毕业设计基于PLC的数字电子钟设计.docx
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毕业设计基于PLC的数字电子钟设计
德州职业技术学院
高职专业毕业论文
论文题目：
基于PLC的数字电子钟设计
系部：
电气电子工程系
专业：
08高职机电一班
***********************************
学号：
************
*******
二O一O年十二月二十二日
前言
数字钟已成为人们日常生活中：
必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
可编程控制器（PLC）是以微处理为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器--接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了几乎完美的现代化自动控制装置。
近几年，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。
为此，各高校的电器自动化、电气工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程控制器原理及应用的课程。
本设计以西门子公司的S7—200CN为基础，设计了PLC电子时钟的梯形图。
本设计共分四大章：
第一章是基础部分，介绍了PLC的概述说明了PLC的发展史。
第二章主要是数字电子钟设计的软件介绍及应用。
第三章是数字电子钟的设计程序，进一步清楚的了解其内部结果和工作原理。
第四章是针对本设计在制作过程所参考文献及资料的统一说明及介绍。
最后是对指导老师及在本设计过程当中给予我们帮助的老师及领导的感谢。
由于我们的水平有限，难免存在错误和疏漏，恳请领导、老师、读者批评指正。
前言1
第一章PLC的概要4
2.43数码管显示原理15
附录
（1）参考文献29
附录
（2）谢辞30
摘要
本系统采用计数器、显示器和校时电路组成。
由LED数码管来显示plc所输出的信号。
总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
[关键字]PLC数码管计数器
第一章PLC的概要
1.1课程设计准备知识
学习PLC的最终目的是能把它应用到实际控制系统中去，若遇到实际的工业控制项目，需用PLC进行控制，应如何着手去设计一个控制系统。
1.11PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2.在满足控制要求的的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维修方便。
3.保证控制系统的安全、可靠。
4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余地。
1.12PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。
因此，PLC控制系统的基本内容包括如下几点：
1.选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
这些设备属于一般的电气元件，自选择方法请参考其他有关资料。
2.PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。
选择PLC，应包括机型、容量、I/O点数（模块）、电源模块以及特殊功能模块的选择等。
3.分配I/O点，绘制电气连接接口图，并考虑必要的安全保护措施。
4.设计控制程序。
梯形图、语句表（可由编程软件自动转换或直接编写）、控制系统流程图等。
控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键，因此控制程序的设计必须经过反复调试、修改，直到满足为止。
5.必要时还需设计控制台（柜）。
6.编制系统的技术文件。
包括说明书、电气图及电气元件明细表等。
传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。
在PLC控制系统中，这些图可统称为“硬件图”。
它在传统的电气图的基础上增加了PLC部分，所以，还应增加PLC的I/O输入、输出电气连接图（即I/O硬件接线图）。
此外，在PLC控制系统中，电气图还应包括程序图（梯形图），可以称之为“软件图”，便于用户在生产发展过程或工艺改进时修改程序，或维修时分析和排除故障。
1.13PLC控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求：
需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数
（3）选择PLC（考虑性价比等）
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O电气接口连接图（也可结合第2步进行）
（5）进行PLC的程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工
在设计传统的继电器控制系统时，必须在控制线路（接线等）设计完成后，才能进行控制台（柜）的设计和现场施工。
由此可见，可减少整个工程的施工量并大大缩短施工周期。
（6）对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，明确给出动作的顺序和
条件。
（7）设计梯形图（并程序清单）。
这是比较困难的但也是关键的一步。
要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的基础及实践经验。
（8）程序输入PLC并检查输入是否正确。
（9）调试和修改直至满足要求。
（10）控制台（柜）及现场施工完成后，即可进行联机调试，直至满足生产要求。
（11）编制技术文件。
