基于PLC控制的抢答器毕业设计方案.docx
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基于PLC控制的抢答器毕业设计方案
基于PLC控制的抢答器毕业设计方案
基于PLC控制的抢答器毕业设计李晓宁焦作大学机电工程学院
毕业设计
基于PLC控制的抢答器毕业设计
专业名称：
应用电子技术
学生姓名：
导师姓名：
职称：
讲师
焦作大学机电工程学院
2012年12月
中图分类号：
密级：
UDC：
单位代码：
基于PLC控制的抢答器设计
BasedonPLCcontrolresponderdesign
姓 名
学 制
三年
专业
应用电子技术
研究方向
电子技术
导 师
职 称
讲师
论文提交日期
2012.12.20
论文答辩日期
2012.12.26
焦作大学机电工程学院
摘要
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。
由于PLC系统的抢答器相对稳定，所以设想可以利用PLC进行抢答器的设计。
开始抢答前，主持人首先通过复位按钮实现电路复位，在提问之后，打开选择开关启动定时器。
在抢答限时内，当某一组抢先按下抢答按钮后，对应的辅助继电器接通，同时切断其它抢答回路，实现互锁。
抢答成功后，辅助继电器接通，启动音效电路和某分台指示灯，驱动外部数码显示器显示抢答成功组号。
抢答成功后，同时启动定时器，当定时器计时结束，启动音效电路和指示灯提示回答时间到。
如果在限时内无人抢答，则启动音效电路和总台指示灯。
关键词抢答器；可编程控制器；
ABSTRACT
PLCapplicationfieldhasbeenbroadenfromvariousfields,indailylife,intelligentviestoanswerfirstdevicewidelyusedinvariouscompetitionsandviestoanswerfirstoccasion.DuetothePLCsystemresponderrelativestability,soimaginecanusePLCforthedesignoftheresponder.
Beforestartviestoanswerfirst,thefirstthroughtheresetbuttonrealizecircuitreset,thequestionslater,opentheselectorswitchstarttimer.Inviestoanswerfirsttime,whenagroupofpreemptivepressviestoanswerfirstbutton,thecorrespondingauxiliaryrelayon,atthesametimecutoffotherviestoanswerfirstcircuit,realizeinterlock.Viestoanswerfirstafterthesuccessoftheauxiliaryrelayon,startsoundcircuitandsomepointstablelamp,driveexternaldigitaldisplayshowsviestoanswerfirstsuccessfulgroupnumber.Afterthesuccessoftheviestoanswerfirst,andthelaunchofthetimer,whenthetimertimingover,startsoundcircuitandlighthinttimetoanswer.Ifthetimenocontest,willenableaudiocircuitanddesklamp.
Keyword:
responder；PLC（programmablelogiccontroller）;
目 录
1绪论
1.1PLC的认识
PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。
在电视上我们会经常看到一些智力抢答的节目，如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观的判力竞赛的电路装置,该装置由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组的输入信号在显示器上输出;用控制电路和主断出第一个抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示第一抢答者。
为了使这种不公平不发生，只能靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
八路数字抢答器是一个可供八个参赛组进行智持人开关启动报警电路,以上两部分组成主体电路。
通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,构成扩展电路。
通过这次设计，掌握PIC单片机的原理，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能力。
同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，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、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
提高动手能力和排除故障的能力。
PLC本身的模块化结构以及远程I/O模块功能的不断完善，使得PLC易于实现多级控制（分布控制、分散控制），通过不同级别的网络将PLC与PLC、PLC与远程I/O模块、PLC与人机界面以及PLC与PC机连接起来，形成管控一体化的网络结构。
1.2PLC的应用和特点
PLC出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅速,原因在于现有的各种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是:
1.可靠性高,抗干扰能力强在恶劣的工业环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。
PC是专为工业控制而设计,由于采取了一系列措施,使PC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4～5万h,远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。
可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PC。
保证PC工作的可靠性高、抗干扰能力强的主要措施是:
（1）采用循环扫描、集中采样,集中输出的工作方式。
（2）硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术,同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。
（3）软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功能.因此PC优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。
2.编程简单、易于掌握这是PC优于微机的另一个特点。
梯形图编程方式是PC最常用的编程语言。
它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点。
3．组合灵活使用方便由于它采用标准化得到通用模块结构，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。
4．功能强，通用性好现代PC具备很强的信息处理功能和输出控制能力，它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。
5．开发周期短，功率高，维护方便PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。
6．体积小，重量轻，工耗低
随着电子技术的发展和应用领域日益扩大，PC技术及其产品仍在继续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来越高。
2设计目的及要求
2.1设计目的
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
从而使竞赛真正达到公正、公平、公开。
2.2基本要求
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SB0~SB7表示。
2）设置一个系统清除和抢答控制开关REST/START，该开关由主持人控制。
3）抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，并保持到主持人将系统清除为止。
6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答
3硬件电路设计
3.1PLC工作原理
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
循环扫描过程如图3.1所示：
停止
图3.1循环扫描流程图
Figure3.1Circulationscanningflowchart
工作过程：
主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。
（1）内部处理阶段：
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。
（2）通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容
1．输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
2．程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。
对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
3．输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
4.PLC的工作状态
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
运行状态是执行应用程序的状态。
停止状态一般用于程序的编制与修改。
图2.7给出了运行和停止两种状态下PLC不同的扫描过程。
由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。
在运行状态，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到停止（STOP）工作模式。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。
在通信服务阶段，PLC与其他带微处理器的智能装置通信以更新编程器的显示内容。
当PLC处于停止模式时，只执行以上两种的操作。
PLC处于运行（RUN）模式时，还要完成另外三个阶段的操作。
5.扫描周期和响应时间
PLC在运行状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为0.5ms～100ms。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
CPU执行指令的速度，执行每条指令占用的时间；程序中指令条数的多少。
指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度有很大关系，一般说来，一个扫描过程中，输入采样和输出刷新所占时间较少，执行指令的时间占了绝大部分。
PLC的响应时间是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至由它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔，也叫做滞后时间（通常滞后时间为几十毫秒）。
它由输入电路的时间常数、输出电路的时间常数、用户语句的安排和指令的使用、PLC的循环扫描方式以及PLC对I/O的刷新方式等部分组成。
这种现象称为I/O延迟响应或滞后现象。
由于PLC的这种周期循环扫描工作方式，决定了响应时间的长短与收到输入信号的时刻有关。
响应时间可以分为最短响应时间和最长响应时间。
（1）最短响应时间
如果在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期之前进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。
（2）最长响应时间
如果收到一个输入信号经输入延迟后，刚好错过I/O刷新的时间，在该扫描周期内这个输入信号无效，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入，使输入更新，这时响应时间最长。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应，产生滞后现象。
对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。
