水塔水位自动控制装置.doc

四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：水塔水位自动控制装置系 别：电子与信息工程系专业班级：学生姓名：指导教师：教 研 室：电 子 教 研 室提交时间：2006年6月8日摘 要本控制系统主要由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、报警模块和电机控制模块五部分组成。其中传感器模块将检测到的水位信号转换为电压信号，送入PLC模块进行分析处理后，输出信号去控制数码显示模块、电机控制模块和报警模块装置工作；而数码显示模块部分由CD7448和LED数码管构成，完成当前水位的数码显示；报警模块是由基于555组成的音频多谐振荡器和扬声器构成，完成水位不正常时候的报警功能；电机控制部分直接受PLC输出的作用而实现对水塔水位的控制。本设计论文的第一章提出并论证了设计方案，第二、三、四章为系统设计。关键词： 水塔水位，传感器，PLC，CD7448ABSTRACTThe automatic control system is mainly composed of sensors modules, PLC modules, digital modules show, warning module and electrical control module five parts. The sensor module will be tested to the water level signals into volet signal processing analysis into PLC module, export control digital show module, electrical control module and warning module; And digital modules shown in part by CD7448 digital led control and a complete digital shows the current water level; warning module based on the composition of the 555 audio loudspeakers and a multi-standard oscillator, the normal time to complete the warning water level is not functional. Electrical parts directly affected by the Plc control and the role of export controls to achieve water levels in cooling towers. The first chapter of this thesis the design of the proposed design and verification programme, two, three, four chapters for system design.KEY WORDS: Water tower water level, sensors, PLC,CD7448，555目 录摘 要IABSTRACTII前 言1第1章方案论证与总体设计211 论文的设计思路21. 2 基本框图的设计方案与论证2第2章 传感器与测量技术42.1传感器的定义与组成42.2压阻式传感器4第3章水塔水位的PLC控制73.1 PLC可编程序控制器的概述73.2 三菱F1系列PLC的型号及可靠性设计83.3 水塔水位的PLC电气设计原理133.3.1 水位自动控制装置的技术指标及设计要求：133.3.2水塔水位的PLC系统设计133.3.3 水位控制的电机控制部分193.4 数码显示部分20第4章 音频脉冲的形成及报警234.1555构成的多谐振荡器234.2 用555构成的成的音频报警电路24结 束 语26致 谢27参 考 文 献28附录一：PLC指令代码29附录二：MPM416W/426W型投入式液位变送器33附录三：三菱F1系列PLC技术指标35前 言大多直接采用继电器控制生产设备，这样的系统设计花费的时间不但很多，而且系统的维护和变更都很不方便。而在社会发展的今天，控制系统的结构越来越复杂，功能越来随着科学的不断发展，社会在不断进步，人们的生活水平也在不断提高。从远古的石器时代到上个世纪的机械时代，经历了无数的风吹雨打。而在二十一世纪的今天，社会生产也正由标志性的机械化设备向程控设备过度。由于程控技术在处理和传输信息方面的各种优点，使程控技术的使用已渗透到人类生活的各个领域。因此，如何对程控系统设计也便成为自动控制系统设计领域研究的热点课题。 现代的控制系统设计越来越趋近于自动化、智能化。所以，用继电器来研究设计系统，很难满足于生产的要求。因此，我们需要找到新的设计方法来进行控制系统设计，以提高控制系统的设计效率。可编程序控制器（Programmable Controller,PC or PLC）的出现满足了人们对现代控制系统设计的要求。PLC随着微电子技术和计算机技术的发展而迅速发展，现代可编程序控制器实际上是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术与自动控制技术结合的产物。本文详细介绍了基于PLC的自动控制系统的设计方法。