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plc控制的抢答器设计大学论文
学号：
2012203264
咸阳职业技术学院
毕业论文（设计）
基于PLC控制的抢答器设计
姓
名
陈杰
学科专业
研究方向
指导教师
完成时间
机电一体化
PLC技术技术
李锁牢
2014年10月
1
目
录
一、摘要（含关键词）……………………………………………………………3
二、前言……………………………………………………………………………4
三、主要内容
第一章整体方案的选择…………………………………………………………5
1.1整体功能介绍………………………………………………………………5
1.2控制要求……………………………………………………………………5
1.3用单片机和PLC分别做系统的比较………………………………………5
1.4控制特点分析…………………………………………………………………7
1.5PLC机型的选择步骤与原则…………………………………………………7
1.6抢答器流程图…………………………………………………………………8
1.7程序中所使用的FX系列PLC的编程元件介绍……………………………10
第二章软件设计…………………………………………………………………12
2.1I/O分配………………………………………………………………………12
2.2程序运行过程分析……………………………………………………………13
致谢…………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………16
2
[摘要]本文介绍了利用三菱FX2N系列PLC对知识竞赛抢答器的控制,
阐述了控制方案。
实现抢答器功能的方式有多种，可以采用早期的模
拟电路、数字电路或模数混合电路。
近年来随着科技的飞速发展，单
片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的
不断更新。
本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核
心控制器进行四路抢答器系统的设计，并且设计出了系统结构图、程
序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据知识竞赛抢
答器的控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试。
关键词:
PLC
知识竞赛抢答器
PLC程序设计
3
前言
可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，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，具有控制功能强，可靠性高，使
用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。
可编程控制器（Programmable
LogicController）即PLC。
现已广泛应用于工业控制的各个领域。
他以微处理
为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，
并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
美国电气制造
商协会经过4年调查，与1980年将其正式命名为可编程控制器（Programmable
Controller），简写为PC。
后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑
（PersonalComputer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC。
抢答器是作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛等场合，
但目前所使用的抢答器有的电路比较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困
难。
随着电子技术的发展，应用系统向小型化，快速化，大容量，重量轻的方向
发展。
而PLC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，且以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和网
络通信技术等现代科技技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算
机技术应用于工业控制领域的新产品。
由于PLC具有的优点及特点，使我们编程灵活，系统安装和维修简单，却在
抢答器的制作时能够更加方便和精确，是竞赛真正达到公平，公正，公开。
同时，
随着时代的不断发展进步，抢答器不断的在知识性，娱乐性和趣味性的比赛中出
现，丰富了人们的生活文化和娱乐活动。
本次设计我选用了最具特色和极有代表性的三菱FX2N系列PLC对八路抢答
器进行编程设计和失误控制。
在设计中试用AUTOCAD软件完成整体框架和各部分
硬件设计；然后使用GXDeveloper软件进行各部分程序编程，理清楚设计思路，
利用GXSimulator仿真软件对八路抢答器进行各部分模块仿真。
4
第一章整体方案的选择
1.1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，他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。
1.2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。
（2）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。
（3）知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则：
出题后，各队抢答必须在裁判
说出“开始”并按下裁判台的开始按钮SB0后15S内抢答，并由数码管显示时间。
如提前抢答，抢答器发出“违规”信号。
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。
（4）灯光与音响信号的意义如下：
[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。
（5）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。
1.3用单片机和PLC分别做系统的比较
所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不
同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序
以达到所要求的控制功能。
这种形式在80年代国内很流行，但由于受到本身可
5
靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐
步被PLC所代替。
单片机的可扩展性：
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，
所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。
这样对
于增加功能的开发成本和周期都会增加。
可编程控制器（PLC）：
所谓PLC系统就是采用目前市场上各大工业控制厂
家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到
所设计的功能。
这种形式目前在工业现场应用最为广泛。
PLC的可靠性：
进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处
理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另
外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是
抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工
作。
PLC的可扩展性：
要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，
而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。
PLC的可维护性：
PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据
自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设
计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。
操作：
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。
特点：
价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。
综合以上的分析和比较，最终决定采用PLC。
6
1.4控制特点分析
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。
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。
1.5PLC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主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I／O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I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O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I／O式以及多台PLC联网的分布
