基于PLC的六路抢答器.docx
《基于PLC的六路抢答器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的六路抢答器.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
桂林电子科技大学信息科技学院
电气控制系统实训
（论文）说明书
题 目：
基于PLC的六路抢答器
系 别：
专 业：
学生姓名：
学 号：
指导教师：
职 称：
√
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究
2016年6月20日
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增加了触摸屏画面及其密码保护，其将以其控制方便，灵活，只要改变输入触摸屏的数据，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：
三菱PLC；竞技抢答器；七段译码器
Abstract
Alongwithourcountryeconomyandthedevelopmentofcultureindustry,inmanypublicoccasionsrequireafaircompetition,suchassecurities,stocktrading,andvariousquiz,hencetheresponder.Firstresponderismadeofthepriorityencoderlogiccircuit,itscomputationalspeedslow,lineiscomplex,thereliabilityisnothigh,functionalsoissimpler,especiallywhenviestoanswerfirstbecausealotof,ismuchmoredifficulttoimplement.Asaresult,acapableofembodyingtheoftheopenness,fairnessandimpartialityofthecompetitionknowledgecompetitionresponderbecomeonekindofdemand.
ThisdesignwithPLCasthecoredesignprograminstruction,ladderdiagramandthesystemstructure,thedistributionoftheinputandoutputterminals,inthebasicfunctionofretainedtheoriginalresponderincreasedagainatthesametimeaseriesofpracticalfunctionandincreasethetouchscreenandpasswordprotected,itwillwiththecontrolconvenient,flexible,aslongaschangethedatainputscreen,youcanchangetheracebuzzerviestoanswerfirstplan,soastomakethecompetitioncontinuouslyimprovethefairnessandimpartiality.
Keywords:
MitsubishiPLC;Responder;Sevenperiodofdecoder
目录
引言 1
1制要求与设计方案 1
1.1抢答器的控制要求 1
1.2触摸屏画面要求 2
1.3主要程序设计思路 2
2软件系统 2
2.1PLC的I/0分配 2
2.2控制系统流程图 3
2.3主程序梯形图设计 4
2.3.1初始化梯形图设计 4
2.2.5裁判按钮响应梯形图设计 5
2.3.3抢答按钮响应梯形图设计 5
2.3.4报警梯形图设计 7
2.3.5数据输出梯形图设计 8
2.4密码保护梯形图设计 9
2.4.1密码保护梯形图设计 9
2.4.2修改密码梯形图设计 9
2.4.3密码错误报警梯形图设计 10
2.5触摸屏设计 11
2.5.1主画面设计 11
2.5.2密码输入界面设计 12
2.5.3参数修改界面设计 12
2.5.4密码修改界面设计 13
2.5.5弹窗界面设计 14
3硬件系统 15
3.1PLC的选用及其限制 15
3.2数码管的选用 15
3.3译码器的选用 16
3.3外部硬件电路设计 16
4硬件调试 17
4.1调试步骤 17
4.2调试结果 17
5结论 17
谢辞 18
参考文献 19
附录 20
第20页共20页
桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书
引言
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。
可编程控制器（ProgrammableController，简称PC），是一台微型计算机，他是专门为工业控制应用而设计制造的一种自动控制装置。
