毕业设计知识竞赛抢答器设计文档格式.docx

1、随着市场对功能需求的增加，以单片机、CPLD、FPGA、PLC 等为核心的抢答器开始投入研究和进入市场。以往基于PLC 设计的抢答器功能比较简单，对选手犯规的可能性研究不深入，也没有考虑答题时间的限制。本设计总结实际比赛的经验，对选手犯规的可能性进行了全面的考虑，并增加答题倒计时功能。本设计以PLC 为控制核心，利用PLC 输入信号电压为24V，克服了以往抢答器信号衰减的缺点；并通过信号比较实验证明该设计具有良好的稳定性和广泛的应用性，保证了竞赛的公正、公平、公开。关键词：PLC；八路知识竞赛抢答器；数码倒计时显示；I/O分配第一章 绪论 1.1 课题研究背景通过比较几种抢答器，发现由于单片机

2、、CPLD 器件工作电压为5V，信号经过长距离的传输衰减比较严重，导致不能准确判断选手号码的缺点。第 2 章 可编程控制器概述2.1 PLC的简介在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Control

3、ler（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计

4、。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，而且在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。现今，PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入，输出等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人，计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大

5、支柱。2.2 用单片机和PLC分别做系统的比较单片机系统设计电路这种形式在 80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。根据国内现况单片机产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定；单片机的可扩展性不高，增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计；单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件；现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，人机对话不够友善。对于单片机来说，PLC却有着这些方面的优势。进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元

6、件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。PLC的可靠性高。PLC要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。PLC的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很详尽的操作指南，即使第一次使

7、用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示故障原因和排除方法。甚至可以显示故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。在可靠性、可扩展性、可维护性以及操作界面等各个方面都比单片机更有优势。虽然PLC较单片机来说，价格上控制器相比略贵，但PLC可靠性好，操作简单，更适合用于本设计中。第 3 章 抢答器功能设计要求此设计总分正常答题、无人抢答以及犯规操作三方面的设计要求，由总控制台控制八路抢答选手的各项操作。具体说明如下：1、正常答题当控制台按下开始开关SB1时，蜂鸣器响、红灯亮，在10s内抢答。若

8、10s内抢答成功，显示抢答选手号码，并有绿灯显示抢答成功。答题开始，总台按下倒计时开关SB2，答题时间到，红灯亮。进入下一题，控制台按下复位按钮SB0，按SB1 开始抢答，如此循环。2、无人抢答控制台按下开始开关SB1，蜂鸣器发出声音和红光，若十秒内无人抢答，蜂鸣器响、黄灯亮，表示无人抢答。3、犯规操作犯规一：若控制台未按下开关时，有选手抢答，选手抢答则犯规，红灯亮。犯规二：抢答成功后，系统在10 秒后自动复位，若有选手按下抢答按钮，红灯亮，显示选手号码，蜂鸣器起动。犯规三：若控制台按下开关后10s内无人抢答，则黄灯亮；若此时选手再按开关则犯规，蜂鸣器起动。第 4 章 硬件设计4.1 控制器本

9、设计的控制器采用日本三菱公司生产PLC，选用FX2N-32MR（见图4-1），FX2N系列是三菱PLCFX家族中先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。三菱PLC编程叫采用编程软件GX-Developer，简单易懂。图4-1 三菱FX2N系列PLC的外形图4.2 数码管设计LED数码显示控制原理如图4-2所示，每一个数码显示单元由八组发光二极管组成，分别用图中A-H表示，要显示某一数字只要将相应组二极管点亮即可。例如要显示数字“1”，只要将B、C两组发光二极管点亮即可。由于本系统只要显示数字而无需显示小数点所以只要将PLC输出端Y0-

10、Y7接到数码管A-G即可完成数码显示。图4-2 LED数码显示原理图4.3 系统结构对于抢答部分，当X0-X7六个输入按钮中的某一个按下之后，此处采用辅助继电器M来记录抢答结果。由于抢答是按钮为了信号长期有效，还需要将其自锁，又由于任何时刻，只有一组抢答有效，所以各辅助继电器又要进行互锁。对于数码显示部分，三菱PLC提供了7段译码指令SEGD使得PLC处理数码显示变为极为方便。图4-3 抢答器系统结构4.4 I/O分配PLC的I/O分配如下：PLC端子功能说明X0抢答选手按钮PB1Y0数码管控制端子AX1抢答选手按钮PB2Y1数码管控制端子BX2抢答选手按钮PB3Y2数码管控制端子CX3抢答选

