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1、-毕业设计（论文）-机电控制综合实验装置设计-第 20 页摘 要 机电控制系统涉及到了机械设计、机械制造、自动控制和机械传动等多门课程的知识，这些知识也是机电产品设计的基础。尽管在学习机电控制系统之前，这些课程的教学环节已完成，但在具体一个机电系统中某个专题知识的回顾和加深是有必要的，本课题研究的是机电控制综合实验装置的结构设计，检测系统、驱动系统及控制系统设计，还要设计实验内容。该装置里面包含了集成了机械、电气传动、气动等技术。我们要了解各种技术的原理和使用方法，同时为机电系统综合性的实验和设计奠定基础。该实验装置采用模块化结构，可以完成机电控制专题性和综合性两大系列实验，实验过程采用演示性
2、及设计性相结合的方法，可以较好地满足机电控制装置的综合性和设计性的实验要求。同时，综合性实验可以让学生全面巩固理论知识、提高基本操作技能、强化学生创新能力的桥梁，是培养机械工程专业人才不可或缺的教学环节。关键词：机电控制；综合装置；模块化；多样化AbstractElectromechanical control system involved the knowledge of many courses, such as mechanical design, mechanical manufacturing, automatic control and mechanical transmissi
3、on. This knowledge is the basis of mechanical electric product design. Before learning electromechanical control system, the teaching of these courses has been completed, but it is necessary to review and deepen the knowledge of a particular subject in a specific mechanical and electrical systems. T
4、his research project investigates the design of the electromechanical control integrated experimental device structure, detection system, drive system and the design of control system, and designs the experiment content. The device contains integrated machine, electromechanical transmission and pneu
5、matic technology. We need to understand the principles and usages of a variety of techniques, as well as lay the foundation for comprehensive experiment and design of electromechanical systems. The experimental device adopts modular structure, which can complete topicality and integrity two series o
6、f experiments of electromechanical control. The experiment combines the method of demonstration and design, which can meet the experimental requirements of integrity and design of electromechanical control device. Meanwhile, comprehensive experiment allows students to fully consolidate the theoretic
7、al knowledge and to improve basic skills, to strengthen the bridge of the students creative ability, which is an integral part for training the mechanical engineering professionals.Key words: Electromechanical control; integrated device; modularity; diversify引言 机电控制技术是在机械工程和电子工程技术的基础上发展起来，由机械结合微电子技术
