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课程设计（论文)

基于PLC的自动打铃控制器设计
ＤESIGN OF AUTOMATIC ＢＥLL CＯNＴROＬLEＲ BASED ＯN PLC

学生姓名
李然
学院名称
信电工程学院
学号
201205011５0
班级
1２电气1
专业名称
电气工程及其自动化
指导教师
王仁丽

2015年
7月
１日

摘要
本文介绍一种采用西门子PLC控制的校园作息时间自动打铃控制系统，详细的阐述了系统的组成、系统硬件接线和系统软件设计，并仔细介绍了系统工作原理。该系统具有外设电路配置简单、扩展方便、操作容易，可靠性高实用性强等特点.该系统用于学校电铃的自动控制，具有周末和假期控制功能和星期与时间的显示功能，实现了作息时间无人控制的自动化、科学化管理与操作。

关键词ＰLＣ；电铃;自动控制；软件设计

目录

１ 绪论1
1.1 系统背景1
1．2 课题的目的和意义1
2 PLC可编程控制器的概述ﻩ3
2.１ PLC可编程控制器的功能3
2.2 PLC可编程控制器的发展趋势4
3 设计任务及要求 ５
4　系统总体设计ﻩ6
４.1 系统概述 ６
４.2 机型的选择ﻩ６
4。3 设计方案 7
４.４ 电铃电路简单介绍 8
４．５ 数码管显示的介绍ﻩ８
４．6 编程元件地址分配ﻩ10
4．6.1 输入输出继电器地址分配ﻩ１0
4.6.2　输入输出接线图 １0
4.6．3 系统的实物接线图 １１
5　程序设计 １２
5．1 计算机辅助设计编程ﻩ１2
５。2 系统流程图ﻩ12
5．3 MCGS的设计ﻩ１３
５．４ 总体PLＣ程序的设计 1５
结论 2２
致谢ﻩ23
参考文献ﻩ24

1 绪论
１。1　系统背景
学校、机关、工厂、车站、码头、医院、邮电等企事业单位通常都是以电铃作为作息时间信号，铃声已日益成为人们生活中的一部分。铃声作为作息时间信号,最原始的控制方式就是人工控制。按照作息时间表敲铃,以及后来出现了电铃但没有能实现自动控制也是由人工按电钮开关来电铃发出铃声都是人工控制方式。随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展，出现了新兴的技术—电气控制与可编程控制技术,而计算机向微型方向的一个分支发展，则出现了主要是用于控制领域的单片机。由于这些新兴的控制技术的各种应用芯片的发展，人们用不同的方法实现打铃的自动化。目前的自动打铃器,主要包括用单片机控制、用PLC控制、用电脑程序控制、用继电器控制这几种控制方式。
1。2 课题设计的目的和意义
本次设计的作息时间控制系统采用的是可编程控器控制方式。可编程控制器的英文为Prograｍmablｅ　Controllｅr,到20世纪9０年代，个人计算机发展起来,也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大,所以美国ＡB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC－Ｐrogrａmmａｂle Lｏgｉc　Contｒoller），为了方便，仍简称PLＣ为可编程序控制器。国际电工委员会（IEC)对ＰLC的定义是:“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计."由于PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点,所以PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,成为工业自控设备之首。在ＰLＣ应用方面，我国也很活跃,近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。可以预计２1世纪可编程控制器将会有更大的发展从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大两个方向发展.从产品的配套性能上看,产品的品种会更丰富、规格会更齐备。完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工来控制场合的需求。从网络的发展状况来看,可编程控制器和其他工业控制计算机网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展主向。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分,将在众多领域发挥越来越大的作用。PLC对实现我国工业自动化有重要的意义。虽然用其它三种控制方式也可以实现作息时间控制的自动化,但是用PLＣ控制方式具可靠性高,抗干扰能力强的特点,PLC无故障时间高达30万小时，更能适应恶劣的环境。铃声的自动控制系统摆脱人工打铃、打钟的繁琐，铃声的单调乏味，以及控制时间的长短不便，把人们从繁烦的操作中解放出来,也最大限度的缓解各企事业单们的资金负担,真正实现打铃的无人看守。

