PLC控制的自動(dòng)花樣音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

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1、i 畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 題 目：PLC 控制的自動(dòng)花樣音樂噴泉系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2011-10-8 摘 要 自動(dòng)噴泉采用了可編程控制器 PLC 和變頻器，用軟件實(shí)現(xiàn) 對(duì)自動(dòng)噴泉運(yùn)行的控制，可靠性大大提高。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 外部線路簡(jiǎn)化，可方便的增加或改變控制功能，也可以進(jìn)行故 障自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修。用西 門子 S7200 方法編程，可以使設(shè)計(jì)思路清晰，編程簡(jiǎn)便。而 變頻器調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能、高效率、高功 率因素和節(jié)電效果，可以控制噴泉水位的高度，廣泛的適用范 圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而獲國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的

2、調(diào)速方式。 因此，可編程控制器 PLC 技術(shù)加變頻器調(diào)速技術(shù)已成為現(xiàn)代噴 泉行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。 隨著人們生活水平的提高和建立綠色城市的向往，音樂噴 泉以其獨(dú)特的魅力和特殊的功能，愈來愈成為休閑娛樂產(chǎn)業(yè)中 的一項(xiàng)重要產(chǎn)品,音樂噴泉的興建也越來越多。 根據(jù)目前音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀，完成了小型音樂噴泉系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的原理是利用 8051 單 片機(jī)匯編音樂程序或者通過 A/D 對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣和處理， 分級(jí)控制單相電動(dòng)機(jī)，最終達(dá)到控制噴頭流量的方法，也可以 采用程序控制或人工按鍵控制電磁閥來控制花型。音頻信號(hào)還 影響燈光色彩和燈光光線明暗的變化,從而使燈光色彩、燈光的 閃爍和

3、噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化?，F(xiàn)代都市人久居鬧市， 對(duì) 紫陌紅塵中的千層蛛網(wǎng)萬(wàn)般世態(tài)頗多迷惑， 在繁雜的事務(wù)中不 知濃縮兜裹著多少奔波而且疲管的思緒。如果你確定自己正在 16 歲到 55 歲這個(gè)年齡段， 那我猜你的生活中或多或少都該有 些壓力。在心中任它們堆積和增長(zhǎng)可絕對(duì)不是個(gè)明智的選擇， 于是， 便希冀一種閑情逸致， 向往一種寧?kù)o生活。而寧?kù)o的 心境，遠(yuǎn)非旅游所能滿足， 唯有音樂， 才能讓現(xiàn)代人放松自 我， 感覺寧?kù)o。當(dāng)然，壓力的來源也有很多種，但是忙碌的人 群還是在身邊感受比較好，因此音樂噴泉是現(xiàn)代很有必要的熱 點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：可編程控制器;變頻器;控制;自動(dòng)噴泉；音樂控制； 8051 單片機(jī)；

4、A/D 轉(zhuǎn)換；音樂噴泉； iv 目 錄 目 錄 4 1 引言 .6 1.1 論文研究的背景 .6 1.2 論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 1.3 論文設(shè)計(jì)的目的和意義 8 2 系統(tǒng)控制方案的確定 .9 2.1 花式噴泉的概述 .9 2.2 采用 PLC 控制花式噴泉的優(yōu)點(diǎn) 10 2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 10 2.5 花式噴泉控制系統(tǒng)的原理圖 12 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 3.1 可編程控制器(PLC)的選型 .12 3.1.1 PLC 概述 .12 3.1.2 PLC 的選型 13 3.2 變頻器的選型 15 3.3 水泵的選型 16 3.4 硬件接線圖 .16 3.5 I/O 分配表 .17 3.6

5、 音樂原理 .18 3.6.1 音樂控制模塊 19 3.6 2 中央控制模塊 .20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 4.1 PLC 梯形圖概述 23 4.2 STEP 7-MICROWIN 32 軟件的使用 .24 4.3 S7200_SIMULATION仿真軟件的使用 28 4.4 系統(tǒng)工作過程分析 .31 4.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .31 4.5.1 花式噴泉的第一種花樣 31 4.5.2 花式噴泉的第二種花樣 34 4.5.3 花式噴泉的第三種花樣 36 4.6 音樂軟件管理 .39 4.6.1 整體音樂模塊 .39 4.6.2 音樂控制設(shè)計(jì) 40 4.6.3 定時(shí)時(shí)間的產(chǎn)生及工作方式的選擇

6、42 總結(jié) 45 致謝 46 1 第 1 章 引言 1.1 論文研究的背景 隨著城市化進(jìn)程的加速，花式噴泉可以在人們周圍隨處可 見。比如廣場(chǎng)，大廈，小區(qū)等。花式噴泉是人造小氣候，在炎 熱的夏日可以起到增濕和降溫的作用；也為水體充氧，有利于 水體增加自凈能力，起到防止水體黑臭的作用。 花式噴泉運(yùn)行的靈活性是評(píng)價(jià)花式噴泉優(yōu)劣的關(guān)鍵，而這 與花式噴泉的控制系統(tǒng)息息相關(guān)?；ㄊ絿娙梢愿鶕?jù)自己的設(shè) 計(jì)，設(shè)計(jì)出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯(cuò)的視 覺享受。 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司( DEC)研制出世界上第一臺(tái)可編 程控制器，并成功地應(yīng)用在美國(guó)( GM)的生產(chǎn)線上。但當(dāng)時(shí)只能 進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故

7、稱為可編程邏輯控制期，簡(jiǎn)稱 PLC (programmable logic controller)。 70 年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展使 PLC 從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制域，真正 成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡(jiǎn) 稱 PC (programmable contruller) .但由于 PC 容易與個(gè)人計(jì) 算機(jī)(programmable computer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程器的縮寫。 引言 1985 年國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì) PLC 的定義如下。 可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在 工業(yè)環(huán)境

8、下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的 存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、 計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和 輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。 PLC 是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、 順序控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種 作用：(l)邏輯運(yùn)算(2)弱電控制強(qiáng)電。 PLC 是集自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一 種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動(dòng)化三大支柱 (PLC、ROBOT、CAD/CAM)的首位。可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC。它 在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控 制設(shè)備。

