基于PLC控制系统的八人抢答器.docx
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基于PLC控制系统的八人抢答器
电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：
八人抢答器PLC控制系统设计
系别：
电气工程及其自动化
年级专业：
09级应用电子技术
学号：
************
学生姓名：
指导教师：
郭忠南等
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
电气控制与PLC课程设计
基层教学单位：
电气工程及自动化系指导教师：
郭忠南等
学号
0901********
学生姓名
（专业）班级
09应电4班
设计题目
8人抢答器PLC控制系统设计
设
计
技
术
参
数
1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。
2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
3）抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
其他要求查阅相关文献。
设
计
要
求
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制PLC控制程序
3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。
参
考
资
料
1、《PLC电气控制技术》漆汉宏主编机械工业出版社2008
2、图书馆各类期刊文献相关数据库
3、相关电气设计手册
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
完成全部方案设计：
周一、二：
查、阅相关参考资料
周二至周五：
方案设计
周六、日：
设计方案完善
周一、二：
完成设计说明书
周三、四：
绘制A1设计图纸
周五：
答辩考核
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科
摘要
随着我国经济和文化实业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。
最初的抢答器是由优先权编码器构成的逻辑电路，其运算速度慢，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更加困难。
因此，一种能够体现竞赛的公开、公平、公正性的知识竞赛抢答器成为一种需求。
本设计将以PLC为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以其控制方便，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，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。
关键词：
PLC；竞赛抢答器；七段译码器
第一章绪论
随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等,因此出现了抢答器。
抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。
因此我们设计了以PLC为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。
随着市场对功能需求的增加，以单片机、CPLD、PLC等为核心的抢答器开始投入研究和进入市场。
通过比较几种抢答器，发现由于单片机、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。
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。
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。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括硬件设备的选择、合理选择元器件、绘制线路图，以达到设计要求。
硬件电路的设计最重要的选择可编程的PLC，并确定与之配套的外围芯片。
硬件电路设计还包括输入输出端口设计，画出详细电路图，标出元件的型号和功能作用，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
软件设计方面本系统由于是采用三菱FX2n系列可控制编程。
此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。
通过这次设计，掌握PIC控制器的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。
同时通过本课程设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立PLC理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时等的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
第二章概述
2．1PLC的简单介绍
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ProgrammableController（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ProgrammableLogicController（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。