2　PLC可编程控制器的概述
2．1　PＬC可编程控制器的功能
１.可靠性高,抗干扰能力强
PLC软件，而不是大量的中间继电器和时间继电器,只留下少量的硬件输入和输出接线继电器控制系统１/1０～1／100接触不良造成联系失败是可以减少大大减少了。高可靠性是电气控制设备的性能的关键。PＬＣ是由于现代大规模集成电路技术的引进，严格的生产工艺,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有高可靠性。例如,三菱F系列PＬＣ平均无故障时间高达300，000小时。冗余ＣPU的PLC,平均故障间隔时间较长。从一台机器的PＬC以外的电路,PLC构成控制系统，与同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千，将大大降低故障。此外，PLC的硬件故障,故障自我检测及时提醒。在应用软件,应用程序也可以被纳入外围设备和故障诊断程序,也收到以外的PLC系统和设备的故障自诊断保护电路.这样,整个系统具有很高的可靠性也就不奇怪了.
2.硬件齐全，功能完善,适用性
PLC发展到今天,已经形成了一系列小规模的产品，并已经标准化,系列化,模块化，配备全套的各种硬件设备，供用户选择，用户可以灵活方便的系统配置，组成功能不同，大小不同的系统.PLＣ接线的安装也很方便,一般使用终端连接外部接线。ＰLC与负载能力强，可直接驱动电磁阀和交流接触器,可用于各种规模的工业控制应用。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多数据运算能力，可用于各种数字控制.近年来出现了大量的PＬC的功能单元，ＰＬC渗透到了位置控制,温度控制，ＣＮC和其它工业控制.与PLC通信能力的增强和人机接口技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.容易使用,受工程技术人员的欢迎
PLC作为一台通用计算机,工业控制，工业控制设备,工矿企业。它是易于使用的界面是简单地认为是工程技术人员的编程.梯形图语言的图形符号与表达和中继电路可以非常接近，只有少数交换机PＬＣ逻辑控制命令的简单中继电路。不熟悉电子电路,人们不理解,理论和计算机汇编语言的干预，使用计算机工业控制器开门。
4。系统设计，安装，调试工作的少量，易打理,容易改造
ＰＬC程序通常使用顺序控制设计法。采取这种编程方法是非常有规律，很容易。对于复杂的控制，设计时间比示意图中继系统建设的时间少得多的头。
PＬC存储逻辑代替接线逻辑，大大减少外部接线的控制设备,控制系统的设计和施工周期短得多,在同一时间稍微变.更重要的是，同样的设备后的变化,在生产过程中的变化成为可能.这是适合于多品种，小批量的生产场合.
5。体积小,重量轻，功耗低
超小型ＰLＣ为例，相应的新品种不少于10０毫米大小的底面，只产生一些继电器的大小房屋量开关降低到原来的1/2~1/1０。它的重量为150克,只有几瓦的功率。由于体积小很容易充电的内部机是机电一体化的理想控制。
2。2　ＰLC可编程控制器的发展趋势和运动
１。现代ＰLＣ技术趋势
替代产品，各种智能模块的发展，不断完善的过程功能的快速发展; PLC和PC（个人电脑）相结合，不断提高通信网络功能,容错的一种新的编程语言的发展。
2。现代PLC技术发展趋势
美国通用汽车公司新一代的控制器，用户的身份应该是这十个条件：程序员可以改变在这一领域的计划;易于维护,这是最好的插件;可靠性高于继电器开关柜；比继电器面板;数据直接进入计算机管理；竞争和继电器控制成本；１１5Ｖ　AＣ输入即可；115Ｖ/2A输出交流传动是直接以上，电磁阀;在扩大，原有的系统，而一个小的变化;扩大了用户程序存储容量至少为4K字节。
１9６9年数字设备公司已成功完成了世界上第一个可编程逻辑控制器,自动装配线上首次成功开发的PDP－14和通用汽车。美国MODＩＣON公司还开发新的控制技术，这项新技术广泛应用于世界各地的国家迅速。1971年引进这项技术来自美国,并很快的第一个存储程序的控制发展到18个西欧国家，在1973年开发的，他们研制出第一台可编程序控制器。开始在中国发展在19７4年,１９７７年,工业生产和应用。在2０世纪７0年代与微电子技术的发展,特别是在PLＣ通信微处理器,控制器不仅限于没有原来的逻辑运算，可以进一步改善的功能.并且在如何扩大控制器在20世纪80年代的快速发展,大型和高度集成的电路及微电子技术，16位和一些32位微处理器，微型计算机的PＬC，PＬC的功能，迅速开展工作，就降低音量小，高架可靠性，降低成本，灵活，方便的编程和错误检测等功能做出优化。