9、具有: 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。 1 設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少。 2 功能強(qiáng)、通用性好。 3 開發(fā)周期短，成功率高。 4 體積小，重量輕、功耗低等特點(diǎn)。 5 具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、 重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已 成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。與繼電接觸器系統(tǒng) 相比系統(tǒng)更加可靠；價(jià)格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)： 易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)電 磁閥、接觸器與于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)：能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能 向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。 因此，進(jìn)行花式噴泉的 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)噴泉 行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)

10、大 PLC 在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng) 濟(jì)和理論研究的價(jià)值。 再者起初的音樂噴泉控制系統(tǒng)就是利用音樂的主要音素(頻 率、振幅、音色和節(jié)拍)控制噴水的花型組合變化、水柱高低、 遠(yuǎn)近變化和燈光色彩組合，其原理是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 經(jīng)過放大及其它一些處理推動(dòng)繼電器或電子開關(guān)，再去控制設(shè) 在水路上的電磁閥的啟閉，從而達(dá)到控制噴頭水路的通斷。 音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來表現(xiàn)音樂 的美感，令人賞心悅目。目前，有許多采用各式各樣的控制系 統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉， 取得了良好的效果。但縱觀這些音控產(chǎn) 品，有的利用音樂的時(shí)域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾 個(gè)頻段來控制噴泉的花型， 且

11、多采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻 段來控制。缺點(diǎn)是都沒有在頻域上很好地展現(xiàn)音樂，因此不能 很好地體現(xiàn)音樂的內(nèi)涵。 本項(xiàng)目針對(duì)這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的 變化，本設(shè)計(jì)將通過對(duì)音樂音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，再通過變頻 器對(duì)潛水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，利用各式噴頭的噴射、搖擺、旋轉(zhuǎn) 引言 來實(shí)現(xiàn)噴泉水柱高低、搖擺幅度、旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)時(shí)地展現(xiàn)音樂 的頻譜。 1.2 論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容 本設(shè)計(jì)將在以下幾個(gè)方面對(duì)花式噴泉的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究 和論證。 (1)花式噴泉類型的選擇。綜合花式噴泉的類別和各類的特 點(diǎn)和要求，在本課題中主要研究能有三種噴水花樣可供選擇： 能夠控制每環(huán)噴水管噴水的高度：噴水時(shí)要有燈光顯示；可以

12、根據(jù)不同的季節(jié)、不同的場(chǎng)合可改變噴水的花樣。將各種水型 及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過 計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號(hào)，使水型及燈光有各種各樣的變 化。 (2)花式噴泉硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題設(shè)計(jì)的花式噴泉要求 運(yùn)行迅速準(zhǔn)確度高，在花式噴泉的各層檢測(cè)系統(tǒng)中用用存工業(yè) 自動(dòng)控制上大量運(yùn)用的具有檢測(cè)精度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性能好 的接近傳感器，運(yùn)用感應(yīng)器的開關(guān)量信號(hào)輸入給 PLC 來實(shí)現(xiàn)控 制。由于本課題的具體需求在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要考慮 了花式噴泉的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定、靈活、美觀的需要。 (3)花式噴泉控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中選用了目前 運(yùn)用最多的 PLC 編程語(yǔ)言梯形圖，

13、梯形圖的編程能直觀明了的 設(shè)計(jì)花式噴泉控制的要求，梯形圖的編寫運(yùn)用 SWOPC- FXGP/WIN-C 編程軟件，此軟件支持全部的西門子 S7200 系列 的 PLC 編程，并且具有強(qiáng)大的診斷功能，能更快的查找出故障 的原因，從而大大縮短了維修時(shí)間。 1.3 論文設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自 動(dòng)控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已進(jìn)入個(gè)嶄 新的時(shí)代，其應(yīng)用越來越廣。而隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和 人口大量集聚，環(huán)境越來越重要，好的環(huán)境能使心身愉快，做 事效率提高。其中噴泉可以濕潤(rùn)周圍空氣，減少塵埃，降低氣 溫。噴泉的細(xì)小水珠同空氣分子撞擊,能產(chǎn)生大

14、量的負(fù)氧離子， 有益于改善社區(qū)面貌和增進(jìn)居民身心健康。 可編程序控制器(PLC)因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、 簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最為廣泛的通 用工業(yè)控制裝置，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。花式 噴泉控制要求接入設(shè)備使用簡(jiǎn)便，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)組態(tài)的編程簡(jiǎn)單， 具有人性化的人機(jī)界面，配備應(yīng)用程序庫(kù)，加快編程和調(diào)試速 度。通過 PLC 對(duì)程序設(shè)計(jì)，提高了噴泉的控制水平，并改善了 噴泉的樣式。 6 第 2 章 系統(tǒng)控制方案的確定 2.1 花式噴泉的概述 噴泉是一種將水或其他液體經(jīng)過一定壓力通過噴頭噴灑出 來具有特定形狀的組合體，提供水壓的一般為水泵。 現(xiàn)代城市中的噴泉形式已

15、十分豐富。隨著構(gòu)筑物的大小及 水壓等的變化，噴泉或高或低、或珠或霧，精彩紛呈，可分為 以下 7 種。 (1)普通噴泉：只有簡(jiǎn)單的幾種固定水型及燈光，隨著電源 的開閉而控制噴泉的運(yùn)行、水型和燈光變化。 (2)程控噴泉：將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組 合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號(hào)， 使水型及燈光有各種各樣的變化。 (3)音樂噴泉：程序控制噴泉基礎(chǔ)上加入了音樂控制系統(tǒng)， 計(jì)算機(jī)通過對(duì)音頻及 MIDI 信號(hào)的識(shí)別，進(jìn)行譯碼和編碼，最終 將信號(hào)輸出到控制系統(tǒng)，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂保 持同步。 (4)水幕激光噴泉：將激光器發(fā)出的激光束射在水幕噴頭噴 出的水膜上，激

