基于PLC的抢答器设计Word文档下载推荐.doc

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1.3抢答器在国内外发展现状 1

2设计方案 2

2.1PLC简介 2

2.2组态王简介 6

2.3PLC八人抢答器 6

3系统设计 7

3.1硬件设计 7

3.2软件设计 13

3.3实验结果与分析 19

4总结与展望 22

4.1总结 22

4.2展望 22

5参考文献 24

杨波（指导老师杨锦园副教授）

（湖北师范大学机电与控制工程学院中国黄石435002）

摘要:

随着国家的发展和文化的不断进步，随处可见的社会活动，校园中的各类竞赛以及电视节目中的智力节目经常会有抢答环节，如果靠人眼来进行抢答的判断，会有较大的误差，无法做出公平公正的判断。

这时就会需要抢答器，它可以代替人眼经行判断。

最初的抢答器大多是由模拟电路，数字电路和混合电路组合构成。

本课程设计是基于PLC八人八位抢答器，其结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，定时准确，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活。

关键字：

PLC；

抢答器；

系统；

控制

中图分类号：

TheDesignofResponderforEightPersonsBasedonPLC

YangBo（Tutor:

YangJinyuan）

（CollegeofMechatronicsandControlEngineering,HubeiNormalUniversity,Huangshi,China,435002）

Abstract：

Withthedevelopmentofcountryandtheprogressingofsocial,therearemanysocialactivities,thecompetitionsofschoolandintelligenceprogramonTVwhichoftenneedtheanswerlink.Ifweonlyuseoureyestojudgetheresultofanswerlink,therewillbemanyerrors,andthiswillmakethehosthardtotakeajudgewhichisfairandopen.Forthistime,theresponderisneeded,itcanjudgetheresultreplacingoftheeyes.Thetraditionalresponderiscomposedofanalogcircuit,digitalcircuitandhybridcircuit.Operationisrelativelyslow,andthelineiscomplex.ThecurriculumisdesignedbasedonPLCeightresponder,thestructureissimple,stronganti-interferenceability,stableandreliableoperation,accuratetiming,timingcanbesetconveniently,easyprogramming,functioniseasytoextend,modifyflexible.

Keywords：

PLC;

Responder;

System;

Control

湖北师范大学机电与控制工程学院2016届学士学位论文（设计）

基于PLC的八人抢答器系统设计

1绪论

1.1选题背景

随着微处理器、计算机的飞速发展。

计算机控制已经占领了市场的各个领域。

人们生活节奏的快速化推动着市场的发展。

产品的反映速度与准确性决定了产品的销量，也使得计算机市场朝着这个方向发展。

随着我国经济和文化事业的发展，大到国家活动，社会活动，小到学校组织竞赛都需求一个公平公正的裁判，因此出现了抢答器。

而原始抢答器由很多电路组成，线路复杂，且大部分工作由人为判断，在抢答间隔时间较小时，肉眼或耳朵无法识别先后，这时候很容易造成误判，从而影响比赛的公正性。

且当人数过多时，所要求的线路更加复杂，并且更加难以判断。

1.2选题意义

应变市场的需求，以单片机、CPLD、FPGA、PLC等技术投入了抢答器的市场[1]，但是以单片机技术支持的抢答器通过5V电源供电，远程传输信号时信号会被大大削弱，从而导致系统可靠性不高，而PLC技术设计的抢答器通过24V电源供电，可就克服了信号衰减的问题。

因此我们设计了以PLC技术为核心的新型抢答器，在原始抢答器的基础上，添加了许多使用功能，如计时功能功能，报警功能，限时功能等，并且简化了电路。

1.3抢答器在国内外发展现状

国外发展现状：

抢答器是一种广泛应用于企事业单位和商业部门,为各种知识竟赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用电子设备,也是一种逐渐成型的电子产品[2]。

目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器,但绝大多数是早期设计的,以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。

这部分抢答器已相当成熟,但功能越多的电路相对来说就越复杂,且成本偏高,故障高,显示方式简单（有的甚至没有显示电路）,无法判断提前抢按按钮的行为,不便于电路升级换代。

因此，提高抢答器的性能,使其具有更强的功能，使用可靠方便已为抢答器发展的一个方向。

随着集成技术和计算机技术的发展,单片机作为其一个分支亦于20世纪80年代以来获得了飞速发展,各种新品不断涌现,使单片机的应用更加深入,灵活性也大大增强。

介绍一种以PLC为核心的八路抢答器系统,它充分利用了PLC系统的优点,具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点[3]。