3 设计任务及要求
某学校的作息时间表如下表所示： 
表3－1学校时间休息表
时间
内容
时间
内容
6：0０
起床
１３：30
第五节上课铃
６：２0
早操
1４：20
第五节下课铃
7：50
第一节预备铃
14：30
第六节上课铃
８：00
第一节上课铃
1５:2０
第六节下课铃
8：５0
第一节下课铃
15：30
第七节上课铃
9：00
第二节上课铃
１６：20
第七节下课铃
9:５０
第二节下课铃
１6:30
第八节上课铃
１0：10
第三节上课铃
17:20
第八节下课铃
1１:０0
第三节下课铃
19：０0
晚自习开始
1１：10
第四节上课铃
２1：０0
晚自习结束
12:00
第四节下课铃
２２:00
熄灯
13：2０
第五节预备铃

对自动打铃控制器的要求如下： 
（1)上课铃与下课铃的铃音不同(铃音响的频率不同，上课铃为短音：响０。5秒，停0。5秒；下课铃为长音：响3秒，停1秒），其他的铃音为连续音。
(2）每次打铃的时间为2０秒。
（３）星期六,星期日不打铃。 
（4）具有时间显示功能,显示器件为ＬED数码管。显示内容为：分，小时及星期。
(5）具有时间(分，小时，星期)调整的功能。
（6）用MCGS软件模拟系统的实际运行状态。

