十字路口交通燈的控制及聲控報警電路設計

黔南民族職業(yè)技術學院機電工程系畢業(yè)設計畢業(yè)設計題目：十字路口交通燈的控制姓名：程飛專業(yè)：機電設備維修與管理班級：高職機管班指導教師：任務書頒發(fā)日期教研室主任簽名：第一章前言11.1課題背景11.2研究目的和意義11.3本文的主要工作2第二章PLC的簡介32.1PLC的概述32.2PLC的發(fā)展歷程32.3PLC的發(fā)展趨勢42.3PLC的發(fā)展趨勢42.4PLC的應用5第三章PLC的結構及原理73.1PLC的分類73.2PLC的工作原理73.3PLC匯編語言9西門子S7-200系列PLC的基本指令104.1邏輯取及輸出線圈指令（LD、LDI、OUT）104.2單個觸點串聯(lián)指令（AND、ANI）10S7-200系列PLC的定時器指令11第五章西門子PLC的幾種編程語言介紹125.1設計步驟和簡介125.2可編程控制器的維護和故障診斷12第六章十字路口交通燈的設計146.1十字路口交通燈的設計目的146.2PLC的選型186.3十字路口交通燈的梯形圖19結論24致謝25參考文獻第1章前言1.1課題背景 1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國《道路交通和道路標志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。1.2研究目的和意義在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車輛流量的調查，運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運行、較適用的方案，仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的，統(tǒng)計的方法已不能適應迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應控制的交通燈。目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時間的浪費，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數(shù)學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術在日常生活的普遍應用，城市空中各種電磁干擾日益嚴重，為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC是必要的。隨著科學技術的日新月異，自動化程度要求越來越高，原有的交通燈裝置遠遠不能滿足當前高度自動化的需要?？删幊炭刂破鹘煌艨刂葡到y(tǒng)集成自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術于一體的機電一體化產(chǎn)品；充分利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設計，配置靈活、組態(tài)方便?？删幊炭刂破鹘煌艨刂葡到y(tǒng)的特點：①脫機手動工作；②聯(lián)機自動就地工作；③上機控制的單周期運行方式；④由上位機通過串口向下位機送入設定配方參數(shù)實現(xiàn)自動控制；⑤自動啟動、自動停機控制方式。近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實際應用成為可能。本系統(tǒng)采用PLC是基于以下四個原因：①PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；②編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實現(xiàn)；③抗干擾能力強，目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；根據(jù)交通信號燈系統(tǒng)的要求與特點，我們采用了德國西門子公司S7-200型PLC。西門子PLC有小型化、高速度、高性能等特點，是S7-200系列中最高檔次的超小型程序裝置。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴充設備，有豐富的特殊擴展設備，其中的模擬輸入設備和通信設備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本系統(tǒng)就是應用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實現(xiàn)控制。1.3本文的主要工作第一章，回顧交通燈的歷史，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通管制的要求越來越高，采用可編程程序控制器來代替中間繼電器和過程控制的微型機，設計開發(fā)了交通燈控制系統(tǒng)，才會滿足穩(wěn)定可靠的交通控制系統(tǒng)需求。第二章，敘述了可編程程序控制器的產(chǎn)生、發(fā)展、應用的歷程，通過論述可編程程序控制器的各種優(yōu)點、卓越性能、結構、原理，有一個感性的總體認識。第三章，結合交通燈控制系統(tǒng)的要求，進行硬件、程序設計，從主要部件的選擇、流程的分析、程序思路的產(chǎn)生來完成本次設計任務。第四章，通過對系統(tǒng)的調試和檢測，再進行系統(tǒng)性梳理，將隱藏的不足之處加以修正和完善，確保系統(tǒng)能順利運行。關鍵詞：交通燈PLC程序設計第二章PLC的簡介2.1PLC的概述可編程控制器（PeogammableController）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制稱作可編程邏輯控制器（ProgrammbleLogicController）,簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（PersonalComputer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。2.2PLC的發(fā)展歷程在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領域中，繼電器控制占主導地位，應用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復雜、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應性差。1968年美國通用汽車公司（G.M）為了適應汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設想將計算機功能強大、靈活、通用性好等優(yōu)點與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價格便宜等優(yōu)點結合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術迅速發(fā)展起來。早期的可編程控制器僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制,通常稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，20世紀70年代中期微處理器技術應用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。20世紀80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段：1970—1980年：PLC的結構定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結構形成，取得了市場的認可，得以迅速發(fā)展.推廣。PLC的原理、結構、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟，PLC的應用領域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機床、生產(chǎn)線擴展。1980—1990年：PLC的普及階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，價格不斷下降，PLC被迅速普及。各PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價格.品種開始系列化，并且形成了固定I/O點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結構型這三種延續(xù)至今的基本結構模型。PLC的應用范圍開始向順序控制的全部領域擴展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有F.F1.F2小型PLC系列產(chǎn)品,K/A系列中、大型PLC產(chǎn)品等。1990—2000年，PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術的進步，PLC的功能日益增強，PLC的CPU運算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)，PLC的應用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外，PLC的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。2000年至今：PLC的高性能與網(wǎng)絡化階段。在本階段，為了適應信息技術的發(fā)展與工廠自動化的需要，PLC的各種功能不斷進步。一方面，PLC在繼續(xù)提高CPU運算速度，位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使PLC的應用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領域。與此同時，PLC的網(wǎng)絡與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設備，還可以通過各種總線構成網(wǎng)絡，為工廠自動化奠定了基礎。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品（包括最新的FX3u系列產(chǎn)品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。2.3PLC的發(fā)展趨勢從當前產(chǎn)品技術性能來看，PLC發(fā)展趨勢仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。①體積小型化。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術發(fā)展的必然結果?，F(xiàn)代PLC無論從內部元件組成還是硬件、軟件結構都已經(jīng)與早期的PLC有了很大的不同，PLC體積被大幅度縮小。②性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能與I/O性能兩大方面?？删幊绦蚩刂破髟谖覈陌l(fā)展狀況如下：(1)我國可編程序控制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產(chǎn)到應用，而我國則是從成套設備引進、可編程序控制器引進應用、消化移植、合資生產(chǎn)到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段：①可編程序控制器的初級認識階段（70年代后期到80年代初期）國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內工程技術界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認識始于70年代后期到80年代初期的成套設備引進中，當時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約200多臺可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產(chǎn)線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量控制和小型DDC系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內許多廠家陸續(xù)引進的設備和生產(chǎn)線大都配備了可編程序控制器，其應用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領域。正是在成套設備引進過程中，我們打開了眼界，了解認識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的發(fā)展。②可編程序控制器的引進應用和消化移植階段（80年代初期到90年代初期）80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內市場。許多部門和單位相繼引進可編程序控制器并自己設計組成控制系統(tǒng)，其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業(yè)領域。③可編程序控制器的廣泛發(fā)展階段（90年代初期到現(xiàn)在）進入90年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(2)政府重視可編程序控制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當時機械電子工業(yè)部的領導下，于1991年成立了可編程序控制器行業(yè)協(xié)會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。同時可編程序控制器的標準化工作也受到了有關部門的重視，于1993年成立了可編程序控制器標準化技術委員會，為我國可編程序控制器的進一步發(fā)展打下了基礎。2.4PLC的應用目前，PLC在國外以廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸為以下幾類。開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，即可用于單臺設備的控制，也可用于多臺機群控制及自動化流水線。如：注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍生產(chǎn)線等。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多練習變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量。必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量的控制。3運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊相連位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或同步電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調試是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用的較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。5數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩形運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采取、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，可以完成數(shù)據(jù)的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。7存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為了保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。8經(jīng)濟性的考慮選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時從分考慮，使整個系統(tǒng)有較合理的比較的性能價格比。9PLC接地良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制干擾，PLC一般最好單獨接地，與其他設備分別使用各自的接地裝置，PLC的接電線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于100Ω，接地線的截面應大于2mm。另外，PLC的CPU單元必須接地，若使用了I/O擴展單元等，則CPU單元應與它們具有共同的接地體，而且從任一單元的保護接地端到地的電阻都不能大于100Ω第三章PLC的結構及原理3.1PLC的分類1按plc的結構形式分類：①整體式；②模塊式。2按plc的I/O點數(shù)分類：①小型256點以下；②中型256點以上，2048點以下；③大型2048點以上。3按plc的功能分類：低檔型、中檔型、高檔型。2.2PLC的結構：PLC實質上是專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結構基本上與微型計算機從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種，固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、地板和機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 PLC的基本結構框圖如下：3.2PLC的工作原理PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作?？紤]到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)別了。當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。1輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。3輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。PLC的掃描工作過程如圖2-2、圖2-3所示 用戶用戶輸出設備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設備寫讀讀圖2-2PLC的掃描工作過程圖輸入刷新輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新圖2-3PLC的掃描周期圖3.3PLC匯編語言西門子PLC的幾種編程語言