2设计方案

2.1PLC简介

2.1.1PLC控制器

PLC控制器，及ProgrammableLogicController的简称，中文为可编程逻辑控制器，是一种具有微处理器的电子设备，多用于自动化控制，可以将控制指令的程序转换为电平信号，通过外部继电器进行控制电路的开关，可编程逻辑控制器由内部CPU，内存，电源模组，输入输出单元，数字模拟单元等组成[4]。

在PLC控制器出现之前，自动化系统一般由许多继电器与计数器的模拟电路进行连接从而实现功能，电路复杂，原件多成本高，且可靠性不高。

而PLC控制器，通过简单的编程再由可编程逻辑模块进行处理转换从而代替大型设备，且系统可靠性较高[5]。

2.1.2基本结构

中央处理单元：

中央处理单元一般运算器、控制器和寄存器组成这些电路都集中在一个芯片内；

与计算机相同，CPU为PLC的核心，它通过执行储存在存储器中的程序并通过扫描的方式执行程序；

CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接收与储存，并扫描外部I/O口输入输出状态并根据程序做出响应的反应，从而达到所需控制。

PLC进入运行状态后，从存储器读取程序，通过扫描I/O口输入端口的电平信号结合所写程序通过CPU的处理，在对应I/O口的输出端口输出对应电平信号[6]。

存储器：

PLC存储器包括系统储存器和用户存储器两部分。

系统存储器中写死了一些程序，这些程序使PLC具有基本的功能，使得PLC能够完成设计者规定的各项工作。

用户存储器分为用户程序存储器和用户数据存储器，用户程序存储器用来存放PLC设计者针对某一具体任务所编写的程序。

用户数据存储器用来存放I/O口的开关状态或数值[7]。

输入/输出端口：

PLC的输入输出信号可以是开关量或者是模拟量。

输入单元用来接收来自用户设备的各种控制信号。

输出端口则通过输入端口的控制信号，通过CPU与控制程序的运算输出到对应端口的控制信号[8]。

电源：

PLC一般使用220V的交流电或者24V直流电，较高电压也使得PLC具有其他微机如单片机之类使用5V供电的所没有抗干扰能力，并且在远距离传输时，信号衰减不明显。

2.1.3PLC特点

抗干扰能力强，系统可靠性高：

传统的继电触控控制系统虽然也具有良好的抗干扰性，但是传统继电器触控电路外部接线复杂，机械触头较多，且随着时间推移，由于器件的老化、触头的抖动、脱焊及触头在开闭时受电弧的损害降低了系统的可靠性，线材老化导致的系统故障较为难以修复[9]。

传统继电触控控制系统线路中间需要中间继电器进行信号的传输，系统外部电路更加复杂，由于触电的老化，故障更容易发生，且外部线材等成本较高，更换频繁。

PLC用软件代替大量的时间继电器与中间继电器，仅留下输入输出相关的少量外部硬件，这样大大减少了因触电或线材老化而产生的故障。

而PLC运用微电子技术，大多数的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分复杂的连线和继电器被软件程序所替代，因而系统可靠性高，简化了外部电路，使用寿命较长。

微机，类似单片机也具有较强的功能，但是抗干扰能力较差，在许多工业现场电磁波干扰、机械振动、温度和湿度的变化、电源波动等都会成为系统的外部干扰因素，从而系统的抗干扰能力就要求较高，也使得一般微机无法在这种条件下正常工作。

而PLC在电子线路、软件结构，以及机械结构上都汲取了生产控制经验，主要模块都采用了大规模集成电路，I/O系统设计有着较为完善的通道保护和信号调理电路[10]；

在结构上对防潮、耐热、抗震等都有精确的考虑；

在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰能力。

在本次毕业设计中，可以从硬件方面和软件方面进行分析，提高系统可靠性。

主要措施有：

硬件措施：

屏蔽：

PLC采用的材料对电源变压器、CPU编程器等重要模块具有良好的导电和导磁，从而对外界的一些干扰（电磁干扰，温度等）进行了屏蔽作用[11]。

滤波：

采用多种滤波方式对供电系统的输入输出进行滤波。

以削弱各个模块之间的相互干扰并消除高频干扰[12]。

电源的调整与保护:

为适应交流电的波动、欠电压、过电压的影响，PLC采用多级滤波，同时采用集成电压调整器进行电压的调整，从而形成微处理器所需的+5V电源。

隔离:

微处理器的输入和输出传输数字信号，为了防止两者之间的相互干扰，PLC采用光电隔离，有效的防止了不正常的输出[13]。

采用模块式结构:

这种结构有助于故障情况下短时修复。

设置环境检测和诊断电路:

这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。

软件措施：

故障检测:

软件周期性的检测外界变量，对如掉电、强干扰信号等情况能进行反馈并处理。

信息保护和恢复:

对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。

设置了警戒时钟WDT:

如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警[14]。

加强对程序的检查和检验:

