自动打铃控制器课程设计报告

学校、机关、工厂、车站、码头、医院、邮电等企事业单位通常都是以电铃作为 作息时间信号 , 铃声已日益成为人们生活中的一部分。铃声作为作息时间信号，最原 始的控制方式就是人工控制。按照作息时间表敲铃，以及后来出现了电铃但没有能实 现自动控制也是由人工按电钮开关来电铃发出铃声都是人工控制方式。随着计算机技 术、自动控制技术和通讯技术的发展，出现了新兴的技术 -电气控制与可编程控制技 术，而计算机向微型方向的一个分支发展，则出现了主要是用于控制领域的单片机。 由于这些新兴的法实现打铃的自动化。目前的自动打铃器，主要包括用单片机控制、 用 PLC 控制、用电脑程序控制、用继电器控制这几种控制方式。

机向微型方向的一个分支发展，则出现了主要是用于控制领域的单片机。由于这 些新兴的控制技术的各种应用芯片的发展，人们用不同的方法实现打铃的自动化。目 前的自动打铃器，主要包括用单片机控制、用 PLC 控制、用电脑程序控制、用继电器 控制这几种控制方式。 1.2 课题设计的目的和意义 本次设计的作息时间控制系统采 用的是可编程控器控制方式。可编程控制器的英文为 ProgrammableController，到

20 世纪 90 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC；加之可编程序的概念所涵盖的 范围太大，所以美国 AB 公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器 (PLC-Programmable Logic Controller)，为了方便，仍简称 PLC 为可编程序控制器。 国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义是：“PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专 为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业 系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”由于 PLC 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，所以 PLC 已广泛应用于钢铁、石油、 化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业, 成为工业自控设备之首。在 PLC 应用方面，我国也很活跃，近年来每年约新投入 10 万台套 PLC 产品，年销售额 30 亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。可以预计 21 世纪可编程控制器将会有更大的发展从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设 计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。从产品 规模上看，会进一步向超小型及超大两个方向发展。从产品的配套性能上看，产品的 品种会更丰富、规格会更齐备。完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种 工来控制场合的需求。从网络的发展状况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机 网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展主向。伴随着计算机网络的发展， 可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发 挥越来越大的作用。PLC 对实现我国工业自动化有重要的意义。虽然用其它三种控制 方式也可以实现作息时间控制的自动化，但是用 PLC 控制方式具可靠性高，抗干扰能 力强的特点，PLC 无故障时间高达 30 万小时，更能适应恶劣的环境。铃声的自动控制 系统摆脱人工打铃、打钟的繁琐，铃声的单调乏味，以及控制时间的长短不便，把人 们从繁烦的操作中解放出来，也最大限度的缓解各企事业单们的资金负担，真正实现 打铃的无人看守。

目前，学校中的作息时间一般是由自动打铃控制器完成的。尽管这种控制器的功能 单一，用单片机或数字电路组成的控制器成本较低，市场上就可买的到自动打铃控制 器一般是用单片机或数字电路组成的。但是用 PLC 同样可以完成自动定时打铃的控 制。在本课程设计中，把它作为一个典型的时序控制任务，完成 PLC 的课程设计实训， 还是很有意义。

本次设计是采用 PLC 来控制数码管的显示和响铃的输出，分，时，星期均采用 7448 进行外部七段译码 。其中时间显示为动态显示，星期显示为静态显示，该系统能根据 作息时间表自动控制电铃，有时间星期显示调节及控制功能，当秒脉冲计数 60 次之后 向分钟进位。当分钟显示数码管显示到 59 之后又向小时进位，而小时则是用了一个计 数器，当计数器计了 24 次之后向星期进位，同理星期显示也是用了一个计数器，7 次 之后使程序全部复位。系统接通电源，通过分钟调节按钮，小时调节按钮，将系统时 间和星期调节为当前时间和星期；然后按下计时开始按钮，系统开始计时；系统时间 和星期通过数码管显示出来。按下启动按钮，系统进入控制状态，将系统当前时间和 星期与作息时间表比较，又输出口端口输出打铃控制信号。上课铃为短音，响 0.5 秒， 停 0.5 秒，共持续 20 秒；下课铃为长音，响 2 秒，停 1秒，共持续 15 秒；起床，早 操等时间的铃声为连续打铃；为了不影响休息周六周日不打铃。

PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分类，通常根据其结构 形式的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类。

（1） 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个 机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC 一般采用这种整体式结构。 整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、与I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连 的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间一般 用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制 单元等，使其功能得以扩展。

（2） 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分，分别做成若干个单独的模 块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在CPU 模块中）以及各种功能模块。 模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块 式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。

还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 其 CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接， 并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

（1）低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能， 还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于 逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术 运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可 增设中断控制、PID 控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档 PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、 位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档 PLC 机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系 统，实现工厂自动化。

（1）小型 PLC——I/O 点数< 256 点；单 CPU、8 位或 16 位处理器、用户存储器 容量 4K 字以下。   

（3）大型 PLC——I/O 点数> 2048 点；多 CPU，16 位、32 位处理器，用户存储 器容量 8～16K。

选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、 可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因 此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和 选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

4N25 为光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成。SCR-100 是双向晶闸管可以 认为是一对反并联连接的普通晶闸管的组成，它有两个主电极 T1 和 T2，以及一个门 极 G。门极使器件在主电极的正反两个方面均可触发导通，因此在 50HZ 的电压下， 由于每 0.01s 内都有一个触发电压，使得有一个主电极触发导通，由于接的是交流， 所以每个主电极总会在下一个半波时由于电压反向而自动关断，但在这个半波内另一 个主电极却因为触发脉冲的到来而导通。所以整个周期中不管是哪个半周期只要有触 发脉冲就会使晶闸管导通。总体电路工作原理当输入端 Y15 为低电平时，4N25 输入 端电流为 0，输出相当于开路。当 Y15 为高电平时，输出电铃回路导通。其电路图见

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显示器可显示数字、字符及系统的状态。它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉， 因此，得到了广泛应用。本次设计要用到 5 个数字作为时间和星期的显示, 不需显示

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此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以 dp 表示），用于显示小数 点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。 LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法：  

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极,使用时公共阴极接地，这样阳极端 输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极 端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。  

七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给 LED 显示器的字 型代码正好一个字节。各代码位的对就关系如下表3-1。

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此次计设采用的共阴极 LED 显示器，其中时间显示为动态显示，星期显示为静态 显示

计算机辅助设计编程是通过专用的 PLC 编程软件，在计算机上进行程序设计，可 以进行在线编程或者离线编程，也可以进行离线仿真或者在线调试。通过专用的 PLC 编程软件，还可以方便地实现程序存取、加密或生成 EXE 类型的应用程序。

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控制程序是本系统的核心部分，任何外部硬件都是在程序的控制下进行运转的。 为了便于分析，下面将分段对程序进行注释该系统软件由计时及时间调节程序，显示 程序，作息时间表程序和控制程序四个结构组成。

根据课程设计任务书的设计要求，我们通过之前一个星期的学习和实验，为这次 设计提供了经验，使我能在规定时间内完成了课程要求，仿真成功并能使自动打铃系 统顺利运行，完成了预期目标。 通过本次课程设计，我学会了程序的设计、分析， 数码管针脚的寻找。在实际的操作过程中遇到了很多棘手的问题，但是在指导老师以 及同学们的共同努力下把问题都一一解决了。 通过本次课程设计，我学会了 PLC 的 基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在理论的运用中， 提高了我的工程素质，在没做课程设计之前，对一些细节不太重视，当我把自己想出 来的程运用到 PLC 上的时候，问题出现了：不是不能运行，就是运行的结果与课程设计的要求不相符合。通过解决一个个在调试过程中出现的问题，我对 PLC 的理解与认 识得到就加强；看到了理论与实践的差距；意识到没有理论的知识的支持，实践是无 从下手的，理论与实践相结合，可以使我的整体素质得到提高。

[1] 王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术（第二版）[M].北京:北京航空航天大学出 版社,2007:34-89.