但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使用智能输I/O单元（如快速响应I/O模块）或专门的指令（如立即I/O指令），通过与扫描周期脱离的方式来解决。
3.2PLC机型选择步骤与原则
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
（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
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A／D和D／A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。
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I／O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。
3.3PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面
（一）I／O点数的选择
PLC平均的I／O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I／O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量。
通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％~15％的裕量来确定。
（二）存储容量的选择
用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。
一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。
PLC的I／O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。
存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100
另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。
3.4控制要求分析
当主持人打开启动开关后，在设定时间T1内，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;
在抢答成功后，定时器停止工作。
显示器显示选手的编号和抢答的时间。
主持人打开开关S，系统清零。
3.5抢答电路分析
图3.2系统结构框图
Figure3.2systemstructurediagram
图3.3系统外部接线图
Figure3.3systemoutsidewiringdiagram
3.6程序流程图
4软件设计
4.1I/O分配表
输入
S
I1.0
主持人开关
S1
I0.0
1号选手按纽
S2
I0.1
2号选手按纽
S3
I0.2
3号选手按纽
S4
I0.3
4号选手按纽
S5
I0.4
5号选手按纽
S6
I0.5
6号选手按纽
S7
I0.6
7号选手按纽
S8
I0.7
8号选手按纽
输出
HR
Q5.0
蜂鸣器
HL1
Q4.0
1号选手指示灯
HL2
Q4.1
2号选手指示灯
HL3
Q4.2
3号选手指示灯
HL4
Q4.3
4号选手指示灯
HL5
Q4.4
5号选手指示灯
HL6
Q4.5
6号选手指示灯
HL7
Q4.6
7号选手指示灯
HL8
Q4.7
8号选手指示灯
HL9
Q5.1
选手编号数码显示
HL10
Q5.2
HL11
Q5.3
HL12
Q5.4
HL13
Q5.5
HL14
Q5.6
HL15
Q5.7
HL16
Q6.0
时间倒计时数码显示
（十位）
HL17
Q6.1
HL18
Q6.2
HL19
Q6.3
HL20
Q6.4
HL21
Q6.5
HL22
Q6.6
HL23
Q7.0
时间倒计时数码显示
（个位）
HL24
Q7.1
HL25
Q7.2
HL26
Q7.3
HL27
Q7.4
HL28
Q7.5
HL29
Q7.6
4.2根据控制要求进行梯形图设计
（一号选手抢答按钮）
（二号选手抢答按钮）
（三号选手抢答按钮）
（四号选手抢答按钮）
（五号选手抢答按钮）
（六号选手抢答按钮）
（七号选手抢答按钮）
（八号选手抢答按钮）
（主持人闭合抢答开关Ｓ，即I1.0闭合，抢答开始。
8组选手任一选手按其抢答按钮，将其输出自锁。
当抢答结束或无人抢答时，主持人打开开关S,即I1.0打开，系统清零）
（1号选手指示灯）
（2号选手指示灯）
（3号选手指示灯）
（4号选手指示灯）
（5号选手指示灯）
（6号选手指示灯）
（7号选手指示灯）
（8号选手指示灯）
（优先抢答的选手对应的指示灯亮。
该段梯形图使用互锁。
一旦有选手选中，其他选手抢答无效）.
（T1为特殊的定时器，其定时为30秒，输出16进制。
8位选手一旦其中一位抢答成功，M1.0常闭触电断开，T1以BCD输出）
（蜂鸣器）
数码管1——选手编号
（选手编号显示数码管a段）
（选手编号显示数码管b段）
（选手编号显示数码管c段）
（选手编号显示数码管d段）
（选手编号显示数码管g段）
（选手编号显示数码管f段）
（选手编号显示数码管e段）
数码管2——计时器十位
（数码管十位e段）
（数码管十位b段）
（数码管十位c段）
数码管3——计时器个位
（数码管个位c段）
（数码管个位b段）
（数码管个位a段）
（数码管个位g段）
（数码管个位f段）
（数码管个位e段）
（数码管个位d段）
5仿真与调试
5.1仿真软件GXDeveloper8.0概要
GXDeveloper8.0编程软件是FX系统PLC专用的编程软件，其编程界面和帮助文档均已汉化，占用空间小，安装好后仅占用约90MB的空间，功能较强，在Windows98/2000/XP系统下均可运行。
GXDeveloper主要是指能执行以下功能的软件包：
1.程序的创建
2.对可编程控制器CPU进行写入、读出
3.监视（例如：
软元件批量监视）
监视有梯形图监视、软元件批量监视、软元件登录监视功能。
4.调试
将所创建的顺控程序写入到可编程控制器CPU中，对顺控程序能否正常动作进行测试。
此外，通过使用新开发的GXSimulator,可以在单台个人计算机中进行调试。
5.PLC诊断
由于显示了当前的出错状态以及故障记录等，因此可以在短时间内完成除错。
此外，通过系统监视（仅为QCPU（Q模式））可以获取关于特殊功能的详细信息，因此在出错时可以在更短的时间内完成除错。
5.2系统的仿真
1）抢答情况（假如是第
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