基于PLC的数码显示控制系统设计.doc

物理与电子工程学院 课程设计任务书

专业： 班级：
学生姓名

学号

课程名称
PLC原理与应用
设计题目
基于PLC的数码显示控制系统设计
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求
设计目的： 
通过设计有关数码管显示的PLC控制程序熟悉PLC系统设计流程，加深对PLC工作原理的理解，熟练掌握相关指令的编写方法，在实践中加深对工业通信技术理论知识的理解。 
主要内容：
1、课程设计应包含硬件电路原理图，软件设计流程图，软件设计程序，仿真电路图等部分内容。
2、基本功能包括：可以发光；可以静态显示；可以用电脑改变数字。
3、主要技术参数：PLCS7-200；数码管LG15012AH。
4、系统设计：本设计是基于西门子S7-200PLC的数码管静态显示，该设计是以S7-200基本系统为核心的一套应用系统，其中包括PLC、复位电路、外围电路、显示电路、系统软件等部分的设计。

工作量
2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排
第1天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：学习课程设计中用到的S7-200PLC相关知识
第4-5天：根据课程设计的要求完成硬件主要芯片选型及硬件电路设计。
第6-7天：学习CAD软件，绘制硬件电路原理图。
第8-10天：学习S7-200编程软件，完成软件系统设计。
第11-12天：通过试验箱，进行仿真调试。
第13-14天：撰写课程设计报告。

主要参考资料

[1] 李道霖．电气控制与PLC原理及应用 [M]．北京: 电子工业出版社，2004．
[2] 张凤珊．电气控制及可编程序控制器．2版 [M]．北京: 中国轻工业出版社，2003．
[3] 马志溪．电气工程设计 [M]．北京: 机械工业出版社，2002．
[4] 刘增良，刘国亭．电气工程CAD [M]．北京: 中国水利水电出版社，2002．
[5] 王兆义．小型可编程控制器实用技术 [M]．北京: 机械工业出版社，2002．

指导教师签字

教研室主任签字

摘 要
随着科学技术的飞速发展,在现代生活中,PLC在交通灯、电梯、抢答器等系统日益得到广泛应用的现状,文章介绍了PLC在数码管显示控制中的应用,并给出其PLC控制系统的接线图和梯形图程序设计。该设计具有可编程性、线路简单、可靠性高等特点,提高了系统的灵活性及可扩展性,实验结果验证了该设计的实用性。

关键词：PLC；数码管；梯形图

目 录

1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 设计过程及工艺要求 1
1.3 设计的重点与难点 1
2 模块简介 2
2.1系统总体概述 2
2.2 S7-200 CPU介绍 2
2.3 LED数码管介绍 4
3 系统调试 6
3.1 PLC的外部接线与I/O分配 6
3.2功能的介绍 6
3.3梯形图 8
3.4调试与仿真实物 8
4 心得体会 10
参 考 文 献 11
附 录 12

