数码管输入端C
Y23
一位数数码管输入端D
Y24
一位数数码管输入端E
Y25
一位数数码管输入端F
Y26
一位数数码管输入端G
参考文献
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