商店迎宾机器人电路设计

Wuhan Polytechnic University Industrial &Commercial College 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文题目论文题目 ： 商店迎宾机器人电路设计商店迎宾机器人电路设计 姓名姓名 ： 学号学号 ： 班级班级 ： 02 班班 年级年级 ： 08 级级 专业专业 ： 通信工程通信工程 系部系部 ： 信息工程系信息工程系 指导教师指导教师 ： 完成时间完成时间 ： 2012 年年 04 月月 27 日日 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 作者声明作者声明 本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德。学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。 毕业论文（设计）成果归武汉工业学院工商学院所有。 特此声明 作者专业：通信工程 作者学号： 作者签名： 2012 年 04 月 27 日 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 商店迎宾机器人电路设计商店迎宾机器人电路设计 Store robot usher engineering design 20122012 年年 0404 月月 2727 日日武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 1 - Abstract with the development of social economy, urban traffic has drawn growing attention. The traffic light control system has gradually become the most important part of the urban traffic monitors and command system. At the present stage, however, several problems abound in the traffic light control system. To solve these problems, this paper adds north-south and east-west Driving lamps to the traditional intersection traffic lights to control traffic. To realize the control demands above, the paper firstly illustrates the characteristics application structure and principles of the Programmable Logic Controller (PLC). Then the author introduces the specific characteristics and directions of the soft war S7-200 STEP7-Micro/WIN3.2, and the realization of the design of driving lamps with the software. Finally, the author realizes the program by S7-200. The realization of the design clears the traditional traffic light. The addition of north-south and east-west Driving lamps is more favorable to remind driving safely and thus the traffic can be efficiently controlled with obvious effects on relieving traffic flow, improving traffic capacity and decreasing traffic accidents. Keywords： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 1 - 1 绪绪 论论 在竞争日益激烈的今天,各行各业为提高竞争力，纷纷推出了各种新、奇的事物来吸引消费者。经过长时间的市场调查,发现各种商场、宾馆、舞厅等场所其门口都站有一排或两排迎宾小姐， 这种迎宾方式不但耗费了大量的物力资源， 而且由于现在人力成本的不断的增加,这样就大大增加了企业的生产成本，此外还会由于服务人员长时间的从事单调重复的工作,造成对工作的热情锐减,从而影响服务质量。 针对这一现象我决定开发设计一套自动电子迎宾机器人装置， 虽然现在市场上使用的自动电子迎宾运用了人体感应检测和语音输出来实现的，但是这种产品没有进出识别功能，人性化程度比较低，不能全方位的体现人的服务特点。 市场上至今还未出现这种比较完善的自动电子迎宾机器人产品。 相比之下， 自动电子迎宾机器人体现出强大的优越性， 现在所开发的这套电子迎宾机器人装置,不但成本低廉,而且工作性能稳定,还能为消费者提供感官上的人性化服务。 本文综合考虑了降低成本与功能灵活性方面的要求，利用红外检测电路，判断单元，加减计数器和语音模块，再加上必要地辅助电路和电源，就构成了简单实用，成本低廉和控制灵活的迎宾机器人。本电路可安装在商场，宾馆和舞厅等营业场所的门口，利用红外检测技术自动识别顾客的进出并加以语音提示。用该装置来代替迎宾小姐，不仅经济，而且十分有趣。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 2 - 2 机器人的发展及现状机器人的发展及现状 机器人与智能装备产业是高度集成微电子、通信、计算机、人工智能、控制和图像处理等学科最新科研和产业成果的前沿高新技术产业，机器人技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。经过半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功解放了劳动力资源。作为高技术领域中重要的前沿技术之一，机器技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障国家安全、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机业已到来。 美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向， 代表着国际上机器人领域的最高科技水平。