虹霓灯控制-学位论文.doc

目 录

前 言 1
第一章 课题概述 2
1.1 霓虹灯起源及其发展史 2
1.1.1 霓虹灯的起源 2
1.1.2 霓虹灯的发展史 2
1.1.3 采用霓虹灯的意义和目的 3
1.1.4 本次设计的主要内容 3
第二章 系统硬件设计 4
2.1 PLC的选型 4
2.1.1 PLC介绍 4
2.1.2 可编程控制器的基本概念与基本结构 4
2.1.3 可编程控制器的基本特点 5
2.1.4 可编程控制器的选择 6
2.2 S7-200 CN系列 6
2.3 PLC接线图 7
2.4 可编程序控制器I/O分配表 8
2.5 材料清单 8
2.6 霓虹灯硬件展示 9
第三章 系统软件设计 10
3.1 控制程序设计 10
3.1.1 霓虹灯的控制要求 10
3.1.2 程序流程图 10
第四章 系统调试 16
4.1 调试程序 16
4.2 霓虹灯效果展现 17
总结 19
前 言

霓虹灯在夜市中虽不能说独领风骚但也出尽了风头。每当黄昏之际各种霓虹灯就迫不及待地闪闪烁烁发出绚丽的颜色入夜后更是争相辉映轰然出一派五彩缤纷的都市生活情调。从商店招牌、广告牌到装饰灯光凡是夜市营业的商店都离不开它为夜晚的城市平添了许多国际大都似的气息。
中国的霓虹灯最早出现在1926年的上海当时在上海的南京东路伊文思图书公司以陈列橱窗的形式为“皇家”牌打字机做广告。解放后中国的霓虹灯行业曾一度停止发展。随着中国的改革开放霓虹灯行业也随之发展许多霓虹灯生产、制作的公司像雨后春笋纷纷建立起来。深圳作为改革开放的前哨它的霓虹灯行业也紧跟时代步伐快速地发展起来。目前深圳的霓虹灯广告的制作水平在国内还是一流的加上各种高新技术、高新材料的结合应用更为城市的户外霓虹灯增光添彩。
霓虹灯是漂亮的为了设计出变化更丰富控制更容易的霓虹灯我尝试并设计制作了可编程序控制器PLC对大型霓虹灯的控制系统。可编程序控制器以日本三菱公司近年来推出的具有很高性能价格比的FX系列为例突出介绍了程序的设计方法和编程软件的应用并比较详细地介绍了可编程序控制器对霓虹灯的控制方法。

