3工位旋转工作台的控制系统设计
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控制流程图 控制系统的工作顺序和循环过程 控制系统手动调整部分 PLC I/O接线图 PLC I/O分配表 输入信号名称 外部元件 内部地址 输出信号名称 外部元件 内部地址 手动运行选择 SA3-1 I0.0 送料器推进电磁阀 YV1 Q0.0 半自动运行选择 SA3-2 I0.1 送料退回电磁阀 YV2 Q0.1 全自动运行选择 SA3-3 I0.2 工件夹紧电磁阀 YV3 Q0.2 上料器推进按钮 SB1 I0.3 工件放松电磁阀 YV4 Q0.3 上料器退回按钮 SB2 I0.4 钻头下降电磁阀 YV5 Q0.4 工件夹紧按钮 SB3 I0.5 钻头上升电磁阀 YV6 Q0.5 工件放松按钮 SB4 I0.6 卸料推进电磁阀 YV7 Q0.6 钻头下降按钮 SB5 I0.7 卸料退回电磁阀 YV8 Q0.7 钻头上升按钮 SB6 I1.0 工作台转动电动机接触器 KM1 Q1.0 卸料器推进按钮 SB7 I1.1 钻头转动电动机接触器 KM2 Q1.1 卸料器退回按钮 SB8 I1.2 工作台旋转按钮 SB9 I1.3 上料器到位行程开关 SQ1 I1.4 上料退回到位行程开关 SQ2 I1.5 钻头下降到位行程开关 SQ3 I2.0 钻头上升到位行程开关 SQ4 I2.1 卸料器推进到位行程开关 SQ5 I2.2 卸料器退回到位行程开关 SQ6 I2.3 工作台旋转到位行程开关 SQ7 I2.4 放松到位行程开关 SQ8 I2.5 压力继电器触点 SP1 I2.6 梯形图 -1 程序梯形图 梯形图 -2 梯形图 -3 梯形图 -4 哈尔滨理工大学机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目:三工位旋转工作台的控制系 统设计 专 业: 机械电子工程 班 级: 机电14-2班 学 号: 1430120205 姓 名: 韩 麒 指导教师: 丁艳艳 二一七年 十一月哈尔滨理工大学课程设计说明书 哈尔滨理工大学荣成学院课程设计任务书 姓 名 韩麒 学 号 14301202 05 班 级 机电 14-2 专 业 机械电子工 程 宋同健 14301202 23 设计题目 三工位旋转工作台的控制系统设计 设计内容: 1、 根据设计要求,确定系统总体方案; ( 1) 以 PLC为核心,设计三工位旋转工作台的 PLC控制系统 ; ( 2)根据系统的基本结构、工艺过程和控制要求,确定控制方案; ( 3) 绘制控制系统 的流程图 和 PLC的 I/O接线图 , 设计 PLC梯形图程序 ; ( 4) 所选控制方案应合理,所设计的控制系统应能 够满足控制对象的 要求, 安全可靠,操作方便。 2、程序设计 : ( 1)根据系统功能要求,设计系统的 控制 流程,画出总体流程图 ; ( 2)画出 控制程序的梯形图; ( 3)通过仿真方式模拟调试程序。 3、完成课程设计论文(字数不少于 3500 字。) 任务分配: 总体方案、控制电路、软件编程: 宋同健 机械结构: 韩麒 编写说明书: 宋同健 设计时间: 2017 年 11 月 26 日至 12 月 3 日 答辩时间: 2017 年 12 月 3 日 主要参考文献、资料: 1 张建民 .机电一体化系统设计 .4 版 .北京:高等教育出版社, 2014.12 2 廖常初 .S7-200PLC 编程及应用 .2 版 .北京:机械工业出版, 2013.10 3 左健民 .液压与气压传动 .4 版 .北京:机械工业出版社, 2007.5 4 段铁群 .机械系统设计 .北京:科学出版社, 2010.2 5 王永华 .现代电气控制及 PLC 应用技术 .北京:航空航天大学出版社, 2008 6 罗宇航 .流行 PLC 实用程序及设计 .西安:电子科技大学出版社, 2006.12 哈尔滨理工大学课程设计说明书 目录 第 1章 绪论 . 1 1.1 设计背景 . 1 1.2.设计的主要任务 . 1 第 2章 总体方案设计 . 3 2.1 方案说明 . 3 2.1.1 控制要求 . 3 2.1.2 制定控制方案 . 3 2.2 控制方式选择 . 4 第 3章 PLC控制系统设计 . 5 3.1 工作台动作特性 . 5 3.2 液压控制部分的设计 . 5 3.3 系统控制流程图 . 6 3.4 选择 PLC 类型 . 8 3.5 I/O 地址分配 . 8 3.6 I/O 接线图 . 10 3.7 控制程序设计 . 11 3.8 控制程序语句表 . 16 3.9 程序调试 . 20 课程设计心得 . 23 参考文献 . 24 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 1 第 1章 绪论 1.1设计背景 随着科学技术的不断发展,机械加工的方法和手段也逐渐变得丰 富起来,各种先进技术被人们引入机械行业中来形成各种新兴学科, 机电一体化 1就是其中一门。机电一体化是以电子技术特别是微电子 技术为主导、多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高技 术,是机械与电子的有机结合产物。其目的是不断提高劳动生产率, 减轻人们的体力劳动,逐步代替部分脑力劳动。机械一体化的机械加 工比传统机械加工有很大的优 越性。在本课题中,机电一体化的好处 显得尤为突出。 并且, PLC2的处理器速度和功能在不断增加,已发展成具有逻 辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功 能等的多功能控制器,加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活 易用、维护工作量小等优势,使 PLC 在工业生产过程自动化中获得 广泛应用。