广告灯自动控制系统设计.docx
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广告灯自动控制系统设计
1 前言 ……………………………………………………………………… 5
1.1 PLC 的开发背景..........................................5
1.2 选题意义及 PLC 型号的选择及介绍 ........................5
1.2.1 选题意义...........................................6
1.2.2 PLC 型号的选择......................................7
1.2.3 PLC 的功能.........................................8
1.2.4 PLC 的特点.........................................9
1.3 系统所需硬件及注意事项.................................6
2 总体设计 ...................................................9
2.1 控制要求 ..............................................9
2.2 主要内容...............................................10
2.3 硬件设计..............................................12
2.3.1 PLC 的型号及 I/0 分配口.............................13
2.3.2 PLC 控制接线图.....................................13
2.4 PLC 控制梯形图.........................................15
2.5 PLC 控制指令表.........................................16
2.6 调试与完善.............................................17
3 结论 .................................................56
致谢..................................................23
参 考 文 献...............................................56
1
第一章前言
1.1 PLC 的开发背景
随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛
的应用在所有的工业领域。
现在社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，
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，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有高的可靠性和灵活性。
可编程
控制器（PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业指控
装置。
国际电工委员会（IEC）在 1985 年的 PLC 标准草案第 3 稿中，对 PLC 作出
如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环
境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其每部存储执行逻辑运算、
顺许控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输
入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其设备，都应
按照易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”可以预
料：
在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流。
PLC 程序既有
生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供应用平台，
同时还为 PLC 可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理，用户程序由用
户自己设计，这样可以满足大多数用户的需要。
第二章 电路图
第一节 广告灯自动控制电路
城市广告灯大多数只在夜晚 12 点钟以前起到较好的宣传作用，子夜一过，
行人稀少，也就失去了广告的意义。
该广告灯自动控制电路能在傍晚天渐黑时
自动接通广告灯牌的电源，同时开始计时，待 4～6 小时后于子夜自动切断电源，
从而实现全自动控制和节电的目的。
如图所示为广告灯自动控制电路，它由电
源变换、光控及定时等部分组成。
1
第二节 变色广告灯自动控制电路
这是一例变色广告灯自动控制电路，它采用了两种控制方式:
①光控方式，
白天自动关闭，夜晚自动开启;②时间控制方式，夜晚自动开启后，通过定时控
制使其在预定的时间自动关闭，以节约电能。
在广告灯开启后，通过控制电路
使两种彩色的广告灯光交替循环显示，增强广告效果。
电路在灯光显示的同时
还伴有广告语言，介绍广告要说明的内容，是一种功能较完善的广告灯控制器。
变色广告灯控制器的电路组成如图 6-45 所示。
电路工作原理
变色广告灯控制器电路由光控电路、时间控制电路、语言电路、彩灯循环
控制电路和电源电路组成。
光控电路是本电路的主控电路，它通过为其余控制电路接通工作电源的方
式控制着整个工作电路的开启时间。
1
光控电路主要由光敏电阻 RG 和由 VTl 、VT2 组成的直接桐合式晶体管放
大电路组成。
白天， RG 受光的照射阻值变小， VTl 的基极得到较大的偏置电
压而导通，VT2 则因 VTl 的导通而截止。
IC2~1C4 因无工作电源而停止工作。
夜晚来临时，光照减弱， RG 阻值升高， VTl 截止， VT2 因 VTl 的截止
而导通， 12V 电源经 VT2 向 IC2~IC4 提供工作电源，使其进入工作状态。
时间控制电路的作用是：
当夜晚来临后使电路投入工作，夜深人静时停止
工作，以避免不必要的电源消耗。
时间控制电路由一只 14 级二进制计数/分频电路 CD4060 组成。
该电路通
过外接 R4 、C7 组成一个 RC 振荡器，其振荡周期 T= 2. 2R4C7 = LIs 。
经内部 14 级分频（分频系数为 16384） 后，控制时间约为 5 小时（ 1.
