9路智能抢答器.docx

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9路智能抢答器

摘要

随着科技的高速发展，各种各样的新技术、新元件都应用到了实际的生产生活之中，加快了人们的生活节奏，也简化了人们的劳动过程。

随着人们对娱乐生活的质量的追求，作为娱乐项目中的工具—抢答器也一样在变化。

抢答器它可以由PLC、单片机、数字电路、模拟电路还可以由EDA技术做成，本次设计是采用PLC做主控制器，控制台灯、音响、数码管构成的电路。

本抢答器系统可以通过修改程序方便地调整设置时间，显示部分采用控制器内部编码方式输出控制信号驱动外部数码显示器件，也可以外部连接编、译码器件实现，并且可以采用适当的输出信号驱动其它类型的显示器件。

本设计基于西门子S7-300可编程控制器设计，而该型号PLC在各类工业控制中广泛应用。

关键词：

抢答器；可编程控制器；数码管

第1章智能抢答器系统概述

1.1课题研究背景

知识竞赛抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。

随着社会科技技术的不断发展，它的应用场合也随之增加；技术含量大大提升；更加方便可靠。

目前，形式多样、功能完备的抢答器已广泛应用于电视台、商业机构、学校及企事业单位，它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。

用PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只要改变输入PLC的控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案。

目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器，其大致采用模拟电路、数字电路、单片机或者PLC芯片、计算机控制系统等四类产品。

对于采用模拟电路或者数字电路的产品，其技术相当成熟。

但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及其功能的升级换代。

对于计算机控制系统来说，其程序简单，反应灵敏，便于参数调节及其功能的升级换代，但鉴于其必须配合计算机实用，可操作性差，没有得到广泛的应用。

而对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC为核心的部件成为主流。

1.2抢答器系统的功能

（1）抢答器可同时供9组选手参加比赛；

（2）具有违规提示功能：

只有在主持人发出开始抢答指令后，选手才能开始抢答；（3）具有抢答限时及答题限时功能：

在无人抢答及答题超时时都设置了音响提示信号；（4）具有数码显示功能：

能显示抢答选手的编号及答题倒计时时间。

2抢答器控制系统  

抢答器控制系统分5部分：

PLC、抢答按钮、信号灯、音响电路和显示部分，它利用抢答按钮输入各路的抢答信号，经PLC处理，输出控制信号，控制数码管和音响提示电路工作。

图1.2控制系统原理图

1.3抢答器扩展功能介绍

（1）每当主持人发出开始抢答指令（即按下启动按钮）后，哪组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。

（2）违规抢答：

若选手在未开始抢答时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管1显示其编号，同时红灯亮、音响电路2发出声响。

（3）抢答限时：

当主持人按下开始抢答按钮后，定时器T0开始计时（设定时10s），若10s时限到时仍无人抢答，则红灯亮、音响电路 并发出声响，以示选手放弃该题。

（4）答题限时：

在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮 SA2、SA3、SA4，秒脉冲辅助继电器开始工作，并利用响应的指令，使数码管2、3、4上显示答题倒计时时间（该时间可根据需要调节，SA2为60s、SA3为120s、SA4为180s），数码管2显示时间十位，数码管3显示时间个位，选手必须在设定的时间内完成答题，否则，音响电路4发出答题超时报警信号。

数码管2、数码管3显示部分的梯形图略去。

（5）本抢答器系统虽是针对九路参赛选手设计的，但通过原理分析可知，它也完全适用于少于九路选手的抢答场合。

第2章PLC相关概述

2.1可编程控制器概论

可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。

可编程控制器（ProgrammableLogicController）即PLC。

现已广泛应用于工业控制的各个领域。

他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

美国电气制造商协会经过4年调查，与1980年将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简写为PC。

后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（PersonalComputer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC。

2.2PLC的简介

国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下。

PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形式一体，易于拓展其功能的原则设计。

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支柱。

2.2.1PLC的应用

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。

但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC的成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。