根据 PLC 的原理和应用,以西门子 S7 系列 PLC 为例介绍 三工位旋转工作台控制系统程序设计。 三工位旋转工作台机床设备在机械加工等自动化机床设备中得 到广泛应用。通过控制工作台旋转,可以实现在加工的同时完成上料 和卸 料操作,并能实现流水作业,大大提高了工作效率,降低了工人 劳动强度。若在上料工位和卸料工位上设计合适的机械手,则可实现 无人上料和卸料操作。 钻床加工三工位工作台是由送料、钻孔、卸载三部分组成。工作 台通过每旋转 120来完成一个工位, 循 环运行来 实现工件的快速送 料、钻孔、卸载的流水作业系统。 1.2.设计的主要任务 本课程设计中三工位旋转工作台是钻孔加工中在工作台三个不 同工位分别同时完成上料、钻孔、卸料等工艺过程的工坐台,这大大 提高了机械加工的效率。但是新的问题接踵而至:三个工位同时动作 就要要求操作工人完成上料、装夹 工件、钻孔、卸工件。这样高强度 的工作工人是否能承受的了, 怎样降低工人的劳动强度呢? 提高自动 化程度就成了我们面临的首要问题。 随着科技的发展,继电器控制已经逐步被可编程控制器 (PLC)控 制所代替。 PLC 是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置 , 它的 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 2 功能性强 , 可靠性高 , 编程简单 , 使用方便 , 体积小巧 , 近年来在工 业生产中得到了广泛的应用 , 被誉为当代工业自动化主要支柱之一 。 在 PLC 的支持下,怎样实现操作流程的自动化这个问题迎刃而 解。于是在机加工过程中我们可以选择各种控制机制去简化工人操作 以及降低工人劳动强度、提高效 率等。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 3 第 2章 总体方案设计 2.1 方案说明 刚接触机电一体化系统设计这门课程时,老师就教导我们做任何 设计都要对做的题目有个宏观认识。只有对整体设计做出全局的把 握,设计才会有所针对,事半功倍。拿到课程设计题目后,我并没有 直接进入主题开始着手设计,而是逐步将设计要求研究了一遍,认真 对设计思路做了一个规划然后才开始设计。 2.1.1 控制要求 ( 1)用选择开关来决定控制系统的全自动、半自动运行和手动 调整方式。 ( 2)手动调整采用按钮点动的控制方式。它包括上料器进、退 操作、工件夹紧、放松操作,钻头下降、上升操作 ,卸料器进、退操 作,工作台旋转这些操作。 ( 3)系统处于半自动工作方式时,每执行完成一个工作循环, 用一个启动按钮来控制进入下一次循环。 ( 4)系统处于全自动运行方式时,可实现自动往复地循环执行。 ( 5)上料器、夹紧装置、卸料器、钻头上下运动由液压缸 3驱 动。夹紧力由压力继电器检测控制。钻头旋转、工作台旋转由电动机 驱动 4。 2.1.2 制定控制方案 ( 1)用选择开关来决定控制系统的全自动、半自动运行和手动 调整方式。 ( 2)手动调整采用按钮点动的控制方式。 ( 3)系统处于半自动工作方式时,每执行完成一个工 作循环, 用一个启动按钮来控制进入下一次循环。 ( 4)系统处于全自动运行方式时,可实现自动往复地循环执行。 ( 5)系统运动不很复杂,采用三台电动机:主动电动机、液压 电动机和工作台旋转电动机。除了主轴转动和工作台旋转用电动机拖 动外,其他所有运动都可以采用液压传动。 ( 6)对于部分与顺序控制和工作循环过程无关的主零部件和控 制部件,采用进入 PLC 的控制方式以达到方便控制。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 4 2.2 控制方式选择 三工位旋转工作台控制系统的设计任务主要由两大部分,其中最 主要的就是其旋转工作台的 PLC 梯形图设计,也就是逻辑程序设计; 其次 是液压控制原理图的设计。 该工作台控制系统在很大程度上是利用继电器实现的, 继电器 - 接触器 控制 系统虽有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触点, 使得设备连线复杂,且触点时开时闭时容易受电弧的损害,寿命短, 系统可靠性差。其次 可编程序控制器 的梯形图与传统的电气原理图非 常相似,主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和 术语,仅个别之处有些不同,同时信号的输入输出形式及控制功能基 本上也相同。 并且 PLC 在性能上比继电器 -接触器控制系统优异,特别是其可 靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便,而且体积小、 功 耗低、使用维护方便。并且近年来随着电子技术的飞速发展, PLC 的 成本在不断下降。综合考虑以上各种因素,对三工位工作台自动化控 制选用 PLC 控制系统。 而最初的 PLC 就已经有很完善的继电器控制功能了。在这里选 用 PLC 控制完全是对症下药。 PLC 采用循环扫描的工作方式,对每 个程序, CPU 从第一条指令开始执行,按指令步序号做周期性的程序 循环扫描,如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条执行用户程序, 直至遇到结束符号后又返回第一条指令,如此周而复始不断循环。每 一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期分为输入采样、程序执行、 输出刷新三个阶段。 