（12）交付使用。
1.2软件介绍
1.21软件介绍
PLC英文全称ProgrammableLogicController中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。
随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展， 到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。
美国电气制造商协会NEMA从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“PLC”。
可编程序控制器硬件由六部分构成:
中央处理器：
它是可编程序控制器的心脏部分。
CPU由微处理器存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。
电源：
给中央处理器提供必需的工作电源。
输入组件：
输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。
现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
输出组件：
输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。
输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。
输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。
输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。
编程器：
在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。
编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。
第二章PLC控制电子钟设计
2.1七段共阴数码管电子钟PLC程序设计原理
2.11控制要求：
1.用四个七段数码管分别显示“时十位”、“时个位”、“分十位”和“分个位”。
2.用特殊继电器SM0.5提供秒脉冲
3.有“预置”和“校对”时间功能。
I/O分配：
X0—运行开关，X1—预置按钮；Y0—A，Y1—B，Y2—C，Y3—D，Y4—E，Y5—F，Y6—G；Y7—“秒闪烁”指示；Y13—“时十位”显示，Y12—“时个位”显示，Y11—“分十位”显示，Y10—“分个位”显示。
COM端接线：
COM1和COM2（Y0—Y7所对应的公共端）接24V直流电源“+”极，COM3（Y10—Y13所对应的公共端）和COM接24V电源“-”极。
2.12总体设计思想
为了减少输出点数和接线，可以将四个共阴数码管的阳极都用Y0—Y6来驱动，但让其依次轮班接通；四个数码管的阴极分别用Y10—Y13来同步控制其接通“-”极的时间，以期达到四个数码管轮番显示的目的。
2.13具体设计过程
1.由特殊继电器SM0.5提供秒脉冲，用Y7输出。
2.用计数器C0将秒脉冲变成分脉冲。
3.用左移位指令[SHL-W]形成分个位左移码。
4.用左移位指令[SHL-B]形成分十位左移码。
5.用左移位指令[SHL-W]形成时个位左移码。
6.用左移位指令[SHL-B]形成时十位左移码。
7.用左移位指令[SHL-B]安排四个数码管轮番接通。
8.将四个左移位码分别译成七段数码管的字显示码，并考虑四个数码管轮番接通问题。
9.将数字显示码用Y0—Y6输出。
A
FGB
EC
D
七段共阴数码管
2.2编程元件地址分配
编程元件地址分配
编程元件
编程地址
符号
作用
辅助继电器
M0.1
M1
C0复位及分钟个位显示脉冲
M0.2
M2
分钟十位显示移位脉冲
M0.3
M3
小时个位显示移位脉冲
M0.4
M4
小时十位显示移位脉冲
M1.0
M10
分钟个位显示“0”
M1.1
M11
分钟个位显示“1”
M1.2
M12
分钟个位显示“2”
M1.3
M13
分钟个位显示“3”
M1.4
M14
分钟个位显示“4”
M1.5
M15
分钟个位显示“5”
M1.6
M16
分钟个位显示“6”
M1.7
M17
分钟个位显示“7”
M2.0
M20
分钟个位显示“8”
M2.1
M21
分钟个位显示“9”
M2.2
M22
10分钟到信号
M3.0
M30
分钟十位显示“0”
M3.1
M31
分钟十位显示“1”
M3.2
M32
分钟十位显示“2”
M3..3
M33
分钟十位显示“3”
M3.4
M34
分钟十位显示“4”
M3.5
M35
分钟十位显示“5”
M3.6
M36
1小时到信号
M3.7
M37
24小时到信号
M4.0
M40
小时个位显示“0”
M4.1
M41
小时个位显示“1”
M4.2
M42
小时个位显示“2”
M4.3
M43
小时个位显示“3”
M4.4
M44
小时个位显示“4”
M4.5
M45
小时个位显示“5”
M4.6
M46
小时个位显示“6”
M4.7
M47
小时个位显示“7”
M5.0
M50
小时个位显示“8”
M5.1
M51
小时个位显示“9”
M5.2
M52
10小时到信号
M6.0
M60
小时十位显示“0”
M6.1
M61
小时十位显示“1”
续表
编程元件
编程地址
符号
作用
辅助继电器
M6.2
M62
小时十位显示“2”
M8.0
M80
分钟个位调整脉冲
M8.1
M81
分钟十位调整脉冲
M8.2
M82
小时个位调整脉冲
M8.3
M83
小时十位调整脉冲
M9.0
M90
选择分钟个位显示
M9.1
M91
选择分钟十位显示
M9.2
M92
选择小时个位显示
M9.3
M93
选择小时十位显示
M10.0
M100
分钟个位a段
M10.1
M101
分钟个位b段
M10.2
M102
分钟个位c段
M10.3
M103
分钟个位d段
M10.4
M104
分钟个位e段
M10.5
M105
分钟个位f段
