电气工程与自动化毕业论文：四位密码锁的PLC控制设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计四位密码锁的 PLC 控制设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要过去工业系统控制基本上是采用继电器控制，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到。而 PLC 的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。PLC 的最大特点在于：电气技术人员已经不在电气控制的硬件上话费过多的心思，只需要将 PLC 的输入点连接到按钮开关或感应器的输入点上就能解决问题，通过 PLC 输出点来连接继电器或接触器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备可以直接连接。本论

2、文先介绍电子密码锁的现状，再说明 PLC 的定义、特点、组成、及工作原理等，然后进行 PLC 的选型，选择三菱 FX2N 系列 PLC。接着进行软件的编程及硬件图的设计。通过自己学习各种功能指令，来设计此次 PLC 程序。现代电子密码锁是一种通过输入密码来控制电路或芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁和闭锁任务的电子产品。电子密码锁的种类非常多，有简单的电路产品，有基于芯片的性价比比较高的产品，也有用PLC 控制的电子密码锁。此次所做的四位密码锁基于 PLC 控制设计的，目前现实生活中已经有所应用。通过 PLC 控制数码显示管，设置报警灯，蜂鸣器，开锁电磁阀的输出点，有PLC 的指示灯显

3、示，实现此次四位密码锁的模拟仿真。经过多次的模拟仿真修改，终于达到了所需的功能。关键词：密码锁；PLC；自动化IIAbstractIn the past, industrial control system is basically adopt on the relay control, while todays relay only used as low-end grassroots control module or simple equipment. And the PLC emergence also became the epoch-making topic, adding the

4、 vivid software control through a very and stable hardware, making the automation head for the new high tide. The PLC biggest characteristics lie in: The electrical technicians already no longer electric hardware up too many calculations of cost, as long as order the importation that the button swit

5、ch or the importation of the sensors order to link the PLC up can solve problem, pass to output to order the conjunction contact machine or control the start equipments of the big power after the electric appliances, but the exportation equipments direct conjunction of the small power can.This paper

6、 first introduction the present situation of electronic trick lock, and then explain definition, characteristics, composition, and the working principle of PLC, then conduct the selection of PLC, choose Mitsubishi FX2N series PLC. And the software programming and hardware diagram design. Learn all k

7、inds of function instructions by myself, used to design the PLC program. Modern electronic combination lock is an electronic product that input password to control circuit or chip work and control of a mechanical switch closed, so as to complete the lock and closure tasks. There are many kinds of el

8、ectronic combination lock, such as simple circuit based on chip products, high cost-performance product, there is also PLC control of electronic combination lock. This four combination lock is based on design of PLC control, which is currently have been applied in the real life. Through the PLC cont

9、rol digital display tube, Install output point of alarm lamp, solenoid valve and unlock buzzer, use indicator display of PLC, realizing simulation of this four combination lock. After many times of simulation modification, finally reached the functions required.Keywords ：Combination lock ；PLC；Automa

10、tionIII目 录前言 .1第 1 章 密码锁的介绍与设计任务 .21.1 密码锁的介绍 .21.1.1 密码锁的起源 .21.1.2 早期密码锁的控制 .21.1.3 电子密码锁的概述 .21.1.4 电子密码锁的发展 .21.2 密码锁的设计任务 .31.2.1 设计任务 .31.2.2 设计控制具体要求 .31.3 PLC 控制与其他方式控制的优缺点 .41.3.1 用数字电路控制 .41.3.2 用单片机控制 .41.3.3 用 PLC 控制 .4第 2 章 PLC 基础知识与硬件选型 .52.1 PLC 的概述 .52.1.1 PLC 的产生 .52.1.2 PLC 的发展 .62

11、.1.3 PLC 的组成 .62.1.4 PLC 的特点 .82.2 PLC 的工作原理与分类 .92.2.1 PLC 的工作原理 .92.2.2 PLC 的分类 .102.3 PLC 的通信及外围设备 .112.3.1 PLC 的通信 .112.3.2 PLC 系统的外围设备 .112.4 PLC 的选型 .112.4.1 FX2N 系列 PLC 的硬件系统 .12IV2.4.2 FX2N 系列 PLC 的编程元件 .122.4.3 FX2N 系列 PLC 的基本功能 .132.5 7 段数码管的介绍 .132.5.1 7 段数码管的结构与工作原理 .132.5.2 7 段数码管的驱动方法