1 绪论
1.1 概述
随着社会的进步与发展，人们的生活节奏越来越快，时间观念也越来越强，并逐步开始运用新的科技手段改善自己的生活条件和质量，享受高科技给人们带来的及时、舒适的生活环境。目前众多电子类产品用于显示功能常用到数码管LED。数码管LED的结构简单显示方便。它可以实时显示或循环播放数字、图形和图像信息，具有显示方式丰富、观赏性强、显示内容修改方便、响应速度快、亮度高、显示稳定、功耗低且寿命长等多种优点，被广泛应用于工业控制、商业广告、体育比赛、交通等诸多领域，是信息传播的有力工具之一。
数码管是一类显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮 。从而显示出数字能够显示时间，日期，温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜、使用简单。七段数码管在家电及工业控制中有着很广泛的应用。特别是家电领域应用如空调、热水器、冰箱等等。在实际生活中,数码管显示在交通灯、电梯、抢答器等处都可以见到。由此可见,数码管的显示控制在实际生活中的应用十分广泛。本次课程设计通过利用西门子S7-200型PLC，来实现对数码管显示数字的控制。根据所给的数码管显示动画来设计PLC控制程序。动画给我们以下信息量：能够按“+”“－”按钮来控制数码管的数字加减，也可以按自增、自减按钮控制数码管数字自增与自减。通过S7-200PLC程序来实现输出控制数码管。
1.2设计过程及工艺要求
（1）基本功能
① 可以发光
② 可以显示
③ 可以用电脑改变字符
（2）主要技术参数
① PLC选择SIMATICS7-200
② 数码管选择LG15012AH
③ CPU选择226
1.3设计的重点与难点
本设计的主要任务是显示数字，因此在硬件安装方面需要有适当的面积来安装电子显示屏，并且还要通过数据线把电子显示屏和电脑连起来。软件设计的重点是：程序的编写；S7-200与CAD两种软件的学习应用；以及整体电路的设计与调试。
2 模块简介
2.1 系统总体概述
本设计是基于PLC的数码管显示，该设计是以PLC SIMATIC S7-200 CPU226基本系统为核心的一套应用系统，其中包括PLC、外围电路、显示电路、系统软件等部分的设计。见图2-1所示：

电源电路

外围电路
外围电路

PLC
S7-200
LED数码管

图2-1 系统总体框图

2.2 S7-200 CPU介绍
西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。
小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的PLC具有下列特点：
（1）集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA 输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA 可用作负载电源。
（2）高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。
（3）通信口：CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
（4）模拟电位器：CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）EEPRO：存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。
（6）电池模块：用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5 天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。
（8）不同的设备类型：CPU 221~226 各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
（9）数字量输入/输出点：CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224 具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM 具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。
（10）高速计数器：CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。
为很多PLC控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-2所示:

图2-2 S7-200 CPU226引脚图

2.3 LED数码管介绍
数码管的外形及引脚排列如图2-3所示:

图2-3 数码管实物与引脚图

2.3.1 LED数码管的分类 
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
2.3.2 LED数码管的驱动方式 
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 
（1)静态显示驱动 
  静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
（2)动态显示驱动 
  数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
2.3.3 LED数码管的主要参数
（1)8字高度 
8字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围一般为0.25-20英寸。 
（2)长*宽*高 
长——数码管正放时，水平方向的长度；宽——数码管正放时，垂直方向上的长度；高——数码管的厚度。 
（3)时钟点 
  四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。一般用于显示时钟中的秒。数码管使用的电流与电压。 
（4)电流 
静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。
2.3.4 LED数码管的常见问题
（1)显示效果 
由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。
（2)安全性 
即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。
（3)怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳 
找公共共阴和公共共阳：首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。
3系统调试
3.1 PLC外部接线与I/O口分配
（1）I/O分配如下：
总开关按钮 I0.0
数码管手动递增按钮 IO.1
数码管手动递减按钮 IO.2
数码管自动递增按钮 IO.3
数码管自动递减按钮 IO.4
数码管a段LED Q0.0
数码管b段LED Q0.1
数码管c段LED Q0.2
数码管d段LED Q0.3
数码管e段LED Q0.4
数码管f段LED Q0.5
数码管g段LED Q0.6
（2）PLC外部接线：
根据实验箱的CPU,数码管，开关的原理图可知：数码管是共阴极的。因此将数码管公共端接0V,同时开关的公共端也接0V。CPU的输入公共端1M以及输出公共端1L,2L都接24V。
然后根据I/O口分配其接线：总开关按钮I0.0接实验箱第一个开关，数码管递增按钮I0.1接实验箱第二个开关，数码管递减按钮I0.2接实验箱第三个开关，数码管自动递增按钮I0.3接实验箱第四个开关，数码管自动递减按钮I0.4接实验箱第五个开关。数码管的接法按I/O分配依次连线即可，但是注意数码管小数点dp在本次设计中没有运用，将其悬空不连接输出口。
3.2功能的介绍
(1)、通过总按钮可以实现关闭与复位的功能，数码管当前无论显示什么都可以将其关闭再次打开将其置0。
(2)、通过控制数码管递增按钮可以达到数码管递增的功能及实现每按一次按钮就可以加1，同时也可以同过自动递增功能实现递增，值的顺序是0,1,2,3,4,5,6,78,9,A,b,c,d,E,F
(3)、通过控制数码管递减按钮可以达到数码管递减的功能及实现每按一次按钮就可以减1，同时也可以同过自动递减功能实现递减，值的顺序是0,F,E,d,c,b,A,9,8,7,6,5,4,3,2,1
(4)、实现功能的程序框图如图3-2所示：
总按钮I0.0
上升沿导通
自动递增按钮I0.1
递减按钮I0.2