4 系统总设计
4。1　系统概述
本次设计是采用　PLC来控制数码管的显示和响铃的输出，分，时,星期均采用74４8进行外部七段译码。其中时间显示为动态显示，星期显示为静态显示，该系统能根据作息时间表自动控制电铃,有时间星期显示调节及控制功能,当秒脉冲计数6０次之后向分钟进位。当分钟显示数码管显示到59之后又向小时进位，而小时则是用了一个计数器,当计数器计了２4次之后向星期进位，同理星期显示也是用了一个计数器，7次之后使程序全部复位。系统接通电源，通过分钟调节按钮，小时调节按钮，将系统时间和星期调节为当前时间和星期;然后按下计时开始按钮,系统开始计时；系统时间和星期通过数码管显示出来。按下启动按钮,系统进入控制状态，将系统当前时间和星期与作息时间表比较,又输出口端口输出打铃控制信号。上课铃为短音,响0。5秒，停0。5秒,共持续20秒;下课铃为长音，响3秒，停1秒,共持续20秒；起床，早操等时间的铃声为连续打铃;为了不影响休息周六周日不打铃。
４。2　机型的选择
PＬC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同.对PLＣ的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1。按结构形式分类
根据PＬＣ的结构形式，可将ＰLC分为整体式和模块式两类。
（１)整体式PLC整体式PLC是将电源、ＣPU、I／O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型ＰLC一般采用这种整体式结构.整体式ＰＬC由不同I/Ｏ点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、Ｉ/O接口、与Ｉ/O扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或EPＲOM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
(２）模块式PLＣ模块式PLC是将PＬC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如ＣPＵ模块、I／O模块、电源模块(有的含在CPＵ模块中）以及各种功能模块。模块式ＰLＣ由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上.这种模块式ＰLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLＣ。叠装式ＰLC其CPＵ、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装.这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。
2.按功能分类
根据ＰＬC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（1）低档PＬC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
(２）中档PＬＣ除具有低档PＬC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PＩD控制等功能，适用于复杂控制系统。
(3）高档PＬＣ除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PＬC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
3．按Ｉ/O点数分类
根据PLＣ的I/Ｏ点数的多少,可将ＰLC分为小型、中型和大型三类。
（1)小型ＰLC——I/O点数＜　25６点；单ＣＰU、8位或１６位处理器、用户存储器容量４K字以下.
(2)中型ＰLC-—Ｉ/O点数2５６～2048点;双CPU，用户存储器容量2~8Ｋ。
(3）大型PＬC——Ｉ/O点数>　2０4８点；多CPU,1６位、32位处理器,用户存储器容量8～16K。
4．按输出形式分类
按输出形式分可分为:
Ｒ-继电器输出(有触点,可带交直流负载）；
Ｓ—双向晶闸管输出（无触点，带交流负载）;
Ｔ—晶体管输出（无触点,带直流负载）.
5．经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比.考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此,点数的增加对ＣPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
根据以上的各种分析,该系统在选择PLC型号时,最终方案确定为S-200，CPU型号为２24 CＮ。

4．3 设计方案大纲级别4级，小四号黑体，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行

在本次设计中，主要任务有两项：
1。编写数码管程序，用数码管显示当前的时间和星期，如:8：3８ 　7。
大纲级别4级，小四号黑体，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行
2。根据作息时间表自动打铃。要使电子钟在预先设定的时刻，如8：00,自动启动上课铃的控制程序，可对这一时刻的特征进行编程，当数码管显示8：00时,自动启动驱动铃音电路和20s的延时程序.
4.4电铃电路简单介绍
4N25为光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成。SＣＲ—100是双向晶闸管可以认为是一对反并联连接的普通晶闸管的组成,它有两个主电极T1和T2，以及一个门极G。门极使器件在主电极的正反两个方面均可触发导通，因此在５０HＺ的电压下，由于每０.０1s内都有一个触发电压,使得有一个主电极触发导通,由于接的是交流，所以每个主电极总会在下一个半波时由于电压反向而自动关断，但在这个半波内另一个主电极却因为触发脉冲的到来而导通.所以整个周期中不管是哪个半周期只要有触发脉冲就会使晶闸管导通。总体电路工作原理当输入端Y1５为低电平时,4N２5输入端电流为0,输出相当于开路.当Y1５为高电平时，输出电铃回路导通。其电路图见图4－1.

图4－1 电铃控制电路
４.５数码管显示的介绍
目前最常用的显示器是LEＤ（发光二极管显示器）和LCD(液晶显示器）。这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态。它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到了广泛应用。本次设计要用到５个数字作为时间和星期的显示，　不需显示图形或字符，采用LED做显示器。LＥD显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LEＤ显示器。

图4—２ 七段ＬED数码管显示原理图
此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以ｄp表示),用于显示小数点.通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法:
共阴极接法如图4.2（a）。
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地,这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。
共阳极接法如图4.2（b）.
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮,而输入高电平的则不点亮。
七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给LED显示器的字型代码正好一个字节。各代码位的对就关系如下表4－１.
表4-１　ＬＥD显示器的字型代码
代码位
D7
D６
D５
D4
D3
D2
D１
D0
显示段
dp
G
f
E
ｄ
c
b
ａ

