#基于PLC控制的八人抢答器

1、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 级使用电子技术学 号： 090103030166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：电气控制和 PLC 课程设计学号090103030166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。设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。计技3）抢答器具有锁存和显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在术参LED 数码管

2、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，数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。1） 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括 PLC 硬件配置电设计路。要求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。参1、 PLC 电气控制技术漆汉宏主编 机械工业出版社2008考 资2、图书馆各类期刊文献相关数据库料3、相关电气设计手册周次第一周第二周基层教学单位： 电气工程及自动化系指导教师： 郭忠南等应 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

3、：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

4、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；七段译码器目录摘要 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 目录 II HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章 绪论1 HYPERLINK l bookmark10

5、 o Current Document 第二章 概述221 PLC 的简单介绍 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 22 PLC 八人抢答器 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第三章 抢答器的功能和工作流程4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第四章 抢答器的硬件设计6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 41 PLC 控制器 6 HYPERLINK l bookmark28 o Curren

6、t Document 42 显示数码管 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 43 系统其它硬件 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.4 I/O 口分配和硬件连接电路 7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第五章 软件的设计 10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 51 抢答开始部分程序10 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 52 选手按钮部

7、分程序10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 53 选手违规提前抢答程序10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 54 选手抢答成功后音响及计时程序11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 55 数码管 1 显示选手编号部分程序11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 56 数码管 3显示 0条件程序12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 57 数码管

8、3显示 9-1 条件程序13 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 58 数码管啊 2显示 3、2、1、0条件程序14 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 59 数码管 2、3 显示倒计时时间程序15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 第六章 总结 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 参考文献 18 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 附录 19（一）

9、. 程序块一19（二）. 程序块二20（三）. 程序块三21（四）. 程序块四22（五）程序块五23II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

10、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使用性，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

11、择可编程的PLC，并确定和之配套的外围芯片。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

12、能力。同时通过本课程 设计和装配、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 1 PLC 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

13、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使用于电气控制，这 就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller （ 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 Programmable Logic Controller （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，专为在工业环境下使用而设计。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、

14、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，都应按易于和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，而且在某些使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， P

15、LC 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 和机器人，计算机帮助设计和制造一起作为现代工业的三大 支柱。2 2 PLC 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，和对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科学技

16、术的不断发展， 它的使用场合也随之增加；技术含量大大提升；更加方便可靠。目前 , 形式多样、功能完 备的抢答器已广泛使用于电视台、 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）

17、，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 开始抢答在抢答成功后，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 2个数码管以及

18、3 个扬声器 来实现，第三章 抢答器的功能和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：主持人控制钮按下是否抢答成功答无人抢答报警声响是违规提示红灯亮否 是否违规提前抢是是答题是否超时计时到报警声响否主持人复位八人抢答器控制流程示意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，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

19、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、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。3、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，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 ，

20、进入下一题作答。第四章 抢答器的硬件设计和连接41 PLC 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。42 显示数码管图为此数码管采用 7 段发光二极管组成，由 plc 控制其 A,B,C,D,E,F,G 的组合亮灭， 来达到数字的倒计时输出。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

21、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。手动开关指示灯扬声器蜂鸣器以上即为系统中相关的几种简单电器。4.4 I/O 口分配和硬件连接电路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 SB1Y00,Y10绿灯，红灯X002选手二按钮 SB2Y01,Y11绿灯，红灯X003选手三按钮 SB3Y02,Y12绿灯，红灯X004选手四按钮 SB4Y03,Y13绿灯，红灯X005选手五按钮 SB5Y04,Y14绿灯，红灯X006

22、选手六按钮 SB6Y05,Y15绿灯，红灯X007选手七按钮 SB7Y06,Y16绿灯，红灯X011选手八按钮 SB8Y07,Y17绿灯X000主持人开始按钮 SB0Y40红灯X010主持人复位按钮 SB9Y41蜂鸣器 0Y42蜂鸣器 1PLC 输出端子功能说明PLC 输出端子功能说明PLC 的 I/O 分配表（二）如下：Y20数码管 1 控制端子 AY30数码管 2 控制端子 AY21数码管 1 控制端子 BY31数码管 2 控制端子 BY22数码管 1 控制端子 CY32数码管 2 控制端子 CY23数码管 1 控制端子 DY33数码管 2 控制端子 DY24数码管 1 控制端子 EY34

23、数码管 2 控制端子 EY25数码管 1 控制端子 FY35数码管 2 控制端子 FY26数码管 1 控制端子 GY36数码管 2 控制端子 GCOM1 、 2接电源正极COM3 、 4接电源正极AC10024VSB0SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB824+COMX000X010X001X002X003X004X005X006X007X011DC24VNAC24VY007Y012Y010Y013Y011COM1Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006COM2FX2N-64MY014Y015Y016Y017Y020Y021Y022Y023COM3DC24V电阻器CO

24、M4B0B1B6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B4B5B3B3B1第五章 软件的设计51 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。52 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

25、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， 断开，此红灯便不再因选手抢答而亮。Y007 常闭触点54 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。55 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，

26、但调试时可以一目11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。56 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12M9，（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、91、0循环显示），T18为定时数码管 2显示0的定时器（ 30秒后得57 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

27、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， T1413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。58 数码管啊 2显示 3、2、1、0条件程序此段程序和数码管 3 的显示相对应， 数码管 2 先显示 3 为一秒， 和管 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

28、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。59 数码管 2、3 显示倒计时时间程序数码管 2、3 显示程序和数码管 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。15注：系统的完整梯形图可参见附录。16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