竞赛抢答器的设计毕业论文

1、第一章引言1第二章概述22.1 PLC的发展史22.1.1 PLC的由来22.1.2 可控制编程器的发展22.1.3 可控制编程器的发展趋势32.2 PLC的用途与特点32.2.1 PLC的用途32.2.2 PLC的特点42.3 PLC的主要原理和组成62.3.1 PLC的主要原理62.3.2 PLC的组成部分6第三章竞赛抢答器的设计方案和思路83.1 PLC抢答器的控制要求：83.2 硬件设计方案83.2.1 控制特点分析83.2.2 I/O配线图83.2.3 答题流程图4-1：103.2.4 PLC机型的选择步骤与原则11软件设计方案12设计假设：12梯形图的设计及分析：13程序的下载、安

2、装和调17第四章总结20致谢21参考文献22第一章引言可编程序控制器(PLC) 是一种新型的通用的自动控制装置,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,是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，在日常生活中，智能抢答器广泛的应用于各种竞赛和抢答场合。越来越

3、多的抢答器投入市场，可是大部分的抢答器主要采用的是单片机系统；而单片机系统由于稳定性不高，基于此，我们采用了S7-200 PLC来实现智能抢答器控制系统的设计。第二章概述 PLC的发展史 PLC的由来PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化

4、方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。如下图1-1所示：图 1-12.1.2可控制编程器的发展虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1早期的PLC（60 年代末70 年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分

5、立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2中期的PLC（70 年代中期80 年代中后期）在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等

6、功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。3近期的PLC（80 年代中后期至今）进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。.3可控制编程器的发展

7、趋势PLC自问世以来，经过几十年的发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，但PLC得主要应用领域是自动化，不同的企业对自动化程度的要求都不相同。不仅需要发展适合于大、中型企业的高水准的PLC网络系统，而且也要发展合适小型企业、性能价格比高的小型PLC控制系统。所以PLC控制系统将朝着体积小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展；二是向大型化、网络化、多功能方向发。 PLC的用途与特点 PLC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

8、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。（2）运动控制 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，（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理

9、参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）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。（4）数据处理在机械加工中，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

10、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。（5）通信和联网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的特点（1）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

11、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。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要

12、模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）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。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时

13、，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。（3）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。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，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。（4）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。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D

14、转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。（5）PLC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。（状态、通信状

15、态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。）（7）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。PLC的主要原理和组成2LC的主要原理CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型

16、的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。 2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。 3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用

17、户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间.2LC的组成部分PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行IO变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。1. 输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。2. 输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,

18、并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3. 存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。4. CPU单元CPU单元控制着IO寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。5. 其它接口单元其它接口单元用于提供PLC

19、与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。、第三章竞赛抢答器的设计方案和思路3.1 PLC抢答器的控制要求：利用PLC设计一个竞赛抢答器控制系统, 竞赛抢答器能使四个队同时参加抢答。赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为1号、2号、3号、4号参赛台，分别按下赛台上相应的按钮时会显示相应的结果，具体要求如下：裁判员没有按下抢答按钮时，若参赛者按下抢答按钮此时属于提前抢答，参赛者的抢答桌上的违规灯亮且裁判台上相应的违规灯亮。当裁判员按下开始抢答按钮时，蜂鸣器响，并开始20S倒计时，并进行时间显示。如果20S内没人按下抢答按钮，蜂鸣器停止响，无人抢答灯亮，2S后无人抢答灯灭，表示此题撤消。如果20S

20、内，任意赛台上的抢答者按下抢答按钮，计时停止，抢答蜂鸣器停止，此时抢答桌上的抢答成功指示灯亮，裁判台上的相应的抢答组指示灯亮。当裁判员按下确认抢答有效按钮后开始计时60S，抢答组答题，开始倒计时，当60S时间到，电蜂鸣器持续响3S。当某参赛者答对时，裁判员按下加分按钮，对参赛者进行加分，且加分蜂鸣器响，每次加10分，当某人分数达到90分时，将不再加分。当某参赛者答错或超时答题时，裁判员按下减分按钮，对参赛者进行减分，每次减10分，当某人的分数等于0时，将不再减分。在某个题目结束后，裁判员按下裁判台上的复位按钮，抢答器恢复到原来的状态，为下一轮抢答作好准备。3.2 硬件设计方案3控制特点分析知识

21、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。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。3 I/O配线图输入设备：S1抢答启动按钮 I0.0 S2 1号抢答按钮S3 2号抢答按钮 I0.2 S4 3号抢答按钮S4 4号抢答按钮 I0.4 S5有效抢答按钮 I0.5 S6 加分按钮 I0.6 S7 减分按钮 I0.7 S8 复位按钮输出设备：HL1 Q0.0 HL2 Q0.1 H