采用面向控制的過程，面向問題，簡單直觀的PLC編寫，常用的有：梯形圖、語句表功能圖等。

不同的商家的PLC有不同的編程語言，但就某個商家而言，PLC的編程語言也就那么幾種。下面，以西門子PLC的編程語言為例，說明一下，各種編程語言的異同。

1、順序功能圖（SFC－Seauential

Fuction

Chart）這是位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編程順序控制的程序（如：機械手控制程序）。編寫時，工藝過程被劃分為若干個順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動作，從一步到另一步的轉換由轉換條件來控制，特別適合于生產(chǎn)制造過程。2、梯形圖（LAD－LAdder

Diagram）由繼電器控制邏輯演變而來，兩者具有一定程度的相似性，但梯形圖編程語言功能更強更方便。主要特點：①自上而下，從左到右的順序排列，兩列垂直線為母線。沒以邏輯行，起使左母線。②而梯形圖中采用繼電器名稱，但不是真實物理繼電器稱為“軟繼電器”。每個梯級劉貴的是概念電流，從左到右，其兩端母線設有電源。輸入繼電器，用于接入信號，而無線圈，輸入繼電器，通過輸入接通繼電器，晶體及晶閘管才嫩實現(xiàn)。*梯形圖與助記符號的對應關系：助記符指令與梯形圖指令有嚴格的對應關系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)，一般講，其順序為：先輸入，后輸出（含其它處理）；先上，后下；先左后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序。3、語句表（STL－STatement