8、、信息技术、传感器技术等而形成的一门新的学科。机电控制给传统的机械产业带来了根本性的变革和巨大的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生了深刻的变化，社会对机械电子工程专业化的人才需求很大大，为此许多院校设置了相关的专业课程。相对于本科的教学而言，要培养学生成为机电控制实用型人才，除了设置机械设计与制造、传感器技术与应用、微电子技术、自动控制、电力电子与应用等专业知识的课程以外，也设置了机电控制系统综合性课程，用于培养学生对机械电子工程产品的设计能力。从各大高校实际情况来看，机械类课程和电类课程的基础实验相对比较完善，而机电结合的机电控制综合实验教学则要相对薄弱很多，缺乏具有机电控制特色的实验
9、教学装置和实验教学体系，这不利于学生的应变能力和创新能力的培养。为此本课题对机电控制综合实验的实验教学内容深入研究，研制了一套相应的机电控制综合实验装置，编写了实验指导书，能更好地满足机电控制实验教学的需要。1 机电控制综合实验装置介绍1.1 机电控制综合实验装置的设计由来 国外如美国、澳大利亚等大学都早已开设了机电综合实验，国内高校机电类专业课程的开设比较普遍，但相关实验的开设并不令人满意。各大高校都意识到了机电控制实验对专业课程教学的重要性，也开展了一系列的研究，但真正应用的不是很多。这主要有二个方面的原因，一方面高校教师偏重于机电类实验教学的理论研究，真正着手实验平台开发的不多；另一方面
10、教学仪器生产企业把一些机电类产品小型化而成为机电类实验平台，其平台可以作为实验设备，但往往缺乏系统的实验方法和实验过程指导。 同时设计性实验的设置也不够合理。机构设计不考虑其结构，而零部件设计又没有和机构设计联系起来，使大多数学生对本专业课程没有统一的认识，且不利于对学生综合能力的培养。为此，我们以创新设计为根本，以从整体上提高和优化学生的知识、能力及素质，特别是设计思想、设计方法与创新思维能力为目的，设计出本套综合实验装置。1.2 机电综合实验装置的概述 本实验装置可为机械电子工程专业学生做出多项实验，很大一方面丰富了机电控制课程的实验手段和内容。更为重要的是，这套实验装置的设计理念具有很大
11、的开放性，同时允许学生根据学校提供的软、硬件设施自行设计和组合实验项目，大大提高了实验装置的教学潜力，并增强了学生对实验的兴趣和求知的欲望。该设计具有很强的代表性，综合了本专业课程的主要内容，且涉及到了学生以前所学的一些基础知识。我们通过融入新知识和新方法，使两门课程设计结合起来，给学生一个进行系统设计的概念、思路和方法，从而提高学生的综合设计能力。2 机电控制综合实验装置论述2.1 以往机电控制综合实验装置的不足 机电综合实验装置有很强的综合性和通用行，在同一个实验装置上，可以做出几门课程相关的实验。综合实验装置以模块为单位，组合灵活，线路比较简单，实验效率会大大的提高，并且集成化的综合实验
12、装置还可以有效充分地利用实验空间，但是，经过长期以来的实验，也发现了一些问题。 (1)由于综合实验装置有些模块的线路已经连接好，做实验时不需要大量连线，只需要进行局部插线连接即可，虽然学生可以很容易地完成实验，但学生对实验线路的原理缺乏整体性的认识，对电路的完整性、系统性没有很好的理解，所以实验的效果往往不太理想，大家都是根据实验说明书的步骤做，很少思考为什么。 (2)实验内容多为验证性的，设计性、综合性的实验项目所占比例很小，研究性的实验则更少，所以，这些装置只能做一些单元性的、简单的。验证性的实验，缺少有关渗透、扩展相关知识点的设计性、综合性的实验项目。2.2 提高实验效果所采用的方法(1
13、)采用分层次的实验结构 为了充分发挥机电类综合实验装置功能，我们根据其特点，把实验项目分为三个层次。第一层次是以验证型为主的基础实验，主要使学生掌握器件的识别与使用及仪器的基本使用方法，使学生所学理论与实际相结合起来，对装置有个初步概念。第二层是以设计的论证性实验为主，学生首先对实验所要求的性能指标进行分析，然后选择设计方案，挑选不同电路模块、器件、组合、调试电路，完成设计任务。第三层次为研究性的综合型实验项目，在前面实验的基础上，在教师的指导下，学生可以参与完成一半科研设计任务，以培养学生的科研和实践创新能力。 (2)重新编写分层次结构的实验指导书 大多综合实验装置都随机提供使用说明书，多数
14、只适应与其电路模块相对应的简单实验，所以，我们在分析、掌握综合实验装置全部功能的基础上，根据教学大纲要求，结合教学进程以及实验所需时间，重新设置了关于机电方面较为经典的实验作为实验内容，编写实验指导书。我们所编写的实验指导书体现了分层次的实验的指导思想，包括基础性实验、设计性实验和综合性实验项目。2.3 机电综合实验装置的优点优化组合基础实验，大部分实验是与每一模块电路为单位来设置实验项目，每个实验项目都包括了一个相对独立的知识点，实验项目分得比较细碎、凌乱、缺乏系统性，不能做到一装置多项使用的特点。所以，这次我根据任务要求，打乱了说明书上实验项目的原有顺序，进行了优化组合。与交通灯实验为例提
15、供了输出部分，大家可以根据实验所需的要求运用51系列单片机编写同时也可以运用PLC程序编写，这个可以为论证所写程序是否正确提供了平台，从而提高了实验效果。我们通过融入新知识和新方法，使两门课程设计结合起来，给学生一个进行系统设计的概念、思路和方法，从而提高学生的综合设计能力，锻炼了学生的课题调研能力，对工程问题的分析能力；方案论证能力；工程问题的解决能力，包括机械设计、机械加工、软硬件设计等；调试能力，包括基本设备使用、调试方法和技巧等；团队协作能力，综合实验一般是组为单位进行；承受挫折、勇于创新的精神。2.4 机电控制综合实验装置的专题实验 （1）直流稳压电源； （2）单片机开发板； （3）