一旦程序有错，立即报警并停止执行。

控制系统结构简单、灵活、通用性强：

可编程控制器系列产品现已生产，外部扩展的多个模块，采用可编程控制器和外围模块类型，可以完成许多复杂的控制系统。

在可编程控制器的控制系统中，只需在可编程控制器中输入相应的输入和输出信号线即可，不需要物理的电子设备，如继电器和大量复杂的硬件电路。

当控制要求改变时，需要改变控制系统的功能，可以随时进行程序的修改与外部电路的简单调整，布线量小。

同一PLC控制器可以控制不同对象，只是程序与外部电路不同而已[15]。

编程方便：

PLC是直接面向用户的设备，设计之初充分考虑了工程技术人员或学习人员的特性，PLC编程，采用通俗简单的梯形图或者简单指令形式，这使得初学者能够很快融入其中，梯形图简单易懂，且能非常形象的描述出继电器工作原理，标注明确，在后期程序调试阶段也能够容易的找出错误处。

而且不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎[16]。

PLC系统设计、安装、调试方便：

PLC集继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等原件，数量巨大，硬件齐全。

采用模块化结构，可以按照所需系统的性能、输入输出店、内存进行组装，根据不同情况组装出最适合的硬件，大大降低了成本。

又用采用软件编程的方式取代了时间继电器，中间继电器等外部设备[17]。

设计人员只需要一台PLC就可在实验室进行所需控制系统的的模拟，并可随时调试，而传统的继电触控系统则需要现场接线进行模拟查看效果，需要更改的话更加麻烦，工作量大且所需人员较多。

2.1.4PLC与编程方式选择

PLC选择：

本次课程设计我采用了西门子PLC，西门子PLC最为主流PLC之一，相比较于其他PLC有着无可替代的优势。

首先，西门子PLC编程入手简单易懂，梯形图层次明显，能够非常直观的看出程序的功能。

其次，西门子PLC在中国市场占有率非常大，本次毕业设计用到的功能模块较少，S7-200属于低端的西门子PLC系列产品，但足以满足本次毕业设计的要求。

且S7-200型号PLC较为便宜，不仅满足了毕业设计要求，也节约了资源。

综上所述，本次毕业设计选择西门子S7-200的PLC。

编程方式选择：

西门子PLC主流编程方式有梯形图和功能指令两种，本次毕业课程设计采用梯形图进行编程，功能指令较为抽象，而梯形图具有简单易懂的优点。

梯形图还具有以下几个重要特点：

（1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件[18]。

（2）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的ON/OFF状态，称为梯形图的逻辑解算。

逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左至右的顺序进行的。

解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。

逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的[19]。

（3）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用[20]。

（4）输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态，因此在梯形图中不能出现输入继电器的线圈[21]。

2.2组态王简介

定义：

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

组态王Kingview6.55：

组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。

组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；

该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

本次毕业课程设计中，采用组态王进行实验结果的仿真。

2.3PLC八人抢答器

本毕业设计介绍了一种数字式抢答器，能够容纳8名选手或者8组人员和一名主持人。

总体设计采用西门子PLC进行控制，抢答操作简单方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉听觉效果非常好。

抢答器，顾名思义就是用于比赛时，与对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。

随着社会科学技术的不断发展，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[22]。

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。

八人抢答器工作原理：

本次毕业设计所设计的PLC智能抢答器是适合八组选手或个人抢答的抢答器。

主持人控制台有两个按键。

一个用于控制抢答开始的开始按键，一个用于复位电路的复位按键，每当主持人发出开始抢答指令并按下开始按钮后，指示绿灯亮，选手方可抢答，哪组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，音响电路发出声响提示信号以指示抢答成功，并对其后的抢答信号封锁而不在响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统开始下一轮抢答。

若选手在主持人未按下开始抢答按钮时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管显示其编号，音响电路也发出声响，同时违规指示灯红灯亮。