利用基于PLC的系统设计方法，设计者只需对系统功能进行描述，就可在PLC的帮助下完成系统设计。这样大幅度度地缩短了设计和开发时间，降低了成本，提高了系统的可靠性。在本文的第三章详细的介绍了基于PLC的自动控制系统的设计实利水塔水位自动控制系统。在设计中我们可以看到，在整个系统的功能设计中，设计者只需对相应PLC程序进行设计，PLC输出端口所输出的信号直接送至接触器或者相应放大、译码环节进行控制系统的设备动作。这种设计方法在很大程度上简化了设计工作，大大提高了设计效率。高速发展的可编程逻辑器件为自动控制技术的不断进步奠定了坚实的物理基础。以大规模可编程序控制器物质基础的自动控制技术打破了软硬件之间的界限，使硬件系统软件化，这已经成为现代电子设计技术的发展主流。第1章 方案论证与总体设计11 论文的设计思路对本设计的主要思路如图1-1所示，水塔装置传感器装置控 制 装 置控 制 电 机显示设备报警设备图1-1 基本设计思想系统基本设计思想是：由传感器检测出水塔系统水位高度h，送入控制装置中进行信号处理，结果分别送至电机控制设备、显示设备和报警设备，并控制其工作。1. 2 基本框图的设计方案与论证1、系统检测装置的设计方案：方案一：如图1-2 所示，该系统是传统的浮子开关式水位检测控制原理示意图。当Q2输出使水位h下降时，水面浮子随水位下降，带动转轴顺时针转动。同时使连在转轴上的阀门打开Q1向水池中补水。当水位h上升至某一高度时，浮子也随着上升并推动转轴向逆时针转动使阀门关闭，Q1停止供水。但是这种浮子式控制系统采用机械结构，维护起来不方便，而且也难于实现显示和报警的控制。故这里不宜采用这种控制方式来对所给出的任务进行设计。方案二：根据题目要求可以用压阻式传感器，也可以用超声波传感器来实现对当前水位的检测。超声波传感器是一种正在发展中的新型技术，其运用条件还不成熟。超声波传感器的入射角、折射角和反射角的参数难以计算，价格也较为昂贵，所以我们这里不选用其作为系统的检测装置。压阻式传感器主要是利用水压来检测当前水位高度h，它的主要功能是将检测到的水位信号h转换成电压信号。在价格与性能上比较适合我们的设计要求，所以我们在本设计中采用这种类型的传感器作为水塔系统的水位检测装置。2、系统控制装置的设计方案：方案一：使用一般集成电路实现系统的控制过程。利用专用的数据比较集成电路实现对传感器输出的电压信号与现行值的比较处理，一部分实现对电机的控制，另一部分将比较结果按照一定的比例完成对电压信号到水位高度h的转换，实现对当前水位的数码监视。但这种控制方式的可靠性与灵活性比较低，具体电路实现起来也比较困难。故不能采用这种控制方式来实现本设计的要求。方案二：基于可编程序控制器PLC的水位自动控制装置，如图1-3所示。图1-3 基于PLC的水塔水位自动控制装置框图该系统由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、音频报警模块和电机控制模块五部分组成。控制装置功能主要在上图中的PLC模块中实现。PLC模块主要由扩展接口和基本单元两部分组成，由传感器输出的电压信号由扩展接口进行A/D转换后送入基本单元进行数据还原和数据比较处理，分别输出控制数码显示模块、控制电机模块和报警模块，使其工作而完成设计要求。本设计系统结构简单，维护方便，工作可靠，性价比优良。因而，我们采用此方案对水位系统进行设计。该系统在满足了水位自动控制的同时，实现了水塔水位的智能化。在后面的章节中，我们将对以上各个模块分别在以后章节进行逐一介绍。第2章 传感器与测量技术2.1 传感器的定义与组成传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。组成框图见图2-1。敏感元件转换元件转换电路图2-1 传感器的组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入抟换成电路参量。转换电路：一般是指能把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换的电路选择要视传感元件的类型而定，常用的电路有弱信号放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器等。2.2 压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。2.2.1 基本工作原理 根据式 （2-1） 式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为 (22)式中为沿某晶向的压阻系数，为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料， , ，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数 (12)大很多。可近似认为。 当硅膜比较薄时，可以略去沿硅膜厚度方向应力，三维向量就简化成了一个二维向量，任何一个膜上的电阻在应力作用下的电阻相对变化为：(23)式中纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力 横向应力2.2.2 温度误差及其补偿 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。压阻式传感器的电阻值及灵敏系数随温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移。 