*＊＊***＊*＊＊*学院
毕业论文
(201*届)
基于PＬC控制的舞台艺术灯光设计
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指导教师*＊***
完成日期**＊*＊
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基于PLC控制的舞台艺术灯光设计
摘要在现代文化艺术领域中，晚会的舞台艺术灯光各式各样色彩缤纷，用以吸引观众的注意力。舞台艺术灯光成了整体艺术中不可缺少的重要组成部分，更是融艺术和技术为一体的,随着科技的不断发展，舞台艺术灯光正逐渐向自动化控制方向发展,单片机、ＰＬＣ的应用正在不断地走向深入，对于这些灯饰的控制均可以采用PLC 控制,如灯光的闪耀、移位及时序的变化等。本设计就是利用PLＣ作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，PＬC 的性能优势必定会使得舞台灯的设计变得更方便，更可靠。
关键词舞台艺术灯ＰLC 编程设计
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目录
第一章绪论 ......................................... 错误!未定义书签。
1.1 本课题设计背景................................... 错误!未定义书签。
１.2 .............................. 本课程的设计内容?错误!未定义书签。
1．3 ........................ 本课程的设计目的和意义?错误!未定义书签。
第二章系统控制方案的选择和确立 ..................... 错误!未定义书签。
2.1?舞台灯光设计的传统控制?错误!未定义书签。
2.2 P LC控制与继电器控制两者区别...................... 错误!未定义书签。
２.3 ............................................. 控制继电器存在的缺点错误!未定义书２.4?PＬC相对于继电器线路的优势.................... 错误!未定义书签。
2.5?PLC的选型原则.................................. 错误!未定义书签。
2．6?机型的选择 .................................... 错误!未定义书签。
2．７ .................................................... 舞台灯的发展错误!未定义书2.８ .................................. 舞台灯的选择?错误!未定义书签。
第三章 PLC控制舞台艺术灯系统的设计?错误!未定义书签。
3．1 ...................................... PLC控制舞台灯系统的设计要求错误!未定义书3.2 舞台灯系统设计的控制要求......................... 错误!未定义书签。
3.3?ＰLC控制舞台灯系统控制方式的要求............... 错误!未定义书签。
3.4 P LＣ控制舞台灯系统的I/O分配表................... 错误!未定义书签。
3.５ ................................................... 控制系统接线图错误!未定义书3.6?程序设计 ....................................... 错误!未定义书签。
３.６．１梯形图 ..................................... 错误!未定义书签。
3.6.2指令表......................................... 错误!未定义书签。
第四章ＰLC控制舞台灯系统的设计效果?错误!未定义书签。
结论............................................... 错误!未定义书签。
致谢?错误!未定义书签。
参考文献?错误!未定义书签。
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引言
可编程控制器(ＰLC) 是以计算机技术为核心的通用工业自动化装置,它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起,具有高可靠性、灵活通用、易于编程和使用方便等特点,近年来在工业自动控制、机电一体化以及改造传统产业等方面得到了广泛的应用,被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之首。
本论文针对典型舞台艺术灯的实际控制要求，运用三菱PLC 基本指令和功能指令两种编程方法,在I/O 分配的基础上，将整个舞台艺术灯实际控制系统分解为拱形和梯形两个部分,进行ＰＬC 梯形图程序设计和程序功能分析。
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第一章绪论
1.1本课题设计背景
随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高,在现代生活中，彩灯作为一种装饰,既可以增强人们的感观,起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽,用在舞台上增强晚会灯光效果。随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展PＬC技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革。语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强,在实际应用中越来越广泛。这个阶段,人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化,可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来,把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而提高设计效率,缩短产品的研制周期。
1.2本课程的设计内容
基于PLC 控制的舞台艺术灯光设计系统可以通过修改程序方便
地调整灯光的闪烁次序与闪烁速度，再加上改变灯光的颜色和灯光的排列,可以设计出五彩缤纷的造型。如果对外部电路稍加修改，或者在系统程序中加入分支,可以把舞台艺术灯光系统改为霓虹灯、广告灯等
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艺术灯饰,能够用在娱乐场所、宾馆、餐厅以及大型商场的门面等多种地方,可以满足各种要求,收到良好的视觉效果。
本论文针对典型舞台艺术灯的实际控制要求,运用ＰLC 基本指令和功能指令两种编程方法,在I/O 分配的基础上,将整个舞台艺术灯实际控制系统分解为拱形和梯形两个部分,进行PLC 梯形图程序设计和程序功能分析。
1.3本课程的设计目的和意义
在现代生活中，最初的灯光设计只是局限在简单的灯光切换上,灯光颜色单调,灯位布置单一，更不用说灯光特技了。而如今的舞台变得无比绚丽，光线色彩可以实现细微转变,舞台灯光变得更加灵活梦幻;投影技术可以生成各种造型,使舞台形象生动;电脑灯可以使光线根据音乐的旋律摇摆，使舞台更富动感，霓虹广告灯及晚会的舞台灯光各式各样,色彩缤纷，用以吸引观众的注意力。舞台灯光设计作为舞台表演的一部分，近年来得到了越来越多的关注和重视。
灯光设备技术的高速发展，大大丰富了舞台灯光艺术表现手段,甚至给舞台灯光带来革命性的变化。近年来随着科技的飞速发展,我国的灯光技术也发生了翻天覆地的变化。灯具设备从最原始的自然光、烛光，发展到气灯、乙炔灯、电灯、气体放电灯、LED（发光二极管），继而到今天的电脑灯。舞台灯光的信号传输形式也由简单的线路传输发展为无线、光纤、网络化等多种形式。这使得操作控制管理直观化、
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简易化，并能精准地完成舞台演出所需要的艺术表现与再现单片机、PLC的应用正在不断地走向深入,对于这些灯饰的控制均可以采用PL Ｃ控制,如灯光的闪耀、移位及时序的变化等。
PLＣ控制的彩灯控制设计具有可编程性、线路简单、可靠性高等特点,提高了系统的灵活性及可扩展性。
第二章?系统控制方案的选择和确立
2.1舞台灯光设计的传统控制
传统舞台灯光的控制是采用空气开关人工机械式控制,由于舞台灯光所控制的聚光灯数量较多，用人工机械式地拨动空气开关来实现变幻的舞台灯光效果，控制者常常手忙脚乱，感到十分疲倦，而且所控制的舞台灯光也难以达到预期的效果。
2.2 PLC控制与继电器控制两者区别
1、控制方法不同,电器控制系统逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组合成逻辑控制，其连线多且复杂,体积大，功耗大,系统构成后,想再改变或增加功率较为困难。另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大性质。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需政变程序,因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少,体积小,功耗小,而且PLC所谓“软继电器”实