第一章 课题概述
1.1 霓虹灯起源及其发展史
1.1.1 霓虹灯的起源
霓虹灯是由英文“氖灯”，即“NEON SIGN”得来的，“霓虹”两字实际上是 “NEON”的译音，而现在人们已经把“霓虹灯”当作专用词运用了。 霓虹灯自 1910 年问世以来，历经百年不衰。它是一种特殊的低气压冷阴极辉 光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水 银灯、白炽灯等弧光灯。霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高压电场 下冷阴极辉光放电而发光。霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定：光 管型霓虹灯充入氖气，霓虹灯发红色光；荧光型霓虹灯充入氩气及汞，霓虹灯发 蓝色、黄色等光，这两大类霓虹灯都是靠灯管内的工作气体原子受激辐射发光。
1.1.2 霓虹灯的发展史
霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的研究， 电流通过含有少量正负离子的气体时，受紫外线、宇宙射线、微量放射物质的作 用，在足够高的外加电压作用下运动，并与中性气体分子碰撞后，使中性分子发 生电离，因而离子的数目倍增。电流通过气体时还伴有发光现象，即所谓的辉光 放电。其发光的颜色随所充气体的不同而不同。法拉第的理论及其在实验上的成就，为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基础。霓虹灯始源于法国，当时所用的灯体玻管的直径为 45 毫米，先将玻璃管弯制 成所需的文字或图案，然后再用 1 只电压为 1 万多伏的变压器供电，使之发光。当时，灯管两端电极采用石墨制成，内部充入氮气或二氧化碳气体，前者会发红光，后者发白光。由于这两种气体较活泼，很容易和石墨电极起化学反应，阴极 溅散出的石墨很快在玻璃管内壁形成黑色薄膜层，并大量吸收充入灯管内的气体，使灯管的充气压力很快下降，致使霓虹灯的寿命很短。当时为了解决这个问题，特在霓虹灯管上加 1 个特殊的电磁阀门，并在霓虹灯使用一段时间以后再往灯内重新补充一定量的气体，但这样做并未能在根本上克服上述缺陷。因此，这种灯不仅寿命短、制作工艺复杂，而且造价昂贵，很难普及。在 1907 年至 1910 年期间，科学家克洛德和林德发明了液态空气分馏。利用这一发明，在霓虹灯内充入一定的惰性气体，这样就明显减缓了气体在灯管内部的消耗速度，颜色也丰富了，可产生红、绿、蓝、黄等颜色。第二次世界大战前夕，光致发光的材料被研制出来了。这种材料不仅能发出各种颜色的光，而且发光效率也高，我们称之为荧光粉。荧光粉被应用在霓虹灯制作中后，霓虹灯的亮度不仅有了明显提高，而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目，变化多端，同时也简化了制灯的工艺。故在第二世界大战结束后，霓虹灯得到了迅猛的发展。
1.1.3 采用霓虹灯的意义和目的
随着社会市场经济的不断发展，各种装饰霓虹灯，广告霓虹灯越来越多的 出现在城市中。在大型的晚会现场，霓虹灯更是不可缺少的一道景观。小型的 霓虹灯多为采用霓虹灯管和各种各样和多种彩色的灯管，或是以日光灯，白炽 灯做为光源。而现代生活中大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于 其变化多，功率大数字电路则不能胜任。针对 PLC 日益日益得到广泛应用的现 状，本文介绍 PLC 在不同变化类型的霓虹灯控制中的应用，灯的亮灭，闪烁时 间及流动的控制均通过 PLC 来达到控制要求。
1.1.4 本次设计的主要内容
本次设计要求我利用在学校学的 PLC 知识，应用于霓虹灯控制系统中。通 过本次设计，让我掌握如何应用PLC 来设计一套霓虹灯自动控制的系统的方法 以及设计中对 PLC 机型的选择，PLC 输入/输出点数的选择和PLC 程序的编制， 为我们今后今进入社会工作，打下一定基础。本次设计是用PLC 来控制霓虹灯。PLC 控制霓虹灯是根据一定的变化方式和周期进行程序的编写，变化灯随着时间变化灯的亮灭也随之变化。其特点是在整个工作过程中周期性的花样变化，但频率不高。

第二章 系统硬件设计
2.1 PLC的选型
2.1.1 PLC介绍
编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻 辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC,PLC 自 1966 年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。
2.1.2 可编程控制器的基本概念与基本结构
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。
（一） 可编程控制器的基本概念
国际电工委员会对PLC作了如下定义：可编程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、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设备，都应按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。
（二） 可编程控制器的基本结构

图2-1 可编程控制器的基本结构图
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，如图2.2所示。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
1） CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
（2） I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块它们是联系系统外部设备和CPU模块的桥梁。
（3） 编程器
编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。一般用于小型机或用于现场调试和维护。
使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。
（4）电源
PLC一般使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各种模块提供不同电压等级的直流电源。
2.1.3 可编程控制器的基本特点
随着科技的迅速发展，可编程控制器的功能日益更新，其特点也随之也展现出来。
（一）可靠性高
PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
（二）使用方便灵活
PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多，这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
（三）编程简单
PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁、明了，适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的也能统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机容易控制。
2.1.4 可编程控制器的选择
根据输入信号及输出信号的数量，经过初略计算， 输人点数为 2点，输出点数为 7点；输人、输出信号都是数字量。增加 20%备用量，以便随时增加控制功能：
输入点数为： 2×(1+20%)=2.4
输出点数为： 7×(1+20%)=8.4
根据 I/O 点数，可选西门子 s7-200 cpu224型可编程控制器，其输入点14 点，输出点10点，扩展模块可用点数为 8 点。
2.2 S7-200 CN系列
S7-200系列PLC的基本构成包括PLC主机、编程设计、人机界面和根据实际需要增加的扩展模块。PLC本身包含一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。故 S7-200系列PLC可以单机运行，也可以输入/输出扩展，还可以连接功能扩展模块。S7-200系列PLC主机外观及基本构成分别如图3-2和图3-3所示。