为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，人们用PLC作为可编程控制器（ProgrammableLogicController）的缩写。
可编程控制器采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
其具有：
可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；功能强；系统组合灵活方便；对生产工艺改变适应性强；安装方便、调试方便、维护工作量小等特点。
尤其具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编辑。
本设计是应用PLC为控制控制核心的六路抢答器，具有反应迅速，结构简单，成本低等特点。
1制要求与设计方案
1.1抢答器的控制要求
（1）六组参赛队伍可同时参加抢答。
参赛台设有抢答按钮、赛台灯。
（2）裁判台设有裁判灯与报警灯。
开始抢答按钮与复位按钮。
（3）知识竞赛类场景适用于以下规则：
若参赛队伍提前按下抢答按钮，则裁判台红色报警灯与最先按下抢答按钮的参赛队伍对应赛台灯亮，同时数码管显示被警告的参赛队伍号码。
此时触摸屏显示处于提前抢答状态。
主持人出题后，说出“开始抢答”的同时按下开始抢答按钮，裁判台绿色抢答灯亮起，数码管与触摸屏开始显示倒计时。
默认状态下在之后的20秒内若无抢答则红色警告灯闪烁，除复位按钮所有按钮失效，触摸屏提示处于无人抢答状态；若规定时间内有参赛队伍抢答，数码管显示最先按下抢答按钮的参赛队伍号数，触摸屏提示目前处于已抢答。
等待主持人反应并宣布成功抢答的参赛队伍并按下开始作答按钮后，选手默认拥有30秒的作答时间，黄色作答灯亮起数码管与触摸屏显示倒计时的同时触摸屏提示此时出于正在作答状态。
若选手在规定时间内未完成作答，则红色报警灯亮起，正在作答的参赛的队伍赛台灯闪烁，触摸屏提示作答超时。
（4）在任何一个状态下按下复位按钮，皆能使程序恢复为初始状态，数码管清零。
（5）管理员可修改抢答时间与作答时间
1.2触摸屏画面要求
（1）开机进入主画面。
（2）主画面可直观的监控所有输入输出点，同时有状态显示、选手号码显示与倒计时显示。
（3）有独立的时间设置画面，进入时需要密码，时间修改成功时有提示。
（4）有独立的密码修改画面，输入正确地旧密码即可将将密码修改为新密码输入框中的密码。
（5）密码错误时需要提示。
1.3主要程序设计思路
本次设计的基于PLC的六路抢答器由控制按钮、控制系统、信号输入输出组成。
程序设计思路如图1-1所示。
图1-1抢答器控制系统组成示意图
2软件系统
2.1PLC的I/0分配
1、输入地址分配如表2-1所示
表2-1输入地址I/O分配
功能
I/O端口
开始抢答按钮
X0
1号赛台抢答按钮
X1
2号赛台抢答按钮
X2
3号赛台抢答按钮
X3
4号赛台抢答按钮
X4
5号赛台抢答按钮
X5
6号赛台抢答按钮
X6
复位按钮
X7
开始作答按钮
X10
2、输出地址分配如表2-2所示
表2-2输出地址I/O分配
功能
I/O端口
抢答提示灯
Y0
1号赛台灯
Y1
2号赛台灯
Y2
3号赛台灯
Y3
4号赛台灯
Y4
5号赛台灯
Y5
6号赛台灯
Y6
报警灯
Y7
允许答题指示灯
Y27
倒计时8位BCD码输出
Y10~Y17
选手号4位BCD码输出
Y20~Y23
2.2控制系统流程图
在本设计中赛台可分为正在听题、正在抢答、已抢答、正在作答、超时报警、提前抢答报警六个状态，复位按钮可使任何一个状态恢复到正在听题状态，同时清零选手号码与倒计时的输出信号。
在正在听题状态下，按下开始抢答按钮可将状态转化为正在抢答状态，同时开始倒计时并将倒计时显示到与触摸屏上。
在正在听题与正在抢答两个状态下按下任意一个抢答按钮，控制系统会锁住第一个按下的抢答按钮对应的寄存器，使其他抢答按钮失效，同时将改按钮号码记入寄存器并输出到数码管与触摸屏。
此时再判断赛台状态，若处于正在听题状态则发出提前抢答警告；若处于正在抢答状态，则转入已抢答状态，按下开始作答按钮则进入正在作答状态，同时开始倒计时并将倒计时输出至数码管与触摸屏上。
倒计时结束时，赛台状态转到超时报警状态，并有报警信号输出。
根据此思路，设计如图2-1程序流程图。
图2-1控制程序流程图
2.3主程序梯形图设计
2.3.1初始化梯形图设计
编写一个带有密码保护、时间修改功能的程序，需要用到寄存器D寄存数据，需要初始化的寄存器有抢答时间寄存器、作答时间寄存器、初始密码。
初始化部分所用梯形图如图2-2所示。
图2-2初始化梯形图
梯形图采用上电脉冲寄存器M8002实现初始化，在PLC通电的第一个扫描周期内，M8002得电，激活后面的赋值指令。
实现初始化初始密码、抢答时间、作答时间。
这里降其他密码输入框初始化复制四位数1111是为了使设计密码输入的寄存器一开始就是四位数，在触摸屏上能立即显示为4个星号，提醒操作者密码为四位数。
2.2.5裁判按钮响应梯形图设计
如图2-3所示，裁判按下开始抢答按钮，通过X0使中间继电器M0得电并自锁，标示赛台处于可抢答状态，表示可抢答的裁判等亮起，同时激活定时器T0进行抢答计时，到时候切断裁判灯。