风力发电系统结构复杂,具有非线性、时变的特点.变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行,影响风力机的使用寿命,变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性,现代的大型风力发电机大多采用可编程控制器（PLC）作为风力发电机的变桨距控制器.控制方式灵活,编程简单,结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高,抗干扰能力强等特点.本文介绍了液压变桨距系统的工作原理,设计了变桨控制器的软件系统。

2.2.2PLC的特点

⑴抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。

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。

⑵控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

⑶编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

⑷功能完善，扩展能力强PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。

⑸PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。

又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。

而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。

⑹结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化。

由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。

2.2.3PLC的分类

按I/O点数容量分类一般来说，PLC处理的I/O点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。

按PLC的输入输出点数可将PLC分为三类。

公司的SLC500系列等整式PLC等产品。

⑴微型PLCI/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。

⑵小型PLCI/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。

它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。

如西门子公司的S7-200PLC，三菱公司的F1、F2和FX0系列PLC都属于小型机。

⑶中型PLCI/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。

它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。

⑷大型PLCI/O点数为048点以上的为大型PLC。

它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。

另外大型PLC还可以采用三个CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。

按结构形式分类按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类。

⑴整体式结构整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。

内外还有独立的I/O扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。

整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。

小型机常用这种结构。

⑵组合式结构这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。

组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。

大、中型PLC常用组合式结构。

第3章智能抢答器硬件概述

3.1可编程控制器PLC的选型

S7-300是SIMATIC控制器中销售量最多的产品，它已成功地用于范围广泛的自动化领域。

S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。

这就是说，S7-300 是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。

坚持不懈的创新和改革使S7-300这个广泛应用的自动化平台能持续不断的升值概述。

本设计中采用西门子公司的S7-300型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。

3.2S7-300PLC系统组成

电源模块（PS）；

（选件）

为S7-300/ET200M供给电源；

将120/230V交换电压改变到所须要的24伏直流工作电压；

输出电流2A、5A、10A；

中心处置单元（CPU）；

多种CPU,有各种不同的性能,例如,有的CPU上集成有输入/输出点,有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口等；

接口模块（IM）；

用于连接多机架配置的；

SIMATICS7-300的机架；

最多配置4个机架.每个机架最多可以插入8个模块.在4个机架上最多可安装32个模块；

IM365

用于一个中心机架和一个扩大机架的配置中；

IM365/IM361；

用于一个中央机架和最多4个扩展机架的配置中；

信号模块（SM）；

用于数字量和模拟量输入/输出；

通讯处理器（CP）；

用于连接网络和点对点连接；

功能模块（FM）；

用于高速计数,定位操作（开环或闭环控制）和闭环掌握；

存储器

MMC

DIN尺度导轨；

用于模块安装；

前连接器；

用于简单而便利地连接传感器和执行器；

调换模块时容许坚持接线；

采取编码元件以避免更；

换模块时的错误；

分为20针、40针两种；

3.3.1S7-300系列PLC性能介绍

表3-1CPU简介

种类

图片

CPU系列号

功能简介

S7-300

通用型

CPU312

CPU314

CPU315-2DP

CPU315-2PN/DP

CPU317-2DP

CPU317-2PN/DP

CPU318-2DP

∙模块化微型PLC系统，满足中、小规模的性能要求

∙各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务

∙简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活

∙方便用户和简易的无风扇设计

∙当控制任务增加时，可自由扩展

∙大量的集成功能使它功能非常强劲

3.3.2I/O接线端口介绍

信号处理模块主要分为四类：

开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO

1.经常使用的开关量输入模块名称和性能。

SM32116点输入，24VDC；13-30V为信号1；-30~5V为信号0；

SM32116点输入，120V/230VAC；79-264V为信号1；0~40V为信号0；

2.经常使用的开关量输出模块名称和性能

SM32216点输出，24VDC；信号1时输出L+-0.8V；

每通道的最大输出电流0.5A;阻性负载的最高输出频率100HZ,感性为0.5HZ;带短路电子保护；

SM3228点输出，继电器接点；信号1时输出接点闭合；信号0时输出接点断开；

接点容量8A（230VAC）或5A（24VDC）；

3.经常使用的模拟量输入模块名称和性能

SM3318点模拟量输入；用于电阻测量时，为4点；

输入信号类型：

电压+-80毫伏;+-250毫伏;+-500

伏;+-1V;+-2.5V;+-5V;1-5V;+-10V;