压阻式传感器一般扩散四个电阻，并接入电桥。当四个扩散电阻阻值相等或相差不大，温度系数也一样，则电桥零漂和灵敏度漂移会很小，但工艺上很难实现。电桥的电源回路中串联的二极管是补偿灵敏度温漂的。二极管的PN结压降为负温度特性，温度每升高1，正向压降减小1.92.4mV。若电源采用恒压源，电桥电压随温度升高而提高，以补偿灵敏度下降。所串联二极管数，依实测结果而定。2.2.4 MPM426W型投入式液位变送器 如图2.3所示，MPM426W型投入式液位变送器是麦克公司的物位测量产品。它通过压阻式压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流(或电压)信号输出，建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的测量。 MPM426W为一体化结构，传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，无需外部调校。传感器其他性能指标见附录二。 MPM426W用途该产品由高性能扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件、精度高、体积小、使用方便，直接投入水中，可以测量出变送器末端到液面的液位高度。在本设计中，我们选用MPM426W010mO12F22Yi 其中 MPM426W：表示麦克传感器公司生产的传感器的系列型号； 010mO：表示传感器测量水位的量程为010m ； 12 ：表示电缆线的长度； F ：表示输出电压为15VDC； 22 ：表示结构材料，其隔离膜片为316L不锈钢，接口为不锈钢，壳体为不锈钢； Y 、i、：表示附加功能的代号：Y表示接线盒，i本安防爆型iaCT6, 表示M20×1.5外螺纹接口； 通过以上数据可以计算出传感器在各个参考水位时输出的电压：当水位为下限水位2m时，传感器输出电压=1.8V；当水位为上限水位6m时，输出电压为3.4V；当水位为警告水位1m时，输出电压为1.4V；当水位为警告水位7m时，输出电压为3.8V。第3章 水塔水位的PLC控制及数码显示部分设计3.1 PLC可编程序控制器的概述1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。我国市场上流行的有如下几家PLC产品: (1) 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momen tum等产品;(2) 罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品;(3) 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品; (4) GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。 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，这是它能持久的占有市场的根本原因。 3.1.1 PLC的分类PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为: * 微型PLC: 32 I/O* 小型PLC: 256 I/O * 中型PLC: 1024 I/O * 大型PLC: 4096 I/O * 巨型PLC: 8195 I/O 3.1.2 PLC的功能描述为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提供了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。 3.2 三菱F1系列PLC的型号及可靠性设计3.2.1 F1系列PLC的型号 F1系列PLC的基本单元和扩展单元的型号，由字母和数字组成，形式如下：312F1 其中：F1为三菱公司PLC系列型号 表示输入和输出的总点数； 表示本单元的种类：M基本单元，E扩展单元； 表示输出方式：R继电器输出，T晶体管输出，S可控硅输出。 例如 F140MR表示是F1系列PLC的基本单元，I/O总点数为40点，采用继电器输出方式。F120ER表示是F1系列的PLC扩展单元，I/O总点数为20点，采用继电器输出方式。F1系列PLC的CPU为8039单片机，F1系列的最大I/O点数为120点，指令的平均执行时间为12us，用户程序存储容量为1000步。其主要技术性能指标有硬件指标和软件指标，见附录三各表中列出。3.2.2 可编程控制器的可靠性设计1、 输入输出配线输入端或输出端接有感性元件时，应在它们两端并联续流二极管（对于直流电路）或阻容电路（对于交流电路），以抑制电路断开时产生电弧对PLC的影响。当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时可能出现错误的输入信号。可以在输入端并联旁路电阻，以减小输入电阻。旁路电阻的阻值R由下式确定： R（/）I/R+（/）式中：I为传感器漏电流，、分别是PLC的额定输入电压和额定电流，是PLC输入电压低电平上限值。2、系统接地设计在实际控制系统中，接地是抑制干扰、使系统可靠工作的主要方法。在设计中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。