当主持人按下抢答开始按钮时定时器T1开始计时（设定10秒），10秒倒计时完毕仍无人抢答则音响电路发出声响，以表示选手放弃该题。

在抢答成功后，系统自动倒计时，同时数码管显示答题倒计时时间，该时间可根据需要调节，此设定为30秒，选手必须在设定时间内完成答题，否则，音响电路发出超时报警信号。

其中以上功能都通过编制的PLC程序来控制4个数码管以及3个扬声器和两个指示灯来实现。

3系统设计

3.1硬件设计

3.1.1元件介绍

七段数码管：

如图3.1中七段数码管a,b,c,d,e,f,g分别为七个单独显示灯，通过控制各个显示灯的亮灭从而可以控制显示的数字。

本次毕业设计采用共阴极七段数码管进行相关数据的显示。

硬件中用到4个数码管，分别用来显示抢答选手编号、抢答计时和答题计时。

图3.1七段数码管

按键开关：

如图3.2为按键开关，一端连接电源正极，另一端连接PLC端口。

通过按下和松开可控制PLC端口得电或者失电，并将此作为输入信号，PLC的CPU检测这些信号处理后在输出端口输出对应值，从而完成控制。

图3.2按键开关

指示灯：

如图3.3为指示灯，指示灯正极一端接PLC输出端口，另一端接地，当对应输出端口输出高电平时，灯亮，反正灯保持不亮状态。

本毕业设计有两个指示灯，主持人按下开始抢答按键后，绿灯亮，用于提示抢答开始；

红灯则用于提示是否有选手违规抢答。

图3.3指示灯

蜂鸣器：

如图3.4为蜂鸣器。

蜂鸣器接在输出端口，输出端口高电平，蜂鸣器响；

低电平，蜂鸣器不响。

本毕业设计有三个蜂鸣器，分别用于提示抢答成功，无人抢答与答题超时。

图3.4蜂鸣器

3.1.2I/O口分配

输入端口：

如表3.1所示

表3.1输出端口与功能

输入端口

功能

I0.0

主持人开始按键

I1.1

主持人复位按键

I0.1

选手1抢答按键

I0.2

选手2抢答按键

I0.3

选手3抢答按键

I0.4

选手4抢答按键

I0.5

选手5抢答按键

I0.6

选手6抢答按键

I0.7

选手7抢答按键

I1.0

选手8抢答按键

输出端口：

（1）选手编号：

选手做出抢答后，数码管1显示选手编号，数码管1与PLC连接端口如表3.1所示。

表3.1抢答选手编号显示

抢答器选手编号显示

输出端口

Q0.0

数码管1a

Q0.1

数码管1b

Q0.2

数码管1c

Q0.3

数码管1d

Q0.4

数码管1e

Q0.5

数码管1f

Q0.6

数码管1g

（2）抢答倒计时：

主持人按下开始抢答按键后，开始10秒的倒计时，由数码管4显示，数码管4与PLC连接端口如表3.2所示。

表3.2抢答倒计时

抢答倒计时

Q3.4

数码管4a

Q3.5

数码管4b

Q3.6

数码管4c

Q3.7

数码管4d

Q4.0

数码管4e

Q4.1

数码管4f

Q4.2

数码管4g

（3）答题倒计时：

选手正常抢答成功后，触发答题倒计时电路，开始30秒倒计时，数码管3显示时间个位，数码管2显示时间十位，两个数码管共同作用完成30秒的倒计时。

数码管2和数码管3与PLC连接端口如表3.3所示。

表3.3答题倒计时

答题倒计时个位显示

Q1.4

数码管3a

Q1.5

数码管3b

Q1.6

数码管3c

Q1.7

数码管3d

Q2.0

数码管3e

Q2.1

数码管3f

Q2.2

数码管3g

答题倒计时十位显示

Q2.4

数码管2a

Q2.5

数码管2b

Q2.6

数码管2c

Q2.7

数码管2d

Q3.0

数码管2e

Q3.1

数码管2f

Q3.2

数码管2g

（4）其他控制项：

如表3.4所示，显示灯和蜂鸣器与PLC输出端口的连接。

表3.4其他控制项

其他控制项

Q0.7

开始绿灯

Q1.2

违规抢答红灯

Q1.0

抢答成功蜂鸣器

Q1.1

无人抢答蜂鸣器

Q1.3

答题超时蜂鸣器

3.1.3硬件电路图设计

图3.5通过proteus画出元件图，结构清晰，本毕业设计采用的元器件有按键开关，指示灯（红色和绿色），蜂鸣器和共阴极七段数码管。

图3.5抢答器接线图

3.2软件设计

3.2.1流程设计

正常答题：

主持人按下开始按键后，数码管显示抢答倒计时，选手开始抢答，哪一组最先按下强大按钮由该组回答问题，数码管显示该组编号，同时蜂鸣器响2S，代表抢答成功。

并且进行互锁，及其他选手在此之后按下抢答键抢答器不会进行响应，当选手回答完毕，主持人按下复位按钮开始下一轮抢答。

违规抢答：

违规答题及选手在主持人未按下开始键前（绿灯未亮之前）按下抢答按钮，视为违规抢答。

违规抢答操作将出发报警电路，代表违规抢答的红灯亮2S并在数码管上显示出违规抢答的选手编号。

无人抢答：

无人抢答及主持人按下开始按钮后，定时器计时（10S），数码管4显示剩余时间，计时时间内无人做出抢答动作则视为无人抢答，电路触发报