PLC控制的自动花样音乐喷泉系统设计毕业设计论文.doc

i 毕业设计( 论文) 题 目：plc 控制的自动花样音乐喷泉系统 学生姓名： 学 号： 班 级： 指导教师： 完成日期： 2011-10-8 摘 要 自动喷泉采用了可编程控制器 plc 和变频器，用软件实现 对自动喷泉运行的控制，可靠性大大提高。控制系统结构简单， 外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故 障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。用西 门子 s7200 方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便。而 变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功 率因素和节电效果，可以控制喷泉水位的高度，广泛的适用范 围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调速方式。 因此，可编程控制器 plc 技术加变频器调速技术已成为现代喷 泉行业的一个热点。 随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷 泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中 的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。 根据目前音乐喷泉的发展现状，完成了小型音乐喷泉系统 硬件结构设计和控制系统设计。控制系统的原理是利用 8051 单 片机汇编音乐程序或者通过 a/d 对音频信号进行采样和处理， 分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法，也可以 采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花型。音频信号还 影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化,从而使灯光色彩、灯光的 闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。现代都市人久居闹市， 对 紫陌红尘中的千层蛛网万般世态颇多迷惑， 在繁杂的事务中不 知浓缩兜裹着多少奔波而且疲管的思绪。如果你确定自己正在 16 岁到 55 岁这个年龄段， 那我猜你的生活中或多或少都该有 些压力。在心中任它们堆积和增长可绝对不是个明智的选择， 于是， 便希冀一种闲情逸致， 向往一种宁静生活。而宁静的 心境，远非旅游所能满足， 唯有音乐， 才能让现代人放松自 我， 感觉宁静。当然，压力的来源也有很多种，但是忙碌的人 群还是在身边感受比较好，因此音乐喷泉是现代很有必要的热 点。 关键词：可编程控制器;变频器;控制;自动喷泉；音乐控制； 8051 单片机；a/d 转换；音乐喷泉； iv 目 录 目 录 4 1 引言 .6 1.1 论文研究的背景 .6 1.2 论文设计的内容 7 1.3 论文设计的目的和意义 8 2 系统控制方案的确定 .9 2.1 花式喷泉的概述 .9 2.2 采用 plc 控制花式喷泉的优点 10 2.3 系统设计的基本步骤 10 2.5 花式喷泉控制系统的原理图 12 3 系统硬件设计 12 3.1 可编程控制器(plc)的选型 .12 3.1.1 plc 概述 .12 3.1.2 plc 的选型 13 3.2 变频器的选型 15 3.3 水泵的选型 16 3.4 硬件接线图 .16 3.5 i/o 分配表 .17 3.6 音乐原理 .18 3.6.1 音乐控制模块 19 3.6 2 中央控制模块 .20 4 系统软件设计 23 4.1 plc 梯形图概述 23 4.2 step 7-microwin 32 软件的使用 .24 4.3 s7200_simulation仿真软件的使用 28 4.4 系统工作过程分析 .31 4.5 控制系统程序设计 .31 4.5.1 花式喷泉的第一种花样 31 4.5.2 花式喷泉的第二种花样 34 4.5.3 花式喷泉的第三种花样 36 4.6 音乐软件管理 .39 4.6.1 整体音乐模块 .39 4.6.2 音乐控制设计 40 4.6.3 定时时间的产生及工作方式的选择 42 总结 45 致谢 46 1 第 1 章 引言 1.1 论文研究的背景 随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可 见。比如广场，大厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，在炎 热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于 水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。 花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这 与花式喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设 计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视 觉享受。 1969 年美国数字设备公司( dec)研制出世界上第一台可编 程控制器，并成功地应用在美国( gm)的生产线上。但当时只能 进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称 plc (programmable logic controller)。 70 年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展使 plc 从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正 成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简 称 pc (programmable contruller) .但由于 pc 容易与个人计 算机(programmable computer)相混淆，故人们仍习惯地用 plc 作为可编程器的缩写。 引言 1985 年国际电工委员会(iec)对 plc 的定义如下。 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在 工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的 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，并通过数字或模拟式的输入和 输出，控制各种类型机械的生产过程。 