16、光束由激光控制系統(tǒng)編程控制，可發(fā)出多種多 樣的圖案及色彩，照射在晶瑩透明的水膜上，形成斑斕奪目的 奇異效果。 (5)水珍珠噴泉：利用特殊音波將水變成球體的噴水裝置和 全頻高速閃光燈的視覺圖像效果的產(chǎn)品組成。 (6)游戲噴泉：又稱感應(yīng)泉，噴泉水柱根據(jù)游人的動(dòng)作產(chǎn)生 反應(yīng)，而且這種反應(yīng)具有不確定性，是一種互動(dòng)式噴泉，增強(qiáng) 了娛樂氛圍。 (7)跳跳噴泉：又名光亮泉。是一種高科技水景藝術(shù)，水形 似根根晶瑩透徹地冰柱，一串串飛向空中，輕舞飛揚(yáng)。 2.2 采用 PLC 控制花式噴泉的優(yōu)點(diǎn) (1)控制方式上看:PLC 軟接線，只需改變控制程序就可輕 易改變邏輯或增加功能。 (2)工作方式上看:PLC 串行工

17、作，不受制約。 (3)控制速度上看：PLC 通過半導(dǎo)體來控制，速度很快，無 觸點(diǎn)，顧而無抖動(dòng)一說。 (4)定時(shí)、記數(shù)看：PLC 時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定 時(shí)范圍寬：有記數(shù)功能。 (5)可靠、維護(hù)看：PLC 無觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，且有自我診斷功 能，對(duì)程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)方便。 2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 在花式噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下幾點(diǎn)。 (1)深入了解和分析花式噴泉的工藝條件和控制要求。 (2)確定 I/O 設(shè)備。根據(jù)花式噴泉控制系統(tǒng)的功能要求，確 系統(tǒng)控制方案的設(shè)定 定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇 開關(guān)等，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。 (3

18、)根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)選擇合適的 PLC 類型。 (4)分配 I/O 點(diǎn)，分配 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出 分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 (5)設(shè)計(jì)花式噴泉系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出 周密完整的梯形圖程序，這是整個(gè)花式噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工 作。 (6)將程序輸入 PLC 進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序 更加完善。 2.4 系統(tǒng)控制方案 花式噴泉系統(tǒng)的控制要求如下。 (1)1、2 均為外環(huán)形狀的噴水管，3 為內(nèi)環(huán)形狀的噴水管， 4 為星形噴水管。燈光系統(tǒng)由三條支路組成，分別為綠色燈支 路（在 l，2 之間） 、黃色燈支路（在 2，3 之間） 、紅色燈支路 （在 3，4

19、之間） 。 (2)該噴泉共有三種花樣可供選擇。按下啟動(dòng)按鈕，噴泉即 開始工作，按下停止按鈕，則停止噴水。噴泉的工作方式（即 噴水花樣）由選擇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。 (3)該花式噴泉有三種噴水花樣可供選擇。 第一種花樣，4、3、2、1 隔 2 秒依次噴水，一起噴水 1 5 秒后停下，在按 1、2、3、4 的次序隔 2 秒依次噴水，再一起噴 15 秒后停下，以此規(guī)律循環(huán)。 第二種花樣，l、3 同時(shí)噴水，延時(shí) 3 秒后 1、3 停噴，同 時(shí) 2、4 噴水，交替運(yùn)行 5 次后 1、2、3、4 一起噴水，30 秒后 停止，以此規(guī)律循環(huán)。 第三種花樣，1、2、3、4 按順序延時(shí) 2 秒噴水，然后一起 噴 30 秒后

20、 1、2、3、4 再分別延時(shí) 2 秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。 (4)通過變頻器可以控制每環(huán)噴水管的高度。在第一種花樣 中，1、3 管為慢速正轉(zhuǎn)噴水，2、4 管為中速正轉(zhuǎn)噴水。 (5)燈光系統(tǒng)的控制：由 PLC 的 X5 輸入端為燈光系統(tǒng)控制 的選擇按鈕，當(dāng)需要燈光配合時(shí)，接通 X5 輸入端。此時(shí)可實(shí)現(xiàn) 三路燈光的控制，即 3，4 任意一層噴水時(shí)，紅色燈亮；2 噴水 時(shí)，黃色燈亮；所有的噴頭噴水時(shí)，綠色燈亮。 花式噴泉池示意圖如圖 2-1 所示。 系統(tǒng)控制方案的設(shè)定 1234 圖 2-1 花式噴泉池示意圖 2.5 花式噴泉控制系統(tǒng)的原理圖 在噴泉中，通過按鈕開關(guān)信號(hào)來控制 PLC:因?yàn)橛?4 層噴水

21、， 因此用了 1 個(gè)變額器來控制 4 個(gè)水泵。 花式噴泉控制系統(tǒng)的原理圖如圖 2-2 所示。 按鈕 開關(guān)信號(hào) PLC 電源 變頻器 水泵 圖 2-2 花式噴泉控制系統(tǒng)原理圖 2.6 音樂控制原理 2.61 樂曲播放 音樂噴泉所播放的樂曲可以從電腦播放器播放，通過功率 放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設(shè)備，另 一路輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣。當(dāng)操作員在樂 曲數(shù)據(jù)庫(kù)中確定了演示樂曲后，隨后啟動(dòng)該驅(qū)動(dòng)器，正確地播 放選定的樂曲。 2.62 水型與樂曲同步控制 當(dāng)樂曲開始播放，水型會(huì)同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下 一首樂曲開始的間歇期間，水型也會(huì)保持同步停止和繼續(xù)演示。

22、此音樂噴泉控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的噴泉延時(shí)，使水型與樂曲 達(dá)到同步的效果。 2.63 水型的程序演示 噴泉潛水泵電動(dòng)機(jī)是受控制器內(nèi)部的程序控制，每一首樂曲 系統(tǒng)控制方案的設(shè)定 可從控制器中相應(yīng)的找到對(duì)應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對(duì) 應(yīng)輸出。 2.64 彩色燈光的程序演示 與水型的演示程序類似，彩色燈光也由控制器系統(tǒng)程序控 制。通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣 的方法，隨噴泉的變化相應(yīng)的水下彩色燈光也會(huì)變化、動(dòng)作。 2.65 水型的節(jié)奏隨動(dòng)控制 對(duì)于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同 步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺 變化也是由 A/D 對(duì)其音頻

