基于PLC的电子密码锁设计

摘要：本设计是基于PLC的五键密码锁控制系统，以CPU221作为主控元件，通过外围硬件电路和软件程序，实现了密码锁的启动，密码输入，开锁，报警和复位等功能。本设计给出了PLC的I/O分配，PLC的外部接线图和梯形图程序，并将所有程序均通过了仿真测试。本次设计使用MCGS组态环境软件制作了组态模拟界面，通过编写脚本程序，进而实现了密码锁的动画模拟与仿真测试。该设计的五键密码锁控制系统具有性能稳定，操作简单，经济好用等优点。关键字：PLC CPU221 密码锁 组态第一章 绪论1.1电子密码锁的发展状况随着科技的发展，传统的机械锁被破解的概率越来越高了，新型的盗贼也学会了与时俱进，通过各种技术方法和手段即会在短时间内开启结构复杂的机械锁，会不留痕迹的登堂入室，给失主和警方留下各种不易解开的疑团。由此我们想到，要是在机械锁的基础上再装上一把密码锁，就彻底杜绝了单一机械锁易被开启的弊端，从而极大提高门锁的安全防范性能。电子密码锁是采取电子电路控制，以电磁铁或者微型电机和锁体作为执行装置的机电一体化锁具，相比传统的机械锁具，电子锁不使用金属钥匙，保密性、精度都有很大提高。当今世界，电子密码锁发展已经到了非常高的程度，由于电子元件特别是PLC应用技术在最近几年得到空前发展，密码锁无论是在功能还是在稳定性方面都有了较大的提高。就整体形势而言，密码锁在国外发展比较早，所以应用也比较广泛，主要用于家庭门锁，银行公司等的财务保险柜锁和政府机关及高级宾馆等重要场合的智能控制门锁等。在国内这方面发展也较快，不管自己开发或是引进都有，在重要场合应用也比较多。由于电子密码锁价钱较普通机械锁贵，在国内早几年应用较少，现在越来越普及到平常化，未来的发展趋势也会是越来越大众化。由于电子密码锁的功能和安全性是普通机械锁锁无法比拟的，它存在非常广阔的发展前景。就目前而言，各类电子锁已相继问世，其中包括电子密码锁，指纹识别电子锁，IC卡识别电子锁、人声识别电子锁等。1.2设计密码锁的意义及相关技术指标当前虽然许多智能锁（如指纹辨别、人声识别、IC卡识别等）已相继问世，但这类产品是针对特定指纹、声音或有效卡，只能用于保密要求高且仅供个人使用的箱、柜、房间等。另外，卡片式的IC卡易丢失和损坏，加上其成本较高，在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。而电子密码锁具有安全性能高、低功耗、操作简单等优点，经济好用，易于推广和普及。本次PLC课程设计内容为五键密码锁控制系统设计，技术指标如下：设计任务为设计一个基于PLC的五键密码锁自动控制系统，要求在按下启动键之后，才能进行开锁工作，操作正确自动开锁，操作错误则不开锁，并且系统具有复位功能，按下不可按压键后自动报警。技术参数：控制按钮额定工作电压220V，约定发热电流5A，闪光型蜂鸣器额定电压220V， PLC触点寿命500000次第二章 课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计五键密码锁控制系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“PLC应用技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握PLC控制系统设计的基本方法。应用场合:该密码锁操作简单，并且可以和机械锁协同作业，主要应用于家庭中箱、柜等的防盗和其他对安全性能有一定要求的场合。系统功能介绍: 本设计是一个基于PLC的五键密码锁自动控制系统。SB1为启动键，按下SB1键，才进行开锁工作；SB2、SB3为可按压键。开锁条件为：SB2设定按压次数为3次，SB3设定按压次数为2次。同时，SB2、SB3是有顺序的，先按SB2，后垵SB3。如果按上述规定按压，密码锁自动打开；SB5为不可按压键，一旦按压，警报器就发出警报； SB4为复位键，按下SB4键后，可重新进行开锁作业，如果按错键，则必须进行复位操作。2.2 CPU的选型S7-200 PLC的常见CPU模块有：CPU221 本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据容量较小，有一定的高速计数器和通信功能，非常适合于少点数的或特定的控制系统使用。CPU222 本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可以扩展2个模块，因此是应用最广泛的全功能控制器。CPU224 本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储器容量扩大了一倍，数据存储器容量扩大了四倍，他最多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7-200的产品。CPU224XP 这是最新推出的一种实用机型，其大部分功能和CPU224相同，但和CPU224相比，它的程序存储容量和数据存储容量都增加了不少，处理高速计数器的能力也有增强；其最大的区别是在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，非常适合在有少量模拟量信号的系统中使用，在有复杂通信要求的场合也非常适用。CPU226 本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量增加到10KB，它具有2个通信口，通信能力大大增强。根据分析，本系统为5输入/2输出类型，无需扩展模块，而且没有内部时钟，应该选择CPU221，这样既能满足设计要求，又能充分利用CPU资源，经济实用。2.3 按钮的选型AH164系列按钮，额定工作电压220V，使用环境温度为-20+70，绝缘电阻100M，工频耐压2000 V，1分钟。 