其工作过程为:当按下启动按钮后,各控制信号的状态在 PLC 的输入采样阶段被存入 PLC 内部的 I 区,然后 PLC 逐条执行程序, 在输出刷新阶段将 I 区的状态输出到 Q 区, Q 区的状态控制各继电器 线圈,进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 5 第 3章 PLC控制系统设计 3.1 工作台动作特性 三工位旋转工作台控制动作特性如下: 工位 1:工作台旋转到工位 1 后上料器推进,上料到位后退回等 待。 工位 2:工工作台旋转到工位 2 后,夹紧装置将料加紧,钻头向 下钻孔,下钻到位后退回,退回到位后工件松开,放松完成后等待。 工 位 3:工作台旋转到工位 3 后,卸料器向前将加工完成的工件 推出,推出到位后退回,退回到位后等待。 其工作示意如下图 3-1 所示。 图 3-1 三工位旋转工作台系统示意图 3.2 液压控制部分的设计 根据三工位旋 转工作台的动作要求,控制部分大多采用液压电磁 阀控制。当送料器推进到位后碰到推进到位行程开关时,液压阀供油 方向发生改变,活塞杆退回。活塞杆退回到位后碰到退回到位行程开 关,液压阀动作处于中间位置,工位 1 处于等待状态。工位 2 动作顺 序是工作台转动到位后开始夹紧,夹紧后压力继电器动作使活塞缸处 于保压状态,同时使钻头旋转以及下降。等钻头下降达到行程开关位 置处钻头停止下降,上升继电器得电转而钻头上升。钻头上升到位碰 到行程开关使钻头停止转动和上升,并且活塞杆放松工件。放松完成 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 6 碰到行程开关使工位 2 处于等待状态。工位 3 的动作顺 序是工作台旋 转结束后活塞缸推动工件开始卸料,到行程开关后活塞杆反行程电磁 阀得电退回,退回到位碰到行程开关处于等待状态。等三个工位都停 止动作后,工作台旋转电磁阀的电,工作台旋转进入下一个循环。根 据要求做出合理的液压原理图如图 3-2 示。 图 3-2 液压原理图 3.3 系统控制流程图 控制流程图可以让设计人员清楚、明了的认清该系统的工作过 程。根据三工位旋转工作台的控制要求,在不同的工位能同时进行加 料、钻孔加工和卸料。根据课程设计的具体要求,分析并设计如下图 3-3: 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 7 图 3-3 控制系统的工作顺序和循环过 程 图 3-4 控制系统手动调整部分 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 8 3.4 选择 PLC类型 本设计选用德国西门子公司的 S7 200 系列 PLC,它是一种性价 比高的小型 PLC,其功能强大、工作可靠性高,能满足本控制系统的 要求。从上面的控制要求可知,输入设备共需 21 个: SA3-1 SA3-3、 SBl-SB9、 SQl SQ8、 SP1,输出设备共需 11 个: YV0 YV8、 KMl KM2。考虑 10 15的裕量,系统需要数字量输入 26 点,数字量 输出 1l 点,不需要模拟量模块,共需要输入和输出点数 37 点。选用 任何一个系列的 PLC 都不能满足输入点的 个数,也就是任何一个 S7-200 单片机都需要扩展。而 CPU226 的又很贵,所以在此选用 CPU224 外加一个 EM221 的扩展模块就能满足要求。 S7-200 系列的 CPU224 主机有 I0.0 I0.7、 I1.0 I1.5 共计 14 个 输入点和 Q0.0 Q0.7、 Q10 Q1.1 共计 10 个输出点。 CPU224 输入 电路采用了双向光电耦合器, 24VDC 极性可任意选择,系统设置 1MB 为 I0.x 字节输入端子的公共端, 2MB 为 I1.x 字节输入端子的公共端。 在晶体管输出电路中采用了 MOSFET 功率驱动器件,并将数字量输 出分为两组 ,每组有一个独立公共端,共有 1L、 2L 两个公共端,可 接入不同的负载电源。 CPU224PLC 有 6 个高速计数脉冲输入端( I0.0 I0.5),最快的响应速度为 30KHZ,用于捕捉经 CPU 扫描周期更快 的脉冲信号。另外,还有 2 个高速脉冲输出端( Q0.0、 Q0.1),输出 脉冲频率可达 20KHZ.用于 PTO(高速脉冲束)和 PWM(宽度可变 脉冲输出)高速脉冲输出,可完全适应于一些复杂的中小型控制系统 障 。按钮开关选择 LAl 8 系列 (AC380V, 50Hz),行程开关选择 LXIO 系列 (AC380V, 50Hz),接触器和电 磁阀选择小功率的交流接触器 CJIO 系列和通用电磁阀 ZCL 一 1Y 系列,直接由 PLC 控制。 3.5 I/O地址分配 I/O信号在 PLC接线端子上的地址分配是进行 PLC控制系统设计 的基础,只有分配 I/O 点地址以后才可以进行编程。对控制柜及 PLC 的外围来说,只有 I/O 点地址确定以后,才可以绘制电气接线图,所 以只有准确、合理的进行 I/O 地址的分配与编号,才方便进行后续的 设计。表 3-1 所示为该控制系统的 I/O 分配表。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 9 表 3-1 I/O 分配表 输入信号名称 外部元 件 内部地 址 输出信号名称 外部元 件 内部地 址 手动运 行选择 SA3-1 I0.0 送料器推进电磁 阀 YV1 Q0.0 半自动运行选 择 SA3-2 I0.1 送料退回电磁阀 YV2 Q0.1 全自动运行选 择 SA3-3 I0.2 工件夹紧电磁阀 YV3 Q0.2 上料器推进按 钮 SB1 I0.3 工件放松电磁阀 YV4 Q0.3 上料器退回按 钮 SB2 I0.4 钻头下降电磁阀 YV5 Q0.4 工件夹紧按钮 SB3 I0.5 钻头上升电磁阀 YV6 Q0.5 工件放松按钮 SB4 I0.6 卸料推进电磁阀 YV7 Q0.6 钻头下降按钮 SB5 I0.7 卸料退回电磁阀 YV8 Q0.7 钻头上升按钮 SB6 I1.0 工作台转动电动 机接触器 