式。
集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O
式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O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I／O电源；多台PLC联网的分布
式适用于多台设备分别独立控制，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
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1.6流程图
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
（LD/LDI/LDP/LDF/OUT）
触点串联指令（AND/ANI/ANDP/ANDF）
（1）AND（与指令）一个常开触点串联连接指令，完成逻辑“与”运算。
（2）ANI（与反指令）一个常闭触点串联连接指令，完成逻辑“与非”运算。
（3）ANDP上升沿检测串联连接指令。
（4）ANDF下降沿检测串联连接指令。
触点串联指令的使用如图1-1所示。
图1-1传送指令的使用
使用应用MOV指令时应注意：
1）源操作数可取所有数据类型，标操作数可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、
V、Z。
2）16位运算时占5个程序步，32位运算时则占9个程序步。
（2）移位传送指令SMOVSMOV（P）指令的编号为FNC13。
该指令的功能是将
源数据（二进制）自动转换成4位BCD码，再进行移位传送，传送后的目标操
8
图1-2块传送指令的使用
使用块传送指令时应注意：
1）源操作数可取KnX、KnY、KnM、KnS、T、C、D和文件寄存器，目标操作
数可取.KnT、KnM、KnS、T、C和D；
2）只有16位操作，占7个程序步；
3）如果元件号超出允许范围，数据则仅传送到允许范围的元件。
（5）多点传送指令FMOV（D）FMOV（P）指令的编号为FNC16。
它的功能是将
源操作数中的数据传送到指定目标开始的n个元件中，传送后n个元件中的数据
完全相同。
如图3-12所示，当X0为ON时，把K0传送到D0～D9中。
图1-3多点传送指令应用
使用多点传送指令FMOV时应注意：
1）源操作数可取所有的数据类型，目标操作数可取KnX、KnM、KnS、T、C、
和D，n小等于512；
2）16位操作占7的程序步，32位操作则占13个程序步；
3）如果元件号超出允许范围，数据仅送到允许范围的元件中。
2.4.7三菱FX系列PLC常数（K、H）
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K是表示十进制整数的符号，主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用
功能指令操作数中的数值；H是表示十六进制数，主要用来表示应用功能指令的
操作数值。
例如20用十进制表示为K20，用十六进制则表示为H14。
1.6.1三菱FX系列PLC输入继电器（X）
输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。
PLC通过输入接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入
并存储在输入映象寄存器中。
如图3-13所示为输入继电器X1的等效电路。
FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围
为X000~X267（184点）。
注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单
元和扩展模块是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。
例如：
基本单元
FX2N-64M的输入继电器编号为X000~X037（32点），如果接有扩展单元或扩展
模块，则扩展的输入继电器从X040开始编号。
1.6.2三菱FX系列PLC输入继电器（Y）
输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。
输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再
由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。
如图1-4所示为输出继电器Y0的等
效电路。
图1-4输出继电器的等效电路
每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供
编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。
FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX2N编号范围为
Y000~Y267（184点）。
与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定
的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。
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在实际使用中，输入、输出继电器的数量，要看具体系统的配置情况。
1.6.3辅助继电器
辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控
制系统中的中间继电器相似。
辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱
动。
辅助继电器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。
辅助继电器采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进
制数）。
1．通用辅助继电器（M0～M499）
FX2N系列共有500点通用辅助继电器。
通用辅助继电器在PLC运行时，如
果电源突然断电，则全部线圈均OFF。
当电源再次接通时，除了因外部输入信号
而变为ON的以外，其余的仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。
通用辅
助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。
根据需要可通过程序设定，将M0～M499变为断电保持辅助继电器。
2．断电保持辅助继电器（M500～M3071）
FX2N系列有M500～M3071共2572个断电保持辅助继电器。
它与普通辅助继
电器不同的是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电
后再现其状态。
它之所以能在电源断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时
用PLC中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。
其中M500～M1023可由软件将
其设定为通用辅助继电器。
3．特殊辅助继电器
PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。
FX2N系列中有
256个特殊辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类
（1）触点型其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。
例如：
M8000：
运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。
M8002：
初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。
M8011、M8012、M8013和M8014分别是产生10ms、100ms、1s和1min时钟
脉冲的特殊辅助继电器。
11
M8000、M8002、M8012的波形图如图1-5所示。
图1-5M8000、M8002、M8012的波形图
（2）线圈型由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。
例如：
M8033：
若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器
内容。
前值变为0，触点也跟随复位。
1.6.4微分指令（PLS/PLF）
（1）PLS（上升沿微分指令）在输入信号上升沿产生一个扫描周期的脉冲
输出。
（2）PLF（下降沿微分指令）在输入信号下降沿产生一个扫描周期的脉冲
输出。
微分指令的使用如图3-9所示，利用微分指令检测到信号的边沿，通过置位
和复位命令控制Y0的状态。
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第二章软件设计
2.1IO分配
表2-1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
代号输入点编号
名称
代号输出点编号
EL0
Y0
EL1
EL2
Y1
Y2
3号参赛台抢答按钮
4号参赛台抢答按钮
裁判台复位按钮
SB3
SB4
SB5
X3
X4
X5
3号参赛台灯
4号参赛台灯
音响
EL3
EL4
B
Y3
Y4
Y5
数码管1
LE1
Y10-Y16
数码管2
数码管3
LE2
LE3
Y20-Y26
Y30-Y36
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，输出信号驱动数码管3，显示抢答时间的十位。
2.2程序运行过程分析说明
1.
