基于PLC日期显示及闹钟定时与报时

前言
数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。

由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。

可编程控制器（PLC）是以微处理为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器--接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了几乎完美的现代化自动控制装置。

近几年，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。

为此，各高校的电器自动化、电气工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程控制器原理及应用的课程。

本设计以西门子公司的S7—200CN为基础，设计了PLC电子时钟的梯形图。

目录
前言 (1)
摘要 (3)
第一章PLC的概要 (4)
1.1课程设计准备知识 (4)
1.11 PLC控制系统设计的基本原则 (4)
1.12 PLC控制系统设计的基本内容 (4)
1.13 PLC控制系统设计的一般步骤 (5)
1.2 软件介绍 (6)
1.21软件介绍 (6)
第二章PLC控制电子钟设计 (8)
2.1七段共阴数码管电子钟PLC程序设计原理 (8)
2.11 控制要求： (8)
2.12 总体设计思想 (8)
2.13 具体设计过程 (8)
2.2 编程元件地址分配 (10)
2.3输入/输出继电器的地址分配 (13)
2.31 输入/输出继电器的地址分配 (13)
2.4数字电子钟控制系统的方案 (14)
2.41 方案论证 (14)
2.42 控制要求 (14)
2.43 数码管显示原理 (15)
2.44 数字电子钟的程序 (15)
第三章数字电子钟梯形图程序 (16)
第四章 PLC控制系统设计 (28)
4.1. 1PLC控制系统设计的基本原则 (27)
4.12PLC控制系统设计的一般步骤 (27)
4.13PLC程序设计的一般步骤 (28)
4.14PLC型号的选择 (28)
4.15显示方式的方案比较 (29)
4.16键盘 (29)
4.2．1液晶显示器的特点 (30)
4.221602字符型LCD简介 (31)
4.231602LCD的基本参数及引脚功能 (33)
4.3．1时间设定模块流程图 (35)
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4.32闹铃功能的实现流程图 (36)
4.33电子闹钟的显示电路设计 (37)
4.34基本显示模块的实现流程图 (38)
结束语 (39)
致谢 (40)
附录（1）参考文献 (41)
附录（2） (42)
摘要
本系统采用计数器、显示器和校时电路组成。

由LED数码管来显示plc 所输出的信号。

总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。

其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

[关键字] PLC 数码管计数器
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第一章PLC的概要
1.1 课程设计准备知识
学习PLC的最终目的是能把它应用到实际控制系统中去，若遇到实际的工业控制项目，需用PLC进行控制，应如何着手去设计一个控制系统。

1.11 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本：
1. 最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

2. 在满足控制要求的的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维修方便。

3. 保证控制系统的安全、可靠。

4. 考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余地。

1.12 PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。

因此，PLC 控制系统的基本内容包括如下几点：
1. 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

这些设备属于一般的电气元件，自选择方法请参考其他有关资料。

2. PLC的选择。

PLC是PLC控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。

选择PLC，应包括机型、容量、I/O点数（模块）、电源模块以及特殊功
能模块的选择等。

3. 分配I/O点，绘制电气连接接口图，并考虑必要的安全保护措施。

4. 设计控制程序。

梯形图、语句表（可由编程软件自动转换或直接编写）、控制系统流程图等。

控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键，因此控制程序的设计必须经过反复调试、修改，直到满足为止。

5. 必要时还需设计控制台（柜）。

6. 编制系统的技术文件。

包括说明书、电气图及电气元件明细表等。

传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。

在PLC 控制系统中，这些图可统称为“硬件图”。

它在传统的电气图的基础上增加了PLC部分，所以，还应增加PLC的I/O输入、输出电气连接图（即I/O硬件接线图）。

此外，在PLC 控制系统中，电气图还应包括程序图（梯形图），可以称之为“软件图”，便于用户在生产发展过程或工艺改进时修改程序，或维修时分析和排除故障。

1.13 PLC控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求：需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周
期、单步等）。

（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O 点数
（3）选择PLC（考虑性价比等）
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O电气接口连接图（也可结合第2步进行）（5）进行PLC的程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工在设计传统的继电器控制系统时，必须在控制线路（接线等）设计完
成后，才能进行控制台（柜）的设计和现场施工。

由此可见，可减少
整个工程的施工量并大大缩短施工周期。

（6）对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，明确给出动作的顺序和
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条件。

（7）设计梯形图（并程序清单）。

这是比较困难的但也是关键的一步。

要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计
的基础及实践经验。

（8）程序输入PLC并检查输入是否正确。

（9）调试和修改直至满足要求。

（10）控制台（柜）及现场施工完成后，即可进行联机调试，直至满足生产要求。

（11）编制技术文件。

（12）交付使用。

1.2 软件介绍
1.21软件介绍
PLC英文全称Programmable Logic Controller中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器。