KM1 Q1.0 卸料器推进按 钮 SB7 I1.1 钻头转动电动机 接触器 KM2 Q1.1 卸料器退回按 钮 SB8 I1.2 工作台旋转按 钮 SB9 I1.3 上料器到位行 程开关 SQ1 I1.4 上料退回到位 行程开关 SQ2 I1.5 钻头下降到位 行程开关 SQ3 I2.0 钻头上升到位 行程开关 SQ4 I2.1 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 10 卸料器推进到 位行程开关 SQ5 I2.2 卸料器退回到 位行程开关 SQ6 I2.3 工作台旋转到 位行程开关 SQ7 I2.4 放松到位行程 开关 SQ8 I2.5 压力继电器触 点 SP1 I2.6 3.6 I/O接线图 I/O 接线图是进行施工接线的主要技术文件,图 3-4 所示为该三 工位旋转工作台控制系统的 I/O 接线图。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 11 图 3-5 I/0 接线图 3.7 控制程序设计 梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继 电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域,电气技术人员对继 电器逻辑控制技术较为熟悉, 因此,由这种逻辑控制技术发展而来的 梯形图受到了欢迎,并得到了广泛的应用 。梯形图由触点、线圈和应 用指令等组成。触点代表逻辑输入条件。 CPU 运行扫描到触点符号时, 便转到触点位指定的存储器位访问(即 CPU 对存储器的读操作)。在 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 12 用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表逻 辑输出结果和输出标志位,当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为 “ 1”时,“能流”可以到达线圈,使得线圈得电动作,则 CPU 将线 圈的位地址指定的存储器的位置为“ 1”,逻辑运算结果为“ 0”时, 线圈断电,存储器的位置为“ 0”。 STEP7-Micro/WIN32 软件是西门子 S7-200PLC 的开发工具,主 要用于开发程序,也可用于实时监控用户程序的执行状态。以下为用 STEP7-Micro/WIN32 软件编制的该控制系统的程序梯形图。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 13 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 14 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 15 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 16 3.8 控制程序语句表 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言,它是可编程 控制器基础的编程语言。所谓指令表编程,是用一个或几个容易记忆 的字符来代表可编程控制器的某种操作功能,具体指令的说明 可查阅 相关参考文献。语句表通常和梯形图配合使用,互为补充。将该控制 系统的梯形图转化为语句表如下所示: 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 17 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 18 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 19 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 20 3.9 程序调试 程序调试有模拟器调试和现场调试等方法,根据课程设计要求并 结合实际情况使用了 STEP7-Micro/WIN32 模拟器 进行了本程序的调 试。 西门子 S7 200 的仿真软件 Simulation1.2 版是从西班牙原版 1.2 直接汉化过来的,支持 TD200 仿真界面和增减计数器等多种指令。 调试方法如下 : 1.将 在 STEP7-Micro/WIN32 中编译正确 的 程序在文件菜单中导 出为 AWL 文件 ; 2.打开仿真软件,点 “配置 ”-“CPU 型号 ”,然后选择 CPU224,双 击后边“ 0”模块,选择扩展模块 EM221; 3.点 “程序 ”-“载入程序 ”; 4.选择 STEP7-Micro/WIN32 的版本; 5.将先前导出的 AWL 文件打开 ; 6.点 “PLC”-“运行 ”,开始调试程序。 手动运行工作台调试程序,部分运行情况如下: 1.按下手动按钮开关 SB1(I0.0),接着摁下上料按钮 SB2(I0.4),上 料继电器、电磁阀得电后开始上料,结果如图 3-5。 图 3-6 开始上料 2.当上料到位后,摁下上料器退回按钮 SB2(I0.4),上料器退回继电 器、电磁阀得电,上料器开始退回,结果如图 3-6。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 21 图 3-7 上料器退回 3.当工作台旋转到位时,摁下夹紧按钮 SB3(I0.5),夹紧继电器得电 Q0.2,工件被加紧,结果如图 3-7。 图 3-8 加紧 4.按下钻头下降按钮 SB5(I0.7),钻头旋转 Q1.1 和钻头下降 Q0.4 继电器得电,它开始进行旋转和下降动作,结果如图 3-8。