1 X 16384 =18022s , 18022/3600≈5 小时）。
当 VT2 导通后，电源通过 C6 、R3 形成的复位脉冲使 CD4060 复位，随后
电路工作，产生脉冲并分频。
在接通电源之初，由于 IC2 的③脚输出低电平， VT3 导通，为 IC3 及
IC4 提供工作电源。
5 小时后定时结束，③脚输出高电平， VT3 截止，切断了
IC3 与 IC4 的工作电源，广告灯与语言电路因失去控制电源而停止工作。
广告语言电路 IC3 在 VT3 导通后即投入工作，发出"欢迎光临"的广告语言。
IC3 也可根据需要采用其他广告语，或者采用可录式语音电路录人所需要的广
告语。
IC4 组成广告彩灯交替循环控制电路，它是由 NE555 与 RIO 、Cll 及 CI0
组成的低频脉冲振荡器，其振荡周期：
t1= 0.693（R10+R11）C10~ 2. 4s
t2= 0.693R11C10≈2. 3s
即振荡电路输出高电平的时间为 2.4s ，输出低电平的时间为 2. 3s 。
SSR1 与 SSR2 为固态继电器，它可以由 IC4 和 VT6 输出的高电平来控制
使其接通。
当 IC4 输出脉冲的 t1 时， IC4 输出的高电子通过 SSR2 将绿色广
告灯接通，绿色广告灯开灯 2.4s 后灭。
当 IC4 输出脉冲的 tz 时， IC4 输出
的低电平使 VT6 导通， VT6 输出高电平通过 SSR1 将红色广告灯接通，红色广
告灯开启 2. 3s 后灭。
接着又是 IC4 输出高电平，绿色广告灯亮……如此不断
循环，直到定时结束 IC2 输出高电平使 VT3 截止。
第三章 元器件介绍
第一节 传感器
英文名称：
transducer / sensor
1
国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并
按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由 敏感元件 和转换元
件组成 ”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感
受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满
足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测
和自动控制的首要环节。
“传感器 ”在新韦式大词典中定义为 :
－“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中
的器件 ”。
根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所
以不少学者也用 “换能器－ Transducer”来称谓 “传感器－ Sensor”。
传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于 感觉器官 。
而单靠人们自身的
感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人 类五官 的延长，
又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首
先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中
信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控
制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达
到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失
去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，
进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观
察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s
的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓 新能源 、新材料等具
有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、
超强磁场、超弱磁砀等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，
没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对
象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往
往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的
先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资
源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫
不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几
乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
1
由此可见， 传感器技术 在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是
十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感
器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
敏感元件的分类
①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
②化学类，基
于化学反应的原理。
③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通
常据其基本感知功能可分为 热敏元件 、光敏元件 、气敏元件 、力敏元件 、
磁敏元件 、湿敏元件 、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等
十大类（还有人曾将敏感元件分 46 类）。
传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理 （传感器工作的
基本物理或化学效应 ）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的
材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为 物理传感器 和化学传感器 二大类 ：
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如 磁致伸缩
压电效应 ，现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微
小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感
器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器
是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，
规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会
有巨大增长。
常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。
1.按照其用途，传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器 位置传感器
液面传感器 能耗传感器
速度传感器 加速度传感器
射线辐射传感器 热敏传感器
24GHz 雷达传感器
2.按照其原理，传感器可分类为：
振动传感器 湿敏传感器
磁敏传感器 气敏传感器
真空度传感器 生物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
1
模拟传感器 ——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器 ——将被测量的非电学量转换成数字输出信号 （包括直接和
间接转换 ）。
膺数字传感器 ——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输
出（包括直接或间接转换 ）。
开关传感器 ——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相
应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用
来制作传感器的敏感元件。
从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几
类：
（1）按照其所用材料的类别分 ?
金属 ?
聚合物 ?
陶瓷 ?
混合物 ?
（2）按材料的物理性质分 ?
?
导体 ?
绝缘体 ?
半导体 ?
磁性材料 ?
（3）按材料的晶体结构分 ?
单晶 ?
多晶 ?
非晶材料 ?
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：
?
（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感
器技术中得到实际使用。
?
（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技
术。
?
（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器
技术中加以具体实施。
?
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的
开发强度。
传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联
的。
表 1.2 中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
?
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器 ?
薄膜传感器 ?
厚膜传感器 ?
陶瓷传感器
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。
通
常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
?
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底 （基板 ）上的，相应敏感材料的薄
膜形成的。
使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
?
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通
常是 Al2O3 制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺 （溶胶 -凝胶等 ）生产。
?
