3人抢答器的控制设计.docx

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3人抢答器的控制设计

河南科技大学

课程设计说明书

课程名称电气控制技术

题目3人抢答器的控制设计

学院车辆与动力工程学院

班级农电092班

学生姓名*****

指导教师******

日期2012年6月28日

电气控制技术课程设计任务书

班级：

农电092姓名：

***学号：

091030102**

设计题目：

3人抢答器的控制设计

一、设计目的

进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握一般生产电气控制系统的设计方法；掌握一般生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养查阅图书资料、工具书的能力；培养工程绘图、书写技术报告的能力。

二、设计任务及要求

掌握PLC工作原理、编程及调试方法及应用技术；根据控制要求，制定合理的设计方案；正确选用PLC，确定输入、输出设备；PLC的Ｉ/O点分配，并绘制其连接图，以及其它外部硬件图；设计PLC控制程序；绘制有关图纸；编制设计说明书。

三、控制要求

1.按下启动按钮（开始抢答）后，若10S内无人抢答，则由指示灯显示该题作废。

2.按下启动按钮（开始抢答）后，第一个按下按钮有效，其余信号（后按下）无效。

有效信号用灯光表示。

3.若有人抢答即按下任意一个抢答按钮，主题人按下答题计时器，答题时间（1min）到有灯光信号提示。

4.在答题时间内答题正确和答题错误分别由不同的信号表示。

四、工作任务

1.根据控制要求，进行抢答器PLC控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。

2.根据控制要求，编制抢答器PLC控制应用程序。

3.按所设计的PLC外部接线图进行接线。

4.设计控制梯形图程序

5.编写指令程序，上机调试。

五、设计时间安排

查找相关资料（1天）、设计并绘制系统原理图（2天）、设计PLC控制程序（2天）、模拟调试（2天）、编写设计报告（2天）和答辩（1天）。

六、主要参考文献

1.黄永红.电气控制与PLC应用技术,北京:

机械工业出版社,2011.

2.王建华.电气工程师手册,北京:

机械工业出版社,2006.

3.吴晓君.电气控制课程设计指导,北京:

中国建材工业出版社,2007.

指导教师签字：

摘要

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。

本设计以PLC为核心，设计了系统结构图、梯形图以及输入输出端子的分配方案。

主要利用了电气互锁原理，在抢答人数较多时能够准确选择出第一个抢答选手。

同时利用了定时器，使抢答更准确、自动化。

在一次抢答结束时自动对各输入输出点以及中间寄存器清零，使各次抢答之间不受干扰。

本次设计利用S7-200仿真软件V3.0汉化版软件对抢答过程进行仿真，通过小灯的开关模拟选手是否按下按钮。

根据输出小灯的亮灭模拟各选手的答题过程。

在仿真过程中不断对梯形图进行修改，使抢答功能更加完善，能较好的满足本次3人抢答器的控制要求。

关键词：

PLC,三人抢答,梯形图

第一章绪论

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”。

可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、使用方便、体积小。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，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。

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，而且还有一个计时系统，能够对抢答进行计时，能够最大限度的满足时间限制。

第二章抢答器硬件系统设计

§2.1控制系统选取

抢答器对时间间隔的要求很高，而且多在会议、答辩赛等一些正规的需要进行抢答的场合中使用，所以对设备的精准性和可靠性要求很高。

为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。

可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入,输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：

1．可靠性高

2．体积小

3．通用性好

4．使用方便

硬件系统分别选择8个额定电压为24V的指示灯。

I/O接口分别为8个输入口,9个输出口。

考虑1/3的裕量选用西门子公司的CPU224AC/DC/RLY。

S7-200系列的CPU224集成了14点输入、10点输出，共有24点数字量I/O，具有2路模拟电压输入，从满足数字量I/O端口的角度，是能够满足抢答器的基本控制功能的。

在24VDC情况下最大工作电流为280MA,能够满足本设计输出电路的要求。

§2.2系统的硬件组成

在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输入信号，控制系统就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。