LAY3系列按钮适用于交流50或60HZ，电压至660V及直流电压至440V的控制电路中作控制、信号、连锁等用途。 根据系统分析，选用AH164系列按钮能满足设计要求。其实物形状如图：2.4闪光型蜂鸣器的选型BJK-8闪光型蜂鸣器技术参数：电源AC220V,允许有10%的波动，频率为5060HZ；环境温度为545摄氏度；环境湿度85%；输出触点容量AC220V，5A；功耗为15W。，经分析，符合设计要求。最终方案：本设计以CPU221作为主控元件，选用AH164系列按钮为操作按钮，选用BJK-8型闪光型蜂鸣器为报警设备，加上相应的软件程序，组成一个具有开锁，报警和复位等功能的五键密码锁控制系统。第三章 硬件电路设计3.1 I/O地址分配 根据设计要求，SB1为启动键，SB2、SB3为可按压键，SB4为复位键，SB5为不可按压键。可知，输入点个数为5。操作正确正常开锁，按下不可按压键后报警，可知输出点个数为2。经过详细分析，将PLC的I/O分配地址确定如表3.1所示：输入信号输出信号1SB1I0.11开锁Q0.02SB2I0.22报警Q0.13SB3I0.34SB4I0.45SB5I0.53.2 PLC外部接线图PLC外部接线电路包括电源电路，输入电路，输出电路。根据I/O地址分配，CPU221的外部接线图如图所示：第四章 软件设计3.1 编写PLC的程序梯形图程序设计思路为：考虑到按钮SB2按三次，SB3按两次，密码锁才能打开，故设计程序可用计数器来实现。由于打开密码锁的正确输入次序只有一个，故需要考虑计数器间的互锁问题。然后再加上报警程序和复位程序，即可满足设计要求。程序梯形图见附录。3.2 程序的上机调试按PLC外部接线图连接电路，将梯形图程序写入编程软件，实现主机与PLC通信之后，并将程序下载到PLC中，监控并运行程序，操作和结果如下：按下按钮SB1，然后按SB2三次，SB3两次，则开锁指示灯亮；按下SB5，报警指示灯闪烁；按下SB3两次，SB2三次，开锁指示灯不亮；按下SB3一次，SB2三次，SB3两次，开锁指示灯不亮；按下SB3一次，接着按下SB4复位，然后按SB1启动，再按SB2三次，SB3两次，则开锁指示灯亮；此时按下SB5，则报警指示灯闪烁；再按下SB4复位，则开锁指示灯和报警指示灯全不亮。结果如图所示：第五章 组态设计与调试利用组态软件做出五键密码锁界面，SB1，SB2，SB3，SB4，SB5均设置为开关量，图中白色方框为可按压按键按压次数的显示信息，蓝色指示灯为开锁信号，红色指示灯为报警信号。按下启动按钮SB1后，按压SB2三次，SB2两次后，开锁指示灯亮。状态如图所示：按下不可按压键SB5后，报警指示灯（右侧红色指示灯）处于闪烁状态。如若按错按键，则可按下SB4进行复位，复位以后才可以进行解锁操作。编写脚本程序时，主要考虑了按键次序之间的互锁关系，将每一次按键作为一个状态，在上一个状态正确实现的情况下，才可正确的进行下一步操作。而所有操作均正确时，密码锁打开。出现一步错误，密码锁无法打开，必须通过复位以后，才能从新开始解锁。脚本程序见附录。第六章 课程设计总结本次设计基于PLC应用技术，通过硬件电路和软件程序实现了五键密码锁的启动、开锁、报警和复位等功能，并且编制了组态界面和脚本程序从而实现了密码锁的动画模拟和仿真测试。本次设计的五键密码锁具有性能稳定，操作简单，经济好用等优点，但由于解锁程序简单，其安全性能受限。如将本密码锁与机械锁联动锁闭，则可以增加机械锁的安全性能。同时如果条件允许或者是需要用在保护贵重物品的场合，也可以在PLC的输出端加装一个摄像头，在密码锁报警的同时开启摄像头，将非法开锁人员的面孔尽收眼底。这样做会给日后收集证据提供有效的图像信息，能更好的起到安全防范的作用。总之，密码锁还有很大的发展空间。参考文献：1SIEMENS公司.深入浅出西门子S7-300 PLCM.北京:北京航空航天大学出版社,2004.附录：梯形图程序：附录：脚本程序：IF 按键SB1 = 0 THEN 中间5 = 0 中间6 = 0 指示灯1 = 0ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB2 = 1 AND 中间6=0 and 中间5 =0 THEN a=1中间5 = 1ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB2 = 0 AND 中间6=0 and a=1 THEN中间2=1 a=0 中间5 = 2ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB2 = 1 AND 中间6=0 and 中间2=1 THEN中间2=0中间3 = 1中间5 = 3ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB2 = 0 AND 中间6=0 and 中间3=1 THEN中间3=0中间5 =4ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB3 = 1 AND 中间5 = 3 THEN 中间4=1中间6=1ENDIFIF 按键SB1 = 1 AND 按键SB3 = 0 AND 中间5 = 3 and 中间4=1 THEN中间4=0中间6=2ENDIFIF 中间6 = 2 THEN 指示灯1 = 1ENDIFIF 按键SB5 =1 THEN按键SB51 = 1-按键SB51ENDIFIF 按键SB4 = 1 THEN 中间5 = 0 中间6 = 0 指示灯1 = 0中间3=0中间2=0a=0按键SB5 = 0按键SB1 = 0按键SB2 = 0按键SB3 = 0按键SB51=0ENDIF