12、.14第 3 章 密码锁设计部分 .153.1 密码锁工作原理 .153.2 I/O 口分配表 .153.3 外部接线图 .163.4 工作原理及调试过程 .163.5 调试结果 .20结论 .21致谢 .22参 考文献 .23附录 指令表 .241前言PLC 目前发展迅速，在各个领域都有应用，尤其是在工业自动化上，PLC 作为控制器已经取得了举足轻重的地位。PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言容易被工程技术人员所以接受。现代电子密码锁是一种通过输入密码来控制电路或芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁和闭锁任务的电子产品。电子密码锁的种类非常多，

13、有简单的电路产品，有基于芯片的性价比比较高的产品，也有用 PLC 控制的电子密码锁。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编写程序来实现，就是所谓的用单片机控制。电子密码锁的性能和安全性已经远远超过了传统的机械锁。FX2N 系列是在 FX3U 系列没上市之前一直是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。此次设计用三菱 FX2N 系列 PLC 进行设计实验，必须要加强对次款 PLC 的了解，这样才能做到最好的应用。通过 PLC 控制数码显示管，设置报警灯，蜂鸣器，开锁电磁阀的输出点，有 PLC 的指示灯显示，实现此次四位密码锁的模拟仿真。用 PLC 控制的密码锁可能在价格上并没优势，但其

14、性能稳定，易于改动。相信还是有一定的市场潜力。2第 1 章 密码锁的介绍与设计任务1.1 密码锁的介绍1.1.1 密码锁的起源最早的锁，是主人为防止他人开启而设的简单的机关，用于门上最简单的锁就是门锁了。我国古代就有石锁，并无钥匙，是以铁链或绳索束缚。商周时期，生产资料的私有化制度进一步的发展，贫富差距的进一步加剧，社会矛盾异常突出，同时冶炼技术随之成熟并立即被应用于制锁行业，所以就出现了用钥匙才能开启的铁锁，铜锁，以钥匙的不同而匹配不同的锁。随着科学技术快速发展，同时机械锁也有了很好的发展。现代机械锁已经有了一百多年的历史，锁芯里加入了长短不一的弹子，要外形用相应齿形的钥匙来打开。现在又发展

15、到了今天的电子密码锁。1.1.2 早期密码锁的控制早期最简单的密码锁，常见的低安全设定的单车锁，使用多个拔圈，每个圈的中间有凹位。锁的中心的一条轴上有好几个凸出的齿用来卡住拔圈。当拔圈转到正确的密码组合时，锁就可以打开，这种密码锁是最容易打开的。有些这类的密码锁不需要知道密码都能开启。除非它的内部组件造的非常完美，不然只要把轴向外拉，其中一个齿便会比其他更为拉紧拔圈。这时轮动被拉紧的拔圈，直到听到小小的咔嚓声，就表示这个齿已经进入了正确的凹位。重复这个步骤就能很快把锁打开。1.1.3 电子密码锁的概述现代电子密码锁是一种通过输入密码来控制电路或芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁和闭锁任

16、务的电子产品。电子密码锁的种类非常多，有简单的电路产品，有基于芯片的性价比比较高的产品，也有用 PLC 控制的电子密码锁。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编写程序来实现，就是所谓的用单片机控制。电子密码锁的性能和安全性已经远远超过了传统的机械锁。其特点有以下几点：（1）密码可以改变，用户可以随时更改密码防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。（2）保密性好，编码量很多，远远大于机械锁。随机开锁成功的几率几乎为零。（3）无活动零件，不会磨损，使用寿命长。（4）无码输入保护，当输入密码多次错误时，会自动启动报警系统。（5）能灵活使用，不需要佩戴钥匙才能开锁。（6）电子

17、密码锁操作简单，上手快。1.1.4 电子密码锁的发展在现代人们的日常生活和工作中，部门和住宅的安全防范、单位的文件档案，财务报表等的保存多以加锁的方式来解决。目前门锁主要用弹子锁，但其钥匙容易丢；保险箱主要用机械密码锁，其结构复杂，制造精度要求比较高，成本也比较高，而且容易出现故障，人民常常需要携带多把钥匙，使用起来不方便，钥匙的丢失也非常不安全。为了满足人们的需要，电子密码锁就产生了，以前的电子密码锁种类不多，保密性差，最基本的就是只用简单的模拟电子开关来实现，不够安全。出于安全、方便等方面的需要许多电子密码锁已相继上市。如数码锁、指纹锁、磁卡锁、IC 卡锁、生物锁等。但较实用的还是按键式电