List）是一種類似于微機匯編語言的一種文本編程語言，由多條語句組成一個程序段。語言表適合于經(jīng)驗豐富的程序員使用，可以實現(xiàn)某些梯形圖不能實現(xiàn)的功能。4、功能塊圖（FBD－Function

Block

Diagram）功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號來表示控制邏輯，一些復雜的功能用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎的編程人員使用。功能塊圖用類似于與門、或門的框圖來表示邏輯運算關系，方框的左側為邏輯運算的輸入變量，右側為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框用“導線”連在一起，信號自左向右。西門子S7-200系列PLC的基本指令4.1邏輯取及輸出線圈指令（LD、LDI、OUT）1指令用法LD：取指令，用于常開觸點與母線連接。LDI：取反指令，用于常閉觸點與母線連接OUT：線圈驅動指令，用于將邏輯運算的結果驅動一個指定線圈。指令用法說明LD、LDI指令用于將觸點接到母線上，操作目標元件為X、Y、M、T、C、S。LD、LDI指令還可以與AND、ORB指令配合，用于分支回路的起點。OUT指令的目標元件為X、Y、M、T、C、S和功能指令線圈。OUT指令可以連續(xù)使用若干次，相當于線圈并聯(lián)。4.2單個觸點串聯(lián)指令（AND、ANI）1指令用法AND：與指令。用于單個觸電的串聯(lián)，完成邏輯“與”運算，助記符號為AND****為觸點地址。ANI：與反指令。用于常閉觸點的串聯(lián)，完成邏輯“與非”運算，助記符號為完ANI****為觸點地址。2指令用法說明①AND、ANI指令均用于單個觸點串聯(lián)，串聯(lián)觸點數(shù)目沒有限制。該指令可重復多次使用。指令目標元件為X、Y、M、T、C、S。②OUT指令后，通過觸點對其他線圈使用OUT指令稱為縱接輸出。③串聯(lián)觸點的數(shù)目和縱接的次數(shù)雖然沒有限制，但用于圖形編程器和打印機功能有限制，因此盡量做到一行不超過10個觸點和一個線圈，連接輸出總共不超過24行。串聯(lián)和并聯(lián)指令是用來描述單個觸點與其他觸點或觸點組組成的電路關系的。指令名稱指令符功能操作數(shù)取LDbit讀入邏輯行或電路塊的第一個常開接點Bit:I,Q,M,SM,T,C,V,S取反LDNbit讀入邏輯行或電路塊的第一個常閉接點與Abit串聯(lián)一個常開接點與非ANbit串聯(lián)一個常閉接點或Obit并聯(lián)一個常開接點或非ONbit并聯(lián)一個常閉接點電路塊與ALD串聯(lián)一個電路塊無電路塊或OLD并聯(lián)一個電路塊輸出=bit輸出邏輯行的運算接果Bit:Q,M,SM,T,C,V,S置位Sbit,N置繼電器狀態(tài)未接通Bit:Q,M,SM,T,C,V,S復位Rbit,N使繼電器復位為斷開表S7-200系列的基本邏輯指令、1類型、編號及辨率TON——接通延時TONR——有記憶接通延時TOF——斷電延時梯形圖LAD語句表功能操作碼操作數(shù)TONTxxxPT使能=1計數(shù)帶設定值實（一直計數(shù)到32757），定時器=1。使能=0復位（定時器=0）。一般用于電一時間間隔的定時TOFTxxxPT使能=1，定時器位=1，計數(shù)器復位（清零）。使能由I到O負跳變，計數(shù)器開始計數(shù)，到設定值時（停止計數(shù)）定時器位=0.TONRTxxxPT使能=1,計時器開始計數(shù)，計數(shù)到設定值時，計數(shù)器位=1。是能斷開，計數(shù)器停止計時，計數(shù)器位仍為1，使能計數(shù)位在為1時，計數(shù)器在原來的技術基礎上計數(shù)。表S7_200系列的定時器指令三種辨率（時基）：1ms、10ms、100ms——分別對應不同的定時器好。定時器的六個要素：①指令格式（時基、編號等）預置值——PT;使能——IN;復位——三種定時器不同；當前值——Txxx；定時器狀態(tài)（位）——可由觸點顯示；定時值=時基X預置值PT。有定時器的計時間隔與程序的掃描周期并不同步定時器可能在其實基（1ms、0ms、00ms）內任何時間啟動，所以，為避免計時器時間丟失，一般要求設置PT預置值必須大于最小需要的時間間隔。例如：使用10ms時基定時器實現(xiàn)140ms延時（時間間隔），則PT應設置為15（10msX15=150ms）第五章西門子PLC的幾種編程語言介紹5.1設計步驟和簡介PLC的工作方式和通用微機不完全一樣，因此用PLC設計自動控制系統(tǒng)與微機的控制系統(tǒng)的開發(fā)過程也不完全一樣。需要根據(jù)PLC的特點，以程序形式來體現(xiàn)其控制功能。設計可按照下圖中幾個步驟進行。1．確定控制對象及控制范圍

詳細了解被控對象的控制要求，確定必須完成的動作及完成的順序，歸納出工作循環(huán)和狀態(tài)流程圖。

2．PLC型號的選定

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對象的復雜程度，進行I/O點數(shù)和I/O點的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計，列出清單。適當進行內存容量的估計，確定適當?shù)牧粲杏嗔慷焕速M資源的機型（小、中、大形機器）。并且結合市場情況，考察PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品及其售后服務、技術支持、網(wǎng)絡通信等綜合情況，選定價格性能比較好的PLC機型。