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 22 图 3-9 钻头下转 5.当钻头下降到位时,摁下按钮 SB6(I1.0),钻头上升电磁阀 Q0.5 得电,开始上升,结果如图 3-9。 图 3-10 钻头上升 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 23 课程 设计心得 一 周的课程设计很快就结束了,期间遇到 了很多麻烦,在老师和 同学的帮助下设计了一个比较合理的解决方案。虽然课程设计还不算 完美,但是这次课程设计的目的基本上已经达到了,在这周内我们对 PLC 控制有了比较熟悉的了解。 在对理论的运用中, 课程设计 提高了 我们的工程素质 。 在没有做 这次课程 设计以前,我们 所 知道 的 仅停留 在理论上 ,对一些细节不加重视 。 当我们把自己想出来的程序 用 到 PLC 中的时候,不是不能运行,就是运行的结果和要求的结果不相符 合。 通过 解决一个个在调试中出现的问题,我们对 PLC 的 认识 得到 加强,看到了实践与理论的 差距。 此次课程设计主要是对 机电一体化系统设计这门课程进行练习 了解掌握,而在三工位 旋转工作台的 控制系统 设计中更多要求的是我 们对 PLC 经典控制模块 继电器控制部分进行设计。设计之初有 两个不同的选择方案:一是在工作循环时只对一个工件进行加工;二 是在工作时对三个工件同时加工。第一种方案效率低,但是设计起来 简单。第二种方案加工效率高但是中间各个工序的加工时间对工作台 旋转时间有影响。经过多方面论证,最后我选择了第二种方案提高了 生产效率。 通过本次设计,让我 们 很好的锻炼了理论联系实际,与具 体项目、课题相结合开发、设计产 品的能力。既让我们懂得了怎样把 理论应用于实际,又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去 解决。 在本次设计中,我们还需要大量的以前没有学到过的知识,于 是图书馆和 网络 成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中,我们 要判断优劣、取舍相关知识,不知不觉中我们查阅资料的能力也得 到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的,在以后的工作中我们 肯定会遇到许多未知的领域,这方面的能力便会使我们受益非浅。 在设计过程中, 我们 总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问 题的时候, 我们 需要做大量的工作,花大量的时间才能解决。自然 而然耐心便 逐 渐建立起来,这为我们以后的工作积累了经验,增强 了信心。 最后非常感谢指导老师在本次课程设计中对我们的耐心指 导和帮助,让我们学到了很多知识,受益匪浅。 哈尔滨理工大学 课程设计说明书 24 参考文献 1 张建民 .机电一体化系统设计 .4 版 .北京:高等教育出版社, 2014.12 2 廖常初 .S7-200PLC 编程及应用 .2 版 .北京 : 机械工业出版, 2013.10 3 左健民 .液压与气压传动 .4 版 .北京: 机械 工业出版社, 2007.5 4 段铁群 .机械系统设计 .北京 : 科学 出版社, 2010.2 5 王永华 .现代电气控制及 PLC 应用技术 .北京 :航空航天大学出版 社, 2008 6 罗宇航 .流行 PLC 实用程序及设计 .西安:电子科技大学出版社, 2006.12 7 柴瑞娟,陈海霞 .西门子编程技术及应用 .北京:机械工业出版社, 2006.8 8 陈建明 .电气控制与 PLC 应用 .北京:电子工业出版社, 2010 9 王宗才 .机电传动与控制 .北京:电子工业出版社, 2011.6 10 邓星钟 .机电传动控制 .武汉:华中科技大学出版社, 2007 11 周宏甫 .机电传动控制 .北京:化学工业出版社, 2006 哈尔滨理工大学课程设计说明书目录第1章 绪论11.1 设计背景11.2 设计的主要任务1第2章 系统总体方案及硬件设计32.1 系统总体方案设计32.2 硬件电路设计32.2.1 时钟电路模块42.2.2 复位电路模块52.2.3 显示模块62.2.4 报警模块72.2.5 键盘模块7第3章 软件设计83.1 软件总体设计方案83.2 软件设计具体过程113.2.1 延时模块设计113.2.2 中断程序123.2.3 键盘扫描子程序133.2.4 计分子程序133.2.5 主程序15第4章 硬件焊接与调试164.1 硬件实物图164.2 调试结果16课程设计心得17附录118附录219参考文献27第1章 绪论1.1 设计背景体育比赛计时计分系统是对体育比赛过程中所产生的时间,比分等数据进行快速采集记录,加工处理,传递利用的信息系统。根据不同运动项目的不同比赛规则要求,体育比赛的计时计分系统包括测量类,评分类,命中类,制胜类得分类等多种类型。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统。篮球比赛的计时计分系统由计时器,计分器等多种电子设备组成,同时,根据目前高水平篮球比赛要求,完善的篮球比赛计时计分系统设备应能够与现场成绩处理,现场大屏幕,电视转播车等多种设备相联,以便实现高比赛现场感,表演娱乐观众等功能目标。由于单片机的集成度高,功能强,通用性好,特别是它具有体积小,重量轻,能耗低,价格便宜,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特的优点,使单片机迅速得到了推广应用,目前已经成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部位。世界各大电气厂家,测控技术企业,机电行业,竞相把单片机应用于产品更新,作为实现数字化,智能化的核心部件。