16、交通灯； （4）单双作用气动直接控制； （5）机电传动； （6）负反馈放大器； （7）测速模块。3 直流稳压电源3.1 概述当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备的正常工作都离不开一个共同的电路电源电路。电源分两种：一种是交流电源（AC即Alternating Current），另一种是直流电源（DC即Direct Current）。日常所用的电子设备基本都是由集成电路和辅助电子元件(如二极管、电容、电阻等)组成的电子线路，这些线路的正常工作都是要求有电压稳定的直流电源供电的。如果直接采用干电池作为电源，由于干电池容量有限，则需要频繁地更换电池造成资金上和人力的浪费。我们
17、日常所用的电源均为AC220V。如何将AC220V电源变换为可以用的直流电源呢？将交流电变换成直流电，并提供稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有着十分重要的地位。小功率稳压电源的组成主要是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四个部分组成。电源变压器就是将交流电网220伏的电压变为电路所需要的电压值，然后通过整流电路将转变好的交流电压变成脉动的直流电压。然后由于脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须要通过滤波电路才能滤除，从而得到平滑的直流电压。但是这样的电压还随电网电压的波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。所以在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路
18、。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。3.2 基本原理与分析3.2.1直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源是由电源变压器T、整流、滤波电路和稳压电路所组成，基本框图3-1如下。各部分的作用： (1)电源变压器T的作用是将交流电压220V的变换成整流滤波电路所需的交流电压U。变压器副边与原边的功率之比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。 (2)整流滤波电路：整流电路是将交流电压U变换成脉动的直流电压。再经过滤波电路滤除较大的纹波成分，这样就可以输出纹波较小的直流电压U1。常见的整流滤波电路有全波整流滤波和桥式整流滤波等。各滤波电容C满足RL-C（3-5）T
19、/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。图3-1 原理框图(3)三端集成稳压器：如图3-2所示，LM317的输入最大的电压为30多伏，输出电压1.5-32V。电流1.5A。不过在用的时候一定要注意功耗问题，还有注意散热问题。LM317有三个引脚，一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压，输出引脚接负载，电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地，输入和输出引脚对地要接滤波电容。图3-2 LM317应用电路3.3 实验目的(1)学习掌握基本理论在实践中综合运用的初步经验，学会运用模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设
20、计与调试能力。 (2)学会直流稳压电源的设计方法和性能指标的测试方法。 (3)培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。3.4 实验任务及要求(1)设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求： 输出电压可调：Uo=+9V； 最大输出电流：Iomax300mA； 根据参数选择调整管，滤波电容，整流二极管交流输入电压及Vi。(2)设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数。 (3)自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。 (4)批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。 (5)了解LM317稳压器的性能。3.5 组成及功能说明