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支柱。
2．2PLC八人抢答器
本课程介绍了一种数字式抢答器，能使八个队同时参加抢答,赛场中设有1个主持人台和8个参赛选手台。
总体设计选用三菱FX2N系列PLC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。
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如下，我所设计的PLC智能抢答器是适合八组选手或个人抢答的抢答器。
给竞赛主持人设置2个控制按钮，用来控制何时开始抢答以及系统的复位，每当主持人发出开始抢答指令并按下开始按钮后（此时用绿灯指示已可以抢答），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）若10秒限制到时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3个数码管以及3个扬声器来实现，
第三章抢答器的功能与工作流程
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，并增加了数码管显示答题倒计时功能。
具体工作的流程及过程中可能出现的情况见下图：
此设计分为正常答题、无人抢答、违规操作以及选手答题超时四方面的设计要求，由主持人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：
当主持人按下开始按钮SB0时，抢答指示灯绿灯亮，同时定时器T1开始计时，选手在10s内抢答。
若10s内抢答成功，1号数码管显示抢答成功选手编号，并有0号扬声器发出声音（声长为2秒）显示抢答成功，同时系统自动计时，2号、3号数码管倒计时显示剩余答题时间，若选手在规定时间内回答完毕。
则答题成功，主持人按复位按钮SB9，进入下一题。
按SB0继续开始抢答，如此循环。
2、无人抢答：
当主持人宣布开始并按下开始按钮SB0后，绿灯发出绿光，但10秒内无人抢答，10秒时间到2号扬声器响，表示无人抢答，可理解为选手放弃该题，主持人按复位按钮SB9，进入下一题。
（还有后面“注”的情况）。
3、违规操作：
若主持人未按下开关时，有选手抢答，抢答选手则犯规，红灯亮。
此时，主持人宣布违规选手编号，予以相应处罚，主持人按复位按钮SB9，进入下一题。
4、选手答题超时：
选手抢答成功后，需要在规定时间内完成作答，本次限定时间为30秒（此时间可根据需要改动）。
若选手在规定时间内完成，则属于正常答题。
限定时间到后，1号扬声器报警声响，倒计时显示为00，而选手仍未答完题目，则选手失去继续答题机会。
此时，由主持人按复位按钮SB9，进入下一题作答。
注：
本系统为避免多次违规，对系统进行了封锁设置，如在主持人宣布开始并按下开始按钮SB0后，绿灯发出绿光，但10秒内无人抢答，10秒时间到2号扬声器响，而正在此时或之后即主持人复位之前，选手按下抢答按钮，按钮将不起作用，从而避免了在此时选手违规操作，以使节目或活动可以尽量顺利的进行。
第四章抢答器的硬件设计与连接
4．1PLC控制器
本设计的控制器采用日本三菱公司生产的PLC，选用FX2N-64MR。
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编程采用编程软件GX-Developer，简单易懂，好用好学，十分方便。
4．2七段显示数码管
数码管示意图
此数码管采用分段显示，用PLC的输出电信号直接控制数码管的各段，如果数码管采用共阴极，则PLC输出高电平对应的段则亮，如果数码管采用共阳极，则PLC输出低电平对应的段则亮。
本次数码管选择共阳极。
4．3系统其它硬件
本系统还用到了电阻器（根据PLC输出电压以及数码管驱动电流选择阻值，使电流不超出数码管允许电流即可）、手动按钮（瞬时型）、指示灯以及音响设备，这些设备均可采用日常生活常见常用的电器，无特殊可言。
示意图如下所示。
以上即为系统中相关的几种简单电器。
4.4I/O口分配与硬件连接电路
PLC的I/O分配表
（一）如下：
PLC输入端子
功能说明
PLC输出端子
功能说明
X001
选手一按钮SB1
Y000
数码管1控制端子B0
X002
选手二按钮SB2
Y001
数码管1控制端子B1
X003
选手三按钮SB3
Y002
数码管1控制端子B2
X004
选手四按钮SB4
Y003
数码管1控制端子B3
X005
选手五按钮SB5
Y004
数码管1控制端子B4
X006
选手六按钮SB6
Y005
数码管1控制端子B5
X007
选手七按钮SB7
Y006
数码管1控制端子B6
X011
选手八按钮SB8
Y007
绿灯
X000
主持人开始按钮SB0
Y012
红灯
X010
主持人复位按钮SB9
Y010
蜂鸣器0
Y013
蜂鸣器1
PLC的I/O分配表
（二）如下：
PLC输出端子
功能说明
PLC输出端子
功能说明
Y014
数码管2控制端子B0
Y024
数码管3控制端子B0
Y015
数码管2控制端子B1
Y025
数码管3控制端子B1
Y016
数码管2控制端子B2
Y026
数码管3控制端子B2
Y017
数码管2控制端子B3
Y027
数码管3控制端子B3
Y020
数码管2控制端子B4
Y030
数码管3控制端子B4
Y021
数码管2控制端子B5
Y031
数码管3控制端子B5
Y022
数码管2控制端子B6
Y032
数码管3控制端子B6
Y023