plc 是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、 顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种 作用：(l)逻辑运算(2)弱电控制强电。 plc 是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一 种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱 (plc、robot、cad/cam)的首位。可编程控制器，简称 plc。它 在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控 制设备。 具有: 可靠性高、抗干扰能力强。 1 设计、安装容易，维护工作量少。 2 功能强、通用性好。 3 开发周期短，成功率高。 4 体积小，重量轻、功耗低等特点。 5 具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、 重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已 成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统 相比系统更加可靠；价格上能与继电接触器控制系统竞争： 易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电 磁阀、接触器与于之相当的执行机构：能向中央执行机构：能 向中央数据处理系统直接传输数据等。 因此，进行花式喷泉的 plc 控制系统的设计，可以推动喷泉 行业的发展，扩大 plc 在自动控制领域的应用，具有一定的经 济和理论研究的价值。 再者起初的音乐喷泉控制系统就是利用音乐的主要音素(频 率、振幅、音色和节拍)控制喷水的花型组合变化、水柱高低、 远近变化和灯光色彩组合，其原理是将声音信号转变为电信号， 经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，再去控制设 在水路上的电磁阀的启闭，从而达到控制喷头水路的通断。 音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，利用喷泉来表现音乐 的美感，令人赏心悦目。目前，有许多采用各式各样的控制系 统来实现的音乐喷泉， 取得了良好的效果。但纵观这些音控产 品，有的利用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几 个频段来控制喷泉的花型， 且多采用低频、中频和高频三个频 段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐，因此不能 很好地体现音乐的内涵。 本项目针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的 变化，本设计将通过对音乐音频信号的实时采样，再通过变频 器对潜水泵进行变频调速，利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转 引言 来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐 的频谱。 1.2 论文设计的内容 本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究 和论证。 (1)花式喷泉类型的选择。综合花式喷泉的类别和各类的特 点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择： 能够控制每环喷水管喷水的高度：喷水时要有灯光显示；可以 根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。将各种水型 及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过 计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变 化。 (2)花式喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式喷泉要求 运行迅速准确度高，在花式喷泉的各层检测系统中用用存工业 自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好 的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给 plc 来实现控 制。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑 了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。 (3)花式喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前 运用最多的 plc 编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的 设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用 swopc- fxgp/win-c 编程软件，此软件支持全部的西门子 s7200 系列 的 plc 编程，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障 的原因，从而大大缩短了维修时间。 1.3 论文设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自 动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已进入个崭 新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和 人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做 事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气 温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击,能产生大量的负氧离子， 有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。 