用LED显示器显示十六进制数的字形代码如下表4-２.
表4—2 LED显示器显示十六进制数的字型代码
字型
共阳极代码
共阴极代码
字型
共阳极代码
共阴极代码
0
1
2
3
4
5
6
7
8
C0H
Ｆ9Ｈ
A4Ｈ
Ｂ0H
99H
92H
82H
F8H
80Ｈ
3ＦH
06H
5BＨ
4FH
６6H
6ＤH
７DＨ
07H
7ＦH
9
Ａ
B
C
D
E
F
灭
9０Ｈ
88H
8３H
C6Ｈ
A1H
８6H
8ＥH
FFH
６FH
７7H
７CH
39H
５ＥH
79H
７1H
00Ｈ
此次计设采用的共阴极LED显示器，其中时间显示为动态显示，星期显示为静态显示。
4．6编程元件地址分配
４．6．1输入输出继电器地址分
表4－3输入/输出继电器地址分配
编程元件
I／Ｏ端子
电路器件
作用
输入继电器

输出继电器
I０。0
Ｉ0.1
Q１.0
SＢ0
SB１
ＨA
启动按钮
停止按钮
铃音驱动
４.6.2输入输出接线图

图4-3输入／输出接线图
4.６。3系统的实物接线图
系统的实物接线图如图4—4。

图４-4 系统的实物接线图

5 软件设计及调试
5.1计算机辅助设计编程
STEP　7-　Ｍicｒo／WIＮ ＳMARＴ:是专门为Ｓ７—20０ SMＡRT 开发的编程软件,能在Ｗｉndows　XP SP3/Wｉndｏｗs　7上运行,支持LAＤ、FBD、STL语言.
计算机辅助设计编程是通过专用的PLC编程软件，在计算机上进行程序设计，可以进行在线编程或者离线编程,也可以进行离线仿真或者在线调试。通过专用的ＰLC编程软件,还可以方便地实现程序存取、加密或生成EXE类型的应用程序.
５。2系统流程图
输入

调时
已调好

未调好
显示

是

是否为周末

是

否
作息时间比较是否相等

否

是
输出

图５-1主程序流程图
控制程序是本系统的核心部分，任何外部硬件都是在程序的控制下进行运转的。为了便于分析，下面将分段对程序进行注释该系统软件由计时及时间调节程序,显示程序，作息时间表程序和控制程序四个结构组成。
５.3 MCＧＳ的设计
MCGS组态软件的工程编写
ａ．添加通用串口父设备,添加S7—20０ＰPI子设备，见图5—２。

图5-2添加通用串口父设备图

b.设置父设备属性，见图５-３。

图５—3设置父设备属性图

ｃ．为S7-200添加数据通道，见图５－4和图５—5。

图5-4设置通道连接图

图５-5设置设备调试图

ｄ．运行ＭCＧS,运行结果见图5－6。

图5—６运行结果图

5．4总体PLC程序的设计

结论
根据课程设计任务书的设计要求，我们通过之前一个星期的学习和实验,为这次设计提供了经验，使我能在规定时间内完成了课程要求，仿真成功并能使自动打铃系统顺利运行，完成了预期目标。
通过本次课程设计，我学会了程序的设计、分析，数码管针脚的寻找。在实际的操作过程中遇到了很多棘手的问题,但是在指导老师以及同学们的共同努力下把问题都一一解决了。
通过本次课程设计，我学会了PLC的基本编程方法,对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在理论的运用中，提高了我的工程素质，在没做课程设计之前，对一些细节不太重视，当我把自己想出来的程运用到PLC上的时候，问题出现了：不是不能运行，就是运行的结果与课程设计的要求不相符合。通过解决一个个在调试过程中出现的问题,我对PＬC的理解与认识得到就加强；看到了理论与实践的差距;意识到没有理论的知识的支持,实践是无从下手的，理论与实践相结合,可以使我的整体素质得到提高。