3．硬件設計

根據(jù)所選用的PLC產(chǎn)品，了解其使用的性能。按隨機提供的資料結合實際需求，同時考慮軟件編程的情況進行外電路的設計，繪制電器控制系統(tǒng)總裝配圖和接線圖。

4．軟件設計

（1）在進行硬件設計的同時可以同時著手軟件的設計工作。軟件設計的主要任務是根據(jù)控制要求將工藝流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用的最關鍵的問題，程序的編寫是軟件設計的具體表現(xiàn)。在程序設計的時候建議將使用的軟繼電器（內部繼電器、定時器、計數(shù)器等）列表，標明用途以便于程序設計、調試和系統(tǒng)運行維護，檢修時候查閱。

（2）程序初次調試也成為模擬調試。將設計好的程序通過程序編輯工具下載到PLC控制單元中。由外接信號源加入測試信號，通過各種狀態(tài)指示燈了解程序運行的情況，觀察輸入/輸出之間的變化關系及邏輯狀態(tài)是否符合設計要求，并及時修改和調整程序，消除缺陷，直到滿足設計的要求為止。5．現(xiàn)場調試

在初調試格的情況下，將PLC與現(xiàn)場設備連接。在正式調試前全面檢查整個PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地線、設備連接線、I/O連線等。在保證整個硬件連接的正確無誤的情況下即可送電。把PLC控制單元的工作方式布置為“RUN”開始運行。反復調試消除可能出現(xiàn)的各種問題。在調試過程中也可以根據(jù)實際需求對硬件作適當修改配合軟件的調試。應保持足夠長的運行時間使問題充分暴露并加以糾正。試運行無問題后可將程序固化在具有長久記憶功能的存儲器中，并做備份（至少應該作2份）。5.2可編程控制器的維護和故障診斷為了保障系統(tǒng)的正常運行，定期對PLC系統(tǒng)進行檢查和維護是必不可少的，而且還必須熟悉一般故障診斷和排除方法。

4.2.1檢查與維護

1.定期檢查

PLC是一種工業(yè)控制設備，盡管在可靠性方面采取了許多措施，但工作環(huán)境對PLC影響還是很大的。所以，通常每個半年時間應對PLC做定期檢查。如果PLC的工作條件不符合表1規(guī)定的標準，就要做一些應急處理，以便使PLC工作在滾規(guī)定的標準環(huán)境。

2.日常維護

PLC除了鋰電池和繼電器輸出觸點外，基本沒有其它易損元器件。由于存放用戶程序的隨機存儲器（RAM），計數(shù)器和具有保持功能的輔助繼電器等均用鋰電池保護，鋰電池的壽命大約5年，當鋰電池的電壓逐漸降低達一定程度時，PLC基本單元上電池電壓跌落指示燈亮。提示用戶注意，有鋰電池所支持的程序還可保留一周左右，必須更換電池，這是日常維護的主要內容。

