知识竞赛抢答器PLC设计毕业论文文档格式.docx
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15S时间到，如无队抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。
在有队抢答的情况下，则抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时，并由数码管显示出抢到题的参考队号，抢到题的队必须在30S内答完题，如30S内未答完，则作超时处理。
重点研究问题
程序的设计：
1、设计抢答者得编号，同时显示编号，使其他选手按键操作无效，相应指示灯亮，且音响电路发出声响。
2、抢答实行限时抢答，且抢答时间设置15S，答题时间设计30S。
主要技术指标
知识竞赛抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过裁判员和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（PLC），PLC将根据信号作出相应的响应。
其它要说明的问题
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题目知识竞赛抢答器plc设计
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知识竞赛抢答器PLC设计
摘要：
文章首先介绍了系统的设计方案思路与原理图，进而阐明了设计4路抢答器系统的意义。
PLC控制芯片及其外围电路，数码显示电路及其周围电路，控制电路，语音电路等。
整个系统采用PLC通讯方式，文中还介绍了PLC接口与控制器之间的通讯情况以及该系统的PCB板制作。
关键词：
PLC；
控制程序；
系统结构图
KnowledgecontestsResponderPLCdesign
Abstract：
Thispaperfirstlyintroducesthoughtsanddesignschemeofthesystem,thusillustratingtheprinciplediagramdesignofno.4invertersystemviessignificance.PLCcontrolchipandperipheralcircuit,digitaldisplaycircuitanditssurroundingcircuit,controlcircuit,voicecircuits,etc.ThewholesystemadoptsPLCcommunicationmode,thispaperalsointroducedPLCinterfaceandthecontrollerofthecommunicationbetweenthesystemandthePCBproduction.
Keywords：
PLC;
controlprocedures;
Systemstructure
1绪论..................................................................1
1.1课题研究背景.......................................................1
1.2课题研究内容......................................................1
2整体方案的选择........................................................2
2.1整体功能介绍.......................................................2
2.2竞赛抢答器的控制要求...............................................2
3硬件电路设计..........................................................4
3.1控制特点分析.......................................................4
3.2PLC机型的选择步骤与原则...........................................4
3.3PLC与七段LED显示器连接设计.......................................5
3.3.1LED数码管的结构及主要特性......................................5
3.3.2PLC与七段数码管方案选择........................................6
3.3.3PLC与七段数码管直接连接阻值计算................................7
3.3.4外部硬件接线图..................................................7
4软件设计.............................................................9
4.1IO分配...........................................................9
4.2根据控制要求进行流程图和梯形图设计...............................9
4.3程序运行过程分析说明.............................................15
4.4程序的下载、安装和调试...........................................17
结束语18
参考文献19
致谢.................................................................20
1绪论
1.1课题研究背景
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、单片机为核心的部件成为主流。
传统的普通抢答器主要存在一下缺点：
⑴在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。
⑵当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。
普通抢答器存在不公平性。
⑶当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。
因而出现了“漏洞”。