22、L3 Q0.2 HL4 Q0.3 HL7 Q0.5 HL8 Q0.6 HL9 Q0.7 HL10 Q1.0 HL19 Q2.2 如图3-2I0.4I0.5I0.6I0.7图3-23答题流程图4-1：初始状态复位开始抢答无人抢答状态：开始信号发出20S后，蜂鸣器停止响，无人抢答灯亮，2S后灭正常抢答状态：开始信号发出20S内，抢答蜂鸣器停止响，抢答桌上抢答成功灯亮，裁判台上的相应的抢答成功灯亮违规抢答状态：开始信号发出前抢答，抢答桌上的违规灯亮+裁判台上相应的违规灯亮确认抢答有效状态：开始计时60S，60S计时到时，蜂鸣器持续响3S答对状态：按下加分按钮，加分蜂鸣器响，分数达到90停止加分答错或

23、超时状态：按下减分按钮，分数等于0时将不再减分 图4-13.2.4 PLC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。 PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (一) 合理的结构型式PLC主要有整体

24、式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(二) 安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制

25、，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。 (三)相应的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 (四)响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要

26、。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 (五)系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。 (六)机型尽量统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布

27、式控制系统。3.3软件设计方案3设计假设：开始抢答按钮（）抢答按钮（）抢答桌上的违规灯（）判台上的相应的违规灯（Q0.4,Q0.5,Q）20秒计时器（T37）无人抢答灯（）2秒计时器（T38）抢答成功灯（）相应的抢答组指示灯（）蜂鸣器（）有效按钮（）60秒的计时器（T39）3秒计时器（T40）加分按钮（）加分蜂鸣器（）总分（AC0）减分按钮（）。3梯形图的设计及分析： 1. 当主持人没按开始抢答按钮时，只要参赛者按下抢答按钮，电路接通，参赛者的抢答桌上的违规灯和裁判台上相应的违规灯亮。2.当裁判员按下开始抢答按钮时，对于4位参赛者的抢答指示灯和相应的抢答成功指示灯来说，他们的抢答按钮还有20S

28、钟的定时器是互锁的，当其中一个人在20S按下抢答按钮，其他人的电路就断开，按下抢答按钮也无效。当20S的断开延时定时器到20S时，所有的抢答按钮都无效。3. 对于T37来说，T37断开延时定时器不但受开始抢答按钮限制还受参赛者的抢答按钮限制的，只要有一抢答按钮按下，T37就停止计时。4. 开始抢答按钮按下后，T37接通电源的同时，常开触点T37闭合，蜂鸣器接通，当T37停止计时，常开触点T37断开，达到如果20S内没人按下抢答按钮蜂鸣器停止响和如果20S内，任意赛台上的抢答者按下抢答按钮抢答蜂鸣器停止的效果。5. 当T37计时到20S时，T37常闭触头闭合，T38接通延时定时器接通开始计时，无

29、人抢答灯亮，当T38到计时到2S时，T38常闭触头断开，无人抢答灯灭。但对于T38而言，要达到如果20S内没人按下抢答按钮无人抢答灯亮2S后无人抢答灯灭的效果还是要通过抢答按钮的限制来保证在有人抢答时T38无效和无人抢答灯是灭的。6. 当确认按钮按下后， 60S的接通延时定时器T39开始计时，计时到60S时，断开延时定时器T40接通开始计时，蜂鸣器响，3S后停止。7. 当加分按钮闭合，只要AC0=0,减法器就会减10。9. 当复位按钮闭合，到全部复位到原来的状态。3.4程序的下载、安装和调STEP7-Micro/WIN的启动如下图4-2所示：图4-2STEP 7-Micro/WIN编程软件安装

30、：连接S7-200 CPU 可以用PC/PPI电缆建立个人计算机与PLC之间的通信连接，如图4-3所示：图4-3程序的下载如下图4-4所示：图4-4将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。竞赛抢答器的程序是由西门子PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN编制完成，正常工作时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN编程软件，打开知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。第四章总结在老师和同学的帮助下做完了毕业设计的工作，由于自己知识的缺乏及能力的有限，仍没有能

31、够实现像开题报告中那样带有语音识别等功能的补充与完善。但是通过这次的毕业设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使自己的动手能力和思考问题的能力得到了很大的提高。在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地

32、理解，而且要不断地更正以前的错误思维。但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的西门子应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！同时，该设计也有不足之处，缺少了答题计分等功能。我将会在以后的学习中继续学习。、致谢时光如流水，转眼之间就到了离别的季节。两年多的时间就这样过去了，我即将向软件学院告别。两年多之间，校园发生了太多改变，我也在不断地成长，眼看着离校日期已日趋临近，毕业论文的完成也随之进入了尾声，尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说