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质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,P ＬC系统的灵活性和可扩展性好。
2、工作方式不同，在继电器控制电路中,当电源接通时，电路中所有继电器都处于制约状态，即该吸合的继电器同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PＬC的用户程序按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种Ｔ作方式称为串联工作方式。
3、触点数日不同,硬继电器的触点敬量有限,用于控制的继电器触点一般为4-8对,而梯形图中每只“软继电器”供编程使用的触点数是无限对的。
4、组成器件不同,继电器控制线路是许多真正的硬继电器组成的，而梯形图是由许多所谓“软继电器”组成的。硬继电器易磨损，而“软继电器”则无磨损现象。
5、定时和计数控制不同,电器控制系统采用时间继电器的延时时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路做定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定时值,修改方便，不受环境的影响,且PLＣ具有计数功能，而电器控制一般不具备计数功能。
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6、可靠性和可维护性不同，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损,电弧烧伤等,寿命短,系统的连线多，所以可靠性和可维护性差。而PLC大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成,其寿命长,可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供方便。
2.3控制继电器存在的缺点
今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的,容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧,甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备,其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下,大的继电器将产生大量的热及噪声,同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装,如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。
2.4PＬC相对于继电器线路的优势
ｌ、功能强，性能价格比高
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一台小型PＬＣ内有成百上千可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网,实现分散控制，集中管理。
2、硬件配套齐全，用户使用方便,适应性强
可编程序控制器产品已经标准化,系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。
可编程序控制器的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PＬC有很强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
３、可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障，ＰLＣ用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10－-I/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PＬＣ已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
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4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLＣ用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统,梯形陶的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验窜模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
5、编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观，易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种而向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6、维修工作量少，维修方便
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PLC的故障率很低,且有完善的白诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发坐故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
７、体积小,能耗低
对于复杂的控制系统,使用PＬC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-１/10。
2.5 PLC的选型原则
在ＰLＣ系统设计时,首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体．易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PＬC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间,因此,工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLＣ的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的ＰＬC和设计相应的控制系统。
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输入输出( I/O)点数的估算
1、Ｉ／O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数，再增加10%—２0%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLＣ的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
2、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/Ｏ点数的1０—15倍，加上模拟I ／Ｏ点数的１0０倍，以此数为内存的总字数(1６位为一个字),另外再按此数的２5%考虑余量。控制功能的选择;该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
3、运算功能
简单PＬＣ的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通P ＬC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高
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级运算功能。随着开放系统的出现,目前在PＬＣ中都已具有通信功能,有些产品具有与下位机的通信,有些产品具有与同位机或上位机的通信，
有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能,有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和ＰID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
4、控制功能
控制功能包括PIＤ控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能,提高ＰＬC的处理速度
和节省存储器容量。例如采用PＩＤ控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ＡＳC码转换单元等。