21、(1)交流电源变压器把220V电降压成为9V，其峰值电压为12V，考虑到电网电压可能有10%的上下波动，实际的电压范围则为6V12V之间。 (2)由于整流二极管在大电流时的正向压降大约是1V，对9V交流电压进行桥式整流后的直流脉动电压峰值的最小值为9.45V左右，再经电解电容滤波后得到9V左右带有交流纹波成分的直流电压，正好可以满足LM317系列线性稳压器对3V的最小失稳电压的要求，并留有少许余量以保证其工作可靠同时提高电源转换效率减小发热，经过LM317稳压后成为稳定的6V直流的电压源，1000F的铝电解电容和1F的电解电容或独石电容作为输出电容起到进一步减小交流纹波和抑制线性稳压器自激振荡
22、的作用。 (3)此电源的最大输出电流为300mA，最大输出功率为6W，满足题目中提出的使用要求，其满负载时交流纹波电压约几毫伏，小电流的输出时交流纹波电压在微伏级。在电网电压向上波动10%时，线性稳压器上会出现5W的最大满载耗散功率，如果在7806上安装散热片可以减小发热，从而避免损坏。4 单片机开发板4.1 单片机实验板开发简介在电子技术的应用领域中，单片机的应用越来越多地应用到各行各业。如：工业控制、电子技术、办公自动化、仪器仪表和计算机的外部设备、汽车和节能、家用电器、商用产品等。目前，单片机正朝着大容量片上的存储器、多功能I/O接口、宽范围工作的电源和低功耗的方向发展进行。想要开发单片
23、机的应用，不但要了解单片机软、硬件方面的知识，而且还应该是要深入了解到各应用系统的专业知识，只要能将这些方面的知识结合起来并融会贯通，这样才能很好的设计出优良的应用系统。一个良好的工程设计师不仅要掌握单片机工程，而且还不断地了解各公司的最新芯片架构和应用，在实际应用中找到最佳的性能价格比。因此，学生一定要注意新的知识和自学能力，掌握动态开发的芯片。各大高校实验室是用于培养高层次人才，开展科学研究和技术的基地。在西方国家，学校对培养学生的能力是非常注重的，所以近年来，受到了我国教育工作者越来越广泛的关注。为了提高在校大学生的动手能力，让学生做相关的培训和完成的单片机相关的实验报告，侧重于实践技能
24、和实践能力。学生从单片机的实验可以总结了很多的经验，以适应当代社会发展。4.2 单片机的特点及应用4.2.1单片机的特点单片机作为微型计算机的一个分支，与一般的微型计算机没有本质的区别，同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力等特点。但单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，它与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上均有独到之处，主要特点有：(1)目前大多数单片机采用哈佛结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相对独立的。RPM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这是因为考虑单片机主要用于控制系统中，面向测控对象，通常有大量的
25、控制程序和较少的随机数据，需要较大的程序存储器空间，把开发的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度，同时程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。(2)I/O引脚通常是多功能的，由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于哪种功能可由指令来设置或由机器状态来区分。(3)有面向控制的指令系统。为满足控制的需要，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作以及位处理指令。所以，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有
26、很强的位处理能力。(4)外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展，如扩展存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等，可与许多通用的微机接口芯片兼容，系统设计方便灵活。4.2.2单片机的主要应用领域单片机具有功能强、体积小、成本低 、功耗小、配置灵活等特点，使其在工业控制、只能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。(1)工业测控：对工业设备(如机床、汽车、高档中西餐厨具、锅炉、供水系统、生产自动化、自动报警系统、卫星信号接收等)进行既能测控，大大降低了劳动强度和生产成本，提高了产品质量的稳定性
27、。(2)只能设备：用单片机改造普遍仪器、仪表、读卡机等使其技能化、微型化、如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。(3)家用电器：如高档的洗衣机、空调器、电冰箱、微波炉、彩电、DVD、音响、手机、高档电子玩具等。用单片机做自动控制。(4)商品产品：如自动售货机、电子收款机、电子秤等。(5)网络与通信的智能接口：在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。4.3 下载器ISP技术的应用 单片机系统传统的编程方式是将单片机先从电路板上取下来，放入专用的编程器进行编程，再放到电路板上进行调试。它的缺点是频繁的拔插器件很容易损坏器