目前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。在国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展， 已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用， 从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的 KUKA、瑞典的 ABB、日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，2002 年至 2004 年，世界机器人市场年增长率平均在 10%左右， 2005 年达到创纪录的 30%， 2007 年全球机器人实际安装量达到 650 万台，机器人安装量比 2006 年增加 3%，达到了 114365 台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008 年全球机器人行业总销售量比 2006 年增长 25。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有 130 余家专业的机器人制造商。 我国的机器人产品生产企业比较少，目前沈阳新松机器人股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司和北京机械工业自动化研究所工程中心是三家主要生产基地， 每家企业年产值相比国外企业仍有较大的差距， 其中还包括一些机器人外围产品， 没有形成规模化生产，规模经济并不突出。由于机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其运动学、动力学性能进行分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动学和动力学问题十分复杂，计算难度和计算量都很大。若将机械手作为仿真武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 对象， 运用计的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真， 这样就可以很好地解决研发机器人过程中出现的问题，也能极大的促进我国机器人技术的发展 。 目前，国外生产的电子自动报警器和迎宾器大多数采用的是新日本无线电公司生产的 集成红外接收器， 国内采用的红外线接收解调专用集成电路， 这种电路接收比较准确可靠，是未来发展研究的方向。红外线控制电子礼仪语音器代替迎宾小姐是将来宾馆、饭店、商场等门口非常受欢迎的一种装置。迎宾机器人是集语音识别技术和智能运动技术于一身的高科技展品，该机器人为仿人型，身高、体形、表情等都力争逼真，亲切、可爱、美丽、大方、栩栩如生，给人以真切之感，体现人性化。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 4 - 3 3 任务分析及方案确定任务分析及方案确定 3.1 3.1 设计要求设计要求： 能判断顾客进门与出门，在有顾客进出门时会出现语音提示。 能实时统计来访人数及当前店内人数，并用数码管显示出来。 3.2 设计方案：设计方案： 3.2.1 方案论证：方案论证： 方案一：红外检测电路采用红外产生发射电路和红外接收电路 A 和红外接收电路 B实现，通过单片机来控制处理电平变化的先后顺序，来实现判断单元的作用，数据显示用加减计数器，译码器和七段数码管来实现。 方案二：红外检测电路采用红外发射接收芯片来实现，判断电路利用 JK 触发器来实现，数据显示采用加减计数器，译码器和七段数码管来实现。 通过分析问题和初步的整体思考，采用方案二。方案一中的红外产生发射和红外接收无法仿真，方案二采用的红外发射接收芯片能到到仿真效果，并通过 JK 触发器来控制出路电平的变化，思维清晰。 采用方案二来实现该电路需要以下几个模块来实现：红外检测电路，判断电路模块，加法计数及加减计数模块，数据显示以及语音模块。红外检测电路模块用两个红外发射接收芯片 IRLINK 来实现，判断电路模块用两个 JK 触发器来实现，其中通过脉冲开关给出脉冲信号，以使 JK 触发器触发。计数模块用加减可逆计数器 74LS192 来实现，并通过 7448和七段数码管显示数字。其中设计思路如图 3.1 所示： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 图图 3.13.1 3.3 3.3 电路所需元件及元件功能介绍电路所需元件及元件功能介绍 3.3.1 3.3.1 电路所需元件介绍电路所需元件介绍 经过考虑，实验所需元件如下： 74LS192（加减计数器） - 4 个 74LS112（双 JK 触发器） - 2 个 7448(译码器） - 4 个 IRLINK（红外发射接收芯片）- 2 个 7SEG-COM-CATHODE(七段数码管）- 4 个 7417（二极管 - 6 个 Button （脉冲开光）- 2 个 3.3.2 3.3.2 电路所需元件的功能介绍电路所需元件的功能介绍 74LS112 双 JK 触发器， 是下降边沿触发的边沿触发器。 引脚功能及逻辑符号如图 3.1 所示。 JK 触发器的状态方程为： Qn+1 JQnKQn 图图 3.2 (74LS112 双双 JK 触发器引脚排列及逻辑符号触发器引脚排列及逻辑符号) 检测 A 检测 B 判断单元 语音芯片 加减法计数单元 店内当前人数显示 加法计数单元 当前来访人数显示 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 6 - 下降沿触发 JK 触发器的功能如图 3.2 所示： 输 入 输 出 SD RD CP J K Qn+1 Qn+1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 Qn Qn 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 Qn Qn 1 1 Qn Qn 注： 任意态 高到低电平跳变 低到高电平跳变 Qn（Qn ） 现态 Qn+1（Qn+1 ） 次态 不定态 图图 3.2 十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表 74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图3.3（a)和3.3（b)所示： 图图3.3 (3.3 (74LS19274LS192的引脚排列及逻辑符号的引脚排列及逻辑符号) ) （a a）引脚排列）引脚排列 (b) (b) 逻辑符号逻辑符号 图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 数据输出端。