根据控制要求，3人抢答器的硬件组成结构图如图2-1所示:

图2-1系统的硬件组成

§2.3硬件I/O地址分配

根据任务要求及所选CPU224AC/DC/RLY（考虑1/3的裕量）和其他硬件（指示灯、蜂鸣器），PLC的I/O地址分配如表2-1:

表2-1三人抢答器I/O分配表

输入信号

输出信号

输入设备/符号

PLC输入点

输出设备/符号

PLC输出点

电源启动／停止SA

I0.7

电源指示灯HL1

Q0.0

开始抢答按钮SB0

I0.0

10S内无人抢答蜂鸣器HA响

Q0.1

加分提示按钮SB1

I0.1

红灯HL2：

第1个人抢答/第1个人抢答正确加分

Q0.2

减分提示按钮SB2

I0.2

绿灯HL3：

第1个人抢答错误

Q0.3

第1组抢答按钮SB3

I0.3

红灯HL4：

第2个人抢答/第2个人抢答正确加分

Q0.4

第2组抢答按钮SB4

I0.4

绿灯HL5：

第2个人抢答错误

Q0.5

第3组抢答按钮SB5

I0.5

红灯HL6：

第3个人抢答/第3个人抢答正确加分

Q0.6

计时按钮SB6

I0.6

绿灯HL7：

第3个人抢答错误

Q0.7

HL8：

主持人开关/复位灯

Q1.0

§2.4硬件系统接线图

根据题目要求和CPU224AC/DC/RLY的I/O地址分配，PLC外部系统接所线图如图2-2所示：

图2-23人抢答器的PLC控制图

第三章抢答器软件系统设计

§3.1整体设计

根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。

通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。

该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。

在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。

安全、可靠、省时、省力、价格便宜。

控制软件应用STEP-7编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图3-1所示：

图3-1抢答器控制流程图

根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。

自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。

§3.2PLC控制程序

§3.2.1主持人开始复位初始化

在抢答系统通电时，有指示灯Q0.0指示系统正常。

主持人按抢答开始按钮I0.0时,复位Q1.0和Q0.1.同时有主持人开始/复位灯Q1.0提示，置位M0.0和M0.1使梯形图更加简单。

§3.2.2三组抢答者的抢答程序

在抢答者按下抢答按钮的同时即I0.0为1时，各选手开关串联了另两位选手的常闭开关，三个人任何一个首先按下按钮将被锁定，另外选手再按按钮将无效。

如果10S内无人抢答，10S后将有蜂鸣器Q0.1提示该题作废。

具体程序如下：

§3.2.3答题计时程序

三个人答题计时、加分、减分程序设计的控制相同，只是相应的触点及中间继电器不同，因此仅以第一个人为例。

第一个人按下加分按钮时，其对应的红灯HL2（Q0.2）亮，主持人按下答题计时按钮SB6时HL2灭，同时答题计时开始。

§3.2.4答题正确指示信号

在答题时间内如果回答正确，由主持人按下加分按钮SB1（I0.1）,红灯HL2（Q0.2）闪烁（0.3秒亮，0.3秒灭，亮灭各3次），然后HL2处于灭的状态，直到60S答题时间到HL2重新处于亮的状态，程序如下：

第一个人答题正确红灯HL2（Q0.2）闪烁的时序图如图3-2所示：

图3-2答题正确红灯闪烁时序图

§3.2.5答题错误指示信号

同理在要求的时间内答完题，如果答题错误，由主持人按下减分按钮，第一个人对应的绿灯HL3（Q0.3）亮0.3S灭0.3S，亮灭各3次。

程序如下：

第一个人答题错误绿灯HL3（Q0.3）闪烁时序图如图图3-3所示：

图3-3答题错误绿灯闪烁时序图

§3.3三人抢答器总程序

为了编程结构简单明了，主程序中引用了中间继电器，SB3~SB5分别为三个选手的抢答按钮，中间继电器M0.0、M0.1使梯形图的结构更加简单易读。

各选手输入按钮、加分减分按钮之间设置自锁和互锁功能，以保证每个选手抢答的公平。

主持人按下抢答开关，10S内无人抢答则指示灯Q1.0亮，提示该题作废。

如果10S内有人抢答，在答题时间内回答正确红灯闪烁（亮0.3S，灭0.3S，亮灭各3次），如果在答题时间内回答错误绿灯闪烁（亮0.3S，灭0.3S，亮灭各3次），在一次抢答结束清零各标志位。