M10.6
M106
分钟个位g段
M11.0
M110
分钟十位a段
M11.1
M111
分钟十位b段
M11.2
M112
分钟十位c段
M11.3
M113
分钟十位d段
M11.4
M114
分钟十位e段
M11.5
M115
分钟十位f段
M11.6
M116
分钟十位g段
M12.0
M120
小时个位a段
M12.1
M121
小时个位b段
续表
2.3输入/输出继电器的地址分配
2.31输入/输出继电器的地址分配
.2.4数字电子钟控制系统的方案
2.41方案论证
目前常用的数字电子钟控制方法有①单片机控制②PLC控制。
两种方式的控制原理基本相似，都是分别以各自的主控器件来完成门信号的采集、运行状态控制和设定，达到自动调节和控制运行的功能。
本设计采用PLC控制方式，选用西门子S7--200PLC作控制器，继电器输出，时间显示用4个数码管,完成本设计要求的各项指标，实现数字电子钟的控制。
数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。
它的计时周期为24小时，PLC控制数字电子钟采用数码管显示。
2.42.控制要求
数字电子钟的控制要求如下：
（1）开机时初始状态显示为00时00分，按下启动按钮，控制器开始计时工作。
（2）能将时间显示调整到当前的时间。
（3）设置相应的手动按钮，使控制器使用更加方便。
2.43数码管显示原理
开机时显示为00时00分
PLC的输出点分别接到七段数码管的Y0~Y6上。
要显示数字只需要Y0~Y6有输出信号。
例如，显示1只需Y1和Y2有信号输出，它的十进制常数为K6=1*2+1*4,即K6转换为二进制数正好满足要求。
再把常数值K6由MOV指令传送到相应的数码管就可以显示数字了。
2.44数字电子钟的程序
（1）控制任务
设计一个数字电子钟，用LED数码管显示当前的时间，根据控制要求，需要显示的时间如下：
秒：
由SM0.5来实现一秒的脉冲发生器
分钟：
显示范围为00—59，用两只LED数码管显示
小时：
显示范围为00—23，用两只LED数码管显示
（2）LED数码管的工作原理
一只LED数码管可以看成是一组LED，有两种接线方式，一种是共阴极接法，一种是共阳极接法。
当发光二极管为正向偏置时，就会点亮。
（3）秒脉冲发生器
所谓秒脉冲发生器就是每秒生成一个脉冲，这个脉冲是所有计时器的基准，可以通过编程的方式实现，也可以利用PIC的特殊继电器，如S7—200的周期为1秒的脉冲发生器SM0.5来实现，编程更简单。
第三章数字电子钟梯形图程序
第四章结论
由于数字电子钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
所以数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
与传统机械钟相比，它具有走时准确、显示直观无机械传动装置等优点。
在数字显示方面，目前以有集成的记数、译码电路，他可以直观的驱动数码显示器件。
也可直接采用CMOS-LED光电组合器件，构成模块式石英晶体数字钟。
这些电路装置十分小巧，安装使用也方便，如果想实现大型光电显示，可以加一定的驱动电路，采用白炽灯显示系统,做起来也不困难。
数字电子钟是以不同的计数器为基本单元构成的，它的用途十分广泛，只要有计时、计数的存在，便要用到数字钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。
采用PLC的定时中断功能实现定时，不仅定时精度高，编程简单，显示效果稳定可靠，具有较大的实用价值。
高等职业院校的培养目标的首要任务是培养具有创新精神和实践能力的各类技术人才，人才培养目标的实现必须有一定的实践教学环节。
我们通过实践教学环节的训练与锻炼，才能在实践中不断巩固和加深理论知识，提高独立工作的能力和创新能力。
通过数字电子钟的设计于制作，我们能够掌握一定的汇编语言知识并用于编写程序，掌握了定时与计数器的使用方法，以及微机常用的输入输出方式及接口技术。
培养了自己的动手操作和实践能力，学习并巩固了程序设计的基本思路和方法。
附录
（1）参考文献
1胡学林可编程控制器教程北京电子工业出版社。
2廖常初S7—200PL编程及应用北京机械工业出版社。
3康华光电子技术基础模拟部分（第四版）.高等教育出版社，1999。
4康华光电子技术基础数字部分（第四版）.高等教育出版社，2000。
5李振声实验电子技术.国防工业出版社，2001。
6任为民电子技术基础课程设计.中央广播电视大学出版社，1997。
7钟肇新范建东可编程控制器原理及应用.广州：
华南理工大学出版社，2003。
附录
（2）谢辞
三年的大学生活即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。
经过几月的时至今日，毕业设计终于可以告一段落了，现在回想起做这个设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过也乐其中！
这次毕业设计使我把书本上的理论知识运用到相关的具体内容上，让我自身的设计能力得到了培养和提高。
在设计过程中，我通过查阅大量相关资料、自学、同同学交流，向老师请教等方式，使自己学到了不少知识。
虽然经历了不少艰辛，但收获却也同样令人欣慰！
在整个设计开发过程中，我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活产生非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。
在此我要特别感谢我们指导老师刘洪波老师，他的悉心教导以及孜孜不倦我才有了这部完整的设计，他时常督促我们认真快速的完成设计以便更好的投入到工作中!
同时还要感谢我的父母，是他们一直默默的支持我、鼓励我，让我顺利完成学业！
还有我的室友们，感谢他们在大学三年给我生活和学习上的帮助！
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