篮球计时计分器就是以单片机为核心的计时计分系统,由计时器,计分器,综合控制器和24秒控制器等组成。1.2 设计的主要任务本设计是基于AT89C52单片机的篮球计时计分器,利用7段共阴LED作为显示器件。在此设计中共接入了1个四位一体7段共阴LED显示器,2个两位一体7段共阴LED显示器,前者用来记录赛程时间,其中2位用于显示分钟,2位用于显示秒钟,后者用于记录甲乙队的分数,每队2个LED显示器显示范围可达到099分。赛程计时采用倒计时方式,比赛开始时启动计时,直至计时到零为止。其次,为了配合计时器和计分器校正调整时间和比分,我们特定在本设计中设立了7个按键,用于启动,暂停时间,调整分数和暂停等功能。采用单片机控制是这个系统按键操作使用简洁,LED显示,安装方便。第2章 系统总体方案及硬件设计2.1 系统总体方案设计该篮球计时计分器主要包括单片机控制系统、计时显示模块、计分显示模块、定时报警,按键控制键盘模块。通过这几个模块的协调工作就可以完成相应的计时计分控制和显示功能。这四个模块的相互连接如图2-1所示:图2-1 连接简图2.2 硬件电路设计AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52具有如下特点:AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起1。 图2-2 AT89C52单片机引脚图2.2.1 时钟电路模块时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用,是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中,时钟是保障系统正常工作的基准振荡定时信号,主要由晶振和外围电路组成,晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢。为达到振荡周期是12MHZ的要求,这里要采用12MHZ的晶振,另外有两个33P的电容,两晶振引脚分别连到XTAL1和XTAL2振荡脉冲输入引脚4。具体连接如图2-3所示。图2-3 晶振连接图2.2.2 复位电路模块复位是单片微机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片微机从0000H单元开始执行程序。除进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,可以按复位键以重新启动,也可以通过监视定时器来强迫复位。RST引脚是复位信号的输入端2。复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式,具体连接电路如图2-4所示。图2-4 复位电路2.2.3 显示模块本设计采用共阴极数码显示器,通常,共阴极接低电平(一般接地),其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时,该端所连接的字符导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。同样,要求段驱动电路能提供额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。本次设计在显示模块用到的是一个4位一体和2个两位一体共阴极数码管,共有8个代码输入口和8个位选输入口,采用排阻提供上拉电流数码管,以保证有足够大的电流点亮数码管,采用动态驱动,使各位数码管逐个轮流受控显示,这就是动态驱动10。由于扫描速度极快,显示效果与静态驱动相同,其具体图形如下图2-5和图2-6所示。图2-5 计时显示图2-6 计分显示2.2.4 报警模块蜂鸣器通过一NPN型三极管进行驱动,如图触发信号有基极引入9。接线图如图2-7所示。图2-7 报警模块2.2.5 键盘模块图2-8 键盘模块第3章 软件设计在设计程序之前,我们首先要对单片机应用系统预完成的任务进行深入的分析,明确系统的设计任务、功能要求和技术指标。其次,要对系统的硬件资源和工作环境进行分析。这是单片机应用系统程序设计的基础和条件。在单片机应用系统的开发过程中,主要采用的有汇编语言和C语言。汇编语言比C语言繁琐,但是汇编语言能更充分的发挥指令系统的功能和效率,可以获得最简练的目标程序。而C语言的应用最为广泛,C语言能直接对计算机的硬件进行操作,而且语言灵活、程序结构良好、数据类型及运算符丰富、代码效率高、可移植性好8。3.1 软件总体设计方案本次单片机课程设计软件设计部分采用模块化程序设计,程序部分由主程序、T0中断程序、扫描显示子程序、计时加(减)1秒的子程序、暂停子程序、快表和回表子程序、延时子程序等组成.其程序流程图如图3-1和图3-2。图3-1 主程序流程图图3-2 扫描刷新显示子程序流程图3.2 软件设计具体过程软件设计部分采用模块化程序设计,用C语言编写。Keil是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。程序部分由主程序、T0中断程序、扫描显示子程序、暂停子程序、加分子程序、减分子程序、延时子程序等组成。3.2.1 延时模块设计void display(uchar fen2,uchar fen1,uchar miao2,uchar miao1) /时间显示程序 dula=0; P0=tablefen2; dula=1; dula=0; wela=0; P0=0xfe; wela=1; wela=0; delay(5); P0=tablefen1|0x80; dula=1; dula=0; P0=0xfd; wela=1; wela=0; delay(5); P0=tablemiao2; dula=1; dula=0; P0=0xfb; wela=1; wela=0; delay(5); P0=tablemiao1|0x80; dula=1; dula=0; P0=0xf7; wela=1; wela=0; delay(5);本设计中各个数码管采用动态驱动,使各位数码管逐个轮流受控显示,由于扫描速度极快(本实验中大约每20毫秒刷新一次),所以显示效果与静态驱动相同。