可编程序控制器(plc)因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、 简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最为广泛的通 用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式 喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单， 具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速 度。通过 plc 对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了 喷泉的样式。 6 第 2 章 系统控制方案的确定 2.1 花式喷泉的概述 喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出 来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。 现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及 水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈，可分为 以下 7 种。 (1)普通喷泉：只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源 的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。 (2)程控喷泉：将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组 合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号， 使水型及灯光有各种各样的变化。 (3)音乐喷泉：程序控制喷泉基础上加入了音乐控制系统， 计算机通过对音频及 midi 信号的识别，进行译码和编码，最终 将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保 持同步。 (4)水幕激光喷泉：将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷 出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多 样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的 奇异效果。 (5)水珍珠喷泉：利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和 全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。 (6)游戏喷泉：又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生 反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强 了娱乐氛围。 (7)跳跳喷泉：又名光亮泉。是一种高科技水景艺术，水形 似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。 2.2 采用 plc 控制花式喷泉的优点 (1)控制方式上看:plc 软接线，只需改变控制程序就可轻 易改变逻辑或增加功能。 (2)工作方式上看:plc 串行工作，不受制约。 (3)控制速度上看：plc 通过半导体来控制，速度很快，无 触点，顾而无抖动一说。 (4)定时、记数看：plc 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定 时范围宽：有记数功能。 (5)可靠、维护看：plc 无触点，寿命长，且有自我诊断功 能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。 2.3 系统设计的基本步骤 在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点。 (1)深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。 (2)确定 i/o 设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确 系统控制方案的设定 定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择 开关等，常用的输出设备有指示灯等。 (3)根据 i/o 点数选择合适的 plc 类型。 (4)分配 i/o 点，分配 plc 的输入输出点，编制出输入输出 分配表或者输入输出端子的接线图。 (5)设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出 周密完整的梯形图程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工 作。 (6)将程序输入 plc 进行软件测试，查找错误，使系统程序 更加完善。 2.4 系统控制方案 花式喷泉系统的控制要求如下。 (1)1、2 均为外环形状的喷水管，3 为内环形状的喷水管， 4 为星形喷水管。灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支 路（在 l，2 之间） 、黄色灯支路（在 2，3 之间） 、红色灯支路 （在 3，4 之间） 。 (2)该喷泉共有三种花样可供选择。按下启动按钮，喷泉即 开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。喷泉的工作方式（即 喷水花样）由选择开关来实现。 (3)该花式喷泉有三种喷水花样可供选择。 第一种花样，4、3、2、1 隔 2 秒依次喷水，一起喷水 1 5 秒后停下，在按 1、2、3、4 的次序隔 2 秒依次喷水，再一起喷 15 秒后停下，以此规律循环。 第二种花样，l、3 同时喷水，延时 3 秒后 1、3 停喷，同 时 2、4 喷水，交替运行 5 次后 1、2、3、4 一起喷水，30 秒后 停止，以此规律循环。 第三种花样，1、2、3、4 按顺序延时 2 秒喷水，然后一起 喷 30 秒后 1、2、3、4 再分别延时 2 秒停喷，以此规律循环。 (4)通过变频器可以控制每环喷水管的高度。在第一种花样 中，1、3 管为慢速正转喷水，2、4 管为中速正转喷水。 (5)灯光系统的控制：由 plc 的 x5 输入端为灯光系统控制 的选择按钮，当需要灯光配合时，接通 x5 输入端。