18、子密码锁。为了方便、安全以及其他等原因的需要，市面上已经出世了很多电子密码锁。不过这样3的一类产品特色主要是对那些指纹、声音或者是一些有效卡而作用的，并且不可以进行远程控制。它们仅仅使用于那些供个人使用并且保密要求极高的房间和箱柜等。因此从上能发现组合使用电子信息是电子密码锁今后的发展趋势。应用于金融业的电子防盗技术，它的根本作用是“授权” ，也就是说被“授权”的人才能进行财物的存取。那么从广义上来说，金融业的“授权”主要包括如下三层内容：1、授予出入权。像出入运钞车或者金库保管室之类。2、授予保管权。比如使用保险柜、保险箱之类。3、授予流通权。像自动存取款之类。那么目前来说，金融业中的电子防

19、盗锁主要应用在前两个方面。之后我们介绍几种在这个行业中电子防盗应用较多的技术方向。不过，前文指出的授权技术不管再高明，也必须要由精良的承载结构部件，来达到开启和闭锁的功能。或者具备实体的防护作用来延迟破坏行为的发生。报警是提高电子防盗的防护力的必然途径。一般来说，在金融业场所，都有人值守或者监控、报警等功能。包括物理以及人力防范两种。在中国的城市金融业里，各金融网点对联网报警已经成了基本要求。但是报警的前提是探测功能的具备，我们可以选择多种探测手段来使用防盗锁和防护要求。根据国内外的实践经验，在金融业实行安全防范风险等级是必要的。因为图像图形、数字、字符和人体生物特征等要素都能够成为钥匙的电子

20、信息，这些信息经过组合便能获得电子防盗锁的高度保密性。组合使用信息同时也可以扩展电子防盗锁的应用，使产品多样化，对用户来说是自得其所。因此，组合使用电子信息是电子密码锁今后发展趋势。 1.2 密码锁的设计任务1.2.1 设计任务通过毕业设计了解密码锁的基本原理以及工作流程，掌握 PLC 在密码锁中的作用，设计实现一台 PLC 控制实现的 4 位密码锁，可用数码管显示相关信息。（1）以自动化实验中心综合实训室的网络型可编程序控制器实训平台为研究对象，了解控制对象结构组成，熟悉控制对象实际工作流程，确定受控对象与 PLC 间关系，估计程序步数；（2）运行框图、硬件接线图绘制；（3）画出 PLC 控

21、制的梯形图；（4）编制出语句表；（5）输入指令并修改更正程序；（6）调试运行并反复设计验证；（7）整理设计思路、总结设计成果。1.2.2 设计控制具体要求密码锁设有 7 个按键，具体控制如下。（1）SB1 为千位按钮，SB2 为百位按钮，SB3 为十位按钮，SB4 为个位按钮。（2）SB7 为选择开关，选择设定密码和输入密码。通过顺序按下 SB1，SB2，SB3 ，SB4，各几次来设定密码。（3）通过顺序按下 SB1，SB2，SB3，SB4 ，各几次来输入密码，按下确认键 SB5 后电磁阀YV 动作密码锁被打开。（4）按扭 SB6 为撤销键，如有操作错误可按此键撤销后重新操作。4（5）当输入错

22、误密码三次时，按下确认键后报警 HL 发亮，蜂鸣器 HA 发出报警声响。同时七段数码闪烁显示“0”和“8” 。（6) 输入密码时，七段数码显示当前输入值。（7) 系统待机时，七段数码显示为“0” ，等待开锁。1.3 PLC 控制与其他方式控制的优缺点1.3.1 用数字电路控制数字电路发展的比较早，应用非常广泛，也是很多自动化控制的基础。密码锁的核心控制用 74LS112 双触发器来构成的数字逻辑电路，一共设置了 9 个用户输入键，其中有 4 个是有效的密码输入键，剩余的按键都是干扰按键，如果用户按下干扰键，键盘输入的电路会自动清零，原来输入的密码无效，需要进行重新密码输入；若用户输入密码的时间

23、超过了 12秒（一般情况下，用户输入密码时间不会超过 12 秒，如果用户认为不方便，还可以进行修改）电路的报警将持续 20 秒，如果该电路连续进行报警三次，电路将锁定键盘 1 分钟，以防止他人的非法操作。采用数字电路设计的方案好处在于设计简单，但控制的准确性和灵活性不够，所以不于采用。1.3.2 用单片机控制由于目前单片机的种类非常繁多，各种型号都具有其一定的应用环境，所以在选用时要多进行比较，然后合理的选择，这样才能获得最高的性价比。一般情况下在选用单片机时从以下几个方面考虑：运行速度、性能、I/O 口、储存器、定时/计数器、模拟电路功能、串行接口、工作电压、扛干扰性功耗、保密性、封装形式、