图 2-2 S7-200 系列PLC主机外观图

图2-3 S7-200 系列PLC的基本构成图
2.3 PLC接线图

图2-4 PLC接线图

2.4 可编程序控制器I/O分配表
编辑元件
编辑地址
电路器件
说明
输入元件
I0.0
SB1
启动按钮
I0.1
SB2
停止按钮
输出元件
Q0.0
HL1
彩灯“无”
Q0.1
HL2
彩灯“锡”
Q0.2
HL3
彩灯“是”
Q0.3
HL4
彩灯“个”
Q0.4
HL5

彩灯“好”
Q0.5
HL6
彩灯“地”
Q0.6
HL7
彩灯“方”
表2-1 I/O分配表
2.5 材料清单
元器件
参数
数量
备注
发光二极管
额定电压3.2~3.6V
电流5mA~20mA
300个
蓝、绿各150个
绕线式电阻
额定功率10w 电阻1.5k
7个

万能板
6cm*9cm
8块

直流电源
额定电压24V
1个

导线
0.3平方米
1圈

按钮
250V/3A
2个
非自锁开关
接线柱
内径4mm
2个
红、黑各1个
DB25并口母头

2个
双排25芯 焊线式
热缩管
直径2mm
10米

绝缘胶布

1个

表2-2 材料清单
2.6 霓虹灯硬件展示

图2-5 “无锡是个好地方”霓虹灯图

第三章 系统软件设计
3.1 控制程序设计
3.1.1 霓虹灯的控制要求
（一）PLC投入运行，系统处于初始状态准备好启动；
（二）启动时A亮B亮C亮D亮E亮F亮G亮
（三）12秒后ABCDEFG全亮
（四）15s后，ABCDEFG闪烁3s
（五）18秒后，AB亮BC亮CD亮DE亮EF亮FG亮
（六）最后循环

图3-1“无锡是个好地方”霓虹灯图
3.1.2 程序流程图

图3-2 霓虹灯控制流程图

PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动A点亮；2s后B点亮；2s后C点亮；2s后D点亮；2s后E点亮；2s后F点亮；2s后G点亮；ABCDEFG全亮；然后，ABCDEFG闪烁6s；在AB点亮；2s后BC点亮；2s后CD点亮；2s后DE点亮；2s后EF点亮，2s后FG点亮，最后循环。
3.1.3 梯形图分析

图3-3 PLC控制系统的梯形图

按下启动按钮I0.0，M0.0得电自锁，“无”字这时正常导通发光；同时，计时器T37开始计时，2S后，T37闭合，“锡”字这时正常导通发光；同时，计时器T38开始计时，2S后，T38闭合，“是”字这时正常导通发光；同时，计时器T39开始计时，2S后，T39闭合，“个”字这时正常导通发光；同时，计时器T40开始计时，2S后，T40闭合，“好”字这时正常导通发光；同时，计时器T41开始计时，2S后，T41闭合，“地”字这时正常导通发光；同时，计时器T42开始计时，2S后，T42闭合，“方”字这时正常导通发光；同时，计时器T43开始计时，2S后，全部熄灭。计时器T44和计时器T45开始计时，形成一个振荡电路，“无锡是个好地方”闪烁3S，同时，计时器T46开始计时，3S后，使得振荡电路停止， “无锡是个好地方” 熄灭；这时计时器T47开始计时，2S后,“无锡”这时正常导通发光 ；同时T48开始计时，2S后，“无”字灭，“是”字正常导通发光；同时，T49开始计时 ，2S后 ，“锡”字灭 ，“个”字这时导通发光；同时，计时器T50开始计时 ，2S后， “是”子灭 ，“好” 字这时正常导通发光，同时 ，计时器T51开始计时 ，2S后 ，“个”字灭，“地”字这时正常导通发光；同时，计时器T52开始计时 ，2S后 ，“好”字灭，“方”字这时正常导通发光；同时，计时器T53开始计时 ，2S后，计时器全部复位，进行循环。

第四章 系统调试
4.1 调试程序
（一）常规检查。在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查(包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等)，避免损坏PLC模块(用STEP7的诊断程序对所有模块进行检查)。
（二）按图2-4将PLC与对应输入输出的设备连接起来。
（三）用STEP 7-Micro/WIN软件编制系统的梯形图程序，并且进行全部编译后，再将编制无误的程序下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。STEP 7-Micro/WIN编程软件运行开始界面如下图4-1所示。