（总程序见后面附录一）

第四章调试与测试

1、首先将程序编译无误后下载到PLC中，启动开关（SA）即I0.7拨上，则指示灯HL1亮（Q0.0亮）。

2、按下抢答按钮SB0（I0.0）后，在10s钟没人抢答则蜂鸣器（Q00.1）亮。

如果在这时间内抢答按钮SB3（I0.3）最先按下，则红色指示灯HL2（Q0.2）亮；相应的，如果SB4（I0.4）最先按下，则红色指示灯HL4（Q0.4）亮；如果SB5（I0.5）最先按下，则红色指示灯HL6（Q0.6）亮。

3、此时，按下计时按钮SB6（I0.6），则在此刻相应亮着的红色指示灯HL2（Q0.2）或HL4（Q0.4）或HL6（Q0.6））灭掉。

当计时时间到（1min），则相对应之前的红色指示灯HL2（Q0.2）、HL4（Q0.4）、HL6（Q0.6））再次亮。

4、在计时时间内，如果回答问题正确，按下加分按钮SB1（I0.1），则相对应之前的红色指示灯HL2（Q0.2）（HL4（Q0.4）、HL6（Q0.6））快速闪烁3次（0.3S亮，0.3S灭），本次快速闪烁设定3次。

5、在计时时间内，如果回答问题不正确或时间到还回答不出，按下减分按钮SB2（I0.2），则相对应的绿色指示灯快速闪烁3次（0.3S亮，0.3S灭），本次快速闪烁设定3次。

闪烁完后，灯灭到当计时时间到（1min），该位选手相对应的红色指示灯HL2（Q0.2）（HL4（Q0.4）、HL6（Q0.6））再次亮回。

经过以上阶段测试，完全符合所要设计的要求，所以本设计无误。

第五章心得体会与总结

通过本次对智力抢答器的控制系统设计，我了解了电气控制装置的设计方法、步骤及设计原则。

也知道了学以致用，巩固书本知识的重要性。

通过设计，具有了初步设计电气控制装置的能力，从而也培养和提高了独立工作和创造能力，充分地发挥了我对学习的主动性和创造性。

以及培养了查阅书籍、查考资料、产品手册、工具书的能力，上网查询信息的能力，运用计算机进行工程绘图的能力，编制技术文件的能力等等，从而提高了在实际运用中解决实际工程技术问题的能力。

本次的课程设计，很大的提高了我对系统的分析能力和操作能力，尤其模拟仿真检查出了我不太懂的知识点，同时通过仿真以及对程序的不停修改也加深了我对课本的理解。

但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。

如其中的答题按下加分/减分按钮，对应的等亮0.3S灭0.3S，亮灭各3次，对其中的嵌套语句不很理解，通过相关交通灯控制程序才设计出这一控制环节的程序。

在设计过程中我发现自己考虑问题不很全面，专业知识掌握的很不牢固，所掌握的计算机应用软件还不够多，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。

参考文献

[1]工业可编程控制器的现状与发展趋势[J].航天技术与民品，1999.

[2]陈远龄.机床电气自动控制[M].重庆:

重庆大学出版社，2004.

[3]钟肇新等.可编程控制器原理及应用[M].广州:

华南理工大学出版社，2008.

[4]王红.可编程控制器使用教程[M].北京:

电子工业出版社，2002.

[5]贺哲荣.流行PLC实用程序及设计[M].西安:

西安电子科技大学出版社，2006.

附录二：

3人抢答器总程序