23、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后通過對(duì)應(yīng)的程序所表 現(xiàn)出的。通過變頻器對(duì)潛水泵實(shí)現(xiàn)加速、減速等控制，以達(dá)到 對(duì)不同音樂信號(hào)的不同觀賞感。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 可編程控制器(PLC)的選型 3.1.1 PLC 概述 可編程控制器，英文稱 Programmablc Controllcr，簡(jiǎn)稱 PLC，木課題中用 PLC 作為它的簡(jiǎn)稱。PLC 是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電 控制器。它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計(jì)算機(jī)。它通過 運(yùn)行存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的 輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過輸出電路的 物理過程去實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制。 PLC 基于電子計(jì)算機(jī)，但

24、并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì) 算機(jī)進(jìn)行入出信息變換時(shí)，大多只考慮信息本身，信息入出的 物理過程一般不考慮的。而 PLC 則要考慮信息入出的可靠性、 實(shí)時(shí)性，以及信息的實(shí)際使用。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán) 境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題，入出信息變換及 可靠的物理實(shí)現(xiàn)，可以說是 PLC 實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)。PLC 可以通過它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼 電控制裝置多的多、強(qiáng)的多。 PLC 有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 I/O 接口、通信接 口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下 基本的功能。 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 邏輯處理功能； 1 數(shù)據(jù)運(yùn)算功能； 2 準(zhǔn)

25、確定時(shí)功能： 3 高速計(jì)數(shù)功能； 4 中斷處理（可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能； 5 程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能； 6 聯(lián)網(wǎng)通信功能； 7 自檢測(cè)、白診斷功能； 8 可以說，凡普通小型計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，PLC 幾乎也都 可以做到。 像 PLC 這樣。有很豐富的功能，是別的電控器所沒有的， 更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為 PLC 的 廣泛應(yīng)用提供了可能，同時(shí)，也為自動(dòng)門行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息 化及智能化創(chuàng)造了條件。 3.1.2 PLC 的選型 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就 是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型 的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型

26、和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析。工 藝過程的特點(diǎn)、控制要求，控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和 動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容 量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能 價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 (1)輸入輸出(I/O)點(diǎn)數(shù)的估算。 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入 輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 1O%20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出 點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。 (2)存儲(chǔ)器容量的估算。 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元 大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大 小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)

27、用 程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程 序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算， 通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來替代。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中 給出了不司公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 1015 倍， 加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16 位為 一個(gè)字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內(nèi) 存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ) 2000 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過 程中有足夠的空間。 (3)控制功能的選擇。 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、 診斷功能和處理速度等特性的

28、選擇。 根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的 選擇。 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 控制功能 1 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單 回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智 能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和 節(jié)省存儲(chǔ)器容量。 編程功能 2 離線編程方式：PLC 和編程器公用一個(gè) CPU，編程器在編程 模式時(shí)，CPU 只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。 完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控 制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和 調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU

29、，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周 期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系 統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功 能模塊圖(FBD)三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩 種文本語(yǔ)言；選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)(IEC6113123)，同 時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如 C，Basic 等，以滿足特殊 控制場(chǎng)合的控制要求。 診斷功能 3 PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬 件的邏輯判斷確

30、定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診 斷。通過軟件對(duì) PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通 過軟件對(duì) PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行 診斷是外診斷。 PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù) 能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。 (4)機(jī)型的選擇。 通過對(duì)輸入輸出點(diǎn)的選擇、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇、對(duì) I/O 響 應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。 西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通 信能力、功能更強(qiáng)、可靠性更高等特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)選用西門 子 S7200 系列 PLC，它是超小型化的 PLC，它適用于各行個(gè)業(yè)， 各種場(chǎng)

31、合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7200 PLC 的強(qiáng)大 功能使其無論單擊運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 S7200 PLC 可提供 4 種不同基本型號(hào)的 8 種 CPU。 3.2 變頻器的選型 我設(shè)計(jì)的是通過變頻器調(diào)速技術(shù)來控制每環(huán)噴水管的高度。 我選用的是 FR-S520 (S)E 系列變頻調(diào)速器。 3.3 水泵的選型 由于噴泉的水泵必須滿足大功率快速精確起停，而且其輸出 功率必須能夠精確的進(jìn)行控制。我選用品牌為 DESHB(德士比) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 的 QYPI00-4.5-2.2 噴泉泵。具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊：無需引 水、使用簡(jiǎn)便：雙端密封、電器保護(hù)；設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良：

32、經(jīng)久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圓法蘭結(jié)構(gòu)，電機(jī)為 F 級(jí)絕緣，適用于音樂噴泉等場(chǎng)合對(duì)電機(jī)頻繁啟動(dòng)的要求，葉 輪具有防松裝置，不怕反轉(zhuǎn)。其實(shí)物圖見其 3-1 所示。 圖 3-1 QYP 噴泉泵的實(shí)物圖 3.4 硬件接線圖 PLC 的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開 敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端 接地。電源部分包括 PLC 工作電源 AC220V，其他輸入/輸出電 源電壓均為 DC24V。 PLC 的外部硬件連接圖見附錄 A。 在整個(gè) PLC 外部硬件連接圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入 接線和數(shù)字量輸出接線三個(gè)部分： 1、數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸入點(diǎn)有兩個(gè)