提出PLC概念的是美国通用汽车公司。

当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。

随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。

美国电气制造商协会NEMA从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“PLC”。

可编程序控制器硬件由六部分构成:
中央处理器：它是可编程序控制器的心脏部分。

CPU由微处理器存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。

电源：给中央处理器提供必需的工作电源。

输入组件：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。

现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。

输出组件：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。

输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。

输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。

输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。

编程器：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。

编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。

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第二章PLC控制电子钟设计
2.1 七段共阴数码管电子钟PLC程序设计原理
2.11控制要求：
1.用四个七段数码管分别显示“时十位”、“时个位”、“分十位”和“分个位”。

2.用特殊继电器SM0.5提供秒脉冲
3.有“预置”和“校对”时间功能。

I/O分配：
X0—运行开关，X1—预置按钮；Y0—A，Y1—B，Y2—C，Y3—D，Y4—E，Y5—F，Y6—G；Y7—“秒闪烁”指示；Y13—“时十位”显示，Y12—“时个位”显示，Y11—“分十位”显示，Y10—“分个位”显示。

COM端接线：COM1和COM2（Y0—Y7所对应的公共端）接24V直流电源“+”极，COM3（Y10—Y13所对应的公共端）和COM接24V电源“-”极。

2.12总体设计思想
为了减少输出点数和接线，可以将四个共阴数码管的阳极都用Y0—Y6来驱动，但让其依次轮班接通；四个数码管的阴极分别用Y10—Y13来同步控制其接通“-”极的时间，以期达到四个数码管轮番显示的目的。

2.13具体设计过程
1.由特殊继电器SM0.5提供秒脉冲，用Y7输出。

2.用计数器C0将秒脉冲变成分脉冲。

3.用左移位指令[SHL-W]形成分个位左移码。

4.用左移位指令[SHL-B]形成分十位左移码。

5.用左移位指令[SHL-W]形成时个位左移码。

6.用左移位指令[SHL-B]形成时十位左移码。

7.用左移位指令[SHL-B]安排四个数码管轮番接通。

8.将四个左移位码分别译成七段数码管的字显示码，并考虑四个数码管
轮番接通问题。

9.将数字显示码用Y0—Y6输出。

A
F G B
E C
D
七段共阴数码管
重庆工业职业技术学院2.2 编程元件地址分配
续表
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续表
2.3 输入/输出继电器的地址分配2.31 输入/输出继电器的地址分配
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.2.4 数字电子钟控制系统的方案
2.41 方案论证
目前常用的数字电子钟控制方法有①单片机控制②PLC控制。

两种方式的控制原理基本相似，都是分别以各自的主控器件来完成门信号的采集、运行状态控制和设定，达到自动调节和控制运行的功能。

本设计采用PLC控制方式，选用西门子S7--200PLC作控制器，继电器输出，时间显示用4个数码管,完成本设计要求的各项指标，实现数字电子钟的控制。

数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，PLC控制数字电子钟采用数码管显示。

2.42.控制要求
数字电子钟的控制要求如下：
（1）开机时初始状态显示为00时00分，按下启动按钮，控制器开始计时工作。

（2）能将时间显示调整到当前的时间。

（3）设置相应的手动按钮，使控制器使用更加方便。

2.43数码管显示原理
开机时显示为00时00分
PLC的输出点分别接到七段数码管的Y0~Y6上。

要显示数字只需要Y0~Y6有输出信号。

例如，显示1只需Y1和Y2有信号输出，它的十进制常数为K6=1*2+1*4,即K6转换为二进制数正好满足要求。

再把常数值K6由MOV指令传送到相应的数码管就可以显示数字了。

2.44 数字电子钟的程序
（1）控制任务
设计一个数字电子钟，用LED数码管显示当前的时间，根据控制要求，需要显示的时间如下：
秒：由SM0.5来实现一秒的脉冲发生器
分钟：显示范围为00—59，用两只LED数码管显示
小时：显示范围为00—23，用两只LED数码管显示
（2）LED数码管的工作原理
一只LED数码管可以看成是一组LED，有两种接线方式，一种是共阴极接法，一种是共阳极接法。

当发光二极管为正向偏置时，就会点亮。

（3）秒脉冲发生器
所谓秒脉冲发生器就是每秒生成一个脉冲，这个脉冲是所有计时器的基准，可以通过编程的方式实现，也可以利用PIC的特殊继电器，如S7—200的周期为1秒的脉冲发生器SM0.5来实现，编程更简单。

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第三章数字电子钟梯形图程序
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第四章PLC控制系统设计
由于数字电子钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。

所以数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。

与传统机械钟相比，它具有走时准确、显示直观无机械传动装置等优点。

在数字显示方面，目前以有集成的记数、译码电路，他可以直观的驱动数码显示器件。

也可直接采用CMOS-LED光电组合器件，构成模块式石英晶体数字钟。

这些电路装置十分小巧，安装使用也方便，如果想实现大型光电显示，可以加一定的驱动电路，采用白炽灯显示系统,做起来也不困难。

数字电子钟是以不同的计数器为基本单元构成的，它的用途十分广泛，只要有计时、计数的存在，便要用到数字钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。