1
完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。
厚膜和
陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工
艺是陶瓷工艺的一种变型。
?
每种工艺技术都有自己的优点和不足。
由于研究、开发和生产所需的资
本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比
较合理。
第二节 光敏电阻传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
光电管、
光电倍增管、 光敏电阻 、光敏三极管 、太阳能电池、 红外线传感器 、紫外
线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、 CCD 和 CMOS 图像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器
不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非
电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目
前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占
有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就
会产生电流。
第三节 发光二极管
它是 半导体二极管 的一种，可以把电能转化成 光能 ；常简写为 LED。
发光
二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。
当给发
光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区
的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生
自发辐射的荧光。
不同的 半导体材料 中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的
光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向
击穿电压约 5 伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以
控制通过管子的电流。
公式
限流电阻 R 可用下式计算：
R＝（ E－UF）／ IF
式中 E 为电源电压， UF 为 LED 的正向压降， IF 为 LED 的一般工作电流
物理特性
1
式中 E 为电源电压， UF 为 LED 的正向压降， IF 为 LED 的一般工作电流。
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。
有的发光二极
管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低（有的
仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗
震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发
光的强弱。
由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，
在许多电子设备中用作信号显示器。
把它的管心做成条状，用7 条条状的
发光管 组成 7 段式半导体 数码管 ，每个数码管可显示 0～9 十个数目字。
发光原理
50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二
极管产生于 1960 年。
LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的
缩写，
发光二极管
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然
后四周用 环氧树脂 密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能
好。
发光二极管的核心部分是由 P 型半导体 和 N 型半导体组成的晶片，在
P 型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层，称为 PN 结。
在某些半导体材
料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光
的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN 结加反向电压，少数载
流子难以注入，故不发光。
这种利用 注入式电致发光 原理制作的二极管叫
发光二极管，通称 LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压）
，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的
光线，光的强弱与电流有关。
分类
1
发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮
度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、
红外发光二极管 和负阻发光二极管等。
普通单色发光二极管
普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀
稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动
点亮。
它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。
普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取
决于制造发光二极管所用的半导体材料。
红色发光二极管的波长一般为
650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为 630~650 nm ，橙色发光二极
管的波长一般为 610~630 nm 左右，黄色发光二极管的波长一般为 585 nm
左右，绿色发光二极管的波长一般为 555~570 nm。
常用的国产普通单色发
光二极管有 BT（厂标型号）系列、 FG（部标型号）系列和 2EF 系列，见表
4-26、表 4-27 和表 4-28。
常用的进口普通单色发光二极管有 SLR 系列和 SLC 系列等。
高亮度单色发光二极管
高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与
普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。
通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（ GaAlAs）等材料，超高
亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（ GaAsInP）等材料，而普通单色发光
二极管使用磷化镓（ GaP）或磷砷化镓（ GaAsP）等材料。
常用的高亮度红色发光二极管的主要参数见表4-29，常用的超高亮度
单色发光二极管的主要参数见表 4-30。
变色发光二极管
变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。
变色发光二极管发光
颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、
白四种颜色）发光二极管。
变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光
二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。
常用的双色发光二极管有 2EF 系列和 TB 系列，常用的三色发光二极管
有 2EF302、2EF312、2EF322 等型号。
闪烁发光二极管
闪烁发光二极管（ BTS）是一种由 CMOS 集成电路和发光二极管组成的
特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。
1
闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上
适当的直流工作电压（ 5V）即可闪烁发光。
电压控制型发光二极管
普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流
电阻。
电压控制型发光二极管（ BTV）是将发光二极管和限流电阻集成制作
为一体，使用时可直接并接在电源两端。
红外发光二极管
红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红
外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发
射电路中。
红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导
体材料不同。
红外发光二极管通常使用砷化镓（ GaAs）、砷铝化镓
（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。
常用的红外发光二极管有 SIR 系列、 SIM 系列、 PLT 系列、 GL 系列、
HIR 系列和 HG 系列等
LED 光源的特点
电压
LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以
它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
效能
消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%
适用性
很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形
状的器件，并且适合于易变的环境
稳定性
10 万小时，光衰为初始的 50%
响应时间
其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯的响应时间为纳秒级
对环境污染
无有害金属汞
颜色
1
发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的
升级会员 