33、分別為 I0.0 和 I0.1，其中 I0.0 為啟 動(dòng)按鈕，當(dāng)按下 I0.0 時(shí)，PLC 進(jìn)入程序運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)程序進(jìn) 行循環(huán)掃描；I0.1 為停止按鈕，當(dāng)按下 I0.1 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止 所有程序的掃描，并能控制到此時(shí)無輸出，而且同時(shí)將所有置 位信號(hào)復(fù)位。 另外，當(dāng)外部水泵電源線路中過載熱繼電器保護(hù)裝置 FR 出 現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，也同樣可以將 PLC 系統(tǒng)所有工作立即停止。 2、模擬量輸入 模擬量輸入通過 PLC 的擴(kuò)展插口直接利用數(shù)據(jù)線連接，不需 要另外占用端子排上的端口。因?yàn)橐纛l信號(hào)的直接來源于 CD、VCD、DVD 等設(shè)備，而不是通過功放將音頻信號(hào)功率大后再 輸入轉(zhuǎn)換模塊的，所以，當(dāng)音頻信號(hào)

34、以電流 020mA 的形式時(shí)， 可直接接入模擬量轉(zhuǎn)換模塊 EM231，通過編制程序可直接從模 擬量轉(zhuǎn)換 EM231 中的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。 3、數(shù)字量輸出 數(shù)字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西 門子 S7-200 系列 CPU226 型的 PLC，根據(jù)輸出點(diǎn)數(shù)可知，需加 數(shù)字量擴(kuò)展模塊 EM222。圖中所示輸出 Q0.0Q1.7 分別分成 8 個(gè)一組接至相應(yīng)的 4 組變頻器控制端子，其中 STF 為啟動(dòng)變頻 器正轉(zhuǎn)端，高速 RH 端、中速 RM 端以及低速 RL 端為組合調(diào)速端， 通過三個(gè)端子可組合成為 7 速調(diào)節(jié)，從而使得潛水泵的速度變 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 化也會(huì)相應(yīng)的跟著有

35、所改變。 另外，數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 EM222 的 Q2.0Q2.7 所接為固態(tài) 繼電器，通過控制固態(tài)繼電器的通斷，將改變 7 組燈光的變化 組合，其中 Q2.7 輸出控制主電路電源通斷。 系統(tǒng)的硬件連接圖即 PLC 和系統(tǒng)中各個(gè)硬件的連線。具體 的如圖 3-2，3-3 所示。QSL231上 保 護(hù) 開 關(guān)下 保 護(hù) 開 關(guān) KM停 止 按 鈕啟 動(dòng) 按 鈕選 擇 開 關(guān) 1的 位 置選 擇 開 關(guān) 2的 位 置選 擇 開 關(guān) 3的 位 置燈 控 按 鈕 DC12V電 源 指 示控 制 管 噴 水控 制 2管 噴 水控 制 3管 噴 水控 制 4管 噴 水紅 色 燈黃 色 燈綠 色 燈 L12

36、3UVWRMLSTFDNL32COM+D4V0Y23COMY56710Y2COM4X1XV變頻器PFN-3R 圖 3-2 硬件接線圖 MFR1KM12QSFR2KM34QSMFR3KM56QS4FR4KM78QS5QS1L23PHUVW變 頻 器QSL23 圖 3-3 變頻器和水泵的接線圖 3.5 I/O 分配表及估算 序號(hào) 輸出 說明 1 Y0 電源指示 2 Y1 控制 1 管噴水 3 Y2 控制 2 管噴水 4 Y3 控制 3 管噴水 5 Y4 控制 4 管噴水 6 Y5 紅色燈 7 Y6 黃色燈 8 Y7 綠色燈 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 9 Y8 中速 10 Y9 慢速 11 Y10 正轉(zhuǎn) 表

37、3-4 I/O 分配點(diǎn)輸出說明 序號(hào) 輸入 說明 1 X0 停止按鈕 2 X1 啟動(dòng)按鈕 3 X2 選擇開關(guān) 1 的位置 4 X3 選擇開關(guān) 2 的位置 5 X4 選擇開關(guān) 3 的位置 6 X5 燈控按鈕 表 3-5 I/O 分配點(diǎn)輸入說明 3.6 控制系統(tǒng) I/O 口的估算 本設(shè)計(jì)是音樂噴泉 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),根據(jù) PLC 的 I/O 節(jié)點(diǎn) 使用原則,應(yīng)留出一定的 I/O 點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用。在對(duì)系統(tǒng)的控 制要求進(jìn)行分析后，可以大概確定系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 3.61 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需點(diǎn)數(shù)估算 本系統(tǒng)是根據(jù)音樂的旋律、音頻信號(hào)的大小來控制噴泉水 柱高低的，所以其數(shù)字量輸入只需要滿足系統(tǒng)啟

38、動(dòng)、停止兩個(gè) 功能。如表 3.1 所示 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)按鈕 1 噴泉控制 系統(tǒng)啟動(dòng) 停止按鈕 1 噴泉控制 系統(tǒng)停止 輸入點(diǎn)數(shù)： 2 表 3-6.1 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn) 數(shù) 3.62 系統(tǒng)模擬量輸入所需點(diǎn)數(shù)估算 為了將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成 PLC 能識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，這里需 采用一個(gè)模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點(diǎn)為 1 個(gè)。 如表 3.2 所示 項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 音頻信號(hào) 變送模塊 1 音頻信號(hào) 大小 輸入點(diǎn)數(shù)： 1 表 3-6.2 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn) 數(shù) 3.63 系統(tǒng)數(shù)字量輸出

39、所需點(diǎn)數(shù)估算 系統(tǒng)數(shù)字量輸出分為控制變頻器開關(guān)量、控制燈光開關(guān)量 兩個(gè)部分，其中變頻器有啟動(dòng)和調(diào)速兩種控制量。如表 3.3 所 示 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)變頻 器開關(guān)量 5 控制變頻 器運(yùn)行 變頻器速 度開關(guān)量 12 選擇變頻 器頻率 輸出總點(diǎn) 數(shù)：24 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 水下等光 控制輸出 7 水下燈光 的控制 表 3-6.3 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn)數(shù) 3.7 音樂原理 音樂噴泉控制系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，通過 I/O 口 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，彩燈的閃爍以及液晶屏的顯示和音樂的 播放，其系統(tǒng)原理框圖如圖 3-1 所示： 圖 3-7 音樂