調換鋰電池步驟：

①在拆裝前，應先讓PLC通電15S以上（這樣可使作為存儲器備用電源的電容器充電，在鋰電池斷開后，該電容可隊PLC做短暫供電，以保護RAM中的信息不丟失）；

②斷開PLC的交流電源；

③打開基本單元的電池蓋板；

④取下舊電池，裝上新電池；

⑤蓋上電池蓋板；

更換電池時間要盡量短，一般不允許超過3min。如果時間過長，RAM中的程序將消失。

第六章十字路口交通燈的設計6.1十字路口交通燈的設計目的一、十字路口交通燈的來源隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通系統(tǒng)控制是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中在重要的組成部分。隨著城市機動車輛的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾經(jīng)有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在結構上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限制利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道和匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門等待解決的主要問題。交通信號燈的出現(xiàn)，是交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力減少交通事故有明顯效果。為了實現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進性、科學化。用可編程控制器實現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設計方法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟。能夠有效地疏導交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結合交通的實際情況闡述了交通控制的控制系統(tǒng)的工作原理，給出了簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設計方案。二、十字路口交通燈的設計目的①學習利用PLC技術來實現(xiàn)十字路口交通燈的控制方法。②在了解和掌握PLC基礎上，通過十字路口交通燈的控制，進一步的提高編程能力和調試能力，特別是掌握一般的程序設計方法。③掌握PLC與外部電器的接線。④建立正確的設計思路，掌握工程設計的一般程序四、控制要求信號扽受啟動及停止按鈕的控制，當按下啟動按鈕是，信號燈系統(tǒng)開始工作，并周而復始的循環(huán)工作，當按下停止按鈕是，系統(tǒng)將停止在初始狀態(tài)，所以信號燈都熄滅。五、控制時序交通燈示意圖如圖1所示，在東西南北三個方向（其中南北方和東西方向右只裝綠燈）分別安裝信號燈，三個方向共二十八個燈，分為紅、黃、綠三種顏色，在在個路口處的兩邊人行道上裝上分別為紅、綠的燈一共八個燈。工作時序如圖2所示，按下啟動按鈕后，假設兩方的繁忙都一樣，南北向左綠燈亮（Y0）維持18s，18s后，南北向左黃燈(Y1)閃爍兩次，計時2s，期間，南北直線行駛紅燈(Y5)亮80s，東西方向的人行道紅燈(X8)亮80s，18s后南北方向直線行駛綠燈(Y3)亮38s，38s后，南北方向直線行駛黃燈(Y4)直線行駛黃燈閃爍兩次，計時2s，期間，東西方向左行駛紅燈(X2)亮100s；東西方直線行駛紅燈(X5)亮80s，80s后東西方向向左行駛綠燈(X0)亮18s，18s后，東西方向左黃燈（X1）閃爍2s，2s后，南北方向的人行道綠燈(Y7)亮40s，同時東西方向直線行駛綠燈(X3)亮38s，38s后，東西方向直線行駛黃燈(X4)閃爍2s，期間東西人行道紅燈(X8)亮80s，接下去周而復始，直到停止按鈕被按下為止。時序圖六、PLC交通燈畢業(yè)論文硬件及外圍元器件根據(jù)交通燈的信號的控制要求，所用的器件有：西門子S7-200系列PLC、啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、綠色交通燈16個、黃色交通燈8個、紅色交通燈12個輸入/輸出的接線如圖2、3所示。由圖可見：對啟動、停止按鈕進行了明確的符號表示，使我們能進一步的看懂圖的意思，I/O分配變能清楚的出現(xiàn)在我們的面前。名稱符號名稱符號啟動按鈕SB1停止按鈕SB2南北方向左行駛綠燈Y0東西方向左行駛綠燈X0南北方向左行駛黃燈Y1東西方向左行駛黃燈X1南北方向左行駛紅燈Y2東西方向左行駛紅燈X2南北方直線行駛綠燈Y3東西方直線行駛綠燈X3南北方直線行駛黃燈Y4東西方直線行駛黃燈X4南北方直線行駛紅燈Y5東西方直線行駛紅燈X5南北方向右行駛綠燈Y6東西方向右行駛綠燈X6南北方向人行道綠燈Y7東西方向人行道綠燈X7南北方向人行道黃燈Y8東西方向人行道紅燈X8十字路口交通燈的標記表十字路口交通燈plc接線圖輸入（I）輸出(Q)SB1I0.0YOQ0.0SB2I0.1Y1Q0.1Y2Q0.2Y3Q0.3Y4Q0.4Y5Q0.5Y6Q0.6Y7Q0.7Y8Q1.0X0Q1.1X1Q1.2X2Q1.3X3Q1.4X4Q1.5X5Q1.6X6Q1.7X7Q2.0X8Q2.1I/O分配分配表6.2PLC的選型從上面的分析可以知道，系統(tǒng)共有開關量輸入點1個，開關量輸出點7個，如果選用CPU222/PLC，也需要擴展單元PLC，參照西門子S7-200系列特性（見附錄），選用主機為CPU224（14輸入/10繼電器輸出）。其外形圖3-4如下：圖3-4CPU224外形圖輸入電路采用了雙向光電耦合器，24VDC極性可任意選擇，1M、2M為輸入端子的公共端。1L、2L為輸出公共端。CPU224另有24V、280mA電源供PLC輸入點使用。6.3十字路口交通燈的梯形圖5結語本系統(tǒng)能根據(jù)車輛檢測器輸入至PLC的信息,自動調整十字路口紅綠燈的時長,對疏導交通流量、提高道路通行能力會有明顯的效果。