接地设计有两个基本目的：消除各路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压，避免磁场与电位差的影响，使其不形成环路。如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声偶合。理想的情况是一个系统的所以接地点与大地之间阻抗为零，但这是难以做到的。在实际接地中总存在在连接阻抗和分散电容，所以如果地线不佳或者接地点不当，都会影响接地质量。为保证接地质量，在一般接地过程中要求：接地电阻一般小于4；要保证足够的机械强度；要具有耐腐蚀及防腐处理；在整个工厂中，可编程控制器组成的控制系统要单独设计接地。3.2.4 模拟量输入、输出功能指令在未具体介绍模拟量输入、输出功能之前，先介绍模拟控制单元F26AE的技术特性及扩展配置方案。1、 模拟控制单元F26AE的技术特性与扩展连接F26AE模拟量单元是F1、F2系列的外接扩展单元。他有4路模拟量输入和2路模拟量输出，并且不占用基本单元的I/O点数，它的技术特性见表3-1所示表3-1 模拟控制单元F26AE的技术特性类别模拟输入模拟输出信号类别输入电压：DC05V（内阻200k）输入电压：DC05V输入电流：DC020mA（内阻25）输入电流：0200mA（内阻250）输出电压：DC05V DC010V外部回路电阻：5001M输出电流：DC020mA DC420mA外部回路电阻：0500通道4路通道，各通道可任选输入类型2路通道，各通道可任选输出类型数据形式8位二进制数被送到PLC后，即被处理为0255的3位BCD码通过PLC可以把0255的3位BCD码固定值转变为二进制值隔离方式光电隔离光电隔离精度电压输入：±5（±5/255）V电流输入：±5（±5/255）mA电压输出：±120mV电流输出：±0.24 mA转换速度电压输入：500us/CH电流输入：500us/CH电压输出：300us/CH 电流输出：300us/CH4通道的模拟量输入和2通道的模拟量输出有不同的状态方式，可以根据需要来设定。在连接各个模拟量输入、输出通道时，均可选用I/O电压状态方式和I/O电流状态方式。就某一通道而言，可允许许多信号输入到该点，但是只能采用固定的一种状态方式，即I/O电压状态方式或I/O电流状态方式。在F26AE模拟量单元中模拟信号和数字信号之间采用了光电耦合器加以隔离，而在模拟信号的各个通道之间是没有隔离的。F1系列PLC允许扩展F26AE的连接方式如图3.1所示。 图 3.1 模拟量单元的允许配置2、 模拟量输入模块的主要技术性能模拟量转换为二进制数字量时会发生量化误差，存在着分辨率问题。显然，误差的大小取决于转换后数字量的位数，所以分辨率通常用二进制数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/=1/256的增量作出反应，分辨率为12位，表示它对满量程的1/=1/4096的增量作出反应。所以，又可用二进制数字量最低位具有的权值来表示分辨率。如8位、10位、12位等的分辨率又可表示为1/256、1/1024、1/4096。例:本文所测试的水位信号，传感器测量范围为110m，经压阻式压力传感器将其变换成一个电压信号，相应变化范围为15V，连接到三个不同的模拟量输入模块的接线端。若这三个模块采用的模数转换位数分别为8位、10位、12位，它们的温度、电压分辨率分别为多少？解：温度、电压、数据之间的关系如下表：水位(米)电压（V DC）数据（8位）数据（10位）数据（12位）1101502550102304095当采用8位的模拟量输入模块进行A/D转换时： 水位分辨率=（10-1）/255 =0.035（m） 电压分辨率=（5-1）/255 =0.0157（V）=15.7（mV）当采用10位模拟量输入模块进行A/D转换时： 水位分辨率=（10-1）/1023 =0.009（m） 电压分辨率=（5-1）/1023 =0.0039（V）=3.9（mV）当采用12位模拟量输入模块进行A/D转换时：水位分辨率=（10-1）/4095 =0.002（m） 电压分辨率=（5-1）/4095 =0.98（mV）可见，以上器件的测量误差较小。因此，用F1系列的PLC已经能够满足系统控制的需要。3、 模拟量输入、输出功能指令 F670 K85：该指令的功能是从模拟量单元中读取数据，其用法如图3.2所示。其中F671 K后用于设定模拟量输入通道，图3.2中412分别为：“4”表示接主机400号扩展口，“1”表示A/D转换，“2”表示第2号模入通道；F672 K后用于设定存A/D转换后数字的数据寄存器号。当该指令执行时，连接到基本单元400号扩展口的模拟量单元的第2号通道的模拟量输入信号在模拟量单元内部被转换成8位二进制数，而后利用这条指令把它转换成0255的BCD码数据，存储在数据寄存器D730中。 当模拟量单元的通道号设定错误，或者数据寄存器设定不正确，该指令则不被执行，并且接错误标志位M570。 F670 K86：该指令用于数据寄存器中的数据传送到模拟量单元，其用法如图3.3所示。图3.3中，F671 K后用于设定数据寄存器号，F672 K后用于设定模拟量输出通道。图3.3中400分别表示：“4”为接主机400号扩展口，中间一个“0”表示D/A转换，后一个“0”表示第0号输出通道；当该指令执行时，数据执行时，数据寄存器D700中的内容被转换成二进制数值传送到模拟量单元，而后模拟量单元内转换成模拟量通过第0号通道输出。