此时可实现 三路灯光的控制，即 3，4 任意一层喷水时，红色灯亮；2 喷水 时，黄色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。 花式喷泉池示意图如图 2-1 所示。 系统控制方案的设定 1234 图 2-1 花式喷泉池示意图 2.5 花式喷泉控制系统的原理图 在喷泉中，通过按钮开关信号来控制 plc:因为有 4 层喷水， 因此用了 1 个变额器来控制 4 个水泵。 花式喷泉控制系统的原理图如图 2-2 所示。 按钮 开关信号 plc 电源 变频器 水泵 图 2-2 花式喷泉控制系统原理图 2.6 音乐控制原理 2.61 乐曲播放 音乐喷泉所播放的乐曲可以从电脑播放器播放，通过功率 放大器，将所选歌曲分为两路输出，一路输出到音箱设备，另 一路输出到 a/d 转换模块对音频信号进行采样。当操作员在乐 曲数据库中确定了演示乐曲后，随后启动该驱动器，正确地播 放选定的乐曲。 2.62 水型与乐曲同步控制 当乐曲开始播放，水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下 一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。 此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉延时，使水型与乐曲 达到同步的效果。 2.63 水型的程序演示 喷泉潜水泵电动机是受控制器内部的程序控制，每一首乐曲 系统控制方案的设定 可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对 应输出。 2.64 彩色灯光的程序演示 与水型的演示程序类似，彩色灯光也由控制器系统程序控 制。通过利用喷泉水泵的控制程序，将灯光控制也采用其同样 的方法，随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也会变化、动作。 2.65 水型的节奏随动控制 对于不同的音乐，其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同 步的，表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆 变化也是由 a/d 对其音频信号采集转换后通过对应的程序所表 现出的。通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制，以达到 对不同音乐信号的不同观赏感。 系统硬件设计 13 第 3 章 系统硬件设计 3.1 可编程控制器(plc)的选型 3.1.1 plc 概述 可编程控制器，英文称 programmablc controllcr，简称 plc，木课题中用 plc 作为它的简称。plc 是用于工业现场的电 控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过 运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的 输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的 物理过程去实现对负载的控制。 plc 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计 算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的 物理过程一般不考虑的。而 plc 则要考虑信息入出的可靠性、 实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环 境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及 可靠的物理实现，可以说是 plc 实现控制的两个基本要点。plc 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继 电控制装置多的多、强的多。 plc 有丰富的指令系统，有各种各样的 i/o 接口、通信接 口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下 基本的功能。 系统硬件的设计 逻辑处理功能； 1 数据运算功能； 2 准确定时功能： 3 高速计数功能； 4 中断处理（可以实现各种内外中断）功能； 5 程序与数据存储功能； 6 联网通信功能； 7 自检测、白诊断功能； 8 可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，plc 几乎也都 可以做到。 像 plc 这样。有很丰富的功能，是别的电控器所没有的， 更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为 plc 的 广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息 化及智能化创造了条件。 3.1.2 plc 的选型 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就 是 plc 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型 的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析。工 艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和 动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容 量、确定 plc 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能 价格比的 plc 和设计相应的控制系统。 (1)输入输出(i/o)点数的估算。 i/o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入 输出点数，再增加 1o%20%的可扩展。余量后，作为输入输出 点数估算数据。 (2)存储器容量的估算。 