现在大多抢答器都是以PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行分析。
但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要。
该设计不但有抢答功能，而且还有一个计分系统，能分别对四个选手进行计分，并能够对分数进行加、减。
带计分功能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器，更好的服务于社会。
1.2课题研究内容
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。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
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，进行代码设计等；
最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
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，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱FX可控制编程。
此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。
并且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。
2整体方案的选择
2.1整体功能介绍
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。
2.2竞赛抢答器的控制要求
（1）知识竞赛抢答器能使4个队同时参加抢答。
设裁判队为裁判台，参赛对为参赛台。
裁判台设有音响和裁判灯，并且设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5；
参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。
1-4号参赛台分别对应按钮SB1-SB4及参赛台灯EL1-EL4。
（2）知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则：
（3）灯光与音响信号的意义如下：
（见图2-1结构流程图）
①音响叫（响1S）+某台灯亮，由某参赛队正常抢答。
②音响叫（响1S）+某台灯亮+总台灯亮，某参赛队违规。
③音响叫（响1S）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。
（4）在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答作好准备。
（5）各输出端口统一采用直流24V电源。
3硬件电路设计
3.1控制特点分析
知识竞赛抢答器有六个输入信号（即六个按钮），九个输出信号（即五个台灯信号、一个音响信号、三个数码管输出信号）。
由上可知PLC共有六个输入点，九个输出点。
系统控制结构框图如下图3-1所示。
3.2PLC机型的选择步骤与原则
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2N-128MR-001输入点：
64，64继电器输出
FX2N-80MR-001输入点：
40，40继电器输出
FX2N-64MR-001输入点：
32，32继电器输出
FX2N-48MR-001输入点：
24，24继电器输出
FX2N-32MR-001输入点：
16，16继电器输出
FX2N-16MR-001输入点：
8，8继电器输出
FX2N-80MR-D输入点：
40，40继电器输出（直流供电）
FX2N-64MR-D输入点：
32，32继电器输出（直流供电）
FX2N-48MR-D输入点：
24，24继电器输出（直流供电）
FX2N-32MR-D输入点：
16，16继电器输出（直流供电）
FX2N-128MT-001输入点：
64，64点晶体管输出
FX2N-80MT-001输入点：
40，40点晶体管输出
FX2N-64MT-001输入点：
32，32点晶体管输出
FX2N-48MT-001输入点：
24，24点晶体管输出
FX2N-32MT-001输入点：
16，16点晶体管输出
FX2N-16MT-001输入点：
8，8点晶体管输出
FX2N-80MT-D输入点：
40，40点晶体管输出（直流供电）
FX2N-64MT-D输入点：
32，32点晶体管输出（直流供电）
FX2N-48MT-D输入点：
24，24点晶体管输出（直流供电）
FX2N-32MT-D输入点：
16，16点晶体管输出（直流供电）
综上所述，由于设计电路需要6点输入，27点输出，所以选用选用日本三菱公司FX2N-64MR-001的PLC作为控制主机。
3.3PLC与七段LED显示器连接设计
3.3.1LED数码管的结构及主要特性
⑴LED数码管的结构
LED数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。
将条状发光二极管按照共阴极（负极）或共阳极（正极）的方法连接，组成“8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了LED数码管。
若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从0～9的一系列数字。
同荧光数码管（VFD）、辉光数码管（NRT）相比，它具有：
体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS电路兼容等优点。
现已广泛用作数字化仪表、数控装置、家用电器中的数显器件。
常见LED数码管的外形及内部结构如图3-14所示。
图3-14属于共阳极结构，图3-20采用共阴极结构。
分别表示公共阳极和公共阴极。
a～g是7个笔段电极，DP为小数点。
另有一种字高为7.6mm的超小型LED数码管，管脚从左右两排引出，小数点则是独立的。
图3-2常见LED数码管的外形及内部结构
⑵LED数码管的主要特性
①工作电压1.5～5V，一般为1.5～2.5V，工作电流5～10mA，高亮度管可在低电压和小电流（1mA左右）条件下工作。
②单色性好，亮度高、高频特性优良，发光响应时间非常短，通常小于0.1us。
好，工作温度范围为-30～+80℃，使用寿命可达5M小时以上。
