毕业设计论文基于PLC八路抢答器程序设计.docx
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毕业设计论文基于PLC八路抢答器程序设计
毕业设计（论文）说明书
题目：
基于PLC八路抢答器程序设计
系部自动控制工程系
专业电气自动化
年级
姓名
指导教师
2010年11月28日
黑龙江信息技术职业学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于PLC八路抢答器程序设计
学生姓名
系部名称自动控制工程系
专业电气自动化
学号
指导教师
职称助教
一、原始依据
电子产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。
这些给人们带来了生活，工作等方面带来了极大的方便。
工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答器是必要设备。
在电视上举行的各种竞赛中我们在经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
目前国内外各种抢答器产品种类繁多且功能各有差异，但较多都是数字电路实现。
为了提出一种新的设计方案，并且提高自己的应用能力，巩固一下大学期间的知识，我就本次课设的机会制作一个低成本但又能满足实际需要的八路数显抢答器。
抢答器在比赛等场合中不可缺少的设备。
二、参考文献
[1]谢自美主编电子线路设计.实验.测试（第二版）华中科技大学出版社2002年
[2]李建忠编著单片机原理及运用西安电子科技大学出版社2001年
[3]冯建华赵亮编著单片机应用系统设计与产品开发人民邮电出版社2004年
[4]潘永雄等编著电子电路CAD实用教程（第二版）西安电子科技大学出版社2001年
[5]吴黎明编著单片机原理及运用技术科学出版社
[6]马光编著单片机原理及运用机械工业出版社
[7]白驹珩雷晓平编著单片计算机及运用高等教育出版社电子科技大学出版社
[8]陈小忠主编《单片机接口技术实用子程序》人民邮电出版社
三、设计（研究）内容和要求
内容：
1、竞赛共分8组，每个参赛组各设一常开按钮，分别为SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6，SB7，SB8共用一个蜂鸣器和一个数码显示器。
2、当主持人按下复位按钮后，显示器和蜂鸣器复位，参赛选手开始答题，同时绿色指示灯亮。
3、选手若要回答问题时，须抢先按下桌子上的抢答按钮。
4、在主持人响应后，参赛选手应在限定的时间内回答问题，当回答到30S时黄灯亮，表示还有剩下10秒钟回答时间到，当40S总时间到时红灯亮选手应停止回答问题。
如主持人再有新的抢答题时重复本方案操作。
5、要有I/O的分配、外部接线图、梯形图、指令语句表。
要求：
本课题研究的目的是研究抢答器的准确性和所应用的范围，正确的认识和了解抢答器的性能及应用范围，合理利用抢答器。
在抢答器毕业设计中，我运用了可编程序控制器和其他选修课程的理论和实际知识进行设计，加深了对以前所学的知识的理解。
掌握了PLC设计的一般规律,提高了我分析和解决实际问题的能力。
通过本次毕业设计，我学会了从所实现的目的出发,合理选择所需要的硬件和软件,制订合理的设计方案,省时省力的完成设计。
通过此次设计,提高了运用标准、手册、图册和查阅有关技术资料等的能力，提高了可编程控制器设计的基本能力。
指导教师（签字）
年月日
审题小组组长（签字）
年月日
黑龙江信息技术职业学院
毕业设计（论文）开题报告
课题名称
基于PLC八路抢答器程序设计
学院名称
黑龙江信息技术职业学院
专业名称
电气自动化
学生姓名
指导教师
研究背景：
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机。
单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。
在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。
在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。
在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。
近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术：
EFT（EllectricalFastTransient）技术，低噪声布线技术及驱动技术，采用低频时钟。
同时单片机在目前的发展形势下还表现出可靠性及应用越来越水平高和互联网连接，所集成的部件越来越多，功耗越来越低和模拟电路结合越来越多等发展趋势。
参考文献：
[1]张毅刚编著《新编MCS-51单片机应用设计》哈尔滨工业大学出版社
[2]张大明主编《单片机微机控制应用技术》机械工业出版社
[3]何立民编著MCS51系列单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社1999年
[4]赵晓安主编MCS-51单片机原理及应用天津大学出版社2001年
[5]杨素行主编《模拟电子技术基础简明教程》高等教育出版社
[6]房小翠主编《单片微型计算与机电接口技术》国防工业出版社
[7]吴金戌沈庆阳郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社，2002
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
指导教师（签字）
年月日
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
审题小组组长（签字）
年月日
摘要
文章介绍一种利用日本三菱公司生产的FX2N-32MR型PLC作为核心控制器的八路抢答器系统，并且给出了系统结构图、外部接线图、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有数字显示功能。
抢答器工作原理：
当主持人发布抢答命令后，若有人按下按键，这时通过程序判断且在数码管显示先按键的人，这时其他人将不能进行按键作。
并且答题人要在规定的时间内给出正确答案。
当要进行下一次抢答时，由主持人按复位键，电路复位，进入下一次抢答。
该电路具有工作稳定可靠、响应速度快、实时性强等特点。
如果对外部电路稍加修改，或者在系统程序中加入分支，可以把六路抢答器改为更多路的抢答器。
如果去除系统中的互锁和限时功能，可以把抢答器改为呼叫器，能够用在医院病房、宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多种地方。
关键词：
PLC；抢答器；梯形图；指令表
Abstract
ThearticleintroducesauseofmitsubishiJapanproductionFX2N-32MRtypePLCascorecontrollerofzhuhaiscare-answeringinvertersystem,andgivesthesystemstructureandexternalhookup,ladderdiagramandtheinputandoutputterminalsofdistributionsolutions.Thiscontestisbesideshavingbasicviesfunctionoutside,stillhavedigitaldisplayfunction.Scare-answeringsystemcanworkprinciple:
whenthecomperereleaseviestoorder,ifsomeonepressthebutton,thenthroughprocedureinjudgmentanddigitalpipedisplaybuttons,thenfirstotherswillcannotundertakebuttons.Andtheanswertowithintheprescribedtimegivesthecorrectanswer.Whenwillthenextcontest,thehostpresstheresetbutton,circuitreset,enterthenextcontest.Thiscircuithasstableandreliable,andresponsespeed,goodreal-timeperformance,etc.Ifexternalcircuitslightlymodify,orinthesystemprogrammingaddbranch,canputbackviestoimplementinsteadmoreroadviestoimplement.Ifremovesystemofinterlockandlimitfunction,canputtheresponderdeviceinsteadpager,canbeusedinhospitalwards,hotelguestroom,officebuildings,factoryproductionworkshopetc.Variousplaces.
Keywords:
PLC,Scare-answeringmanometers;Ladderdiagram,Instructionstable
第一章plc概述
1.1PLC概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。
现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器。
国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
1.3PLC的主要特点：
1．高可靠性
⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
⑵各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。
⑶良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大。