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元 大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大 小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用 程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程 序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算， 通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中 给出了不司公式，大体上都是按数字量 i/o 点数的 1015 倍， 加上模拟 i/o 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为 一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课题的 plc 内 存容量选择应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过 程中有足够的空间。 (3)控制功能的选择。 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、 诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计控制的需要，主要介绍以下几种功能的 选择。 系统硬件的设计 控制功能 1 plc 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单 回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智 能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 plc 的处理速度和 节省存储器容量。 编程功能 2 离线编程方式：plc 和编程器公用一个 cpu，编程器在编程 模式时，cpu 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。 完成编程后，编程器切换到运行模式，cpu 对现场设备进行控 制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和 调试不方便。在线编程方式：cpu 和编程器有各自的 cpu，主机 cpu 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交 换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周 期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系 统调试和操作方便，在大中型 plc 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图(sfc)、梯形图(ld)、功 能模块图(fbd)三种图形化语言和语句表(il)、结构文本(st)两 种文本语言；选用的编程语言应遵守其标准(iec6113123)，同 时，还应支持多种语言编程形式，如 c，basic 等，以满足特殊 控制场合的控制要求。 诊断功能 3 plc 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬 件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊 断。通过软件对 plc 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通 过软件对 plc 的 cpu 与外部输入输出等部件信息交换功能进行 诊断是外诊断。 plc 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术 能力的要求，并影响平均维修时间。 (4)机型的选择。 通过对输入输出点的选择、对存储容量的选择、对 i/o 响 应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。 西门子 s7 系列 plc 体积小、速度快、标准化，具有网络通 信能力、功能更强、可靠性更高等特点。该控制系统选用西门 子 s7200 系列 plc，它是超小型化的 plc，它适用于各行个业， 各种场合中的自动检测、监测及控制等。s7200 plc 的强大 功能使其无论单击运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 s7200 plc 可提供 4 种不同基本型号的 8 种 cpu。 3.2 变频器的选型 我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。 我选用的是 fr-s520 (s)e 系列变频调速器。 3.3 水泵的选型 由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出 功率必须能够精确的进行控制。我选用品牌为 deshb(德士比) 系统硬件的设计 的 qypi00-4.5-2.2 喷泉泵。具有以下优点：结构紧凑：无需引 水、使用简便：双端密封、电器保护；设计合理、性能优良： 经久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为 f 级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶 轮具有防松装置，不怕反转。其实物图见其 3-1 所示。 图 3-1 qyp 喷泉泵的实物图 3.4 硬件接线图 plc 的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开 敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端 接地。电源部分包括 plc 工作电源 ac220v，其他输入/输出电 源电压均为 dc24v。 plc 的外部硬件连接图见附录 a。 在整个 plc 外部硬件连接图中，包括数字量、模拟量的输入 接线和数字量输出接线三个部分： 1、数字量输入 数字量输入点有两个分别为 i0.0 和 i0.1，其中 i0.0 为启 动按钮，当按下 i0.0 时，plc 进入程序运行状态，并对程序进 行循环扫描；i0.1 为停止按钮，当按下 i0.1 时，系统会停止 所有程序的扫描，并能控制到此时无输出，而且同时将所有置 位信号复位。 另外，当外部水泵电源线路中过载热继电器保护装置 fr 出 现动作时，也同样可以将 plc 系统所有工作立即停止。 2、模拟量输入 模拟量输入通过 plc 的扩展插口直接利用数据线连接，不需 要另外占用端子排上的端口。因为音频信号的直接来源于 cd、vcd、dvd 等设备，而不是通过功放将音频信号功率大后再 输入转换模块的，所以，当音频信号以电流 020ma 的形式时， 可直接接入模拟量转换模块 em231，通过编制程序可直接从模 拟量转换 em231 中的变量寄存器中读取数据。 3、数字量输出 数字量输出包括：变频器和潜水灯两部分。