其功能表如图3.4所示： 输入 输出 MR P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 0 0 0 0 0 0 d c b a d c b a 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数 图图3.43.4（74LS19274LS192的功能表）的功能表） 4 4 系统各模块电路设计系统各模块电路设计 4.1 4.1 红外检测电路红外检测电路 红外检测电路采用红外发射接收芯片IRLINK来实现，用此芯片来模拟红外发射电路和红外接收电路，将IRLINK与电压源连接，并通过开关来模拟实物人的进出，将脉冲信号送给判断单元。红外检测的电路图如下： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 8 - 图图4.14.1 4.2 4.2 判断电路判断电路 判断电路采用两个双JK触发器与二极管7417的联合使用来控制电平信号的变化，通过脉冲开光给出的脉冲信号使JK触发器触发，电路图如下： 图图4.24.2 4.3 4.3 加减计数和数据显示模块加减计数和数据显示模块 加减法计数单元和加法计数单元采用十进制可逆计数器74LS192来实现，通过电平的刺激来实现加减的功能。 数据显示电路采用译码器7448和七段数码管来实现， 电路图如下： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 图图4.34.3 其中包括一个置零开关，使电路能够清零，电路图如下： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 10 - 图图4 4.4.4 5 5 总体电路设计总体电路设计 5.1 5.1 总体电路工作流程总体电路工作流程 该电路设计包括以下几个模块来：红外检测电路模块，判断电路模块，加法计数及加减计数模块，数据显示以及语音模块。红外检测电路模块用两个红外发射接收芯片IRLINK来实现，判断电路模块用两个JK触发器和若干二极管构成的电路来实现，通过脉冲开关给出脉冲信号，以使JK触发器触发。计数模块用加减可逆计数器74LS192来实现，并通过译码器7448和七段数码管显示数字。 红外检测模块采用红外发射接收芯片IRLINK和脉冲开关来实现，通过控制开关来模拟实物人的进出，当按下开关1代表有人进入，且表示有人切断红外线的发射与接收断开，当再次按下开关1，表示人已经进入，此时红外发射与接收正常，与之相反，开关2则模拟人出门的状态变化。判断电路模块用两个JK触发器和若干二极管构成的电路来实现，通过红外检测模块里脉冲开关的变化刺激电路所产生的脉冲信号的刺激下，使JK触发器的CP产生翻转，出现上升沿和下降沿，在整个判断电路的控制下，出现输出电平的高低变化。加减计数模块用加减可逆计数器74LS192来实现，并通过7448和七段数码管显示数字。由于判断电路产生的高低电平的变化刺激74LS192，使其开始加减计数，并通过7448和七段数武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 码管显示出来， 另外在整个设计但中加了两个喇叭， 通过喇叭声音的变化来区别人的进出。5.2 5.2 总体电路图总体电路图 总体电路图如下： 图图5.15.1 6 6 电路仿真图电路仿真图 下图为调试开始时的电路，按下置零开关后四个数码管均为零： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 12 - 图图 6.16.1 下图为有人进店时同时累加的调试电路： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 图图6.26.2 下图则是表示有人出店后的电路： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 14 - 图图6.36.3 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 结语结语 通过本次论文设计，我有如下几点心得： 首先，我进一步熟悉数字电路的知识，并将其应用于实际，并且掌握了几种常用芯片的工作原理，熟记他们的真值表。更深刻地了解了 74LS192，74LS112 和 7448 等芯片的使用，主要是管脚的连接。了解一般科学实验的基本步骤，学会用科学精神去处理实际问题，初步培养了科学严谨的工作作风和实事求是的工作态度。 其次，电路的调试是一个十分重要的环节。大部分电路图接好后都不会一次性成功，都会或多或少的存在一些问题，毕竟理论和实际是有差距的。这时就要调试电路，首先应该根据错误初步估计出错的地方和原因，有针对性的检查电路，对错误进行改正。 完成这次课程设计后，真正体会到将所学知识运用到实践中的快乐，最终得到了完美的结果，但是最重要的是经历一次如此难忘的过程。 设计电路最重要的是思路要清晰，一旦有了自己的思路就应该有层次有条理的探索下去，只要坚持自己的观点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程却是通往另一条道路必不可少的环节。 在完成这次设计的过程中，我也有参考相关的设计课题，甚至还花了很长的时间去弄清楚别人的设计，以至于后来被束缚住，对自己的设计没有了头绪。学习吸收别人的长处是应该的，但是不能完全沉浸进去，要有自己的思路和观点，并且努力去实现。这就是快乐的最大源泉。 在完成设计的过程中自己不断解决了一个个的难题，要通向最后的成功，绝不会一蹴而就，饭要一口一口地吃，路要一步一步地走，做事要踏实，实事求是，不能好高骛远。 在电路设计和芯片连接时，也出现了很多问题，问题多并不可怕，可怕的是在反复的受挫中没有革新，不能改进自己的方法和思路。 通过这次课程设计，我对数字电子技术中的诸多知识有了更深层次的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。这是一次获益匪浅的实习。 再此我感谢我的指导老师赵老师！ 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 16 - 主要参考文献主要参考文献 1余孟尝。数字电子技术基础简明教程。北京：高等教育出版社，1999。 2谢自美。电子线路设计 实验 测试。湖北：华中科技大学出版社，2000。 3刘昌华。数字逻辑EDA设计与实践。北京：国防工业出版社，2006.8。 4陈永甫。红外探测与控制电路。北京：人民邮电出版社，2006 5陈远金。程永进,吴雄伟. 红外线温度传感器的设计与实现.仪器仪表用，2006。 6石艳,汤荣江。 红外线遥控技术在智能浴缸控制中的应用.微计算机信息，2006。 7瞿贵荣。自动电子迎宾电路.家庭电子，2005。 8余新平。数字电子技术。华中科技大学出版社，2009。 9杨帮文。使用电子小制作精选。北京：人民邮电出版社，2006。 10刘修文。新编电子控制电路 300 例。北京：机械工业出版社，2005。 11 陆先海。 