当D700中的数值超过255时，均当作255处理，并将其转换成模拟量值输出；如果模拟输出通道设定错误，则该指令不执行。 图3.2 模拟量输入梯形图 图3.3 模拟量输出梯形图程序：程序：LD M200LD M200 OUT F671OUT F671 K 412K 700 OUT F672OUT F672 K 730K 400 OUT F670OUT F670 K 85K 863.3 水塔水位的PLC电气设计原理3.3.1 水位自动控制装置的技术指标及设计要求：（1） 水位自动控制在一定范围内（如2 6米），当水位低至2米时使电机M1启动，带动水泵上水；当水位升至6米时，使电机M1停转。（2） 因特殊情况水位超限（如高至7米、低至1米）报警器报警，并且当水位高于7m时，电机M3启动并向水塔外抽水，水位降至6m时M3停转；当水位低于1m时，电机M2启动并带动水泵向水塔内补水，水位升至6m时，M2停转。 （3） 设手动按键，便于随机控制。 （4） 由数码管直观显示当前水位。在上一章中，讲述了传感器的相关知识。在这里，我们选用传感器的型号为MPM426W010mO12F22Yi的压阻式压力投入液位传感器。它测量水的深度范围是010米，输出电压为15V。这里，我们就将传感器输出的电压信号传送至PLC的模拟控制单元F26AE的第2号模入通道进行A/D转换，送入型号为F140MRES的PLC进行数据的比较和处理，使其输出实现对水泵的自动控制和水塔水位的监视。3.3.2 水塔水位的PLC系统设计如图3.4所示电路，由传感器检测到的水位经转换输出的电压信号传送至PLC的模拟控制单元F26AE的第2号模入通道进行A/D转换，送入型号为F140MRES 的PLC的400通道，进入PLC进行数据比较、转换由Y430输出接KM1继电器后，控制水泵M1抽水工作；Y431输出接继电器KM2，控制水泵M2进行补水工作；Y432输出接继电器KM3，控制水泵M3出水工作；Y433输出至继电器KM4，控制风鸣器报警工作。而同时Y434Y537输出三个BCD代码至3个7448译码器进行译码输出，译码输出至数码管显示。BCD译码显示部分，后面章节将介绍。这里我们经过计算得到了设计需要几个参考点(水位h)到相应BCD值的转换. 其中：1m 71.4； 2m 91.8；6m 173；7m 194。这样,方便了我们对PLC的软件编程。 图 3.4 水塔水位的PLC控制系统下面写出了PLC控制电路的梯形图程序：程序一：模拟量的输入和PLC对电机的控制：程序二：水位显示部分 另外，PLC控制系统的指令代码参见附录一。3.3.3 水位控制的电机控制部分图3.5即为 PLC输出后对水泵控制的电气连接图。 图 3.5 电机的电气连接图图中QS为控制总开关，FU为过流保护；FR为过热过载保护，保证电机的正常运行。接触器KM1由PLC输出口Y430输出信号控制，通过KM1控制电机M1给水塔上水；接触器KM2由PLC输出口Y431输出信号控制，通过KM2控制电机M2在特殊情况下（水位低于1米）时，给水塔补水；而接触器KM3由PLC输出口Y432输出信号控制，通过KM3控制电机M3在特殊情况下（水位高于7米）时，从水塔内往外抽水直到水位低至6米。通过对该电气系统的控制，而完成对水塔水位的控制。3.4 数码显示部分3.4.1 七段字符显示器为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，目前广泛使用了七段字符显示器，或称做七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。图3.6是半导体数码管BS201A的外形图和等效电路图。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管（Light Emitting Diode,简称LED），因而也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。发光二极管使用的材料的普通的硅二极管和锗二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，而且半导体中的杂质的浓度很高。当外加正向电压时，大量电子和空穴在扩散过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定波长的可见光。（a） (b) 图 3.6 半导体数码管BS201A（a）外形图（b）等效电路琳砷化镓发光二极管发出光线的波长与磷和砷的比例有关，含磷的比例越大波长越短，同时发光效率也随之降低。目前生产的磷砷化镓发光二极管（如BS201、BS211等）发出光线的波长在6500A°左右，呈橙红色。在BS201等一些数码管中还在右下角处增设了一个小数点，形成了所谓八段数码管，如图3.6（a）所示。此外，由图3.6（b）的等效电路可见，BS201A的八段发光二极管的阴极是做在一起的，属于共阴极类型。为了增加使用的灵活性，同一规格的数码管一般都具有共阴极和共阳极两种类型可选用。 半导体数码管不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应时间短（一般不超过0.1us），亮度也比较高。它的缺点是工作电流比较大，每一段的工作电流在10mA左右。3.4.2 LED数码管的驱动由前面图3.4所示,讲述了由可编程序控制器F140MRES处理后Y434Y457输出端口送出的是BCD代码，而经过显示译码器CD7448译码后即可得到显示数码管字符的驱动信号。