由于采用的是西 门子 s7-200 系列 cpu226 型的 plc，根据输出点数可知，需加 数字量扩展模块 em222。图中所示输出 q0.0q1.7 分别分成 8 个一组接至相应的 4 组变频器控制端子，其中 stf 为启动变频 器正转端，高速 rh 端、中速 rm 端以及低速 rl 端为组合调速端， 通过三个端子可组合成为 7 速调节，从而使得潜水泵的速度变 系统硬件的设计 化也会相应的跟着有所改变。 另外，数字量输出扩展模块 em222 的 q2.0q2.7 所接为固态 继电器，通过控制固态继电器的通断，将改变 7 组灯光的变化 组合，其中 q2.7 输出控制主电路电源通断。 系统的硬件连接图即 plc 和系统中各个硬件的连线。具体 的如图 3-2，3-3 所示。qsl231上 保 护 开 关下 保 护 开 关 km停 止 按 钮启 动 按 钮选 择 开 关 1的 位 置选 择 开 关 2的 位 置选 择 开 关 3的 位 置灯 控 按 钮 dc12v电 源 指 示控 制 管 喷 水控 制 2管 喷 水控 制 3管 喷 水控 制 4管 喷 水红 色 灯黄 色 灯绿 色 灯 l123uvwrmlstfdnl32com+d4v0y23comy56710y2com4x1xv变频器pfn-3r 图 3-2 硬件接线图 mfr1km12qsfr2km34qsmfr3km56qs4fr4km78qs5qs1l23phuvw变 频 器qsl23 图 3-3 变频器和水泵的接线图 3.5 i/o 分配表及估算 序号 输出 说明 1 y0 电源指示 2 y1 控制 1 管喷水 3 y2 控制 2 管喷水 4 y3 控制 3 管喷水 5 y4 控制 4 管喷水 6 y5 红色灯 7 y6 黄色灯 8 y7 绿色灯 系统硬件的设计 9 y8 中速 10 y9 慢速 11 y10 正转 表 3-4 i/o 分配点输出说明 序号 输入 说明 1 x0 停止按钮 2 x1 启动按钮 3 x2 选择开关 1 的位置 4 x3 选择开关 2 的位置 5 x4 选择开关 3 的位置 6 x5 灯控按钮 表 3-5 i/o 分配点输入说明 3.6 控制系统 i/o 口的估算 本设计是音乐喷泉 plc 控制系统的设计,根据 plc 的 i/o 节点 使用原则,应留出一定的 i/o 点以做扩展时使用。在对系统的控 制要求进行分析后，可以大概确定系统的输入输出点数。 3.61 系统数字量输入所需点数估算 本系统是根据音乐的旋律、音频信号的大小来控制喷泉水 柱高低的，所以其数字量输入只需要满足系统启动、停止两个 功能。如表 3.1 所示 项目名称 输入点数 备 注 总点数 启动按钮 1 喷泉控制 系统启动 停止按钮 1 喷泉控制 系统停止 输入点数： 2 表 3-6.1 系统数字量输入所需各元器件功能及所占 plc 点 数 3.62 系统模拟量输入所需点数估算 为了将音频信号转化成 plc 能识别的数字量信号，这里需 采用一个模拟量/数字量转换模块，所以模拟量输入点为 1 个。 如表 3.2 所示 项目名称 模拟量输入点数 备 注 总点数 音频信号 变送模块 1 音频信号 大小 输入点数： 1 表 3-6.2 系统模拟量输入所需各元器件功能及所占 plc 点 数 3.63 系统数字量输出所需点数估算 系统数字量输出分为控制变频器开关量、控制灯光开关量 两个部分，其中变频器有启动和调速两种控制量。如表 3.3 所 示 项目名称 输入点数 备 注 总点数 启动变频 器开关量 5 控制变频 器运行 变频器速 度开关量 12 选择变频 器频率 输出总点 数：24 系统硬件的设计 水下等光 控制输出 7 水下灯光 的控制 表 3-6.3 系统数字量输出所需各元器件功能及所占 plc 点数 3.7 音乐原理 音乐喷泉控制系统以 at89s52 单片机为核心，通过 i/o 口 实现直流电机的转动，彩灯的闪烁以及液晶屏的显示和音乐的 播放，其系统原理框图如图 3-1 所示： 图 3-7 音乐喷泉控制框图 主要用到的器件有：at89s52 单片机、lcd1602 液晶显示屏、 直流电机、l298n 芯片、蜂鸣器、调微器、9012 三极管、12m 晶振、二极管、各类阻值的电阻和电容等。 51 单片机 彩灯 l298n 芯片 直流电机 电源 lcd1602 蜂鸣器 3.7.1 音乐控制模块 音乐听起来有的高，有的低，这就叫高音。高音是有发音 物体振动频率的高低决定的，频率高的就高，频率低的就低。 不同高音的音乐是用 c、d、e、f、a、g 来表示的，这 7 个 字母就是音乐的音名，他们一般一次唱成 do、re、mi、fa、so、la、si,即唱成简谱的 1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉稀”的读音， 这个就是唱曲时音乐的发音，所以叫唱名。把 c、d、e、f、g、a、b 这一组音的距离分成 12 等分，每一个等 分的距离分成 12 等分，每一个等份叫做一个“半音” 。两个音 之间的距离有两个“半音”的，就叫做“全音” 。 音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。休止符表示 暂停发音。 一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着 不同的频率，这样就可以利用不同频率的组合，加以与拍数对 应的延时，构成音乐。 了解音乐的一些基本知识后可知道，产生不同频率的音频 脉冲即能产生音乐。对于单片机而言，产生不同频率的脉冲非 常方便，可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号。 因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定 时计数的关系。 简易的音乐发生器看可以由单片机、三极管以及蜂鸣器构成， 三极管起到驱动的作用,电路原理图如图 3-2 所示: 51 单片机 电阻 三极管 蜂鸣器 图 3-7.1 简易的音乐发生器 系统硬件的设计 3.72 中央控制模块 中央监控部分的核心是单片机（at89s52）系统，该系统也 是音乐喷泉控制器的核心。at89s52 是一种带 4k 字节闪烁可编 程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处 理器，俗称单片机。该器件与工业标准的 mcs-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个 芯片中，atmel 的 at89s52 是一种高效微控制器，为很多嵌入 式控制系统提供了一种灵活性好且廉价的方案。