基于PLC控制的音樂噴泉設(shè)計論文

畢業(yè)設(shè)計有關(guān)說明一、方案設(shè)計與論證1.1課題分析近年來我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，物質(zhì)生活水平的提高促使著人們迫切的追求更高的生活享受，于是大大小小的公園如雨后春筍般出現(xiàn)在新的城市規(guī)劃中，其中必然會修建一些噴泉供人們休閑、觀賞。這些噴泉按一定的規(guī)律改變噴水式樣，如果再與五顏六色的燈光相配合，在和諧優(yōu)雅的音樂中，更是令人心曠神怡，流連忘返。其中PLC控制的音樂噴泉更是作為佼佼者，以其簡單的操作方法和多變的視覺效果飽受人們的稱贊。本文講述的是如何利用PLC控制噴泉噴水方式，通過將音樂信號進(jìn)行調(diào)制，來控制噴泉的參數(shù)，從而產(chǎn)生產(chǎn)生各樣的樣式。1.2控制方案比較1.繼電器-接觸器控制方案繼電器-接觸器控制方式是通過采用不同硬件接線方式，組合常開常閉觸點來實現(xiàn)不同的邏輯控制功能。硬件接線的固定則意味著邏輯功能的確定，如果需要修改功能或增加新的功能，只能對硬件接線方式或結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，這種控制系統(tǒng)就存在許多問題。系統(tǒng)由許多分立元件組成，屬有觸點控制，雖然單個元件故障率不高，但是由于元件過多，整體的出錯率大幅度提升。同時，眾多的元件讓故障排查工作困難，影響設(shè)備的維護(hù)。2.單片機(jī)控制方案單片機(jī)控制系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快，通用性好，成本低等優(yōu)點。單片機(jī)由CPU、存儲器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定時/計數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上，片內(nèi)各功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。它具有優(yōu)異的性能價格比,集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗。目前應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)于一本，具有智能化特征的電子產(chǎn)品。缺點是穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力較差。同時，用于控制強(qiáng)電設(shè)備需要用到可控硅等電力電子元件，提高了整體的成本。3.PLC控制方案可編程邏輯控制器（PLC）作為一種工業(yè)控制設(shè)備，具有很強(qiáng)大的控制功能，極高的穩(wěn)定性和可靠性。PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可。由于PLC是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實現(xiàn)控制的，所以也具有速度快，嚴(yán)格同步等優(yōu)良特性。1.3論證結(jié)論以PLC為核心設(shè)計音樂噴泉控制系統(tǒng)，比繼電器-接觸器控制方案和單片機(jī)方案在穩(wěn)定性、控制速度、開關(guān)量頻率、設(shè)備體積等方面均有巨大的優(yōu)勢。同時，PLC“軟接線”的特性還便于噴泉進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和功能升級。由于PLC抗干擾能力強(qiáng)，開關(guān)損耗小，故控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命都能得到極大的提升。PLC簡單易讀易學(xué)的梯形圖程序為音樂噴泉控制系統(tǒng)的邏輯構(gòu)建和設(shè)計提供了極大的便利。同時，PLC還能方便地進(jìn)行PWM調(diào)制，使得對水泵電機(jī)、燈光亮度的調(diào)節(jié)更加輕松。綜上所述，選用PLC設(shè)計缸體加工機(jī)床控制系統(tǒng)，在設(shè)計其邏輯和實現(xiàn)功能方面，是完全可行的。同時，使用PLC設(shè)計的音樂噴泉控制系統(tǒng)，在使用壽命，擴(kuò)展性等方面都具有極大的優(yōu)勢。二、系統(tǒng)硬件2.