采用PLC的定时中断功能实现定时，不仅定时精度高，编程简单，显示效果稳定可靠，具有较大的实用价值。

高等职业院校的培养目标的首要任务是培养具有创新精神和实践能力的各类技术人才，人才培养目标的实现必须有一定的实践教学环节。

我们通过实践教学环节的训练与锻炼，才能在实践中不断巩固和加深理论知识，提高独立工作的能力和创新能力。

通过数字电子钟的设计于制作，我们能够掌握一定的汇编语言知识并用于编写程序，掌握了定时与计数器的使用方法，以及微机常用的输入输出方式及接口技术。

培养了自己的动手操作和实践能力，学习并巩固了程序设计的基本思路和方法。

4.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤
4.1.1 PLC控制系统设计的基本原则
1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。

2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。

3．保证控制系统安全可靠。

4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等
内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。

4.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。

然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。

最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。

PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：
1．熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。

2．确定I／O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。

3．选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。

4．分配PLC的I／O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC 的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。

5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。

由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。

6．联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。

4.1.3 PLC程序设计的一般步骤
1．绘制系统的功能图。

2．设计梯形图程序。

3．根据梯形图编写指令表程序。

4．对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。

调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

PLC控制系统的设计步骤可参考图 3-1 ：
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图 3-1 PLC控制系统的设计步骤
4.1.4 PLC型号的选择
本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。

S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

4.1.5 1602CDLCD1602显示方式的方案比较
方案一、采用花样显示花样显示是指LCD显示某一屏字符时采取从左到右或者是从右到左的整屏移动的显示方式。

在这种显示方式下给人的感觉就是程序是在执行的同时如果控制好了移动一屏的时间间隔的话，在整体视觉上可以达到很好的效果。

方案二采用静态显示静态显示是指LCD显示某一屏字符时时钟保持当前字符的显示不使用移屏显示。

便于控制同时能够满足正常的显示效果。

由于在显示中存在播放时间的动态变化这样的话即使是不产生整屏移动也能给人动态感也易于控制。

基于以上各种特点我选择了方案二。

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表2-1所示.
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD多出来的2条线是背光电源线。

VCC(15脚)和地线GND(16脚)其控制原理与14脚的LCD完全一样各引脚符号及其功能表如下表所示。

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4.1.6 键盘
按键用于控制数码显示、LCD显示、扬声器等模块的工作。

通过扫描按键是否按下来设定各模块的工作情况使各模块可以在按键的控制下有序地进行工作。

设计中使用单个按键实现单个功能属于较为简单的控制方式。

按键采用5个button分别控制倒计时开始、调分个位、调分十位、调秒个位、调秒十位另外还加一个总开关用于控制所有电路的通电情况。

4.2 1602字符液晶显示器
4.2.1 液晶显示器的特点
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。

发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

（3）功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

4.2.2 1602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。

一般1602字符型液晶显示器实物如图9和图10所示。

图9 字符液晶屏幕
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图10字符型液晶显示器实物图
4.2.3 1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图11所示。

图11 1602LCD尺寸图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:16×2个字符
芯片工作电压:4.5—5.5V
工作电流:2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:5.0V
字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
4.3．1时间设定模块流程图
重庆工业职业技术学院
时间设定模块流程图说明时间设定模块的设计要点是按键的去抖处理与“一键多态”的处理。

即只涉及4个键完成了时间参数的设定。

软件法去抖动的实质是软件延时即检测到某一键状态变化后延时一段时间再检测该按键的状态是否还保持着如是则作为按键处理否则视为抖动不予理睬。

去抖中的延时时间一般参考资料多描述为10ms左右实际应用中应大于20ms否则会导致按一次作多次处理，影响程序正常执行。

“一键多态”即多功能键的实现思想是，根据按键时刻的系统状态，决定按键采取何种动作即何种功能。

4.3.2闹铃功能的实现流程图
图4-3闹铃功能的实现流程图框图
闹铃功能的实现涉及到两个方面，闹铃时间设定和是否闹铃判别与相应处理。

闹铃时间设定模块的设计可参照时间设定模块这里着重阐述闹铃判别与处理模块的设计问题。

闹铃判别与闹铃处理的关键在于判别何时要进行闹铃。

当时十位、时个位、分十位、分个位中任一位发生改变进位时就必须进行闹铃判别。

译码显示电路将“时”、“分”计数器的输出送到七段显示译码驱动器译码驱动通过六个七段LED显示器显示出来。

闹铃电路根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后加上一个高频或低频信号送到放电路驱动蜂鸣器发声实现报时。

校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数或者秒计数器来对“时”、“分”显示数字进行校对调整。

考虑到实用性,在该电子钟的设计中修改定时或调整时间时采用了闪烁,而且以定时20组闹钟。

在编程上,首先。