40、噴泉控制框圖 主要用到的器件有：AT89S52 單片機(jī)、LCD1602 液晶顯示屏、 直流電機(jī)、L298N 芯片、蜂鳴器、調(diào)微器、9012 三極管、12M 晶振、二極管、各類阻值的電阻和電容等。 51 單片機(jī) 彩燈 L298N 芯片 直流電機(jī) 電源 LCD1602 蜂鳴器 3.7.1 音樂控制模塊 音樂聽起來有的高，有的低，這就叫高音。高音是有發(fā)音 物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高的就高，頻率低的就低。 不同高音的音樂是用 C、D、E、F、A、G 來表示的，這 7 個(gè) 字母就是音樂的音名，他們一般一次唱成 DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成簡(jiǎn)譜的 1、2、3、4、5、6、7，相當(dāng)

41、于漢字“多來米發(fā)梭拉稀”的讀音， 這個(gè)就是唱曲時(shí)音樂的發(fā)音，所以叫唱名。把 C、D、E、F、G、A、B 這一組音的距離分成 12 等分，每一個(gè)等 分的距離分成 12 等分，每一個(gè)等份叫做一個(gè)“半音” 。兩個(gè)音 之間的距離有兩個(gè)“半音”的，就叫做“全音” 。 音持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示 暫停發(fā)音。 一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個(gè)音符對(duì)應(yīng)著 不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對(duì) 應(yīng)的延時(shí)，構(gòu)成音樂。 了解音樂的一些基本知識(shí)后可知道，產(chǎn)生不同頻率的音頻 脈沖即能產(chǎn)生音樂。對(duì)于單片機(jī)而言，產(chǎn)生不同頻率的脈沖非 常方便，可以利用它的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生這

42、樣的方波頻率信號(hào)。 因此，需要弄清楚音樂中的音符和對(duì)應(yīng)的頻率，以及單片機(jī)定 時(shí)計(jì)數(shù)的關(guān)系。 簡(jiǎn)易的音樂發(fā)生器看可以由單片機(jī)、三極管以及蜂鳴器構(gòu)成， 三極管起到驅(qū)動(dòng)的作用,電路原理圖如圖 3-2 所示: 51 單片機(jī) 電阻 三極管 蜂鳴器 圖 3-7.1 簡(jiǎn)易的音樂發(fā)生器 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 3.72 中央控制模塊 中央監(jiān)控部分的核心是單片機(jī)（AT89S52）系統(tǒng)，該系統(tǒng)也 是音樂噴泉控制器的核心。AT89S52 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編 程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8

43、 位微處 理器，俗稱單片機(jī)。該器件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出 管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè) 芯片中，ATMEL 的 AT89S52 是一種高效微控制器，為很多嵌入 式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性好且廉價(jià)的方案。AT89S52 具有 以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash,256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線， 看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1 個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。 另外 AT98S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇 節(jié)電模式。在空閑模式下，CPU

44、停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被 保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作被停止，直到下一個(gè)中 斷或者硬件復(fù)位為止。 主要特性： 與 MCS-51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器； 壽命：1000 寫/擦循環(huán)； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年； 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 可編程 I/O 線； AT89S52 兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 5 個(gè)中斷源； 可編程串行通道； 低功耗的閑置和掉電模式； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 表 3-7.2 單片機(jī)（AT89S52）說明 管腳說明： V

45、CC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸 入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/ 地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被 內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將 輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉

46、的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)， 其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣 故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)， 它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫 時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和 校驗(yàn)時(shí)接收高八位

47、地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部 上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電 平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89S52 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時(shí)器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)

48、存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè) 機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 圖 3-7.3 復(fù)位電路 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電 平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于 輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖 信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出 的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH

49、 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令 是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在 外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器 取址期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ) 器（0000H-FFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方 式 1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此 間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也

50、用于施加 12V 編程電源（VPP）： XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 圖 3-7.4 晶振電路 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向 放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部 時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈 寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制 信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成

51、。在芯片 擦操做中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù) 編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89S52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件 下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在 工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 PLC 梯形圖概述 梯形圖是使用得最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱為 PLC 的第一 編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀 易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人

52、員掌握，特別適用于開關(guān)量 邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編 程。 PLC 梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如 輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是 真實(shí)的物理繼電器，而是一些存儲(chǔ)單元（軟繼電器） ，每一軟繼 電器與 PLC 存儲(chǔ)器中映像寄存器的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)。該存 儲(chǔ)單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對(duì)應(yīng)軟繼電器的線圈 “通電” ，其常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)短開，稱這種狀態(tài)是該軟 繼電器的“l(fā)”或“ON“狀態(tài)。如果該存儲(chǔ)單元為“O“狀態(tài)，對(duì) 應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器 為“O“或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些

53、“軟繼電器”稱為編 程元件。 梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線(Bus bar)， 。在分析梯 形圖的邏輯關(guān)系時(shí)，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以 想象左右兩側(cè)母線（左母線和右母線）之間有一個(gè)左是正而右 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 是負(fù)的直流電源電壓，母線之問有“能流”從左向右流動(dòng)。右 母線可以不畫出。 根據(jù)梯形圖中各觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線 圈對(duì)應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中 邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進(jìn)行的。解算的結(jié)果， 馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像 寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來進(jìn) 行的。 4.2 STEP

54、7-MicroWIN 32 軟件的使用 (1)雙擊“STEP 7-MicroWIN 32”進(jìn)入其界面。 (2)PLC 梯形圖快速繪制入門。 畫觸點(diǎn)：點(diǎn)開左邊工具欄的“Bit Logic”，雙擊觸點(diǎn)圖 1 標(biāo)，如圖 4-1 所示。 圖 4-1 畫觸點(diǎn)示意圖 畫線圈：在“Bit Logic”欄中，雙擊線圈圖標(biāo)，如圖 2 4-2 所示。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-2 畫線圈示意圖 改標(biāo)號(hào)：點(diǎn)擊觸點(diǎn)、線圈上的“?.?”分別改成 3 “I0.0” 、 “Q0.0”。最簡(jiǎn)單的 PLC 梯形圖就畫好了，如圖 4-3 所示。 圖 4-3 改標(biāo)號(hào)示意圖 保存 PLC 梯形圖文件：依次選擇工具欄“FileSave”