致谢
在此次课程设计的过程中,通过解决一个个在调试过程中出现的问题，我对PＬC的理解与认识得到就加强；看到了理论与实践的差距；意识到没有理论的知识的支持，实践是无从下手的，理论与实践相结合，可以使我的整体素质得到提高。我同样遇到了很多问题与难题，但是因为得到了老师和同学们的帮助，使得许多问题得以迎刃而解，为此非常感谢老师和同学们！

参考文献
[1］王永华。现代电气控制及PＬＣ应用技术（第二版）［M］．北京：北京航空航天大学出版社,２007:34-８9。
[2]廖常初。ＰＬＣ编程及应用［M］.北京:机械工业出版社,2０08：５8－9２.
［３]ＭCGS组态软件教程[M]。北京:北京昆仑通态软件公司,2０0８， （17）：6—29.
[4］陈建明。电气控制与PＬＣ应用（第二版）[Ｍ］。哈尔滨:电子工业出版社，2008：4６—6７。

《DSP原理及应用》
课程设计指导书

学　　 院 :机械工程学院
系 所　：测控技术与仪器系
班 级 :
姓　 名 : 　 　　
学　 号 ：
指导老师:

江苏大学测控技术与仪器系
２016-０1－18

应用于包装机的步进电机控制器的设计
（江苏大学机械工程学院仪器科学与工程系，江苏,镇江,21201３）
摘要
本文介绍了以典型电机微控制器TＭS320LF240７芯片为控制核心的步进电机控制系统，阐述了如何利用ＴMS320LF２407实现电机转向、速度控制,并给出了相应系统控制策略.简述了步进电机的驱动控制和DSP的ＰＷM脉宽调制原理,详细阐述了DＳP实现步进电机的加减速控制问题。
步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，广泛运用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域.DＳP芯片的出现,开创了步进电机控制的新局面。用DSＰ控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电路,同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化,从而逐步实现控制系统的嵌入式。基于DSP的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进电机技术后,大大提高了控制与测量精度,这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加广阔.鉴于此，本文提出了基于ＤSＰ的步进电机控制系统的设计方案。包括其硬件设计和软件设计。在软件设计中给出了主要控制程序,达到对步进电机转向、转速的控制，如正转、反转、加速、减速等。使用DSP最明显的优点在于提高了系统的可靠性,并降低了整个系统的成本。实验证明，此驱动系统简化了电路,提高了系统控制性能。

关键词:步进电机;DSＰ；控制系统；ＴMS320LF24０7;

目录

第一章 绪论１
1．１引言1
1。2数字信号处理器DSＰ发展和现状2
1．３ 课题背景及意义3
第二章 总体方案设计5
2.１ 设计方案５
2。2 TＭＳ32０LF24０７ DSＰ芯片介绍５
2.2。1　TMS３20ＬF2407 的性能特点5
2。2。2　　Ａ／D转换原理7
２.２.３　TMS３20ＬF24０7　内部A／D转换模块概述7
2。2。4 事件管理器8
２。2。５ 通用定时器8
２.2.6 全比较单元9
2。2。7　捕获单元和正交编码脉冲电路9
2。3 四相反应式步进电机10
２。３。1 步进电机的结构10
2.3.2步进电机的工作原理11
2.4 四相反应式步进电机的数学模型12
2。4.１ 电路方程１2
2.4．2 机械方程１2
2.5 驱动芯片结构与特点12
第三章 详细设计１４
3．1　系统硬件设计１5
3。2系统软件设计15
3．2。1DＳP开发软件CCS介绍15
3。2.2 程序控制流程16
３．2．3 电机初始化程序16
３．２。4 　电机控制程序17
3。3 程序调试19
第四章　心得体会20
参考文献２１
附录2２