他交通燈智能控制系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)的優(yōu)點為:(1)智能控制方案更簡單,易于編程;(2)具有交通信號倒計時功能;(3)硬件電路設計更合理,特別是倒計時電路的設計,既滿足了LED數(shù)碼管工作的要求,又最大限度地節(jié)約了PLC的輸出點,有利于降低系統(tǒng)成本。第4章系統(tǒng)檢測與調試4.1檢測與調試大體思路流程如下：1、硬件調試：硬件調試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。硬件調試可分為靜態(tài)調試與動態(tài)調試兩步進行。①靜態(tài)調試靜態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點。第二步：用萬用表測試。先用萬用表復核目測中有疑問的連接點，再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。第三步：加電檢測。給板加電，檢測所有的插座或是器件的電源端是否符合要求的值第四步：是聯(lián)機檢查。因為只有用可編程控制器開發(fā)系統(tǒng)才能完成對用戶系統(tǒng)的調試。②動態(tài)調試動態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。動態(tài)調試的一般方法是由近及遠、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，當調試電路時，與該元件無關的器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。當各塊電路無故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行調試。由分到合的調試既告完成。由近及遠是將信號流經(jīng)的各器件按照距離可編程控制器的邏輯距離進行由近及遠的分層，然后分層調試。調試時，仍采用去掉無關元件的方法，逐層調試下去，就會定位故障元件了。2、軟件調試：軟件調試是通過對擁護程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序后，編輯，查看程序是否有邏輯的錯誤。如果出現(xiàn)故障，應返回編程環(huán)境，檢查梯形圖的錯誤并修改程序再進行調試，如此反復直到調試成功。結論交通信號燈控制系統(tǒng)的設計,我們以前學過，我想這個課題是很容易的。當真正做起來的時候，還是覺得有點困難的，有些東西以前學了，但現(xiàn)在用起來可能又有點疑問。就如畫電氣原理圖吧，整體的構造腦海里都有一個整體的概念。而你要畫出來的話，你可能會遇到細節(jié)上的問題，比如說按鈕開關的方向是怎樣，以及怎么劃分區(qū)域等。遇到這些問題的時候都能讓你主動去翻書，復習這些陌生的知識。我認為這是一種最好的學習方法——通過實踐去檢驗自己的知識。這個只有你自己投入進去你才能發(fā)現(xiàn)自己知識點的欠缺。做為一名機電專業(yè)的學生對電器原理圖的了解更應該有深刻的認識，知道它的重要性。要能看的懂，給你一張電氣原理圖，你要能夠寫出梯形圖。查找資料也是一件繁瑣的事情，雖說網(wǎng)上有資料但要找到一些真正有用的資料也不是一件容易的事，需要耐心查找。在程序設計過程中，我對以前的編程方法做了歸納，之前我習慣用功能流程寫程序，遇到難點的時候習慣翻書，對照例子提取點精華?，F(xiàn)在能靈活運用經(jīng)驗設計法、電氣原理圖設計法、順序控制設計法。特別多順序控制設計有了一定的了解。這里面最經(jīng)典我認為是單序列的編程方法、選擇序列的編程方法和并行序列的編程方法這個三個是很值得研究的，也是一種格式。只要你能熟悉掌握，靈活應用的話，那么編程對你來說將變的非常容易。一個流程圖無論多么復雜，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法編程了。當然對于簡單的流程也可以用順序設計。這種方法也是一種固定的格式，只要按照它的格式就可以寫出正確的程序，它的優(yōu)點可以說易懂，條理清晰。但結構多。對于活動步多的設計我想用這個設計比較煩瑣。更加體會到PLC的可靠性高，抗干擾能力強，.通用性強，控制程序可變，使用方便等優(yōu)點。更加熟悉了西門子編程軟件使用方法與各種基本指令。這次的課程設計使我把可編程控制器的理論知識用在實踐中，實現(xiàn)了理論和實踐相結合，從中更懂得理論是實踐的基礎，實踐又能檢驗理論的正確性，讓我受益非淺，對我以后工作中遇到問題或者繼續(xù)學習將會產(chǎn)生巨大的幫助和影響。致謝當我以學子的身份踏入黔南職業(yè)技術學院的那天起，便已注定我將在這里度過人生中最美麗的青春年華。提筆寫下“致謝”，我才驚覺自己即將真正離開。人生亦從此展開新的畫卷。盡管不舍，卻更珍惜，因為我的生命中友那些多可愛的人值得感謝。他們使我的大學生活充滿了色彩，無論收獲、遺憾，對我來說都是一筆寶貴的財富。三年的大學生活不自不覺中就要結束了，在這段難忘的生活中，有我許多美好的回憶。在這份大學的最后一頁里，首先感謝黨、感謝學院給我們這個能自我展示的平臺，感謝我們的指導老師，你們從一開始的論文方向的選定，到最后的整論文的完成，都非常耐心的對我進行指導。給我修改論文。謝謝我們的班主任，從大一到大二是你的悉心教導、孜孜不倦我們才能順利的玩成學業(yè)。我感謝子啊我兩年半的學習中無私傳授我知識的各位老師，是你們讓我被感教師職業(yè)的偉大，交給我們知識，有不忘教育我們如何做人！在此，我還要敢寫寢室的兄弟們在我完成論文的過程中給與我的幫助和鼓勵，也是他們陪我度過這三年的生活。參考文獻王曙光.S7-200PLC應用基礎與實例.人民郵電出版社,2007嚴盈富.西門子S7-200PLC入門.人民郵電出版社,2007龍志文.SIMATIC子S7-200PLC原理及應用.機械工業(yè)出版社,2007劉永華.電氣控制與PLC，北京航空航天大學出版社,2007羅宇航.流行PLC實用程序及設計（西門子S7-200PLC系列）.