55、 4 在彈出的保存對(duì)話框中選擇保存的路徑及輸入要保存成的文件 名，如“abc” ，圖 4-4 所示，再點(diǎn)保存。 圖 4-4 保存 PLC 梯形圖文件示意圖 導(dǎo)出畫好的 PLC 梯形圖：依次選擇工具欄 5 “FileExport”在彈出的導(dǎo)出對(duì)話框中選擇保存的路徑及輸 入要保存成的文件名，如“123” ，圖 4-5 所示，再點(diǎn)保存。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-5 導(dǎo)出畫好的 PLC 梯形圖示意圖 (3)其他： 觸點(diǎn)、線圈也可以從上面的工具欄里選擇。 1 計(jì)數(shù)器在“Counters”里。 2 定時(shí)器在“Timers”里。 3 在“ViewSTL”為 PLC 的指令表格式。 4 在“ViewLadde

56、r”為 PLC 的梯形圖格式。 5 4.3 S7200_Simulation 仿真軟件的使用 (1)雙擊 S7200_Simulation 文件夾下的“S7_200.exe” ，進(jìn) 入其界面，在其界面中央點(diǎn)一下鼠標(biāo)，則彈出如圖 4-6 對(duì)話框， 輸入密碼“6596” ，點(diǎn)擊“ok” ，則進(jìn)入圖 4-7 示界面。 圖 4-6 仿真軟件進(jìn)入示意圖 圖 4-7 S7-200 仿真軟件界面示意圖 (2)導(dǎo)入文件，依次選擇工具欄“ProgramaCargar Programa”，在彈出的對(duì)話框中按如圖 4-8 進(jìn)行設(shè)置。再點(diǎn)擊 “Aceptar”，在彈出的對(duì)話框選擇剛才在“STEP 7-MicroWIN

57、 32”下導(dǎo)出的文件（123.awl） ，如圖 4-9，點(diǎn)擊“打開” 。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-8 導(dǎo)入文件示意圖 圖 4-9 文件查找示意圖 (3)仿真運(yùn)行：依次點(diǎn)擊“PLCRUN” ，在彈出的確認(rèn)對(duì)話 框點(diǎn)擊“是” ，此時(shí)即進(jìn)入仿真狀態(tài)，如圖 4-10 所示。 圖 4-10 仿真運(yùn)行示意圖 4.4 系統(tǒng)工作過程分析 (1)按下啟動(dòng)按鈕和燈控按鈕，開始運(yùn)行。 (2)按下位置開關(guān) 2，則是第一種花樣噴泉。 (3)按下位置開關(guān) 3，則是第二種花樣噴泉。 (4)按下位置開關(guān) 4，則是第三種花樣噴泉。 (5)無論哪種花樣噴泉，只要當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜我庖粚訃娝?的時(shí)候，黃燈亮：當(dāng)?shù)诙訃娝臅r(shí)候，紅燈

58、亮：當(dāng)所有噴水 時(shí)，綠燈亮。 (6)按下停止按鈕，則運(yùn)行結(jié)束。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 4.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 4.5.1 花式噴泉的第一種花樣 當(dāng)選擇開關(guān) 2 的位置時(shí)，噴泉運(yùn)行第一種花樣： 4、3、2、l 隔 2 秒依次噴水，一起噴水 l 5 秒后停下，再按 l、2、3、4 的次序隔 2 秒依次噴水，再一起噴 l5 秒后停下， 以此規(guī)律循環(huán)。l、3 管以慢速正轉(zhuǎn)噴水，2、4 管以中速正轉(zhuǎn)噴 水。當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜我庖粚訃娝臅r(shí)候，黃燈亮：當(dāng)?shù)诙?噴水的時(shí)候，紅燈亮：當(dāng)所有噴水時(shí)，綠燈亮。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-11 第一種花樣的梯形圖 注釋：I0.2 為選擇開關(guān) 2; I0.0 為停止開關(guān)；

59、Q0.0,Q0.7 為四 號(hào)噴水管; Q0.1,Q0.6 為三號(hào)噴水管； Q0.2，Q0.5 為二號(hào)噴 水管； Q0.3，Q0.4 為一號(hào)噴水管； T37 到 T44 為 100ms 的的 定時(shí)器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯示的紅燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.5.2 花式噴泉的第二種花樣 當(dāng)選擇開關(guān) 3 的位置時(shí)，噴泉第二種花樣：l、3 同時(shí)噴水， 延時(shí) 3 秒后 l、3 停噴，同時(shí) 2、4 噴水，交替運(yùn)行 5 次后 l、2、3、4 一起噴水，30 秒后停止，以此規(guī)律循環(huán)。1、3 管 以慢速正轉(zhuǎn)噴水2、4 管以中速正轉(zhuǎn)噴水。當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜?意一層噴水的時(shí)候，黃燈亮：當(dāng)?shù)?/p>

60、二層噴水的時(shí)候，紅燈亮： 當(dāng)所有噴水時(shí)，綠燈亮。見圖 4-12 所示。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-12 第二種花樣的梯形圖 注釋：I0.3 為選擇開關(guān) 3; I0.0 為停止開關(guān)； Q0.0,Q0.4 為一 號(hào)噴水管; Q0.2,Q0.6 為三號(hào)噴水管； Q0.1，Q0.5 為二號(hào)噴 水管； Q0.3，Q0.7 為四號(hào)噴水管； T37 到 T39 為 100ms 的的 定時(shí)器；C1 為計(jì)數(shù)器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯示 的紅燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.5.3 花式噴泉的第三種花樣 當(dāng)選擇開關(guān) 4 的位置時(shí)，第三種花樣：I、2、3、4 按順序 延時(shí) 2 秒噴水，然后一起噴