第一章 绪论
1。1引言
随着人们生活水平不断提高,对各种方便食品的需求也随之大增，这近一步拉动了我国食品包装业的快速发展。包装机是发展比较快的包装机械之一，拥有着广阔的发展前景。在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带,不仅结构得到了简化,而且调节极为方便,只要通过控制面板上的按钮就可以实现,这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,从而使电机旋转.步进电机具有步进数可控、运行平稳、价格便宜的优点，在加速器控制系统中的应用很广。
传统的步进电机一般可分为永磁式步进电动机（ＰM Steｐ Motor），反应式步进电动机（ＶR Stｅp　Mｏtｏr）和混合式步进电动机（Hybrｉd Steｐ　Moｔor)三种。
在数字化电机控制系统产生之前，要想获得高性能的步进电机驱动要么是采用昂贵、难维护的直流电机配便宜的控制装置，要么就是使用便宜的交流电机配昂贵、复杂的控制装置。基于ＤＳP的数字化电机控制的出现改变了这一状况，由于DSＰ强大的运算能力，它可以实时地实现一些先进的控制算法,获得高性能的电机驱动控制。
数字化电机控制的优点正是由于数字化的信号和信号处理所带来的，和模拟控制相比,它具有互联方便,稳定性好，便于大规模集成,可以构成复杂的系统,容易修改，便于测试、调试和大规模生产等优点.数字化电机控制技术包括两个组成部分，现代电机控制理论和数字信号处理,其中数字信号处理又包括数字信号处理技术和数字信号处理器技术。数字化电机控制的发展和这几个方面的进展是密不可分的。
现代电机控制理论以矢量控制理论为代表,还有近年来得到快速发展的直接转矩控制理论等，这些高性能的控制方案需要进行大量的实时运算,用模拟器件的硬件方案来实现相当困难，难以实用化。只是在具有强大运算能力的控制器如DSP等价格下降，性能提高之后,数字化的高性能控制方案才开始大量步入实用领域。

１。2数字信号处理器DSＰ发展和现状
DSP是Dｉgital Sｉｇnal Processor的缩写,DＳP在70年代末、80年代初产生后起初并不显眼,主要应用于一些特定的数字信号处理密集的领域如军事的声纳和雷达、监测和监听设备,以及气象卫星、地震监测器等。虽受到个人计算机发展光辉的遮掩,它一直在幕后悄悄发展着。80年代后期开发出较通用产品后，逐步进入各个领域。近年来，随着通讯领域的红火，个人计算机的普及以及家用电器的发展,DＳP更是从幕后走到了台前，各种应用如手机、MODEＭ、硬盘、声卡、显卡、DVD。 VＣＤ、可视电话、数字电视、数字相机、导弹、高保真音响、洗衣机、空调、语音识别、游戏等等数不胜数，大到上天入地,小到我们每个人的身边,现在是哪儿都有它的踪迹了.
如果说CPU是ＰC时代的技术核心，则说DＳＰ是后ＰC时代的技术核心毫不为过.由于具有超强的数字信号处理能力和合理的性价比，二十几年时间,ＤＳP的发展日益迅猛,应用日益广泛。现在,DSP已经成为计算机网络、无线通讯、信息家电、电子产品、图形处理、视频会议、数字音频广播等领域的核心.业内人士预言:DSP将是未来发展最快的电子器件,是电子产品更新换代的决定性因素.
ＤSP芯片能够高速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。目前，ＤSP芯片的价格越来越低,性能价格比日益提高,具有巨大的市场潜力。据世界半导体贸易统计组织(WSTS）发布的统计和预测报告显示:１996~2０0５年,全球ＤＳP市场一直保持稳步增长，2005年增长率为35％；另据CCID统计：２０0５年中国DSP增长率超过40%，销售量达到13亿块。
据市场调查公司ＩＣＥ统计,19９8年DSＰ市场达33．４亿美元，其中通信占４８%，计算机／MＯDEM占3０％，硬盘１2％，消费类产品5%，军用航空航天5％，典型应用产品和市场包括：电视会议、文件成像、可视电话、数字蜂窝电话、数字设备、电机调速等,一些家用电器如空调、洗衣机、电冰箱等为了节能和静音也开始采用DSP控制.
DSP按数据格式分可分为定点DSＰ和浮点DSP两种，也可按用途分为通用型DＳP和专用型DSP，近年来德州仪器(ＴI）和美国模拟器件公司（Ａnａlog Device，简称AD)都推出了专门针对电机控制领域的专用型DSP系列,ＴI是ＴMS320－２XＸ系列,AD则是AＤMC系列，这些芯片都是定点DSP,具有普通定点DSP的运算能力和单片机般的外围设备,使得它们成为用于数字化电机控制的最佳选择。当前，DSP芯片还在快速发展中，它的处理速度正随着时间的前进而不断提高，从198２年的5MIPS(每秒百万指令）到１997年的１00MIPS,再到现在的2０00MIPS（多DSP单一化),预计2０07年将达到3200０0MIPS.DSＰ的价格则正走着一条相反的道路，据ＤSP最大的生产厂家TI公司的历史价格统计，1２年来每MIPS的价格己从２0０美元降到了一个美元，价格的下降导致应用领域的扩大，而应用的扩大也引起价格的下降，形成了一种良性的循环。
技术的高速发展引发了信息产业革命，以计算机技术、通信技术为核心的信息技术正在以前所未有的速度改变着人们的生活和工作方式。数字信号处理是信息技术中的一个核心问题。实现数字信号处理的核心器件是数字信号处理器（以后简称为DSＰ)。
数字化电机控制包括电机模型的数字化和信号处理的数字化，而DSＰ的运算速度则是这样的实时一控制所必须的。为实现上述步进电机控制和交流电机控制融合的想法，由于其中有较多实时数学运算的要求，因此考虑使用德州仪器(TＩ） Ｃ2０00系列DＳP中的TMS320LＦ2407来实现.