最后由数码管所显示的数据即为本课程所要求得到的水塔水位值。半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。为此，就需要用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要驱动的信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。用CD7448可以直接驱动共阴极的半导体数码官。7448的内部输出电路是由NPN型三极管集电极输出，在其集电极上接有2K的上拉电阻。当输出管截止、输出为高电平时，流过发光二极管的电流是由VCC经2K上拉电阻提供的。当VCC=5V时，这个电流只有2mA左右。如果数码管需要的电流大于这个数值时，则应在2K电阻上再并联适当的电阻。图3.7给出了用7448驱动BS201A半导体数码管的连接方法。图中，CD7448的A0、A1、A2、A3为数据输入端，可直接接PLC输出端口Y434Y457送出的BCD代码，在7448内部进行逻辑处理，由YaYg输出驱动半导体数码管显示。为等测试输入端，当=0的信号输入时，其输出YaYg全部为高电平，被驱动数码管的七段同时点亮，以检查该数码管各段能否正常发光，平时应置为=1。 图 3.7 用CD7448驱动BS201A的连接方法灭零输入端，设置灭零输入信号的目的是为了能把不希望显示的零熄灭。例如有一个8位显示的数码显示电路，整数部分为5位，小数部分为3位，在显示13.7这个数时，将呈现00013.700字样。如果将前、后多余的零熄灭，则显示的结果更加醒目。 显然，由以上3个（图3.7）电路便可组成本文所要设计的水位自动控制装置的数码显示部分。此电路可直观清晰地显示出水塔当前水位情况，以实现水塔水位的实时监控而达到设计目的。第4章 音频脉冲的形成及报警电路设计在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、音频脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。这里，我们根据需要主要讲述音频信号的产生及对蜂鸣器的控制。555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。4.1 555构成的多谐振荡器多谐振荡器产生矩形脉冲波的自激振荡器。多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。1. 电路组成及工作原理图4.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器2. 振荡频率的估算（1）电容充电时间T1。电容充电时，时间常数1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=，终了值vC（）=VCC，转换值vC（T1）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：（2） 电容放电时间T2电容放电时，时间常数2=R2C，起始值vC（0+）=，终了值vC（）=0，转换值vC（T2）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：（3）电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率f （5）输出波形占空比q定义：q =T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。 4.2 用555构成的成的音频报警电路图4.2 是用555构成的音频振荡电路，其多谐振荡频率是设定值为1020KHz，输出推动扬声器发音。由前面图3.4中可见，当F140MRES型号的PLC输出端口Y433输出信号使接触开关KM4得电接通时，开关闭合，555的复位端（4脚）电位升高至VCC， 多谐振荡器产生高频振荡，由3脚输出，经电容C2耦合至扬声器发出声音报警。在KM4得电接通同时，电流经R3至发光二极管LED发光报警。当接触开关KM4失电开关断开时，555多谐振荡器的复位端（4脚）复位多谐振荡停止工作，扬声器停止发生报警。同时因555的复位端（4脚）复位，发光二极管LED无电流通过而熄灭。图4.2 用555构成的音频振荡器电路到这里，整个水位控制系统的理论设计工作已经基本完成。从开始的传感器测量水位的高度，经过A/D转换由PLC处理后到控制电机的运行、数码管的水位显示及其这里的报警驱动装置。整个系统的设计流程中，我学会了设计的一些基本的设计理念和基本设计步骤及设计方法。对所学专业得到了更进一步的认识，知识面有了更丰富的拓展。总电路图呢？！结 束 语通过此次毕业设计，我对基于PLC的自动控制技术的基本知识、低压电气设备控制技术、传感器以及模拟和数字电子技术的相关知识都有了进一步的了解。尤其第三、四章的实例设计过程使我受益匪浅，首先掌握了利用PLC对自动控制系统设计的基本方法，熟悉了程序化的系统功能设计概念；然后巩固了脉冲的产生及整形的相关知识。在其中，我学到了解决问题的方法，锻炼了我解决问题的能力。现代自动控制系统的功能越来越完善化，对系统性能的要求也越来越高，而传统的继电器控制设计系统特点是速度慢、运作和维护都很不方便，设计花费的时间较多，因而，此传统的设计方案已经无法适应现代控制系统的要求了。现代控制系统需要一种全新的设计方法来适应现代控制理