西安電子科技大學出版社,2007伊宏業(yè).PLC可編程控制器教程.航空工業(yè)出版社,1997劉洪濤，黃海編.PLC應用開發(fā)從基礎到實踐.電子工業(yè)出版社,2007實驗報告實驗名稱：聲控報警電路設計實驗學生：所屬班級：班內序號：一，摘要近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活節(jié)奏的加快，人們對電子報警器的需求日益增加。電子報警器應用于安全防范，系統(tǒng)故障，交通運輸，醫(yī)療救護等領域，和社會生產(chǎn)密不可分。例如聲控報警系統(tǒng)在生活中處處可見，樓道里的聲控節(jié)能燈，店鋪聯(lián)網(wǎng)報警器等等，其功能簡單，成本較低，因而廣泛應用于各種家用電器和小電子產(chǎn)品中。本課題基于應用需求，結合實驗要求設計電路。報告介紹了簡易的聲控報警器的電路設計和電路的搭建調試。關鍵詞：報警器；CD4011；無源蜂鳴器；LM358二，引言隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，電子設備、電子儀器的出現(xiàn)日新月異，在市場上電子產(chǎn)品的競爭較為激烈。本課程設計利用駐極體式咪頭作為聲傳感器獲得電壓，經(jīng)LM358放大電路兩級放大，然后通過電壓比較器和多諧振蕩器,輸出驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作報警。1，設計要求1，設計任務要求設計一個聲控報警電路，在麥克風附近擊掌（模擬異常響動），電路能發(fā)出報警聲，持續(xù)時間大于5秒。聲音傳感器采用駐極體式咪頭，蜂鳴器用無源式蜂鳴器。2，提高要求1，增加報警燈，使其閃爍報警；2，增加輸出功率，提高報警音量，加強威懾力。2，電路設計1，系統(tǒng)組成框圖2，系統(tǒng)總體設計思路駐極體式咪頭作為聲音傳感器，將擊掌產(chǎn)生的聲音信號轉化為電信號，微弱的電信號經(jīng)過同相放大器放大后便于傳輸和驅動，放大信號進入同相比較器，比較器根據(jù)實驗可以設置合理的比較電壓VREF，當放大信號高于比較電壓VREF時，放大器輸出高電平促發(fā)方波振蕩器開始工作，振蕩產(chǎn)生的方波經(jīng)三極管放大即可驅動無源式蜂鳴器發(fā)出報警聲音。但由于一次拍手產(chǎn)生的電信號只有短暫的脈沖，故還需要在比較器后加入延時電路，減緩脈沖電壓下降的速度來實現(xiàn)延時報警。3，單元電路設計思路聲音采集單元設計原理簡述駐極體話筒由聲電轉換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉換的關鍵元件是駐極體振動膜，當駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。其膜片與金屬極板之間的電容量比較小，因而它的輸出阻抗值高，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內接入一只結型場效應晶體三極管來進行阻抗變換。因為駐極體式麥克風內部結構含場效應管，所以駐極體話筒必須提供直流電壓才能工作。本實驗采用漏極輸出型電路，電路圖如下實際電路參數(shù)麥克風中的場效應管的UDS一般在1.5V~4.5V之間，而IDS一般在0.1mA~1mA之間。若供電電壓VCC在6V~8V時，可知RD約在2.2K~5.1K之間。實驗電路可預取2.8K。C為隔直電容，可采用22uF的電解電容。3，信號放大單元設計原理簡述由駐極體式麥克風轉化產(chǎn)生的電信號是微弱信號，經(jīng)測量在擊掌瞬間麥克風輸出的最大值約為12mV，該信號必須經(jīng)過放大器放大之后與比較器比較。該部分信號的放大由LM358來實現(xiàn)，用LM358構成一級放大約100倍，第二級電壓跟隨的形式。一級電路設計原理如下：第一級采用同相放大電路，輸入信號從直流補償電阻R1輸入到運放的同相輸入端。反饋網(wǎng)絡為R2和R3，構成深度電壓串聯(lián)負反饋放大電路。根據(jù)分析集成運算放大電路的兩個重要特點（“虛短”、“虛斷”）可知：因為U+=U-=Ui（“虛短”，但不是“虛地”），I+=I-=0所以同相輸入運算放大器中，當Rf=0或R1=∞時，Auf=1+（Rf／R1）=1，即輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，這種電路稱為電壓跟隨器。實際電路參數(shù)麥克風的測量中，輸出的電信號約為150mV，故初步設定放大倍數(shù)為100倍，使放大級輸出約為1.5V。放大部分電路參數(shù)如圖2.3.2（a）。再放大之后，緊跟一級電壓跟隨緩沖，電壓跟隨器參數(shù)如圖2.3.2（b）所示。3，電壓比較單元設計原理簡述電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小,并判斷出其中哪一個電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+”端)及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(單電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖2.3.3（a）所示。在時間0～t1時，VA>VB；在t1～t2時，VB>VA；在t2～t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關。如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，此固定不變的VB稱為參考電壓、基準電壓或閾值電壓。在試驗中合理設置參考電壓便可以實現(xiàn)特定的電壓比較。實驗原理圖即如下既此時有如下的電壓輸出關系，當VA>VB時,uo=+Uom為了便于電路組合之后的調試過程，特引入電位器分壓，如圖2.3.3（b）所示，信號從同相端輸入，參考電壓從2.3.4RC延時單元設計原理簡述當有高電平加在電路輸入端時，電容C開始充電，直到電容兩端電壓與充電電壓相等。