3.2.2 中断程序void time0() interrupt 1/中断程序TH0=(65536-46080)/256; /由于晶振为11.0592,故所记次数应为46080,计时器每隔50000微秒发起一次中断。TL0=(65536-46080)%256; /46080的来历,为50000*11.0592/12pp+;3.2.3 键盘扫描子程序void keyscan() / 键盘扫描程序if(lcden=0)delay(10);if(lcden=0)halt=1;if(rs=0)halt=0;3.2.4 计分子程序void jifen() / 计分模块if(A_ADD1=0) delay(10); if(A_ADD1=0) numa+; while(!A_ADD1); if(A_ADD2=0) delay(10); if(A_ADD2=0) numa=numa+2; while(!A_ADD2); if(A_DEC=0) delay(10); if(A_DEC=0)numa=numa-; while(!A_DEC); if(B_ADD1=0) delay(10); if(A_ADD1=0) numb+; while(!A_ADD1); if(B_ADD2=0) delay(10); if(A_ADD2=0) numb=numb+2; while(!A_ADD2); if(B_DEC=0) delay(10); if(B_DEC=0) numb-; while(!B_DEC); 50000*11.0592/123.2.5 主程序void main()TMOD=0x01;TR0=1;TH0=(65536-46080)/256; / 由于晶振为11.0592,故所记次数应为46080,计时器每隔50000微秒发起一次中断。TL0=(65536-46080)%256; /46080的来历,为5000011.0592/12ET0=1;EA=1; /主板初始化 因51单片机芯片开机时各个IO口输出为高电平,加上以下源代码是为了防止各种外部模块误动作 DS1302=0; /关DS1302模块,与本实验无关 SD=0; /关SD卡模块,与本实验无关 LCD1602=0; /关LCD1602模块,与本实验无关 cs88=0; /关点阵管lcden=1;rs=1;jishi(fen);29第4章 硬件焊接与调试4.1 硬件实物图对照原理图进行焊接工作, 把硬件先依次正确插到相应的位置,然后再次检查器件是否都正确,确定无误后进行焊接.在焊接的过程中要注意不要将相临的两个引脚焊接在一起,防止短路影响使用。硬件连接好以后,通过ISP下载线向单片机内烧制HEX程序,观察各部分工作情况。硬件连接如图4-1所示。图4-1 硬件实物图4.2 调试结果经过多次参考源程序代码,我初步实现了计时模块功能,能显示、开始、暂停、报警。计分模块也实现了显示功能,但是在结合计分模块时,由于计时模块和计分模块的相互干扰,程序出现不稳定性,问题明显。此次设计重点是计时、计分和键盘,难点是其间的相互结合。课程设计心得通过这几天的单片机的实训,我在理论的基础上更深刻的掌握了单片机的深层内容及实际生活中的应用,实训锻炼了自己动手能力和思维能力,还有在软件方面的编程能力,让我受益匪浅,同时也暴露出一些平时学习上的问题,让我深刻反思。这些问题的发现将为我以后的学习和工作找明道路,查漏补缺为进一步学习作好准备。通过实践,让我更熟悉掌握了Keil uVision3应用程序的运用,让我懂得了如何编写一些简单的程序,学会了如何制作单片机应用程序,还有焊接和程序下载,。但在中间暴露出很多问题:对平时上课讲的理论知识没有完全掌握消化,到了实际操作中还得请教同学,在焊接中焊接的基本工夫掌握不到家,手上工夫还是很欠缺的,使得电路板不是很美观。这些问题的发现,有助于提高我在以后的工作和学习中对此类问题的认识,确保不在同一问题上再次犯错。严谨求实、踏实务实,是我这次实训的深刻总结。做课程设计的这几天翻阅了很多书,也上了很多网站去寻找自己需要的资料。这种寻找有很强的目的性,只是为了自己选定的课题内容而查阅,所以除了自己课题以外的其他方面几乎还是一无所知。这让我深刻的认识到了自己专业知识的贫乏。为我对自己大四生活的规划敲响了警钟。我对单片机的学习不会因为课程设计的结束而结束,在接触的众多资料里,做设计只是走马观花般的点到。通过单片机课程设计,我加深了对单片机理论的理解,学回了怎样将理论很好地应用到实际当中去,而且我还学会了如何去培养我们的不畏困难的挑战精神,从而不断地战胜自己,超越自己,我在这一设计过程中,学会了坚持不懈,不轻易言弃。设计过程,也好比是我们人类成长的历程,常有一些不如意,也许这就是在对我们提出了挑战,勇敢过,也战胜了,胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。