28、件的引脚；如果要频繁的调试程序，就必须重复拔插，从而大大降低了开发效率。ISP技术是未来的发展方向，其优势是不需要编程器就可进行单片机的实验和开发，单片机器件就可直接焊接到电路板上，调试结束后即为成品，免去了调试时由于频繁插入取出而造成对器件和电路板的损坏和安装带来的不便。ISP可以降低研发成本；缩短了从设计、制造到现场调试的时间的过程，简化了生产流程，大大提高工作效率；在试验新品或学生试验时常需要用不同的程序调试器件的场合中，在线编程技术就显得尤为重要。4.4 单片机实验板的构成及基本功能单片机实验板，它由AT89S51、步进电机、流水灯、键盘及显示器所组成。其中AT89S51 芯片片内25
29、6个RAM单元，8个7段数码管显示器、液晶显示器和8个按键作为输入。步进电机可以实现正反转功能。在实验板上可以编写键盘扫描程序、显示程序、时间设置很定时程序、你可以从键盘上输入两个加数或减数显示结果程序、位变量的逻辑运算程序和串行口与PC通讯程序等，也可结合其它实验课程。这种单片机实验报告中的实验板是一个单片机应用系统的硬件电路。有键盘输入和显示输出，在此基础电路上可以通过检查不同的P口或控制对象从而衍生出各种不同的应用来。例如：时间的设定和显示、检测和控制温度、测速等，在此实验板中，编写相应的软件就可以了。同时也对外部各种传感器来进行检测，如：温度、烟雾、水警、门警、红外等，构成监控电路。4
30、.5 设计的原则 开发板系统的扩展和配置的设计应遵循以下原则： (1)选择典型的电路和根据单片机的常规的用法。为硬件系统的标准化，模块化和奠定了良好的基础;(2)系统扩展与外部设备的配置应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的空间进行二次开发;(3)结合硬件结构的应用软件解决方案一并考虑。硬件结构和软件方案会产生相互影响，考虑以下原则：软件的功能可以通过软件来尽可能的实现，以便简化系统的硬件体系结构。但是，必须指出，通过软件实现的硬件功能，一般的反应时间长于的硬件实现，而且会占用CPU时间;(4)相关设备中的系统性能，以尽可能匹配。(5)可靠性和干扰性是硬件设计很重要组成部分，它包括芯片，设
31、备选择，去耦过滤器，印刷电路板布局，通道隔离等;(6)单片机的外围电路比较多，我们必须考虑他们的驱动能力。驱动器容量不足，系统无法正常工作，可通过增强的线驱动器芯片的驱动能力或降低功耗，减少总线负载;(7)尽可能朝“单片”方向设计硬件系统。系统组件越多，器件之间的干扰性越强，低功率消耗也增加，而且还不可避免地减少了系统的稳定性。4.6 其他模块4.6.1LED显示器的结构与原理LED显示器是由发光二极管按一定结构组合起来显示字段的显示器件，也称为数码管。在单片机应用系统中通常使用的是8段式LED数码显示器。它由8个发光二极管构成，通过不同的组合可显示0-9、A-F及小数的“.”等字符。其中7段
32、发光二极管构成7笔的“8”字形，1段组成小数点。 数码管有共阴极和共阳极两种结构。图4-1(a)所示为共阴极结构，8段发光二极管的阴极端连接在一起作为公共端，阳极端分开控制。使用时公共端接地，此时当某个发光二极管的阳极为高电平时，则此发光二极管点亮。图4-1(b)所示为共阳极结构，8段发光二极管的阳极端连接在一起作为公共端，阴极端分开控制。使用时公共端接电源，此时当某个发光二极管的阴极为低电平时，则此发光二极管点亮。 (a)共阴极 （b）共阳极图4-1 共阴共阳LED4.6.2流水灯模块流水灯模块包含8个LED灯，单片机的P0口接1K作为上拉电阻，八个LED的负极依次连接单片机P0口的8个引脚
33、，八个LED的正极依次与10K的排阻的八个端子相连，排阻的公共端连接短路插针的一端，短路插针的另一端与电源相连，因此，若将短路插针用短路帽短路，则八个LED的正极上拉到高电平，LED低电平点亮。4.6.3独立式键盘接口非编码键盘与CPU的连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。独立式按键是指每个按键独占一根I/O接口线，各按键之间相互独立，每根I/O接口线上的按键工作状态都不会影响其他I/O接口线的工作状态。每一个按键独立地占用一条数据线，当某键闭合时，其对应的I/O接口线就被置为高电平。独立式按键的特点是：各按键相互独立，电路配置灵活，软件结构简单；但按键数量较多时，I/O接口线耗费较多，电路
34、结构繁杂。因此适用于按键数量较少的场合。5 PLC控制交通灯5.1 PLC的概述可编程序控制器是计算机家族中的一员，是专为工业控制应用而设计制造的，本应该简称为PC，但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以讲其简称为PLC。国际电工委员会在1987年2月通过了对它的定义：“PLC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（I/O）控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