5、通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(TＣP/ＩＰ),需要时应能与工厂管理网( TCP/IP）相连接。通信协议应符合ＩＳO/IEＥE通信标准,应是开放的通信网络。
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PＬＣ系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS2232C/４22Ａ/423／４８5)、RIO通信口、工业以太网、常用ＤＣＳ接口等;大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）廊1：1冗余配置,通信总线应符合国际标准,通信距离应满足装置实际要求。
ＰLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于lＭｂps，通信负荷不大丁60%。PＬC系统的通信网络主要形式有I?列几种形式:1)ＰC为主站,多台同型号PLＣ为从站，组成简易ＰLC网络;2）l 台PLC为主站,其他同型号ＰＬC为从站，构成主从式PLC网络；3)P ＬC网络通过特定网络接口连接到大型ＤCS中作为DＣS的子网;4)专用ＰLC网络(各厂商的专用PLC通信网络）。
为减轻CＰU通信任务,根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。
６、编程功能
离线编程方式:ＰLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式叫,CＰU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后,编程器切换到运行模式，ＣPＵ对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本,但使用和调试不方便。
在线编程方式:CＰU和编程器有各自的CPU，主机ＣPＵ负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期,主机就根据新收到的程序
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运行。这种方式成本较高,但系统调试和操作方便，在大中型PLＣ中常采用。
五种标准化编程语言:顺序功能图( SFC)、梯形图(LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（ IＬ)、结构文本(SＴ)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准( IEC６113１２３)，同时，还应支持多种语言编程形式,如Ｃ.Ｂasｉｃ等，以满足特殊控制场合的控制要求。
７、诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬什的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断,通过软件对PLC的CPＵ与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLＣ的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
8、处理速度
PＬＣ采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好,如果信号持续时间小于扫描时间,则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前,PLＣ接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0 2
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—0. 4Ｌｓ,因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于０
5ms/K；大中型ＰＬC的扫描时间不大于0 2ｍs/K。
2.6机型的选择
1、PLC的类型
PＬC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、1６位、３２位、６４位等。从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的Ｉ／O点数固定，因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
2、输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块,应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。
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可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
3、电源的选择
ＰLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLＣ应根据产品说明书要求设计和选用外，一般ＰLＣ的供电电源应设计选用2２０ＶＡC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PＬC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PＬC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
4、存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此,为保证应用项日的正常投运，一般要求PＬＣ的存储器容量，按256个I／O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时,应选择容量更大，档次更高的存储器。
5、冗余功能的选择
(１）控制单元的冗余
1）重要的过程单元:CPU(包括存储器）及电源均应1８1冗余。
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2)在需要时也可选用PＬC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。
（2）Ｉ／Ｏ接口单元的冗余
1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
２）重点检测点的多点I/O卡可冗余配置。
3)根据需要对章要的I/O信号,可选用2重化或３重化的I/O接口单元。
6、经济性的考虑
选择ＰLC时,应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
随着PＬC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PＬC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC
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的品种繁多,其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同,适用场合也各有侧重。
本设计的彩灯系统控制需要设置总启动、停止按钮各1 个，输出负载为8 组发光二极管, 可选用工作电压为1２Ｖ，工作电流为10~２０mA 的发光二极管。因为输入信号较少,而输出负载较多，时间响应较快,所以选择PＬC 基本单元FX2N－32MＴ,可提供１6 输入/16 输出，输出电压ＤＣ5～30V, 输出电流０．8A/４点,响应时间小于0．2mｓ。
2.7舞台灯的发展
随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，在现代生活中，彩灯作为一种装饰,既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽,用在舞台上增强晚会灯光效果。随着电子技术的发展,应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展PＬC技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革。语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广,抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。这个阶段,人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来,把精力集中子啊创造性的方案与概念构思上，从而提高设计效率,缩短产品的研制周期。
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