2．丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量等有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关等。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
3．采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4．编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5．安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.4PLC的用途
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。
PLC的应用通常可分为五种类型：
1.顺序控制
这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。
在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。
相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。
PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。
PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。
在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。
著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。
美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。
预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。
作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。
PLC的发展是要配合控制技术和计算机的发展。
目前而言：
1．高速处理数据、大存储容量是PLC发展的一个方向。
2．增加更为丰富的模块技术，比如数控模块、语音处理模块等等，模块自身带有CPU，在工作中可以与主CPU并行工作，有利于PLC扫描速度的提高。
3．伴随现在的计算机网络和通讯网络的飞速发展，PLC技术应该迎头赶上，针对工业以太网络技术的PLC技术已经成功应用，但是针对因特网、GSM/CDMA通讯网络，似乎PLC没有跟上脚步，所以针对因特网、GSM/CDMA通讯网络的PLC技术也是PLC发展的一个方向。
第二章基本指令系统和编程方法
2.1基本指令系统特点
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。
如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。
但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
1.图形式指令结构：
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。
2.明确的变量常数：
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
3.简化的程序结构：
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
4.简化应用软件生成过程：
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
5.强化调试手段：
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
2.2编程语言的形式
本教材采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。
采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。
虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。
不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。
编程指令：
指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。
从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。
同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。
常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。
常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。
指令系统：
一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。
它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。
一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。
我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统
程序：
PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。
用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。
用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。
梯形图：
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。
最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。
母线是用来连接指令组的。
下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：
X000X001
X010
它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。
第二组仅一个END指令，用以结束程序。
梯形图与助记符的对应关系：
助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。
一般讲，其顺序为：
先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。
有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。
上图的助记符程序为：
地址指令变量
0000LDX000
0001ORX010
0002ANDNOTX001
0003OUTY000
0004END
反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。
梯形图与电气原理图的关系：
如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。
如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD，AND，OR）对应于接点，互锁指令（IL、ILC）可看成总开关，等等。
这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。
有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。
这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。
下面我们着重介绍三菱公司的FX2N系列产品的一些编程元件及其功能。
FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。
这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。
它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器,T代表定时器，C代表计数器。
1.输入继电器（X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000～X007，X010～X017，X020～X027。
它们一般位于机器的上端。
2.输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027。
它们一般位于机器的下端。
3.辅助继电器（M）
PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。
辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。
它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
如下图中的M300，它只起到一个自锁的功能。
在FX2N中普遍途采用M0～M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。
辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。
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