at89s52 具有 以下标准功能：8k 字节 flash,256 字节 ram，32 位 i/o 口线， 看门狗定时器，2 个数据指针，3 个 16 位定时器/计数器，1 个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外 at98s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持两种软件可选择 节电模式。在空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被 保存，振荡器被冻结，单片机一切工作被停止，直到下一个中 断或者硬件复位为止。 主要特性： 与 mcs-51 兼容； 4k 字节可编程闪烁存储器； 寿命：1000 写/擦循环； 数据保留时间：10 年； 全静态工作：0hz-24hz； 三级程序存储器锁定； 128*8 位内部 ram； 32 可编程 i/o 线； at89s52 两个 16 位定时器/计数器； 5 个中断源； 可编程串行通道； 低功耗的闲置和掉电模式； 片内振荡器和时钟电路。 表 3-7.2 单片机（at89s52）说明 管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏极开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输 入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口， p1 口缓冲器能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被 内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外部下拉为低电平时，将 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时， p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时， 其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时， 它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写 时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和 校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可 系统硬件的设计 接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部 上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电 平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89s52 的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个 机器周期的高电平时间。 图 3-7.3 复位电路 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电 平用于锁存地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于 输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲 信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据 存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令 是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器 取址期间，每个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据 存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储 器（0000h-ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方 式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此 间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp）： xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 图 3-7.4 晶振电路 振荡器特性： xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向 放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件，xtal2 应不接。有余输入至内部 时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉 宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除： 整个 perom 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制 信号组合，并保持 ale 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片 擦操做中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复 编程以前，该操作必须被执行。 此外，at89s52 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件 下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， cpu 停止工作。但 ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在 工作。在掉电模式下，保存 ram 的内容并且冻结振荡器，禁止 系统硬件的设计 所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 第 4 章 系统软件设计 4.1 plc 梯形图概述 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 plc 的第一 编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观 易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量 逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编 程。 