附录1附录2#include#define uchar unsigned charsbit dula=P20; /段选信号的锁存器控制sbit wela=P21; /位选信号的锁存器控制sbit cs88=P22; /点阵管的锁存器控制cs88=0; /关点阵管sbit beep=P23;sbit LCD1602=P25; /定义LCD1602使能端,用于HJ-C52实验板复位,与本实验无关sbit DS1302=P27; /定义DS1302时钟使能端,用于HJ-C52实验板复位,与本实验无关sbit SD=P26; /定义SD卡使能端,用于HJ-C52实验板复位,与本实验无关void cmg88() /关数码管,点阵函数dula=1; P0=0x00;dula=0;cs88=0x00;P0=0x00;cs88=1;sbit lcden=P30;sbit restart=P31;sbit A_ADD1=P32; /定义按键输入端口 k3sbit A_ADD2=P34; /k5sbit A_DEC=P36; /k7sbit B_ADD1=P33; /定义按键输入端口 k4sbit B_ADD2=P35; /k6sbit B_DEC=P37; /k8unsigned char halt,min2,min1,sec2,sec1,sec=60 ,min=11;unsigned int pp,numa=0,numb=0;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void display(uchar min2,uchar min1,uchar sec2,uchar sec1); /时间显示模块void display1(uchar A2,uchar A1,uchar B2,uchar B1); /计分显示模块void keyscan(); /键盘扫描模块void jishi(); /计时模块void delay(unsigned char i); /延时模块void jifen(); /计分模块void main()TMOD=0x01;TR0=1;TH0=(65536-46080)/256; /由于晶振为11.0592,故所记次数应为46080,计时器每隔50000微秒发起一次中断。TL0=(65536-46080)%256; /46080的来历,为50000*11.0592/12ET0=1;EA=1; /主板初始化 因51单片机芯片开机时各个IO口输出为高电平,加上以下源代码是为了防止各种外部模块误动作 DS1302=0; /关DS1302模块,与本实验无关 SD=0; /关SD卡模块,与本实验无关 LCD1602=0; /关LCD1602模块,与本实验无关 cs88=0; /关点阵管lcden=1;restart=1;while(1)jishi();jifen();void time0() interrupt 1 /中断程序TH0=(65536-46080)/256;TL0=(65536-46080)%256;pp+;void jishi() /计时模块keyscan();if(halt=0)TR0=1;if(pp=20)pp=0;sec-;if(sec=0) sec=60;min-;if(min0;j-) for(k=125;k0;k-);void jifen() /计分模块if(A_ADD1=1) numa+; if(A_ADD2=1) (numa+)+; if(A_DEC=1) numa-; if(B_ADD1=1) numb+; if(B_ADD2=1) (numb+)+; if(B_DEC=1) numb-; A2=numa/10;A1=numa%10;B2=numb/10;B1=numb%10;display1(A2,A1,B2,B1);void display(uchar min2,uchar min1,uchar sec2,uchar sec1) /时间显示程序 dula=1; P0=tablemin1; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay(5);dula=1; P0=tablemin2; dula=0;P0=0xff;wela=1; P0=0xfd; wela=0; delay(5); dula=1; P0=tablesec1; dula=0;P0=0xff;wela=1; P0=0xfb; wela=0; delay(5); dula=1; P0=tablesec2; dula=0;P0=0xff; wela=1; P0=0xf7; wela=1; wela=0; delay(5);void display1(uchar A2,uchar A1,uchar B2,uchar B1) /计分显示程序 dula=1; P0=tableA1; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay(5);dula=1; P0=tableA2; dula=0;P0=0xff;wela=1; P0=0xfd; wela=0; delay(5); dula=1; P0=tableB1; dula=0;P0=0xff;wela=1; P0=0xfb; wela=0; delay(5); dula=1; P0=tableB2; dula=0;P0=0xff; wela=1; P0=0xf7; wela=1; wela=0; delay(5);参考文献1 周坚.单片机轻松入门M.北京:航空航天大学出版社,2004.2 张毅坤等.单片微型计算机原理及应用M.西安:西安电子科技大学出版社,1998.3 刘光斌.单片机系统实用抗干扰技术M.北京:人民邮电出版社,2003.4 张友德 赵志英 涂时亮. 单片微型机原理应用与实验(第四版)M.上海:复旦大学出版社,2005.5 刘文涛.单片机语言C51典型应用设计M.北京:人民邮电出版社,2005.6 张毅刚,谭晓均.MCS-51单片机应用设计M. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.7 祁伟.单片机C51程序设计教程与实验M.北京:航空航天大学出版社,2006.8 张 虹. 汇编语言程序设计M.北京:中国矿业大学出版社,2005.9 熊如贵.遮挡式红外声光报警装置J.北京:电子制作杂志社,2006.10 康华光.电子技术基础 模拟部分M.北京:高等教育出版社,2004.
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