11、手按钮PB4Y3数码管控制端子DX4抢答选手按钮PB5Y4数码管控制端子EX5抢答选手按钮PB6Y5数码管控制端子FX6抢答选手按钮PB7Y6数码管控制端子GX7抢答选手按钮PB8Y11绿灯X11主席台开始抢答按钮Y13黄灯X10主席台复位按钮Y16红灯X2130s倒计时按钮Y10、Y12、Y17音效电路主机COM0、COM1、COM2、COM3、COM4等接电源GND4.5 硬件控制接线图图4-4 抢答器硬件控制连线图第 5 章 软件设计5.1 抢答器开始程序主持人提出问题后，按下开始开关SB1，蜂鸣器发出声音和红光，在十秒内抢答，该设计可以在抢到5s后实现自动复位。图5-1 为抢答开始程序

12、图。当主控台按下开始开关X011，选手开始抢答，定时器T0开始计时。同时辅助继电器M11线圈得电，M11常开触点闭合并自锁。10s后，定时器T0时间到，T0常开触点闭合，常闭触点断开。继电器M11失电断开，继电器M10因T0常开触点接通等电，M10常开触点闭合并自锁。当5s后T12定时时间到，M10失电断开。从而达到5s后实现自动复位。图5-1 为抢答开始程序图5.2 选手选择抢答程序选手选择抢答程序本设计采用了自锁与互锁原理。X0-X7六个输入按钮中的某一个按下之后，此处采用辅助继电器M来记录抢答结果。例如当选手1按下抢答开关，其对应辅助继电器M0线圈得电，使M0常开触点闭合，常闭触点断开。

13、M0常开触点与X0并联，闭合并自锁。同时M0的常闭触点与其他选手的支路串联，断开，其他选手抢答无效，实现了抢答功能的互锁。选手选择抢答程序图如图5-2。图5-2 选手选择抢答程序图5.3 抢答器部分控制程序图5-3为无人抢答、犯规等部分的具体实现程序，这段程序根据设计要求严格的对各种犯规情况进行了精细的设计，保证了比赛的公平及公正。图5-3 抢答器部分控制程序5.4 数码管显示程序三菱PLC提供了7段译码指令SEGD使得PLC处理数码显示变为极为方便，图5-4即为数码管的显示程序。图5-4 数码管的显示程序5.5 抢答器控制梯形图综合上述抢答器开始程序、选手选择抢答程序、抢答器控制程序、数码管

14、显示程序，编辑完整的抢答器程序，完成抢答器的整体设计。抢答器完整梯形图见附录。5.6 程序的下载、安装和调试将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。知识竞赛抢答器的程序是由三菱PLC编程软GX-DEVELOPER7编制完成，正常工作时程序存放在存储卡中，运行编程软GX-DEVELOPER7编程软件，打开知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。程序调试基本成功，基本功能已实现。结束语 大学生涯马上就将结束，面对这次毕业设计，我从一开始的无从下手，到现在的毕业设计完成，整个过程让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。才真正体会到理论知识要完美的运

15、用到现实的设计中来，我还存在很多的问题。让我明白我们的知识面不应该只是停留在书本上。在设计过程中，我也遇到了很多的问题。主要问题出现在软件设计方面，最开始的梯形图设计过程中不断的报错，设计的程序达不到预期的效果。设计过程中我不断的检查错误，使程序完整化。虽然很多困难被克服了，但是系统中难免还有很多不足之处，希望老师和同学给予指正与建议。这次的设计，从选题到实现，几乎都是自己独立完成的。设计过程中从总体设计到硬件、软件设计，整个过程中，从需求分析到设计、编码、测试，我都力求规范化和文档化，努力让自己以前学的知识运用到设计中来，尽量保证整个系统的开发进度和质量，顺利完成这次的毕业设计，为自己的大学生涯画上一个完美的句号。