机电一体化李明阳.docx
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机电一体化李明阳
永城职业学院
毕业论文
论文题目：
基于PLC的抢答器设计
班级：
09级5班
专业：
机电一体化
学号:
2009045065
学生姓名：
李明阳
指导教师：
王冰玉
日期：
2011年09月13日
摘要
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，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。
本毕业设计做的是ＰＬＣ四路抢答器。
抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、8段显示器几部分组成。
运用单片机技术，数字电路，模拟电路和必要的电子原器材。
我们可以制作一个简单的数字式的抢答器。
随着单片机和电子技术的发展抢答器的智能化程度将越来越高。
其广泛用于电视台、商业机构、企事业工会组织、俱乐部及学校等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答之用，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活，并且给人的视觉效果非常好，是各单位开展素质教育、精神文明、娱乐活动的必备产品。
本设计由简单的集成电路设计成的，由主体电路和扩展电路两部分组成。
主体电路完成基本抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
电路结构简单、程序简短、系统可靠性高，能够实现课题中所提的设计要求。
关键词：
四路抢答器八段码显示
引言3
引言
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，无论是在学校、工厂、军队还是电视节目中，都可能会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。
目前市场上已有很多类型的竞赛抢答器，但其中绝大多数是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。
这抢答器已相当成熟，但是随着功能增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式却简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及功能的升级换代。
单片机、CPLD、PLC的应用正在不断地走向深入，因此设计出系统的可靠性和稳定性也在不断的提高，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。
鉴于PLC在我国的应用已有二十几年的历史，随着目前生产自动化水平的提高，以及各种监控系统的需要，PLC以其外部电路简单、模块化结构、可靠性高，尤其可以通过方便的编制和修改软件来实现顺序控制的功能等特点，在工业的应用中越来越广泛。
第一章PLC简况
1.1PLC简介
可编程控制器简称PC。
个人计算机也简称PC。
为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC。
国际电工委员会在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
（1）可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。
事实上可编程控制无论从内部构造、功能及功能原理上看都不折不扣的是计算机。
（2）可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。
工业环境和一般办公环境有很大的区别，PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”这些都是个人计算机不可能做到的。
因此可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场使用的计算机。
（3）可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。
它“易于扩展其功能”，它的程序能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。
也就是说可编程控制器较其以前的工业控制计算机，具有更大的灵活性，它可以方便的应用在各种场合，是一种通用的工业控制计算机。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、汽纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为：
开关量的逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信及联网
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
1.2PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强
2、通用性强，控制程序可变，使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。
因此，PC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3、功能强，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
4、编程简单，容易掌握
目前，大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PC内部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
5、减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
6、体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
以三菱公司的F1-40M型PLC为例：
其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。
现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：
面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。
1.3PLC的主要功能
1、开关量的逻辑控制功能
2、定时/计数控制功能
3、步进控制功能
4、数据处理功能
5、A/D与D/A转换功能
6、运动控制功能
7、过程控制功能
8、扩展功能
9、远程I/O功能
10、通信联网功能
11、监控功能
1.4PLC原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
1.5PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成如图所示：
图1-1
第二章控制要求
用PLC设计抢答器控制程序，有四路输入开关：
X1、X2、X3、X4，实现优先抢答控制，用数码管显示抢中的号码。
知识竞赛抢答器能使4个队同时抢答
1、设裁判队为裁判台,能参赛队为参赛台。
裁判台设有音响和裁判台灯,并设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮X5；参赛台设有参赛台按钮及参赛台灯，1～4号参赛台分别对应按钮X1～X4及参赛台灯Ll～L4。
2、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员说出“开始”并按下裁判台开始按钮X0后l5s内抢答,并由数码管显示时间。
如提前抢答,抢答器将发出“违规”信号。
l5s时间到,如无队抢答,则抢答器给出时间巳到信号,该题作废。
在有队抢答的情况下,则抢答器发出“抢答”信号,数码管开始计时显示,并由数码管显示出抢到题的参赛队号。
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。
赛场还设有时间数码显示器和显示抢到答题队号的数码显示器。
3、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。
在某个题目结束后,裁判员按下裁判台上的复位按钮X5,抢答器恢复原来的状态,为下一轮抢答作出准备。
4、PLC四路抢答器总结