35、”总而言之，PLC是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的I/O接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。5.2 PLC编程应注意的七大基本原则(1)外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等软元件的触点可重复使用，没有必要特意采用复杂程序结构来减少触点的使用次数。(2)梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在最右边。在继电器控制原理图中，继电器的触点可以放在线圈的右边，但在梯形图中触点不允许放在线圈的右边，如图5-1所示。 图5-1 规则2说明(3)线圈
36、不能直接与左母线相连，也就是说线圈输出作为逻辑结果必须有条件。必要时可以使用一个内部继电器的动断触点或内部特殊继电器来实现，如图5-2所示。 图5-2 规则(3)说明(4)同一编号的线圈在一个程序中使用两次以上称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，这时前面的输出无效，只有最后的输出才有效。但该输出线圈对应触点的动作，要根据该逻辑运算之前的输出状态来判断。如图5-3所示，由于M1双线圈输出，所以，M1输出随最后一个M1输出变化，Y1随第一个M1线圈变化，而Y2随第二个M1输出变化。所以，一般情况下，应尽可能避免双线圈输出。 图5-3 双线圈输出说明(5)梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从
37、左到右，从上到下执行，如不符合顺序执行的电路不能直接编程，例如图5-4所示电路不能直接编程。 图5-4 桥式电路(6)梯形图中串、并联的触点次数没有限制，可以无限制的使用，如图5-5所示。 图5-5 规则(6)说明 (7)两个或两个以上的线圈可以并联输出，如图5-6所示。 图5-6 规则（7）说明5.3 PLC的工作原理5.3.1循环扫描PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图5-7所示。 图5-7 PLC的工作过程PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，
38、扫描周而复始地进行，如图5-8所示。 图5-8 PLC程序执行原理图5.4 交通信号控制系统5.4.1交通信号灯的设计目的以及要求十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。(1)掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作 用和相互制约关系；(2)运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过PLC系统设计、触摸屏模拟、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应
39、用水平；(3)学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法；(4)掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法；(5)在实践中运用理论知识，培养实际动手能力；(6)在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行。在绿灯变红灯时先要求黄灯亮5秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所以要求主干道处于通行状态的时间要长一些。5.4.2十字路口交通灯的控制实际情况a南北主干道：绿灯 34S、绿闪6S、黄灯5S 、红灯45S；b东西主干道：红灯 45S、绿灯34S
40、、绿闪6S、黄灯5S；当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯亮；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯亮。5.4.3结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为： 禁止通行灯 （亮时为红色） 准备禁止通行灯 （亮时为黄色） 直通灯 （亮时为绿色）5.5 译码显示电路5.5.1共阴极数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。6 单双作用气动直接控制6.1 气压传动 以压缩气体为工作介质，靠气体的压力