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計將音樂信號放大到0~9V后，分三路分別送入響度、頻率和旋律信號檢測調(diào)制電路，信號檢測和調(diào)制電路根據(jù)當(dāng)前信號分量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，輸出高、中、低三個檔次，并轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸入到PLC。PLC根據(jù)檔位，來控制多級水閘的開合、PWM波形的占空比等，進(jìn)而控制噴泉的花式。旋律部分由于需要調(diào)制成占空比連續(xù)可調(diào)的PWM波，使用PLC并不方便，所以使用了外置的PWM調(diào)制電路。系統(tǒng)框架圖如圖2.1所示。音頻信號音頻信號響度檢測頻率檢測旋律檢測PLC閥門彩燈電機(jī)PWM調(diào)制圖2.1系統(tǒng)框架圖2.2響度檢測調(diào)制電路響度檢測調(diào)制電路見圖2.2示。圖2.2響度檢測調(diào)制電路本電路是音頻信號響度的檢測調(diào)制電路，選用的3個串聯(lián)的TAS二極管作為穩(wěn)壓管，反向?qū)妷航禐?.4V，3個運(yùn)放均作為電壓比較器，電壓比較的3個基準(zhǔn)分別為2.4V、4.8V、7.2V。音頻響度檢測調(diào)制電路的真值表表見表2.1所示。表2.1音頻響度檢測調(diào)制電路真值表輸入電壓(V)\輸出HighvolMidvolLowvol0~2.40002.4~4.80014.8~7.20117.2+1112.3頻率檢測調(diào)制電路音頻頻率檢測調(diào)制電路見圖2.3所示。圖2.3音頻頻率檢測調(diào)制電路2.4旋律檢測調(diào)制電路和PMW調(diào)制電路音頻旋律檢測調(diào)制電路見圖2.4所示。圖2.4音頻旋律檢測調(diào)制電路音頻信號經(jīng)包絡(luò)檢波后獲得單極性旋律信號，這是一個模擬量，隨后經(jīng)過進(jìn)一步的處理用于PWM調(diào)制。PWM調(diào)制電路見圖2.5所示。圖2.5PWM調(diào)制電路2.5PLC的選型作為音樂噴泉的主要控制單元，需要保證功能適用和穩(wěn)定性強(qiáng)的同時，也要考慮到成本因素。綜合I/O接口需求、體積、價格等因素，三菱（Mitsubishi）公司的FX2N系列應(yīng)該是最好的選擇。MitsubishiFX2N是FX家族中最高端的系列，它體積小（182mm*90mm*82mm）卻提供了極快的程序執(zhí)行速度。由于需要13個輸入點和10個輸出點，MitsubishiFX2N32-MR是最好的選擇。MitsubishiFX2N32-MR提供了16個輸入點和16個輸出點，留出沖充足的余量，而且還支持AC100V~220V,50/60HZ的電源輸入。2.6控制系統(tǒng)的I/O接口分配控制系統(tǒng)的主要邏輯器件便是PLC，為了實現(xiàn)缸體加工機(jī)床的功能，總共需要用的PLC的23個接口，其中包括輸入點13個，輸出點10個。PLC的I/O分配見表2.2示表2.2I/O分配表輸入端輸出端器件代號設(shè)備名稱器件代號設(shè)備名稱X000SB1噴泉總開關(guān)Y000KM1噴泉總水閘X001SA11組噴泉分開關(guān)Y001KM21組噴泉1X002SA22組噴泉分開關(guān)Y002KM31組噴泉2X003SA33組噴泉分開關(guān)Y003KM42組噴泉X004SA41組噴泉工作方式1Y004KM53組噴泉X005N/A1組噴泉工作方式2Y005KM61組噴泉水閘1組噴泉水閘X006SA5音樂頻率檔位1Y006KM71X007SA6音樂頻率檔位2Y007KM8X010SA7音樂頻率檔位3Y010L彩燈X011SA8音樂響度檔位1Y011HL1噴泉開啟指示燈X012SA9音樂響度檔位2X013SA10音樂響度檔位3X014SA11彩燈開關(guān)X015X0162.7PLC的I/O接線圖PLC的I/O接線圖如圖2.6所示。圖2.6PLC的I/O接線圖SB2,SB1是噴泉的全局啟動和停止按鈕，SA1是第一組噴泉的分開關(guān)，SA2是第二組噴泉的分開關(guān)，SA3是第三組噴泉的分開關(guān)。單刀雙擲開關(guān)SA4用于第一組噴泉的花式選擇。X006~X010用于接收音頻頻率調(diào)制信號的檔位輸入，X011~X013用于接受音頻響度調(diào)制信號的檔位輸入，輸入端口的開關(guān)三極管用于把前級電路的電平信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號。KM1是用于控制總水閘開閉的接觸器、KM2~KM5分別控制1組噴泉水泵1、1組噴泉水泵2、2組噴泉、3組噴泉的潛水泵。KM6~KM8用于控制1組噴泉的噴射高度，通過控制1組噴泉的3個水閘實現(xiàn)。HL1