1.3 课题背景及意义
用ＤSＰ控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电路,同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化,从而逐步实现控制系统的嵌入式。基于DSＰ的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展,主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进电机技术后,大大提高了控制与测量精度，这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加广阔.
DSP控制器的技术水平主要体现在三个层面:硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内步进电机控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,有的甚至更加先进。
ＤSP用于电机控制有很多好处：
（１) 可执行高级运算,减少力矩纹波,从而实现低振动、长寿命;
（２） 高级运算使谐波减小,很容易满足国家要求，同时降低滤波器成本；
（3) 提供无传感器运算，省去位置和速度传感器：
(4) 实时产生平滑的、近乎完美的参考模型，获得良好的控制性能；
（5)　控制逆变器，产生高精度PWM输出；
(６） 提供单片机控制系统。
本课题的研究内容是使用TI公司的DSP芯片TＭS320LF２４07控制步进电机,实现步进电机的驱动,构成控制系统.
第二章 总体方案设计
2。1　设计方案
本次设计是步进电机控制器系统，整个控制系统分为四个部分：DSＰ中央控制器TMＳ3２0LF2407、外接电位器、步进电机及其驱动。
在本次设计中采用的电机是微型四相反应式步进电动机，其接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换为与之相对应的角位移。基于对低碳节能的考虑，在这里设计成一个单四拍信号来进行步进电动机的控制,通电顺序为A—B—C-Ｄ－Ａ，步距角为１5°。驱动芯片采用的是UＬN2003芯片，控制流程如下：首先由ＤSP的A/D转换模块将电位器输出的模拟信号转换为数字信号,然后将该数字信号输入到DSP中以设定脉冲信号的间隔时间以便控制电机的转速,接着将由DSP的四个I/O口提供脉冲信号给驱动芯片，脉冲信号经过驱动芯片的处理后用来驱动步进电机的四个相，从而达到控制电机运转的目的。
在本次步进电机的控制系统中,由于步进电动机本身所拥有的精确定位特点我们采用开环控制系统。系统总体结构图如下所