41、传递动力或信息的流体传动称为气压传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制饭输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而做功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，称为气动控制系统。气压传动包括传动技术和控制技术两个方面的内容。气压传动具有防火、防爆、节能、高效、无污染等优点，在国防工业生产中的得到了广泛应用。6.2 气压传动在工业上的应用 气压传动是以压缩空气作为工作介质来传递运动和动力。由于气压传动的动力传递介质是取之不尽的空气，所以污染小，因此在自动化领域中具有广阔的发展前景。 相比液压传动技术，气压传动技术同样也有很多优点：首先，气压传动以空气为工
42、作介质，工作压力较低（一般在38MPa），工作介质来得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收油的油箱和管道；其次，因空气的粘度很小，其损失也很小（一般损失仅为油路的千分之一），所以便于集中供应、远距离输送，而且其外泄漏不会像液压传动那样，使压力降低明显、污染严重；再次，相对液压传动来说，气压传动动作迅速，反应快、维护简单、工作介质清洁、管道不易堵塞、不存在介质变质及补充等问题；而且，气压传动工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越；另外，气压传动设备成本低、过载能自动保护。 气压传动技术有如此多的优点
43、，气压传动在社会各个工业中也得到了广泛应用，常应用于纺织、机械、汽车、电子、军事、钢铁、化工、食品、包装等行业中。国产气动元件的应用，从价值数千万元的冶金设备到只有几十元的椅子、铁道扳岔、机车轮轨润滑、列车的煞车、街道清扫、特种车间内的起吊设备、军事指挥车等都用上了专门开发的国产气动元件。这些都说明气动技术已“渗透”到各行各业，并且正在日益扩大。 随着原子能、空间技术、计算机技术等的发展，气压传动技术必将更加广泛地应用于各个工业领域，更好的发挥其作用。6.3 气源装置及辅助元件 为了使气动系统具有动力，必须有提供动力的装置。压缩空气由空气压缩机产生，具有一定的压力和流量，同时也含有一定的水分，
44、油分和灰尘。要满足气动系统对空气质量的要求，还必须对压缩空气进行降温、净化和稳压等一系列处理，才能供给控制元件及执行元件使用。 除压缩空气净化设备外，气动元件的润滑，气压信号的放大、延时、转换、显示，气动噪声的消除以及管路的连接等都需要由不同的辅助元件来完成。这些辅助元件是气动系统中的环节之一，同样应给予充分重视。6.4 实验目的(1)单电控换向阀的使用；(2)按钮开关的使用；(3)气缸的直接启动。6.5 实验要求(1)画出气动的和电气的线路图；(2)组成气动的和电气的回路并运行；(3)检查运行过程。6.6 实验说明按下按钮开关，气缸的活塞杆向前伸出。松开按钮开关，活塞杆回复到气缸的末端。6.
45、7 气动回路图6.8 电气控制回路图6.9 解答说明按下按钮开关S1，电磁阀线圈1Y1的回路接通，2位5通电磁换向阀开启，气缸的活塞杆向前运动，直到前端。松开按钮开关S1，电磁阀线圈1Y1的回路断开，2位5通电磁换向阀回到初始位置，活塞杆退回到气缸的末端。7 电动机正反转控制线路和点动控制大多数机床的主轴或进给运动都需要两个方向运行，故要求电动机能够正反转。通过学习电机的基础知识可知，只要把三相交流电动机定子三相绕组任意两相调换，电动机定子相序即可改变，从而电动机就可以改变转动方向了。7.1 电动机正反转线路和点动线路 点动控制线路，当按下SB2正向接触器KM5得电动作，主接触点闭合，形成自锁
46、灯一直亮，当按下SB1断开线路，灯灭，形成了典型的点动控制。如图7-1所示。图7-1 点动控制线路 电动机正反转线路，利用两个接触器KM1和KM2来完成了电动机定子绕组相序的改变，从而实现了对电动机的正反转控制。按下按钮SB2，正向接触器KM1得电动作，主接触点闭合，使电动机正转。按下停止按钮SB1电动机停止。按下按钮SB3，反向接触器KM2得电动作，其主触点闭合，使得电动机定子绕组与正转时相比相序相反，电动机反转。如图7-2所示。图7-2 控制电路7.2 关于电磁式继电器 电磁式继电器通常是由铁芯，线圈，衔铁，触头弹簧和其他配件组成。如果只在一个恒定的电流线圈的两端加上一定的电压，从而产生电
47、磁效应，衔铁将被电磁力吸引力作用，克服拉力，从而驱动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电时，电磁吸力消失，弹簧衔铁的反作用力将返回到原来的位置，从而使可动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合，释放，从而实现在电路中的导通，以及切断的目的。对于继电器的“常开，常闭”触点，可以这样来划分：继电器线圈不通电时处于断开状态的静触点，我们称之为“常开触点”;在通电状态下，我们把静触点称为“常闭触点”。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（也叫输入回路）和被控制系统（也叫输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是使用一个更小的电流去控制较大的电流的一种“自动切换”。继电器在电路中起到的作用是自动调节、安全保护、以弱