SM0.5

上升沿导通

VB9自加1
VB9自减1
VB9复位
通过SEG输出到QB0
下降沿导通
QB0复位,关闭数码管显示
自动递减按钮I0.4
SM0.5
递增按钮I0.1

上升沿导通

图3-2 程序框图

3.3梯形图
用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9软件编写梯形图如图3-3所示：

图3-3 梯形图

3.4调试与仿真实物
调试过程：
（1）编写好梯形图程序后，先用程序编译找出程序常规的问题。
（2）没有错误提示后，在实验箱根据PLC外部接线图进行连线。
（3）点击下载，将程序载入PLC中。
（4）单击运行，将PLC变为RUN模式。
（5）打开软件程序状态监控。
（6）控制按钮I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4进行调试，观察程序状态监控，同时观察数码管的变化。
7）直到数码管可以按功能介绍一样控制操作，说明调试成功。
仿真图如图3-4所示：

图3-4 仿真图
部分实物图如图3-5所示：

图3-5 实物图
4 心得体会
在技术报告中，主要介绍了准备作品时的基本思路，包括机械、电路以及最重要的控制算法的创新思想。在机械结构方面，分析了系统的改进办法，测量调整以及在其他细节方面的优化。在电路方面，以模块形式分类,在最小系统、主板、等模块分别设计。在程序方面，我们使用梯形图编程,利用平时推荐的开发工具调试程序，经过自己不断改进，终于设计出一套比较通用稳定的程序。在梯形图的绘制过程中，每一个步骤都要认真。通过这次的课程设计，熟悉了PLC系统设计的流程、PLC编程软件，加深了对PLC工作原理的理解，更加熟悉相关指令的编写方法，在实践中加深了对PLC编程的喜爱。
在这里要非常感谢在平时里对我帮助、教导的老师及同学，更要感谢我的指导老师樊老师对我本次设计的辅导。

参 考 文 献
[1] 李道霖.电气控制与PLC原理及应用 [M] .北京: 电子工业出版社,2004
[2] 张凤珊.电气控制及可编程序控制器.2版 [M].北京: 中国轻工业出版社,2003
[3] 马志溪.电气工程设计 [M] .北京: 机械工业出版社,2002
[4] 刘国亭.电气工程CAD [M] 北京: 中国水利水电出版社,2002
[5] 王兆义.小型可编程控制器实用技术 [M] .北京: 机械工业出版社,2002
[6] 吴晓君.电气控制与可编程控制器应用 [M] .北京: 中国建材工业出版社,2004
[7] 李道霖.电气控制与PLC原理及应用 [M] .北京: 电子工业出版社,2004
[8] S7-200 CN可编程序控制器手册 [M] .西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团,2005
附 录
课程设计中的程序如下：

网络1
LD I0.0
LPS
LD I0.1
LD I0.3
A SM0.5
OLD
ALD
EU
INCB VB9
AENO
= L63.7
LRD
LD I0.2
LD I0.4
A SM0.5
OLD
ALD
EU
DECB VB9
AENO
O L63.7
= L63.6
LPP
EU
MOVB 0, VB9
AENO
O L63.6
SEG VB9, QB0

网络2
LD I0.0
ED
MOVB 0, QB0