61、 30 秒后 l、2、3、4 再分別延時(shí) 2 秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。1、3 管以慢速正轉(zhuǎn)噴水2、4 管以中 速正轉(zhuǎn)噴水，第三或者第四任意一層噴水的時(shí)候，黃燈亮；當(dāng) 第二層噴水的時(shí)候，紅燈亮；當(dāng)所有噴水時(shí)，綠燈亮。見圖 4- 13 所示。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-13 第三種花樣的梯形圖 注釋：I0.4 為選擇開關(guān) 4; I0.0 為停止開關(guān)； Q0.3 為四號(hào)噴 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 水管; Q0.2 為三號(hào)噴水管； Q0.15 為二號(hào)噴水管； Q0.0 為 一號(hào)噴水管； Q0.4 到 Q0.7 為輔助線圈； T37 到 T44 為 100ms 的的定時(shí)器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯

62、示的紅 燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.6 音樂軟件管理 4.6.1 整體音樂模塊 為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還要有高質(zhì)量 的軟件支持。充分的考慮到軟件和硬件的結(jié)合，使系統(tǒng)達(dá)到更 好的效果。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用單片機(jī)應(yīng)用軟件。單片機(jī)軟件采 用 C 語(yǔ)言編寫。單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了過程控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù) 讀取等功能；在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng) 的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可 讀性和可移植性。主程序流程圖如圖 4-1 所示： 初始化 判斷休止符 關(guān)閉 TR0，返 回 Y N 取出音符大 小 取出

63、節(jié)拍大小 LED 閃爍 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-6.1 主程序流程圖 4.6.2 音樂控制設(shè)計(jì) 音調(diào)是由不同的頻率產(chǎn)生的，而每一個(gè)音調(diào)都是由一個(gè)音 符和一個(gè)節(jié)拍組成，音符決定該音調(diào)的高低，節(jié)拍則決定了該 音調(diào)是多少拍。因此，一個(gè)音調(diào)是由兩個(gè)字節(jié)組成的。根據(jù)音 符字節(jié) 產(chǎn)生該大小次數(shù)的延時(shí)，聲音輸出口取反，就可以得到 LCD 液晶顯示 蜂鳴器產(chǎn)生音調(diào) 進(jìn)入下一個(gè)音調(diào) 該音調(diào)的高低音。根據(jù)設(shè)置單位節(jié)拍的延時(shí)大小，可以控制音 樂演唱速度。 因此算法很簡(jiǎn)單：定義單片機(jī)的一個(gè) I/O 端腳為聲音輸出 口，在規(guī)定的節(jié)拍內(nèi)，根據(jù)音符字節(jié)的大小產(chǎn)生延時(shí)，將聲音 輸出口不斷的置高置低（即取反），就可以得到該音調(diào)

64、。只要 選取合適的單位節(jié)拍延時(shí)，就可以輸出動(dòng)聽的音樂。 程序流程圖如圖 4-2 所示： 開始 初始化 按鍵按下？ 獲取按鍵值 N Y 設(shè)置 T0 并啟動(dòng) 按鍵放？ 定時(shí)器 0 服務(wù)子程序 重設(shè)定時(shí)器 P2.0 反相，產(chǎn)生輸出脈 沖 結(jié)束 N 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 圖 4-6.2 簡(jiǎn)易的音樂流程圖 4.6.3 定時(shí)時(shí)間的產(chǎn)生及工作方式的選擇 AT89S52產(chǎn)生啟閉閘門定時(shí)時(shí)間的方法通常有兩種。 第一種方法是將定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，T1串行使用。T0設(shè)置成定 時(shí)器，T1設(shè)置成計(jì)數(shù)器，用T1對(duì)T0的“定時(shí)時(shí)間到”信號(hào)進(jìn)行 定時(shí)計(jì)數(shù)。 第二種方法是用T0做定時(shí)器，用軟件對(duì)“定時(shí)時(shí)間到”進(jìn) 行計(jì)數(shù)。這種方法只占用

65、一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)功能是對(duì)外部事件進(jìn)行的，外部事件以脈沖的形式輸 入，作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。為此89s52芯片上有T0(P3.4)和 T1(P3.5)兩個(gè)引腳，用于為這兩個(gè)計(jì)數(shù)器輸入計(jì)數(shù)脈沖。計(jì)數(shù) 脈沖是負(fù)跳變有效，供計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。使用計(jì)數(shù)功能時(shí) 單片機(jī)在每個(gè)周期的第五狀態(tài)第二拍節(jié)對(duì)計(jì)數(shù)脈沖輸入引腳進(jìn) 行采樣。如果前一機(jī)器周期采樣為高電平，后一個(gè)機(jī)器周期采 樣為低電平，即為一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，在下一機(jī)器周期的第三狀態(tài) 關(guān)閉 T0 Y 第一拍節(jié)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于采樣計(jì)數(shù)脈沖至少需要占用2個(gè)機(jī)器周 期，所以計(jì)數(shù)脈沖的頻率不能高于震蕩脈沖的1/24，如果使用 的是12M的晶體振蕩器，這也就得出單片

66、機(jī)最高處理的頻率能力 范圍為500KHZ左右。 定時(shí)功能也是通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，不過此時(shí)的計(jì)數(shù) 脈沖數(shù)來自單片機(jī)芯片內(nèi)部，每個(gè)機(jī)器周期有一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖， 即每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1。由于一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩脈 沖周期，因此，計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。如果單片機(jī)采用 12MHZ晶振，則計(jì)數(shù)頻率為1MHZ，即每加一次時(shí)間為1微秒。利 用此功能可以實(shí)現(xiàn)在1微秒到65536微秒之間時(shí)刻的基礎(chǔ)上產(chǎn)生 任何時(shí)間的定時(shí)，典型的應(yīng)用就是定時(shí)器每次計(jì)數(shù)脈沖設(shè)定為 50000微秒后溢出，也就是定時(shí)器一次溢出時(shí)間為50毫秒，那么 按此想法，溢出20次后停住定時(shí)器工作，就達(dá)到了1秒鐘的定時(shí) 效果。 無論是定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器，都有本