电流+-10毫安;+-20毫安;0-20毫安;4-20毫安;

电阻150欧姆;300欧姆;600欧姆

热电偶E,N,J,K型；

热电阻Pt100标准,Ni100标准；

分辨率:

14位；

4.经常使用的模拟量输出模块名称和性能

SM3324点模拟量输出;

信号类型：

电压输出0-10V；+-10V；1-5V；

电流输出4-20MA；+-20MA；0-20MA；

分辨率:

12位；

3.4PLC外围接线与调试

图3-2接线图

第4章智能抢答器软件编程

4.1总体设计思路

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关拨到"清零"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关置;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。

定时器倒计时。

选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：

抢答完成后主持人根据题目难度判断答题时间（60s、120s、180s）；优先判断、编号锁存、编号显示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

图4-1总体方框图

4.2I/O地址分配表

元件

地址

作用

HL1

Q0.0

绿色指示灯

HL2

Q0.1

红色指示灯

HL3

Q0.3

报警指示

1号数码管A

Q1.0

抢答号显示

1号数码管B

Q1.1

抢答号显示

1号数码管C

Q1.2

抢答号显示

1号数码管D

Q1.3

抢答号显示

1号数码管E

Q1.4

抢答号显示

1号数码管F

Q1.5

抢答号显示

1号数码管G

Q1.6

抢答号显示

2号数码管

Q3.7

倒计时显示

2号数码管

Q3.6

倒计时显示

2号数码管

Q3.5

倒计时显示

2号数码管

Q3.4

倒计时显示

3号数码管

Q3.3

倒计时显示

3号数码管

Q3.2

倒计时显示

3号数码管

Q3.1

倒计时显示

3号数码管

Q3.0

倒计时显示

4号数码管

Q2.7

倒计时显示

4号数码管

Q2.6

倒计时显示

4号数码管

Q2.5

倒计时显示

4号数码管

Q2.4

倒计时显示

SB1

I0.0

1号抢答器按钮

SB2

I0.1

2号抢答器按钮

SB3

I0.2

3号抢答器按钮

SB4

I0.3

4号抢答器按钮

SB5

I0.4

5号抢答器按钮

SB6

I0.5

6号抢答器按钮

SB7

I0.6

7号抢答器按钮

SB8

I0.7

8号抢答器按钮

SA5

I1.1

开始抢答按钮

SA2

I1.2

答题时间60S

SA3

I1.3

答题时间80S

SA4

I1.4

答题时间100S

SA6

I1.5

复位重新抢答按钮

表4-2I/O地址分配

4.3程序图

（1）：

主持人按开始抢答按钮

图4-3开始程序

主持人必须在按下SA5开始按钮后，各抢答器按钮才能抢答，否则是不能抢答的。

SA5接通后，定时器T0接通，10s内M0.0不得电，可以抢答成功。

如果10s内没有有效抢答，红色报警灯亮并有声音报警，该题则不能抢答，表示抢答失败。

（2）：

9路抢答电路

图4-4抢答程序

9路抢答器电路要做到在可以抢答后任一一个抢答成功之后其它抢答无效，所以加入自锁，防止其它选手的抢答干扰。

这里是其中的第一段抢答程序，剩下的其它8段与第一段同理。

（3）：

指示电路

1：

绿色指示灯

图4-5绿色指示灯

在有抢答的情况下，绿色指示灯亮

2：

红色指示灯、报警电路

图4-6声音警告

在10s内没有抢答，红色指示灯亮，报警器报警。

答题者在规定的时间内没有完成答题红色指示灯亮，报警器报警。

（4）：

显示电路

图4-7一号数码管

把抢答者的编号在1号数码管上面显示出来。

而1号数码管为7节二极管组成，分别为a、b、c、d、e、f、g，组成一个数字，根据给不同的二极管通电从而得到1到9中间任一一个数字。

（详细请参考以下表）

表4-81号数码管显示表

a

b

c

d

e

f

g

1m1.0

1

1

2m1.1

1

1

1

1

1

3m1.2

1

1

1

1

1