24、有无上电复位功能等因素。根据以上因素的考虑，密码锁的设计可以选用单片机 AT89C51 来作为设计的核心控制器。单片机有灵活的编程设计和丰富的 I/O 端口，以及其控制的准确性，这样就能实现密码锁的功能。在单片机的外部电路再接输入键盘用于密码的输入和其他的功能控制。显示器可以用 1602LCD。如果用户需要开锁时，先按键盘上的数字输入键 09 输入密码。输入密码后按下确认键，若密码正确，则开锁，若密码错误则显示要重新输入密码，若连续三次密码输入错误就会发出报警。用单片机作为控制器来控制密码锁也是目前主流的电子密码锁控制方式。其具有很多优点，成本低，控制准确灵活，保密性强，具有一定的扩张功能。但

25、也有一定的缺点，稳定点还不够，在要求较高的场合还不能满足，而且要修改不方便。1.3.3 用 PLC 控制PLC 是目前主要应用在工业自动化场合，但随着 PLC 技术的发展，在越来越多的民用场合有了更多的应用。PLC 的优势也逐渐显现出来。PLC 拥有强大的指令系统，很高的稳定性。密码锁若用 PLC 进行控制，其所用的点数比较少，一般的小型 PLC 就能实现其功能。PLC的功能指令非常强大，用 CMP 比较指令就能很好的将输入的密码与正确密码比较，只有在正确时，才通过输出继电器，进行开锁。通过 PLC 内部的各种软元件进行来代替所需的继电器和接触器等，十分方便。用 PLC 控制密码锁，能够非常方

26、便的进行修改，以到达用户的需要。随着 PLC 的成本的越来越低，PLC 在民用场合的竞争越来越强。用户对电子密码锁的要求越来越高，PLC 用其优越的性能将逐渐进入该市场。5第 2 章 PLC 基础知识与硬件选型2.1 PLC 的概述2.1.1 PLC 的产生20 世纪 60 年代以前，在可编程控制器问世以前，用在工业生产中的是继电器控制占主导地位，传统的的继电器系统结构比较简单，易于操作，价格便宜等优点，在工业领域中应用甚广，但是控制系统体积比较大，动作速度比较慢，耗电量多，寿命短，更有接线复杂，更改困难等缺点。继电器控制对当时的生产力发展确实发挥了很大的作用， 在现代工业产品的生产过程中，很

27、多地方都使用的使用开关量的顺序控制，这样是按照所需的逻辑条件进行必要的顺序动作，同时依照有关的逻辑关系来进行连锁保护动作的控制，还有很多离散量的数据上的采集。以前这些都是通过继电器控制来实现的。而现在是更多的是用 PLC 进行控制。世界上公认的第一台 PLC（即 PDD-14）是美国数字设备公司（DEC）于 1969 年根据美国通用汽车公司的要求研制成功的。1968 年，美国通用汽车公司（GM）为了增强其汽车的竞争力，适应汽车型号的不断更新和生产工艺不断改变的需要，实现当时汽车的多个品种、小批量的生产和不断的翻新汽车品牌。通用汽车公司（GM）希望有一种可编程序的逻辑控制器来取代传统继电器控制装

28、置的要求，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，用以降低生产成本，缩短生产周期。此次设计的主要思路将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的有机结合起来。 传统的继电器控制系统体积大、接线复杂、不易查找、更改和排除故障，对生产工艺不断变化的适应性差，但简单易懂、操作方便、价格便宜； 计算机功能强大、有复杂的逻辑能力、运算能力、通用性好、灵活，但编程困难；PLC 吸取继电器和计算机两者的优点，实现了控制系统面向控制过程、面向客户，不同环境适应性强、体积小、操作方便、可靠性高，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。GM 对汽车流水线控制系统提出的具体要求，有以下几点： 编程简单，可在现场修改和调试程序； 维护方便，可采用插入式模块结构； 可靠性要高于继电器控制系统； 体积要小于继电器控制装置； 数据可直接送入管理计算机； 成本能与继电器控制系统竞争； 可直接用 115V 交流电压输入； 输出量为 115V、2A 以上，能直接驱动接触器、电磁阀等； 通用性强，易于扩展； 用户程序存储器容量至少 4kB。这就是“GM 十条” 。美国数字设备公司设计并制造出了世界上第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC） 。PLC 有很多中定义，目前国际电工委员会（IEC）对 PLC 的标准定义是：PLC 是一种数