當充電電壓下降至0時，電容C開始通過電阻R放電，直到電容C儲存的電荷全部釋放。通過這樣快充慢放的過程實現(xiàn)電路電壓下降的延時功能，具體電路圖如下實際電路參數(shù)實驗要求報警時間不低于5s，根據(jù)t=RC初步計算，可取電阻R=100k，電容C=0.01uF。預計報警時長持續(xù)10s左右。2.3.5方波振蕩單元設計原理簡述方波振蕩器由門電路和阻容元件構成，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。由于矩形脈沖含有豐富的諧波分量，因此，常將矩形脈沖產(chǎn)生電路稱作多諧振蕩器。本實驗中采用CD4011實現(xiàn)方波振蕩，電路圖如下。輸入UO一個高電平時，該方波振蕩器主要依靠電整一個周期的波形變化如下。而輸入信號UO是整個振蕩器的開關電平，當UO輸入高于Vth的高電平時，振蕩器正常工作輸出方波；當UO輸入低于Vth的低電平時，門G1始終輸出高電平VOH，電路無法振蕩輸出方波。實際電路參數(shù)該多諧振蕩器的振蕩周期與時間常數(shù)RC、門電路的閥值電壓Vth均有關系，頻率穩(wěn)定性較差。此處做理想近似計算。在T1期間G1輸出高電平VOH，G2輸出低電平VOL，電容C充電。為了便于計算，忽略門的輸出電阻和輸入端電流，則充電常數(shù)為RC。初值，終值為，穩(wěn)態(tài)值，由此可得在T2期間G1輸出低電平VOL，G2輸出高電平VOH，電容C反向充電，VA從Vth+(VOH-VOL)開始下降，到t=t3時VA下降至Vth，初值VA（t1）=Vth+（VOH-VOL），終值為，穩(wěn)態(tài)值VA（t2）=Vth，由此可得綜上，振蕩周期是欲使其驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管，設置元件參數(shù)如下：5，無源式蜂鳴器報警單元設計原理簡述無源蜂鳴器內部沒有自帶的振蕩源，需要由前級輸出的頻率在2K-5K的方波來驅動。試驗中加一晶體管放大再接蜂鳴器增加蜂鳴器的輸入功率，以保證更好的實驗效果。實際電路參數(shù)試驗元件初置參數(shù)如圖，采用NPN管8050和電阻R=2K。3，單元電路的組合設計單元電路在組合的時候還需要考慮各個單元之間的輸入輸出阻抗的平衡。先對各級之間組合的做如下連接說明：1，聲音采集單元與信號放大單元之間連接要注意，LM358構成的放大單元的輸入阻抗理想情況接近于無窮大，放大單元的輸入阻抗作為聲音采集系統(tǒng)的輸出負載，導致聲音采集單元輸出的信號電流過小且和電壓脈沖變化不明顯，這將嚴重影響后級單元對信號的接收和處理。故在電壓放大單元的輸入端與地之間并一個小阻值電阻來減小聲音采集單元的輸出阻抗2，電壓比較單元和延時單元之間要防止電容對前級電路放電，電流回流。故在電壓比較單元和延時單元之間加一個1N4148二極管來實現(xiàn)單向導通，禁止電容對前級電路放電的影響。3，在方波振蕩器和發(fā)光二極管之間需要串接一個2K左右的電阻來降低通過發(fā)光二極管的電流，保護發(fā)光二極管因電流過大而損壞。3，電路仿真1，單元仿真測試信號放大單元工作情況，基本要求實現(xiàn)對小信號放大倍數(shù)100倍。設計符合該單元放大一百倍的基本要求。圖3.1.1（c）2，電壓比較單元仿真電路能夠實現(xiàn)參考電壓的比較，并且在不同的參考電壓之下電壓比較器均能實現(xiàn)無滯回的同相電壓比較功能。3，延時單元仿真延時電路要求實現(xiàn)高電平下降的延時功能，在仿真中即給延時電路輸入一個短暫的高電平，檢測輸出會發(fā)現(xiàn)輸出高電平緩慢下降。若出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)下降緩慢且時間大于5S，則滿足設計要求。在延時電路輸出端可以看到明顯的快速充電和斷開開關后緩慢放電的過程。圖3.1.2（c）4，方波振蕩單元仿真方波振蕩器要求在前級輸入高點電平時，震蕩輸出一個高頻的方波信號，以驅動后級的蜂鳴器發(fā)出報警。5，整體仿真測試模擬麥克風信號的輸入，整體電路對該輸入響應，最后應能檢測出能驅動蜂鳴器的方波信號。4，電路搭建與調試模擬麥克風信號的輸入，整體電路對該輸入響應，最后應能檢測出能驅動蜂鳴圖3.2.24，電路搭建與調試1，信號放大單元搭建與調試信號放大單元采用LM358實現(xiàn)，其芯片封裝管腳圖如圖4.1.1所示，該單元電路圖如圖4.1.2所示，圖中設置R2=1K便于放大倍數(shù)的更改，更改電阻R1即可快速改變該單元的放大倍數(shù)，例如圖示電路圖中R1為100K，則有放大倍數(shù)為100倍，按圖搭建電路如圖4.1.3（a）所示，并設置R1=50k。輸入信號的參數(shù)如圖4.1.3（b）所示，頻率為1KHz，峰峰值為20mV。輸出波形如圖4.1.3（c）所示，頻率為1KHz，峰峰值為1V，即設計和搭建符合要求。最后需要注意，在級連調試時只需要更改R1阻值即可更改該單元的電壓放大倍數(shù)。2，電壓比較單元搭建與調試電壓比較單元依舊是采用LM358來實現(xiàn)。3，方波振蕩單元搭建與調試方波振蕩的主要元件是CD4011,4，整體級聯(lián)調試5，實驗總結與探討1，電阻阻值使用錯誤，最簡單的事情是差錯之后最難檢查的事情，因而保險起見，在第一步時候就先用萬用表確認阻值。2，電解電容方向錯誤，易發(fā)生爆炸。3，芯片管腳接錯，因為管腳較密，故在連接時一定要細心。,6，實驗元件與儀器資料1，駐極體式咪頭構造與原理駐極體話筒由聲電轉換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉換的關鍵元件是駐極體振動膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而它的輸出阻抗值很高(Xc＝1／2~tfc)，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內接入一只結型場效應晶體三極管來進行阻抗變換。場效應管的特點是輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低。普通