4m1.3

1

1

1

1

5m1.4

1

1

1

1

1

6m1.5

1

1

1

1

1

1

7m1.6

1

1

1

8m1.7

1

1

1

1

1

1

1

9m2.0

1

1

1

1

1

1

（5）：

脉冲电路

图4-9脉冲电路

脉冲电路就是产生秒脉冲，给计数器一个脉冲，使计数器正常工作。

（6）：

倒计时电路

图4-1060秒倒计时

图4-11120秒倒计时

图4-12180秒倒计时

通过给3个计数器进行减计数，从而实现倒计时。

在计数器的CV-BCD端输出BCD码，在数码管上显示。

C0为60s倒计时，首先PV预定值为60，减计数M10.0每秒产生一个脉冲，就实现了60s倒计时。

C1为120s倒计时，PV预定值为120。

C2为180s倒计时，PV预定值为180。

这样就实现倒计时的可调性。

（7）：

倒计时显示

图4-14倒计时

把计数器输出的BCD码通过MOVE指令转移给QW2。

QW2包括16个输出节点-Q3.0、Q2.7-Q2.0。

其中Q3.7-Q3.4四位为倒计时个位显示，Q3.3-Q3.0四位为倒计时十位显示，Q2.7-Q2.4四位为倒计时百位显示。

（8）：

复位电路

图4-15复位程序

抢答结束后，不管抢答成功还是没有成功主持人都应该按下复位按钮，消除各数码管的显示，才能进行下一题的抢答。

第5章智能抢答器系统电路调试

编程器用来为S7-300编写程序，使用编程电缆连接编程器和CPU。

通过PROFIBUS电缆可以实现过的S7-300CPU直接的彼此通讯，以及与其它SIMATICS7PLC进行通讯。

使用一根PROFIBUS总线电缆可以连接多个S7-300。

5.1调试用PLC概述

本设计基于实验室PLC模拟完成。

实验室PLC为S7-300型可编程控制器，CPU型号为314C-2DP订货号6ES7314-6CG03-0AB0。

图5-1实验室PLC

5.2显示数码管简介

5.2.18段数码管

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

表5-2数码管显示

a

b

c

d

e

f

g

1

1

1

2

1

1

1

1

1

3

1

1

1

1

1

4

1

1

1

1

5

1

1

1

1

1

6

1

1

1

1

1

1

7

1

1

1

8

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

图5-3数码管

5.2.2BCD译码显示数码管

BCD七段译码器的输入是一位BCD码（以D、C、B、A表示），输出是数码管各段的驱动信号（以Fa~Fg表示），也称4—7译码器。

若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高

（1）时，相应显示段发光。

例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示，即要求同时点亮b、c、f、g段，熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为Fa~Fg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。

同理，根据组成0~9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表。

表5-4BCD译码显示

按照接线图把各个I/O地址连接起来。

我们首先把程序下载到PLC中间，然后我们通过实验模拟主持人与抢答者之间的抢答。

首先我们要求主持人在每一个题目抢答之前都要按下开始按钮，在抢答结束后主持人要按下复位键按钮，才能在下一题进行正常抢答。

主持人按下开始按钮后10秒内4号抢答成功，一号数码管将显示出成功抢答者的编号，同时绿色指示灯L0亮。

图5-56号抢答成功

如果主持人按下开始按钮后10秒内没有答题者抢答，红色指示灯、报警器将会同时得电，L1、L2亮。

图5-6绿色指示灯、报警

按照程序设计要求在主持人按下开始按钮之后，那位答题者抢答成功，一号数码管应该显示出相应的编号。

下图是如4号、5号。

图5-74、5号抢答成功

在抢答者成功之后，主持人应该判断题目的难度，然后给答题者选择答题时间，简单的题目设定的答题时间为60秒，普通的题目