输出一直为0
Y033
输出一直为0
COM1、2
接电源正极
COM3、4
接电源正极
以上即为八人抢答器PLC控制系统输入输出及主线路硬件连线图
第五章软件的设计
5．1抢答开始部分程序
主持人按下X000（即SB0按钮），输出Y007，绿灯亮，抢答开始。
Y007自锁，绿灯可以一直亮着，定时器T1开始计时，选手规定时间内抢答，否则T1计时到，触点动作，蜂鸣器响（响两秒便停），同时T1将选手按钮封锁，禁止抢答。
5．2选手按钮部分程序
选手按钮为X001–X007和X011（即SB1-SB8）,每个按钮对应一个中间继电器，选手中间继电器之间使用互锁，实现优先选择，同时各中间继电器自锁，以确保按钮弹起后仍然得电。
5．3选手违规提前抢答程序
在主持人未按下开始钮时，Y007的常闭触点闭合，此时，选手按下按钮，现象如同抢答成功，但违规提示红灯亮，以示违规抢答。
而当主持人按下开始后，Y007常闭触点断开，此红灯便不再因选手抢答而亮。
5．4选手抢答成功后音响及计时程序
某选手抢答成功后，例如1号成功，则M1得电，Y010输出声响（设定为响2秒），同时开始倒计时，选手须在规定时间内答完，该系统计时设定为30秒，之后T0触点动作。
蜂鸣器1发出声响，同时2、3数码管显示时间为00。
5．5数码管1显示选手编号部分程序
由于数码管1采用分段控制方式，没有用译码指令，显得略繁琐，但调试时可以一目了然的看出显示是否正确。
但选手抢答成功后，其编号对应的数码管段便导通发光。
5．6数码管3显示0条件程序
此段程序为数码管3显示0的程序，当有选手抢答成功后，马上输出中间继电器M9，（M9控制数码管3显示0此为后话）。
同时定时器T5计时1秒，1秒后T5触点动作，使得M9断电。
程序中T14为定时数码管3显示1的定时器（10秒后得电动作，由显示1转为0，实现0、9···1、0循环显示），T18为定时数码管2显示0的定时器（30秒后得电动作，使M9一直得电保持显示0），后面程序将会介绍。
5．7数码管3显示9-1条件程序
数码管3循环显示0到1由定时器T5到T14之间的逻辑互锁关系实现，举例说明，显示0过1秒后，T5动作切断M9，闭合M10显示1，同时T6计时1秒，时间到后，切断M10，闭合M11，显示2，同时计时1秒，依次循环。
直到定时器T14，上文已提到，T14触点动作使得T5断电，从而其他定时器也断电，相当于复位功能，实现循环显示。
5．8数码管啊2显示3、2、1、0条件程序
此段程序与数码管3的显示相对应，数码管2先显示3为一秒，与管2第一次显示0对应，之后数码管2显示变为2（显示10秒），数码管3从显示9到0各一秒。
第二步，数码管2显示1时间为10秒，数码管3从显示9到0各一秒。
第三步，数码管2一直显示0即可，数码管3从显示9到1，共9秒，9秒后定时器T18触点动作（上文有提到），该动作并未切断管2显示0（即继电器M22），但T18常闭触点断开了定时器T5，接通了M9，使数码管3一直显示0，直到主持人按下复位。
5．9数码管2、3显示倒计时时间程序
数码管2、3显示程序与数码管1不同，主要是采用了七段译码显示指令SEGD,简单明了，唯一缺点是软件不能显示结果，但可以由中间继电器M9到M22的得断电看出结果。
注：
系统的完整梯形图可参见附录。
第六章总结
本抢答器系统设计虽然针对八路参赛选手设计的，但是通过原理分析可知，他完全是用于少于八路选手的抢答场合，对程序和外围电路稍加改动或者在系统程序中加入分支，还可以变成更多路抢答器。
这次课程设计，最终参照设计任务实现了抢答、报警、指示灯、倒计时目的，完成了任务和要求，即利用了PLC来设计抢答器。
该抢答器包括抢答、灯光显示、蜂鸣报警、答题倒计时控制于一身，体现出了用PLC控制系统的简单可靠，表现出了很大的优越性。
在作课程设计过程中，我从收集资料、构思设计方案、编写程序、验证设计结果，硬件选择、设计硬件电路，顺利完成设计任务。
在此过程中，我遇到了不少困难，对于其中遇到的问题，除了自己思考外，还请教了老师和同学，获得了很多好思路好想法，并通过从课本和网络上查到的资料获得了解决问题的方法，并成功解决问题，此过程进一步提高了我的动手能力和解决问题的能力。
风雨过后的彩虹才是最美丽的，这次课设是大学后的第二次课程设计，课程设计的这段时间是十分充实的，从对课题、要使用的软件的无知，到完成并添加新的功能，以及对新软件的熟练使用，无疑这又是自己进步与提高的一次绝佳机会，所以我本着对自己独立完成、出色完成、求创新、求发散思维的要求，认认真真，一步一步的完成模块，最终完成了整个课题的设计要求，并结合了实际情况，添加修改了要求。
课设中具体遇到的问题有软件安装出错、模块功能无法实现、程序测试有问题等等，这些问题困难的克服是找同学一起商量完成的，而对于硬件如三菱PLC控制器内部结构、电源来源、工作原理则是通过辅导老师和上网查阅资料来了解的。
通过这些问题的被克服，我成功按照自己的设计思路设计出了具有多功能的八路抢答器系统的设计。
我因此对PLC有了进一步认识，为将来的应用和工作打下坚实基础。
参考文献
1.漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京:
机械工业出版社,2006:
150-155.
2.胡育林.用PLC程序设计的八路抢答器[J].大众科技,2008,1:
53-54.
3.夏江涛.八路抢答器的PLC程序设计[J].安阳工学院学报,2007,1:
33-34.
4.史国生电气控制与可编程控制器技术[M]北京:
化学工业出版社，2003
附录
（一）.程序块一
（二）.程序块二
（三）.程序块三
（四）.程序块四
（五）程序块五
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