plc 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如 输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是 真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器） ，每一软继 电器与 plc 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存 储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈 “通电” ，其常开触点接通，常闭触点短开，称这种状态是该软 继电器的“l”或“on“状态。如果该存储单元为“o“状态，对 应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器 为“o“或“off”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编 程元件。 梯形图两侧的垂直公共线称为母线(bus bar)， 。在分析梯 形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以 想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左是正而右 系统软件的设计 是负的直流电源电压，母线之问有“能流”从左向右流动。右 母线可以不画出。 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线 圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中 逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果， 马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像 寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进 行的。 4.2 step 7-microwin 32 软件的使用 (1)双击“step 7-microwin 32”进入其界面。 (2)plc 梯形图快速绘制入门。 画触点：点开左边工具栏的“bit logic”，双击触点图 1 标，如图 4-1 所示。 图 4-1 画触点示意图 画线圈：在“bit logic”栏中，双击线圈图标，如图 2 4-2 所示。 系统软件的设计 图 4-2 画线圈示意图 改标号：点击触点、线圈上的“?.?”分别改成 3 “i0.0” 、 “q0.0”。最简单的 plc 梯形图就画好了，如图 4-3 所示。 图 4-3 改标号示意图 保存 plc 梯形图文件：依次选择工具栏“filesave” 4 在弹出的保存对话框中选择保存的路径及输入要保存成的文件 名，如“abc” ，图 4-4 所示，再点保存。 图 4-4 保存 plc 梯形图文件示意图 导出画好的 plc 梯形图：依次选择工具栏 5 “fileexport”在弹出的导出对话框中选择保存的路径及输 入要保存成的文件名，如“123” ，图 4-5 所示，再点保存。 系统软件的设计 图 4-5 导出画好的 plc 梯形图示意图 (3)其他： 触点、线圈也可以从上面的工具栏里选择。 1 计数器在“counters”里。 2 定时器在“timers”里。 3 在“viewstl”为 plc 的指令表格式。 4 在“viewladder”为 plc 的梯形图格式。 5 4.3 s7200_simulation 仿真软件的使用 (1)双击 s7200_simulation 文件夹下的“s7_200.exe” ，进 入其界面，在其界面中央点一下鼠标，则弹出如图 4-6 对话框， 输入密码“6596” ，点击“ok” ，则进入图 4-7 示界面。 图 4-6 仿真软件进入示意图 图 4-7 s7-200 仿真软件界面示意图 (2)导入文件，依次选择工具栏“programacargar programa”，在弹出的对话框中按如图 4-8 进行设置。再点击 “aceptar”，在弹出的对话框选择刚才在“step 7-microwin 32”下导出的文件（123.awl） ，如图 4-9，点击“打开” 。 系统软件的设计 图 4-8 导入文件示意图 图 4-9 文件查找示意图 (3)仿真运行：依次点击“plcrun” ，在弹出的确认对话 框点击“是” ，此时即进入仿真状态，如图 4-10 所示。 图 4-10 仿真运行示意图 4.4 系统工作过程分析 (1)按下启动按钮和灯控按钮，开始运行。 (2)按下位置开关 2，则是第一种花样喷泉。 (3)按下位置开关 3，则是第二种花样喷泉。 (4)按下位置开关 4，则是第三种花样喷泉。 (5)无论哪种花样喷泉，只要当第三或者第四任意一层喷水 的时候，黄灯亮：当第二层喷水的时候，红灯亮：当所有喷水 时，绿灯亮。 (6)按下停止按钮，则运行结束。 系统软件的设计 4.5 控制系统程序设计 4.5.1 花式喷泉的第一种花样 当选择开关 2 的位置时，喷泉运行第一种花样： 4、3、2、l 隔 2 秒依次喷水，一起喷水 l 5 秒后停下，再按 l、2、3、4 的次序隔 2 秒依次喷水，再一起喷 l5 秒后停下， 以此规律循环。l、3 管以慢速正转喷水，2、4 管以中速正转喷 水。当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮：当第二层 喷水的时候，红灯亮：当所有喷水时，绿灯亮。 系统软件的设计 图 4-11 第一种花样的梯形图 注释：i0.2 为选择开关 2; i0.0 为停止开关； q0.0,q0.7 为四 号喷水管; q0.1,q0.6 为三号喷水管； q0.2，q0.5 为二号喷 水管； q0.3，q0.4 为一号喷水管； t37 到 t44 为 100ms 的的 定时器； m3.4 为显示的黄灯， m0.2 为显示的红灯， m0.0 为显示的绿灯。 4.5.2 花式喷泉的第二种花样 当选择开关 3 的位置时，喷泉第二种花样：l、3 同时喷水， 延时 3 秒后 l、3 停喷，同时 2、4 喷水，交替运行 5 次后 l、2、3、4 一起喷水，30 秒后停止，以此规律循环。1、3 管 以慢速正转喷水2、4 管以中速正转喷水。当第三或者第四任 意一层喷水的时候，黄灯亮：当第二层喷水的时候，红灯亮： 当所有喷水时，绿灯亮。见图 4-12 所示。 系统软件的设计 图 4-12 第二种花样的梯形图 注释：i0.3 为选择开关 3; i0.0 为停止开关； q0.0,q0.4 为一 号喷水管; q0.2,q0.6 为三号喷水管； q0.