基于PLC与触摸屏密码的交通信号灯实训论文

桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 1 页 共 25 页编号： 桂林电子科技大学信息科技学院电气控制系统实训论文说明书题 目： 交通信号灯控制 系 别： 机电工程系 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 朱子任 学 号： 1453200122 指导教师： 廖晓梅 职 称： 高级工程师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究2015 年 6 月 20 日独 创 性 声 明桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 2 页 共 25 页本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解桂林电子科技大学信息科技学院关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学院有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学院有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学院有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学院有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。学位论文作者签名： 日期：导 师 签 名： 日期：桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 3 页 共 25 页摘 要自从 1969 年世界上第一台 PLC：PDP-14 诞生起，人类走向智能工业的脚步似乎不可逆转。在经历数十年的飞速发展后，如今的 PLC 已经发展出以三菱，西门子等为代表的一系列高性能 PLC。由于，PLC 一直都是工业智能化的重要支柱， PLC 便成为当代工科生的必修课。本次试训内容为信号灯的模拟设计，要求根据十字路口的红黄绿交通灯的具体要求，设计出一套交通信号灯控制系统，满足日常生活的需要。绿灯要求有闪的动作；数据设定画面必须有密码方可进入，且密码可进行修改；时间设定/显示单位为秒，主画面中须有总剩余时间和每种类型交通灯运行的剩余时间显示，总时间进度条的显示等等。本实训耗时两周，经过仔细调试，实训作品可以达到所有要求，运行稳定。通过实训，本人进一步熟悉了 PLC 的使用方法，并积累了宝贵的经验。关键词：信号灯闪烁；触摸屏密码设置；数码管显示桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 4 页 共 25 页目 录引言11 方案设计11.1 顺序梯形图设计方案11.2 触摸屏设计方案11.3 硬件设计方案12 硬件设计12.1 PLC 可编程逻辑控制器12.1.1 CPU22.1.2 存储器22.1.3 接口22.1.4 编程器22.1.5 电源22.2 外部电路 22.2.1 启动、停止开关电路 22.2.2 信号灯电路32.2.3 数码管显示电路32.2.4 电源电路53 软件设计53.1 总开关53.2 密码设置保存53.3 信号灯信号控制63.4 信号灯信号输出73.5 数码管数据输出73.6 清零94 触摸屏模拟104.1 主界面104.2 密码设置界面104.3 参数设置界面135 总结14辞谢15附录16桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 1 页 共 25 页引言随着 PLC 系统的高速发展，现代工业制造逐渐向智能化发展。掌握 PLC 也就成为现代工科生的一项必备技能。通过对三菱 PLC 进行实训设计，我们可以更好的了解 PLC的基本原理与设计开发过程，从而，进一步了解 PLC 项目的制作流程与方法。本次试训作品主要由程序、触摸屏和硬件三个部分组成，分别用 GX developer 8.62、GT designer3、Altium Designer 三款软件设计。下面就从这三方面进行论述。1.方案设计本实训具体设计思路如下：利用按钮开关控制系统开启；PLC 根据程序逐一输出相应信号，驱动彩色 LED 进行交通信号演示、数码管倒计时显示；并可利用触摸屏输入原密码并与 PLC 内部存储的原密码比较，从而通过安全认证，进行密码与参数的修改。1.1 顺序梯形图设计方案利用 GX Developer 8.62 软件编辑 PLC，使其在收到启动信号后依据参数，求得信号跳转节点位置，并利用 T0 计时器，配合 CMP 功能语句控制相应输出端在指定节点做出相应反映，并通过增设其他计时器，获得倒数计时，并用 MOV 指令或 SEGD 指令将数值传输给数码管输出电路。实现各方向信号灯有序输出，数码管清晰正确显示。并可以搭配触摸屏实现安全认证，参数密码修改。1.2 触摸屏设计方案通过 DT designer3 软件，我们设计出的触摸屏应准确对应梯形图，可利用触摸屏上模拟的相关按钮、指示灯等设备模拟各方向信号灯信号的跳转，并新建两个窗口实现安全认证、时间参数与密码的设置。1.3 硬件设计方案本次实训的硬件并非像往常一样直接由 Altium Designer 设计出 PCB 电路图然后进行焊接。本次试训使用的是万用板，故，只需设计出原理图，然后焊接就可以了。硬件需要实现的功能主要包括，利用按钮实现启动、停止的输入；通过彩色 LED 模拟信号灯的跳转；根据 PLC 输出的 BCD 代码实现数码管数值的递减显示。2.硬件设计：本实训作品硬件的功能是这样实现的：首先利用按钮启动 PLC，PLC 驱动相应寄存器、时间继电器，在相应时间驱动输出端进行相应输出；驱动代表信号灯的六个彩色LED 和指示牌的数码管显示。2.1 PLC 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器实在继电器控制和计算机控制基础上开发出来的，并通过微型处理器，集成了自动控制、计算机、网络通信等技术的自动工业控制装置。其与机器人、CAD/CAM 一起构成了工业自动化三大技术支柱。