图4-1 STEP 7-Micro/WIN编程软件运行界面
（四）调试运行。
按下启动开关，A点亮；2s后B点亮；2s后C点亮；2s后D点亮；2s后E点亮；2s后F点亮；2s后G点亮；ABCDEFG全亮；然后，ABCDEFG闪烁6s；在AB点亮；2s后BC点亮；2s后CD点亮；2s后DE点亮；2s后EF点亮，2s后FG点亮，最后循环。
（五）监控运行。
当PLC运行时，可以使用STEP 7-Micro/WIN软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。在STEP 7-Micro/WIN软件上，单击 “Debug”—“Start Program Status”，可以全画面监控PLC的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于STEP 7-Micro/WIN软件的监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。

4.2 霓虹灯效果展现

图4-2 霓虹灯调试图

图4-3 霓虹灯效果图

总结
经过四个星期的努力我的自主创新项目设计终于完成了,但是现在回想起来做自主创新项目设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，艰辛同时又充满乐趣,不过乐趣尽在其中！通过本次自主创新项目设计，没有接受任务以前觉得自主创新项目设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做自主创新项目设计发现自主创新项目设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高，也是为最后的毕业设计做了铺垫。
这次自主创新项目要求是设计一个霓虹灯的控制，自行设计这对我将来的自主创新项目有很大的帮助和启迪，在将来踏上工作岗位也是非常有帮助的。在整个过程中，我发现很多细节上的东西，特别是起初对整个设计还不怎么清楚，只知道买一些发光二极管进行串串并并就行了。到正式测试的时候才发现有一系列的问题出现。例如：在进行直流电源24V检测时，要考虑发光二极管的限流电阻和额定电压，是否承受得住24V直流电源。在此期间，我要在电路中进行计算，如何在发光二极管之间要串一个多大的电阻等等。这些细节上的问题，往往会被人忽略。
在程序设计的时候，我需要进行设计，不是单方面的想要那些效果，进行凭空的想象。都要一步步的设计，这些所需的效果要用流程图的设计理念进行描述出来。对于电气原理图的设计，我参考了很多书籍，特别是如何使用西门子S7-200，要进行全方面的了解，对其内部的组成和输入输出口的使用等等。
在使用STEP 7-Micro/WIN软件编制系统的梯形图程序时，在对西门子PLC又有了全新的认识。在我们之前用的西门子S7-1200的PLC和三菱的PLC中的计时器都是以T0开始的，而西门子S7-200的PLC却偏偏不同，那一刻真的是难以驾驭。于是，就对西门子S7-200的PLC使用的程序进行全面的了解。在学习期间，发现自己也在进步，对于一些新事物的理解感觉越来越深了。
在最后的调试中，自己所做的实物成果的实现了自己想要的结果，那一刻确实很有成就感。在此期间，我要感谢我的指导老师，在我进行电路分析的时候，出了一些问题，老师帮我分析、解决，真的是帮了我很大的忙。
下面我对整个自主创新项目的过程做一下简单的总结。
一、接到任务以后进行选题。选题是自主创新项目的开端，选择恰当的、感兴趣的题目。
二、题目确定后就是找资料了。查资料是做自主创新项目的前期准备工作，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

三、通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
四、有了研究方向，就要动手实现。编写源代码的时候最好是编写一个小模块就进行调试，这样可以避免设计的最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。
五、写论文能提升以下几个方面的能力：
1、文字表述:论文里的语言非常讲究，这方面需要继续加强。
2、交流、讨论:文章的大致内容写完后，一定要和老师、其他同学多交流，让他们多提点建议。一些计量软件使用方法，可以向学长们请教。
3、细心:模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等，都需要细心。
4、搜索:需要搜索很多资料，如何在短时间找到你想要得资料，得在搜索 关键词上有所设置才行。一些好的统计数据网站，需要随时记录下来，以便日后继续使用。
回顾之前的点点滴滴，发现自己学到了很多很多的东西，涉及广泛。对于AUTO CAD能过进行灵活的运用；对于西门子系列的硬件和软件又有了更深刻的学习；对于大学所学的知识能够进行一系列的实践，深入了解；对于经后的工作，又能够细心做好每一件事。

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