（1）竞赛者若要回答主持人所提问题时，须抢先按下桌上的抢答按钮；
（2）指示灯亮后，须等主持人按下复位按钮X5后，指示灯才熄灭；
（3）如果竞赛者在主持人打开复位开关后首先按下抢答器的按钮则会
有八段码显示出其相应的号码，例如一号竞赛者首先按下抢答器按钮将会显示出“1”以示竞赛者得到一次幸运的机会。
第三章硬件控制设计
3.1PLC的选型
根据控制要求来选择合适的电器，比如：
熔断器、继电器、接触器及导线等在设计电路中所用到的各种电器进行合适的选择，使电路中的各个用电器不至于损坏。
数码管的选择：
八段码显示数码管。
八段码显示数码管
图3-1
PLC的选择：
选择松下的可以，综合I/O点数，选松下FP0系列C14的CPU（24VDC）,因为该型号的输入点与输出点已经满足该程序的使用，若没有其他通讯接口方面要求，选C16也可以，但是考虑到经济与实用问题选择点数满足要求的就可以了，这样做经济又可以满足程序的运行，所以在日常运用中PLC的选择也是一个很重要的问题，选择适合的PLC不仅可以使程序能够最大速度的运行而且能够充分利用该PLC。
3.2I/O外围线路的绘制
\
图3-2
第四章软件控制设计
4.1I/O分配表
I/O外部分配表
输入地址
作用
输出地址
作用
X0
启动
Y0
铃
Y1
a
X1
启动
Y2
b
Y3
c
X2
启动
Y4
d
Y5
e
X3
启动
Y26
f
Y27
g
X5
复位
4.2软件流程图
图4-1
4.3时序图
时序图描述对象是如何交互的，并且将重点放在消息序列上。
也就是说，描述消息是如何在对象间发送和接收的。
时序图有两个坐标轴：
纵坐标轴显示时间，横坐标轴显示对象。
每一个对象的表示方法是：
矩形框中写有对象和/或类名，且名字下面有下划线；同时有一条纵向的虚线表示对象在序列中的执行情况（即发送和接收的消息对象的活动），这条虚线称为对象的生命线。
对象间的通信用对象的生命线之间的水平的消息线来表示，消息线的箭头说明消息的类型，如同步，异步或简单。
浏览时序图的方法是，从上到下查看对象间交换的消息，分析那些随着时间的流逝而发生的消息交换。
连接好了外部电路后，调试复位开关x5然后启动x0此时监控会显示x0闪烁通电后自锁此时y0、y2、y3通电驱动铃、b、c数码管，此时数码管显示数字‘1’；然后再按下复位键进行x1的调试，依次显示“2”、“3”、“4”。
调试并记录了该抢答器的时序图，下图所示：
四路抢答器时序图
4.4梯形图程序
4.5调试
调试要点及注意事项：
（1）常规检查。
在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查（包括接线检
查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等），避免损坏PLC模块
2）系统调试。
系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。
在线调试设备开停时，必须先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为"１"。
心得体会
通过对PLC的学习，自己能理解、通过这次对灯点亮的PLC控制，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。
有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
毕业设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。
多和同学讨论。
我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。
讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。
多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。
掌握一些简单控制系统的编程，掌握一些编程语言：
顺序功能图、梯形图、功能块图、指令表等。
通过该设计了解到更多的PLC类型的I/O点数及其功能特点，设计一个实际的程序需要考虑PLC的选型，其选择PLC类型所需要的注意事项如下：
1、PLC选型主要根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的选型：
通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。
PLC输入/输出点确定：
I/O点数选择时要留出适当余量；
2、充分合理利用软、硬件资源：
尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发，同时也减少硬件投入，降低了成本；
条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控；
PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。
总之，毕业设计在几周的忙碌中完成了，但通过对PLC抢答器设计让我收获颇多。
虽然觉得很累，最终的成功让我觉得再苦再累也是值得的！
付出总会有收获的，用辛勤的劳动得到的东西和知识感觉就是不一样。
致谢
经过一个多月的时间，在各位老师、同学以及我的不断努力下，我的毕业设计终于完成了。
从设计中我学到许多知识，也理解了做任何事都要细心的道理。
知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。
在此我要真诚的感谢王冰玉老师给予我的指导，在设计过程中王老师严格督促我的毕业设计速度，及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在设计中一直对我严格要求，在整个毕业设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在郭老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅，在此谨向王老师致以深切的谢意！
在这次毕业设计中我也遇到了许多困难得到了学校里其他老师的帮助和指导，我也要感谢我的母校永城职业学院，是它提供了良好的学习环境和生活环境，让我的三年大学生活丰富多彩，为我的人生留下精彩的一笔。
感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出的辛勤劳动！
在此还要感谢永城职业学院的全体老师，感谢他们对我的培养！
最后祝愿各位老师：
合家欢乐！
工作顺利！
身体健康！
万事如意！
参考文献
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机械工业出版社
[2]史国生.电气控制与可编程控制器技术.北京：
化学工业出版社，2003
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人民邮电出版社，2006
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人民邮电出版社，2002
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机械工业出版社，2000
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[9]王永华：
现代电气控制及PLC应用技术，北京：
航空航天大学出版社，2008.
专业班级
机电一体化095班
姓名
李明阳
论文
题目
基于PLC的抢答器设计
指导教师初审成绩
评定内容
论文选题
资料利用
学术造诣
知识掌握
科研能力
论文完成情况
写作能力
写作规范
总成绩
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资料利用
学术造诣
知识掌握
科研能力
论文完成情况
写作能力
写作规范
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实际评分
答辩成绩
评定内容
仪态仪表
语言
答辩效果
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科研能力
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评语
指导教师评语：
评阅教师评语：
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评审教师年月日
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