（1）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，
13
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
（2）无参赛队抢答，抢答继电器M1未通电闭合（无人抢答），抢答限时计时
器T0计时到，常开触点闭合。
当无人抢答时，M1的常闭触点与T0的常开触点串
联驱动裁判台灯和音响。
综上所述，当1号参赛队违规抢答、无人抢答、答题超时驱动裁判台灯及正
常抢答、答题驱动音响的梯形图如附图二所示。
其中M3为音响驱动继电器，当四
种条件中有一种合符时，M3闭合一个扫描周期，使得音响驱动输出继电器Y5闭合，
音响发出声音，同时音响限时计时器T2通电计时，经过1S后计时器T1动作，其常
闭触点断开Y5及T2的电源，音响停止发出声音。
2.计时显示程序。
计时显示程序由输出继电器Y20-Y26，Y30-Y36驱动数码管
2和数码管3完成。
其中输出继电器Y20-Y26驱动数码管2，担任秒个位的显示；
Y30-Y36驱动数码管3，担任秒十位的显示。
在抢答允许继电器M0闭合后，继电器M9闭合，输出继电器Y20、Y21、Y22、
Y23、Y24、Y25闭合，驱动数码管2显示“0”字符，同时秒脉冲信号产生程序开
始工作。
经过1S后，秒脉冲继电器M4闭合一个扫描周期，将M9中“1”的状态移
位至M10中，M10闭合，输出继电器Y21、Y22闭合，驱动数码管2显示“1”字符，
同理，随着左指令SFTL的运行，数码管将接着显示“2、3、4、5……………………
9”字符。
14
致谢
几个月的毕业设计即将结束，在整个毕业设计过程中，我在孙老师的带领下，
基本完成了本学期毕业设计的任务，通过设计我学到了很多新的知识，学到了很
多书本上没有的东西，同时，对以前所学的专业知识，有了进一步的加深和巩固。
在设计前，通过孙老师的悉心指导，我制定了设计计划，借阅相关资料，做好设
计准备。
在设计过程中，我遇到了许多专业上的问题，这些问题都在老师的直接
指导下，得以解决，使我们的设计能够顺利地进行，并最终得以完成。
总结几个月来的设计，体会如下：
首先，团队精神，毕业设计也不例外。
这就需要我们充分的利用好各自的优
势，充分的协作，针对设计中出现的问题，站在不同的思考点分析问题，然后加
以讨论，汇结大家的意见，最终达成一致，发挥了团结协作的精神。
其次，对待任何工作，都要全力以赴，不能畏首畏尾。
通过这次毕业设计，
我深有体会。
然更重要的是，在责任心的驱使下，如何采用何种方法更省时省力，
解决问题的方案很多，永远坚信“方向总比努力重要”，首先分析课题任务本身，
就拿毕业设计来说，课题有了，关键是往哪个方向着手。
在此，我要感谢在整个设计过程中，给与我及大帮助的老师们，无论是在论
文内容的选择、资料的收集，还是在具体的设计过程中，老师都给与了我们细心
的教导和无微不至的关怀，尤其在论文的整理过程中，孙老师提出了大量宝贵的
意见和建议，使我们的设计得以更加完善，孙老师严谨的治学态度，真诚的处世
哲学，也将是我们一生学习的财富，在此，请允许我向尊敬的孙老师，致以最真
诚的谢意！
15
【参考文献】
（1）廖常初、PLC的编程方法与工程应用[M]、重庆：
重庆大学出版社，2001.
（2）郑成、现代可编程序控制器原理及应用[M]、北京：
科学出版社，1999.
（3）王红、可编程控制器使用教程[M]、北京：
电子工业出版社，2002.
（4）王振民、PLC原理及应用[M]、大庆石油学院.14-61.
（5）王永华、现代电气控制及PLC应用技术[M]、北京：
北京航空航天大学
出版社，
2003.80-96.
（6）江秀汉、可编程序控制原理及应用[M]、西安：
西安电子科技大学出版社，
1998.
16
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