复合材料的数字化射线照相检测. 航空制造技术，2006。 12 南玉刚。自己动手，遥控电脑，电脑爱好者，2006。 13 赵岩,王哈力,蒋贵龙,王东辉。传感器世界 ,2006。 14 阎石。 数字电子技术基础 M , 北京:高等教育出版社,1998。 15Menon C， Sitti M.A biomimetic climbing robot based on the geckoJ.Journal of Bionic Engineering.2006. 16Park S,Lee Y J.Discontinuous zigzag gait p lanning of a quadruped walking robot with a waist jointJ.Advanced Robotics,2007 . 17Menon C,Sitti M.Biologically insp ired adhesion based surface climbing robots A.Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and AutomationC.Barcelona,Spain,2005. CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接受并储存用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线结构，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 速度和内存容量是 PLC 是重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （2）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器； 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 PLC 常用的存储器类型 RAM（Random Assess Memory）,这是一种读/写存储器（随机存储器） ，其存取速度最快，由锂电池支持。 EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory） ，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容） 。 EEPROM （Electrical Erasable Programmable Read Only Memory） ， 这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 PLC 存储空间的分配 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统 RAM 存储区（包括 I/O 映像区和系统软设备等） ；用户程序存储区。 系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在 EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该 PLC 的性能。 系统 RAM 存储区： 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备如： 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。 I/O 映象区， 由于 PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放 I/O 的状态和数据，这些单元称作 I/O 映象区，一个开关量 I/O 占用存储单元中的一个位(bit)， 一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字(16 个 bit)， 因此整个 I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量 I/O 映象区，模拟量 I/O 映象区。 系统软设备存储区：除了 I/O 映象区区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当 PLC 断电时数据被清零 逻辑线圈：与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。 数据寄存器：与模拟量 I/O 一样，每个数据寄存器占用系统 RAM 存储区中的一个字(16bits) ，另外 PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的 PLC 其存储容量各不相同。 （3）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。 如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 18 - （4）I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量： 按信号类型分， 有电流型 （420mA,020mA） 、 电压型 （010V,05V,-1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （5）PLC 系统的其它设备 编程设备： 编程器是 PLC 开发应用、 监测运行、 检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 2.3 PLC 的的工作原理工作原理 （1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。 （2）程序执行阶段，PLC 对用户程序扫描。 （3）输出刷新阶段，当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。 2.4 PLC 汇编语言汇编语言 采用面向控制过程，面向问题，简单直观的 PLC 编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。 （1）梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。 主要特点： 自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。 梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”。 每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。 输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。 （2）语句表又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。 2.5 PLC 的基本指令的基本指令 （1）输入输出指令（LD/LDN/=）如表 2.1 所示： 表表 2.1 输入输出指令表输入输出指令表 符号（名称） 功 能 LD（取） 常开触点与母线相连 LDN（取反） 常闭触点与母线相连 =（输出） 线圈驱动 LD 与 LDN 指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。 =指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。 （2）触点串连指令（A/AN） 、并联指令（O/ON）如表 2.2 所示： 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 20 - 表表 2.2 触电串并联指令表触电串并联指令表 符号（名称） 功 能 A（与） 常开触点串联连接 AN（与非） 常闭触点串联连接 O（或） 常开触点并联连接 ON（ 或非） 常闭触点并联连接 A、AN 指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。O、ON 是用于一个触点的并联连接指令。 （3）电路块的并联和串联指令（OLD、ALD）如表 2.3 所示： 表表 2.3 电路块并串联指令表电路块并串联指令表 符号（名称） 功 能 OLD（块或） 电路块并联连接 ALD（块与） 电路块串联连接 （4）程序结束指令（END）如表 2.4 所示： 表表 2.4 程序程序结束结束指令表指令表 符号（名称） 功 能 END（结束） 程序结束 在程序结束处写上 END 指令，PLC 只执行第一步至 END 之间的程序，并立即输出处理。若不写 END 指令，PLC 将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用 END 指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将 END 指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的 END 指令。 2.6 编程器件编程器件 一般情况下，X 代表输入继电器，Y 代表输出继电器，M 代表辅助继电器，SPM 代表专用辅助继电器，T 代表定时器，C 代表计数器，S 代表状态继电器，D 代表数据寄存器，MOV 代表传输等。 2.7 PLC 的基本性能指标的基本性能指标 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 可编程控制器的基本性能可用如下八条予以概括： （1）工作速度 工作速度是指 PLC 的 CPU 执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是 PLC 工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥 PLC 的多种多样的作用。 （2）控制规模 控制规模代表 PLC 控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制。 控制规模与速度有关。 因为规模大了， 用户程序也长， 执行指令的速度不快， 势必延长 PLC循环的时间，也必然会延长 PLC 对输入信号的响应。为了避免这个情况，PLC 的工作速度就要快。所以，大型 PLC 的工作速度总是比小的要快。 （3）组成模块 PLC 的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把 PLC 的模块组成当作所有 PLC 的结构性能。 （4）内存容量 PLC 内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。系统内存是与 CPU 配置在一起的。CPU 既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。用户内存大小与可存储的用户程序量有关。内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。从发展趋势看，内存容量总是在不断增大着。大型 PLC 的内存容量可达几十 K，以至于一百多 K。系统内存对于用户，主要体现在 PLC 能提供多少内部器件。不同的内部器件占据系统内存的不同区域。在物理上并无这些器件，仅仅为 RAM。但通过运行程序进行使用时，给使用者提供的却实实在在有这些器件。 内存器件种类越多，数量越多，越便于 PLC 进行种种逻辑量及模拟控制。 （5）指令系统 PLC 的指令繁多，但主要的有这么几种类型：基本逻辑指令，用于处理逻辑关系，以实现逻辑控制。这类指令不管什么样的 PLC 都总是有的。数据处理指令，用于处理数据，如译码，编码，传送、移位等等。数据运算指令，用于进数据的运算，如+、-、X、/等，可进行整形数计算，有的还可浮点数运算；也可进行逻辑量运算，等等。流程控制指令，用以控制程序运行流程。PLC 的用户程序一般是从零地址的指令开始执行，按顺序推进。但遇到流程控制指令也可作相应改变。流程控制指令也较多，运用得好，可使程序简练，并便于调试与阅读。状态监控指令，用以监视及记录 PLC 及其控制系统的工作状态，对提高 PLC 控制系统的工作可靠性大有帮助。 （6）支持软件 为了便于编制 PLC 程序，多数 PLC 厂家都开发有关计算机支持软件。从本质上讲，PLC 所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。 （7）可靠控制 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 22 - 为使 PLC 能可靠工作，在硬件与软件两个方面 PLC 厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠要求的 PLC，还有相应的特殊的措施，如热备、冗余等等。可靠措施的目的是增加 PLC 平均故障间隔时间、MTBF（Mean Time Between Failure）及减少 PLC 的平均修复时间、MTTR（Mean Time To Repair） ，以提高 PLC 的有效度 A（Availability） 。 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 、式中 A有效率、MTBF平均故障间隔时间、MTTR平均修复时间。当然，A 值越大越好，它可使 PLC 系统得到充分的利用，是为什么要使用 PLC 的重要指标。而从上式可知，MTBF 越大，MTTR 越小，则 A 越大。所以，PLC的可靠措施都是围绕提高 MTBF 及 MTTR 值进行的。鉴于可靠工作是 PLC 的重要特点，至关重要，故有关提高 MTBF 及降低 MTTR 的措施如何，以及 PLC 的 MTBF 与 MTTR 值也成为 PLC 性能的重要指标。 （8）经济指标 以上七条讲的都是 PLC 的技术性能。其实，使用 PLC 还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用 PLC 也就没有基础。所以经济指标也是重要的。经济指标简单说就是看价格。一般讲，同样技术性能的 PLC，价格低其经济指标就好。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 3 S7-200 编程软件编程软件 STEP7-Micro/WIN3.2 3.1 如何控制程序作业如何控制程序作业 S7-200 在程序的控制逻辑中不断循环， 读取和写入数据。 当您将程序下载至 PLC 并将PLC 放置在 RUN（运行）模式时，PLC 的中央处理器（CPU）按下列顺序执行程序： （1）S7-200 读取输入状态。 （2）存储在 S7-200 中的程序使用这些输入评估（或执行）控制逻辑。 （3）当程序经过评估，S7-200 将程序逻辑结果存储在称作进程图像输出寄存器的输出内存区中。 （4）在程序结束时，S7-200 将数据从进程图像输出寄存器写入至域输出。 （5）重复任务循环。 S7-200 反复执行一系列任务。该循环执行任务被称作扫描循环。S7-200 在扫描循环过程中执行大多数或全部下列任务： （1）读取输入：S7-200 将实际输入状态复制至进程图像输入寄存器。 （2） 在程序中执行控制逻辑： S7-200 执行程序的指令， 并将数值存储在不同的内存区。 （3）处理所有通讯请求：S7-200 执行点至点或网络通讯要求的所有任务。 （4）执行 CPU 自测试诊断程序：S7-200 保证固件、程序内存和所有扩充模块均正常作业。 （5）向输出写入：存储在进程图像输出寄存器中的数值被写入实际输出。 扫描循环的执行取决于 S7-200 是位于 STOP（停止）模式还是 RUN（运行）模式。在RUN（运行）模式中，程序被执行；在 STOP（停止）模式中，程序不被执行.在程序执行过程中，最好使用进程图像寄存器，而不要直接存取输入或输出。使用图像寄存器共同扫描开始的所有输入取样会使扫描循环的程序执行阶段的输入数值同步化，并冻结这些数值。 3.2 编程语言的形式编程语言的形式 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。 编程指令：指令是 PLC 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点 PLC 与普通的计算机是完全相同的。同时 PLC 也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的 PLC 指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 24 - 指令系统： 一个 PLC 所具有的指令的全体称为该 PLC 的指令系统。 它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着 PLC 的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的 PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清 PLC 的指令系统。 程序：PLC 指令的有序集合，PLC 运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指 PLC 的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。 梯形图：梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含 LD 指令） ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。 3.3 STEP7 程序的使用程序的使用 （1）创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。 （2） 组态一个站， 组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器， 例如 S7300、 S7400等。 （3）组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。 （4）组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。 （5）定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过 8 个字节，最好不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。 （6）创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1） 、分布编程（编写功能块 FB,OB1 组织调用） 、结构化编程（编写通用块） 。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。 （7）下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（STOP 或 RUN-P）,RUN-P 模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的 CPU 程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将 CPU 切换到 STOP 模式。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 3.4 STEP7 Micro/Win V3.2 （1）在 Step 7 Micro/Win V3.2 中新建一个项目。 （2）输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为 AWL 文件。 （3）打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”(或在已有的 CPU 图案上双击)。 （4）在弹出的对话框中选择 CPU 型号，要与你项目中的型号相同。 （5）点击“程序”-“载入程序”(或工具条中的第 2 个按钮)。 （6）会有个对话框，只选择“逻辑块（L） ”并选择 Step 7 MicroWin V3.2 的版本，点击“确定” 。 （7）将先前导出的 AWL 文件打开。 若第（6）步选择全部，则此时会提示无法打开文件，这里出现错误的原因是无法打数据块和 CPU 配置文件，不要管它，直接确定。 （8）点击“查看（E） ”-“内存监视（M） ”(或工具条中的第 12 个按钮)输入想要监视的地址。 （9）点“PLC”-“运行”(或工具栏上的绿色三角按钮) ，程序已经开始模拟运行。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 26 - 4 交通灯控制要求交通灯控制要求 4.1 控制要求控制要求 信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮持续 25 秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20 秒。到 20 秒时，东西绿灯闪亮，闪亮 3 秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2 秒。到2 秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持 25秒。南北绿灯亮维持 20 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。同时南北红灯亮，维持 2 秒后熄灭，东西绿灯亮。周而复始。图 4.1 所示为路况示意图，交通控制的 I/O 分配表如表 4.4 所示。 图图 4.1 路况示意图路况示意图 表表 4.1 I/O 分配表分配表 输出点 实现现象 Q0.2 南北红灯亮 Q0.1 南北黄灯亮 Q0.0 南北绿灯亮 Q0.5 东西红灯亮 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 Q0.4 东西黄灯亮 Q0.3 东西绿灯亮 Q0.6 南北向行驶灯亮 Q0.7 东西向行驶灯亮 4.2 工作过程工作过程 信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 当启动开关闭合，I0.0 触电接通，Q0.2 得电，南北红灯亮；同时 Q0.2 的动合触点闭合，Q0.3 线圈得电，东西绿灯亮。1 秒后，T49 的动合触点闭合，Q0.7 线圈得电，东西向行驶车的灯亮。维持到 20 秒，T43 的动合触点接通，与该触点串联的 T59 动合触点每隔0.5 秒导通 0.5 秒， 从而使东西绿灯闪烁。 又过 3 秒， T44 的动断触点断开， Q0.3 线圈失电，东西绿灯灭；此时 T44 的动合触点闭合、T47 的动断触点断开，Q0.4 线圈得电，东西黄灯亮，Q0.7 线圈失电，东西向行驶车的灯灭。再过 2 秒后，T42 的动断触点断开，Q0.4 线圈失电，东西黄灯灭；此时启动累计时间达到 25 秒，T37 的动断触点断开，Q0.2 线圈失电，南北红灯灭，T37 的动合触点闭合，Q0.5 线圈得电，东西红灯亮，Q0.5 的动合触点闭合，Q0.0 线圈得电，南北绿灯亮。1 秒后，T50 的动合触点闭合，Q0.6 线圈得电，南北向行驶车的灯亮。又经过 25 秒，即启动累计时间为 50 秒时，T38 动合触点闭合，与该触点串联的 T59 的触点每隔 0.5 秒导通 0.5 秒， 从而使南北绿灯闪烁； 闪烁 3 秒， T39 动断触点断开，Q0.0 线圈失电，南北绿灯灭；此时 T39 的动合触点闭合、T48 的动断触点断开，Q0.1 线圈失电，南北黄灯亮，Q0.6 线圈失电，南北向行驶车的灯灭。并维持 2 秒后，T40 动断触点断开，Q0.1 线圈失电，南北黄灯灭。这是启动累积时间达 5 分钟，T41 的动断点断开，T37复位，Q0.3 线圈失电，即维持了 25 秒的东西红灯灭。 上述是整个工作过程，然后周而复始的进行。 武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 - 28 - 5 PLC 控制系统设计控制系统设计 5.1 PLC 控制系统软件设计控制系统软件设计 （1）系统设计的基本步骤： 系统设计与设备选型。 分析你所控制的设备或系统。PLC 最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程；判断一下你所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求；判断一下你所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量是否够。 I/O 赋值（分配输入输出） 。 将你所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值，与 PLC 的输入编号相对应；将你所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值，与 PLC 的输出编号相对应。 （2）执行程序的过程及特点： PLC 执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。 输入采样阶段： 在输入采样阶段，PLC 以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。 程序执行阶段： 在程序执行阶段，PLC 对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC 从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。 输出刷新阶段： 程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC 将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。 因此，PLC 在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当 PLC 进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段武汉工业学院工商学院毕业论文（设计）专用稿纸 里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。 对于小型 PLC，其 I/O 点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使 PLC 工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 而对于大中型 PLC，其 I/O 点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能 I/O 接口等多种方式。 从上述分析可知，当 PLC 的输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为 PLC 输入输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于 PLC 扫描工作方式造成，更主要是 PLC 输入接口的滤波环节带来的输入