③LED数码管每笔画工作电流I在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算
R=（V0-V1）/I
其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。
3.3.2PLC与七段数码管方案选择
PLC（可编程控制器）具有体积小、抗干扰能力强以及运行可靠等诸多优点。
PLC的梯形图语言清晰直观、可读性强，易于掌握。
在工业控制中，PLC作为面向控制对象的下位机，已广泛应用于工业控制的各个领域。
但对于一般的中小型的专用设备，采用工业控制计算机作为上位机会使成本大大提高，同时不便于在操作现场直接读取或输入数据.在显示数据较少时，采用PLC控制LED直接进行数据显示，可以降低成本，使得数据显示直观。
而当欲显示的数据较多时，PLC直接进行数据显示，会使得所需PLC输出点数大大增加，同时由于PLC梯形图的局限性，会使得显示程序的编制变得非常复杂，这不仅增大了程序编制的难度，而且增加了程序的执行时间，从而大大地降低了显示速度。
在应用可编程序控制器（PLC）构成的控制系统中，除要求PLC完成指定的控制功能外，往往还要求附带有输出显示，对一些参数进行动态实时显示，以利于操作者监控生产过程。
PLC通过输出模块外接显示电路，一般要求少占用输出点数、外接电路简单、输出显示速度尽可能快。
OMRON公司推出的CQM1型PLC指令中设置了7段输出显示指令7SEG
（2），该指令有4位和8位两种方式，输出8位数时要占用13个输出点，若要求输出显示5位数时，需选用8位方式，占用13个输出点。
PLC输出模块接LED数码管显示的方法已应用在一实际CQM1型PLC构成的控制系统中。
PLC驱动的显示电路配合PLC程序，可以实现如下的指标的数据显示:
⑴在仅占用PLC16点输出的情况下，显示的LED可多达128个。
⑵所有的显示单元的电路结构完全相同，可以互换。
⑶所有的显示单元与PLC之间的连线完全相同，硬件连线简单。
⑷采用静态显示方式，显示没有闪烁感。
⑸每一位LED数据更新显示仅需2个PLC扫描周期。
⑹在没有新数据显示时，程序进行循环显示，使显示电路的抗干扰能力增强。
由上述可知，结合本次设计，由于输入输出点并不是很多，采用PLC控制LED直接进行数据显示方案，可以大大降低设计成本。
3.3.3PLC与七段数码管直接连接阻值计算
根据LED数码管每笔画工作电流I在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算[8]
本次设计PLC电源采用的是直流24V，PLC的输出电压为5V，安通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1KΩ。
本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1KΩ的R，以及5个EL灯和一个音响。
3.3.4外部硬件接线图
为了硬件电路接线方便，SB0作为抢答的开始按钮，对应输入点为X0，输出点为Y0。
SB1、SB2、SB3、SB4分别对应四个参赛对号，输入点分别X1、X2、X3、X4，输出点分别为Y1、Y2、Y3、Y4。
SB5作为抢答的复位按钮，对应输入点为X5。
音响输出点为Y5。
数码管1显示输出点为Y10-Y16。
数码管2显示输出点为Y20-Y26。
数码管3显示输出点为Y30-Y36。
PLC与数码管采用串电阻直接连接方式。
其外部硬件接线图如图3-15所示。
图3-13外部硬件接线图
4软件设计
4.1IO分配
表4-1知识竞赛抢答器输入输出口分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点标号
输出点标号
裁判台开始按钮
SB0
X0
开始工作指示灯
EL0
Y0
1号赛台抢答器按钮
SB1
X1
1号参赛台灯
EL1
Y1
2号赛台抢答器按钮
SB2
X2
2号参赛台灯
EL2
Y2
3号赛台抢答器按钮
SB3
X3
3号参赛台灯
EL3
Y3
4号赛台抢答器按钮
SB4
X4
4号参赛台灯
EL4
Y4
裁判台复位按钮
SB5
X5
音响
B
Y5
数码管1
LE1
Y10-Y16
数码管2
LE2
Y20-Y26
数码管3
LE3
Y30-Y36
为了硬件电路接线方便和程序清晰易读，用SB0作为，四个参赛队分别用与之对应号SB1、SB2、SB3、SB4设置按钮。
SB5为比赛复位按钮，使下轮比赛开始。
输出与输入对应，用YO输出信号驱动比赛开始信号灯EL0，同理用Y1、Y2、Y3、Y4输出信号驱动对应的信号灯EL1、EL2、EL3、EL4。
Y5输出信号驱动音响。
Y10-Y16输出信号驱动数码管1显示各个参赛队的队号。
Y20-Y26输出信号驱动数码管2，显示抢答时间的个位，Y30-Y36输出信号驱动数码管3，显示抢答时间的十位。
4.2根据控制要求进行流程图和梯形图设计
当裁判按下开始按钮时，四个参赛对处于抢答状态，假如是一号参赛队先抢到题目，PLC先判断抢答是否成功，若成功，则进行下一部看是否在规定的抢答时间内答题，若在规定时间内，则答题结束；
若超时，则提示主持人；
如果抢答没有成功，则判断是否抢答犯规，若法规，某法规台灯亮，总台灯亮出指令。
流程图如4-2。
图4-1流程图
梯形图设计如下：
图4-2梯形图Ⅰ
图4-3梯形图Ⅱ
图4-4梯形图Ⅲ
图4-5梯形图Ⅳ
图4-6梯形图Ⅴ
4.3程序运行过程分析说明
⑴当裁判台按下开始按钮时，就将信号传入PLC中，同时四个参赛队处于抢答状态。
然后根据哪个队最先抢到题目，然后在规定的答题时间内作答，或者答题超时。
（由规定显示电路和音响作出反应。
）例如，1号参赛队抢到题目，同时抢答继电器M1通电并自锁，抢答继电器M1与其它参赛台按钮输入触点相串联的常闭触点断开，使得在有抢答按钮按下的情况下，其它按钮均无效。
抢答继电器M1闭合，答题限时继电器M2闭合并自锁，使得答题限时计时器T1开始计时。
①若1号参赛台答题超时，抢答继电器M1通电闭合（有人抢答），答题限时计时器T1计时到，其常开触点闭合。
在答题超时的情况下，M1的常开触点与T1的常开触点串联驱动裁判台的灯和音响。
②若1号参赛台违规抢答，抢答允许继电器M0未闭合，裁判员未按下开始按钮SB0（X0未闭合），而抢答继电器M1闭合（有人抢答）。
在违规抢答的情况下，M0和M1是“与”的关系，即M0的常闭触点与M1的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。
③无参赛队抢答，抢答继电器M1未通电闭合（无人抢答），抢答
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