本次实训所采用的 FX2N 系列 PLC 是由三菱公司推出的高性能小型 PLC。拥有计算速度快、存储容量大、I/O 控制口可控制性强、内部功能多样等特点。三菱 FN2X 系列 PLC 如图 2.1 所示桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 2 页 共 25 页图 2-1 三菱 FX2N 系列 PLC2.1.1 CPUCPU 由控制器、计算器和寄存器集成与一块芯片中，并通过数据总线、地址总线、控制总线等控制存储器、输入输出接口、编程器，从而，按照 PLC 内系统程序赋予的功能，指挥 PLC 完成相应的工作任务。2.1.2 存储器PLC 内部的存储器包括了系统程序存储器、用户程序存储器、数据存储器三种。系统程序存储器决定了 PLC 的基本功能，大多由生产厂家编写，主要有系统管理程序、用户指令解释程序、功能程序与系统程序调用等部分。用户程序存储器用于存放用户载入的 PLC 应用程序，其存放在可以随机读写操作的随机存取存储器 RAM 内以方便用户修改与调试。数据存储器是 PLC 运行过程中，存储需生成或调用中间结果数据和组态数据而开辟的，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需长期保存，所以用存储器 RAM 存储。2.1.3 接口输入输出接口是 PLC 与工业现场控制或检测元件和执行原件连接的接口电路。PLC的输入口有直流输入、交流输入、等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出、和继电器输出等类型2.1.4 编程器编程器的作用是将用户编写的程序下载至 PLC 用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示 PLC 状态、内部器件及系统参数等。2.1.5 电源PLC 的电源的作用是将外部输出的交流电转化为可使用的直流电。PLC 大都采用工作稳定、抗干扰能力强的开关稳压电源。同时很多 PLC 也可以向外提供 24V 的稳压电源。2.2 外部电路桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 3 页 共 25 页2.2.1 启动、停止电路此电路由两个轻触开关、排针组成。排针用于连接 PLC 的输入端，控制 PLC 的启动和停止。在此实训中，排针接开关的两端分别接 X1X2 端口，接两按钮公共端的接在输入端的 COM 端。启动、停止电路如图 2-2 所示。图 2-2 启动、停止电路2.2.2 信号灯电路信号灯电路由输入端、电阻、彩色 LED 组成。LED 共阴连接，并分别串联 300 欧姆的电阻用于限流。LED 分为红绿黄三色，每种颜色各两个，分别连接着 Y0 至 Y5 的六个输出端，用来演示南北、东西方向的信号灯。信号灯电路如图 2-3 所示。图2-3 信号灯电路2.2.3 数码管显示电路数码管电路与信号灯电路相近。数码管按照要求需要按照信号灯信号显示相应数桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 4 页 共 25 页值，在本次实训中，我将其作为各个方向红灯的数值显示端。数码管电路我先后有两套方案。第一套是通过 PLC 发送对应信号给译码器 4511，再由译码器 4511 驱动数码管。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码- 七段码译码器。具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴 LED 数码管。这种方法比较节省输出端口，接线也略微简单一些。但是译码器 CD4511 是一个大问题。由于未知原因，实训过程中译码器 CD4511 无法正常工作。故我在随后的尝试中，放弃了这一方案。使用译码器的电路原理图，如图 2-4 所示。图 2-4 带译码器的数码管显示电路第二套方案是利用 PLC 内部的程序，直接控制数码管输出 BCD 代码控制数码管显示。这种方法每个数码管要使用至少 8 个 PLC 的输出端，对 PLC 输出端消耗严重。但是由于，此次实训规模不大，控制两个数码管还是足够的。故在实训后期被采纳。直接使用 PLC 驱动数码管的数码管显示电路如图 2-5 所示。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 5 页 共 25 页图 2-5 直接使用 PLC 驱动数码管的数码管显示电路2.2.4 电源模块由于，PLC 的输出端仅作为开关，并不输出电平。所以，我们需要用外接电源连接PLC 的 COM 端口来驱动外部电路。本实训中，我用 USB 2.0 母头作为电源输出端，用连接线输入电源，从而驱动外部电路。电源模块如图 2-6 所示。图 2-6 电源模块3.软件设计3.1. 总开关由常开点 x0，常闭点 X1，以及寄存器 M0 共同构成了一个起保停电路。从而，利用 m0，构成了下列所有程序的总开关。总开关梯形图如图 3-1 显示。图 3-1 总开关梯形图3.2 密码设置保存下列语句的作用是：在触摸屏中实现参数的设置，并为参数设置修改密码。具体方式在下面介绍触摸屏时会系统介绍，这里先介绍程序意义。程序运行后，CPU 便对比 D10、D20 的值、当 D10=D20 时，M60 被按下后，D40 便被赋予 D20。随后，利用 D12（默认值为 0） ，将 D10、D40 清零。后半部分同理。密码设置保存梯形图如图 3-2 所示。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 6 页 共 25 页图 3-2 密码设置保存梯形图3.3 信号灯信号控制这一部分的作用是将刚刚获得的参数 D20，变成信号灯信号变化的时间节点，并在相应节点进行特定的寄存器输出。在修改参数后，D2 便被赋值，在程序中，D2 代表的是南北绿灯变为黄灯的节点。随后，分别利用 SUB（减法）指令，ADD（加法）指令，分别得到 D1（南北绿灯进入闪烁阶段的节点） 、D3（南北黄灯变为红灯、东西红灯变为绿灯的节点） 、D4（东西绿灯进入闪烁阶段的节点） 、D5（东西绿灯结束，黄灯启动的节点） 、D0（东西黄灯、南北红灯结