图2-3开始抢答按钮响应梯形图
当赛台处正常抢答状态、超时状态、提前抢答与正在回答状态时，状态等状态时，通过对应中间继电器/定时器常闭触点断开梯形图左右键母线，使开始抢答按钮失效。
2.3.3抢答按钮响应梯形图设计
在编程思路中，先响应选手抢答动作，再判断选手是提前抢答还是正常抢答。
实现这一功能的梯形图如图2-4所示。
图2-4抢答按钮部分响应梯形图
如图所示，1号选手按下抢答按钮时，X1得电，M11得电并自锁，将立即数1赋值给选手好吗寄存器D0。
接通控制赛台灯的继电器。
当M10置位时，配合图2-5中的梯形图完成与其他抢答按钮的互锁，通过切断通路，保证控制系统只响应第一个按下的抢答按钮。
x号抢答按钮相应程序只需要将X触点修改成对应的X00x触点、中间继电器M1x、对应号码赋值[MOV Kx D0]和对应赛台灯Yx即可。
图2-5抢答按钮互锁梯形图
在M0（按下开始抢答按钮M0将会得电并自锁）未得电时，M10无法得电、M1得电，代表着有选手提前抢答；
若M0处于得电状态，则M1无法得电，代表已抢答的M10将会得电。
M10得电后，如图2-6所示，此时裁判可按下开始回答按钮，置位M17，作答时间计时器开始计时。
图2-6开始回答按钮响应梯形图
2.3.4报警梯形图设计
报警分为提前抢答报警和超时报警。
超时又分为抢答超时与作答超时。
报警处理梯形图如图2-7、图2-8、图2-9所示。
图2-7超时信号输出
图2-8抢答超时闪烁电路
图2-9作答超时闪烁电路
提前抢答、任意超时时，控制报警灯的继电器将得电，报警灯亮起。
并且，在T0、T1得电时，通过闪烁电路，赛台灯报警灯会有以一秒为周期闪烁。
2.3.5数据输出梯形图设计
在与PLC连接的触摸屏与外部硬件电路均有倒计时与选手号码的显示，在PLC中，计时器T0~T199的数值以每100ms为周期向上自加，为了实现倒计时功能，需要如图2-10、图2-11所示梯形图对寄存器与定时器中的数值加以运算。
图2-10抢答倒计时梯形图
图2-11作答倒计时梯形图
寄存器D10（D11）记录的是抢答时间（作答时间）的总时间，采用减法运算指令用总时间减去已计时的时间得到精度为0.1秒的倒计时储存到寄存器D2，再用除法运算指令将结果转化为以秒为单位的倒计时，即可被触摸屏直接读取或者使用如图2-12所示梯形图输出至译码器驱动数码管显示倒计时。
图2-12BCD码输出梯形图
2.4密码保护梯形图设计
2.4.1密码保护梯形图设计
为了使用密码保护参数修改的页面，需要编写如图2-13梯形图。
图2-13密码保护跳转梯形图
寄存器D30中保存正确的密码，用比较指令和触摸屏中输入的密码做对比，正确则接通M30继电器与左母线，密码输入界面的确定按钮功能为点动M30。
若密码正确，按下确认按钮的同事对画面控制寄存器D980赋值3，即命令触摸屏将画面跳转到位于第三页的参数修改几面。
2.4.2修改密码梯形图设计
为了安全考虑，程序需要有修改密码功能，以便管理者有独立的控制权。
实现密码修改功能需要如图2-14所示梯形图。
图2-14修改密码梯形图
将原密码D30与旧密码输入框中的密码D41对比，若正确，则按下密码修改按钮M33后将新密码D40覆盖到原密码，实现密码的修改，同时清零密码输入框。
密码修改成功后通过给覆盖窗口控制寄存器D981赋值2，弹出二号窗口提示密码修改成功；给D50赋值2，在如图2-15梯形图中实现取消弹窗并跳转到时间修改界面的功能。
图2-15画面延迟跳转控制梯形图
其中图中定时器T101定时1.7秒，是一个能让人看清弹窗内容有不会觉得太拖沓的时间。
定时梯形图如图2.4.4-3。
图2-16画面延时跳转定时梯形图
如图定时器T101得电的下一个扫描周期会将自己切断，保证了程序的循环利用。
2.4.3密码错误报警梯形图设计
实现密码输入错误报警梯形图如图2-17、图2-18所示。
图2-17密码保护界面错误报警梯形图
图2-18密码修改界面错误报警提心图
对比正确密码与输入密码错误时，通过反转指令使密码报警电路接通，在按下确认按钮后，显示三号叠加窗口提示密码输入错误，同时清空对应密码输入框让操作者重新输入密码。
2.5触摸屏设计
为了使PLC的应用更加灵活与可视化，PLC和触摸屏组合控制系统应运而生。
在触摸屏可方便的实现对I/O触点、中间继电器和数据寄存器的监控，在画面中直观的显示PLC运行状态，方便对程序进行调试和在运行过程中的控制。
本次设计采用软件模拟的方式在电脑通过串口与PLC进行通讯，
2.5.1主画面设计
图2-19触摸屏主画面设计
如图2-2，触摸屏主画面要求对I/O口有直观的监控功能，数值显示下方对负责输出BCD码的Y10到Y23继电器进行监控。
2.5.2密码输入界面设计
图2-20密码输入界面
如图2-20所示，密码输入框绑定PLC中的D31数据寄存器，确认按钮绑定PLC中的中间继电器M30。
输入正确密码后按下确定即可跳转到第三页的数据修改界面。
2.5.3参数修改界面设计
图2-21参数设定界面
如图2-21所示，图中抢答时间和回答时间之后的输入框分别绑定D10与D11，进入界面直接显示寄存器中的数据，亦可以点击直接输入数据，输入的数据会直接覆盖原数据。
值得注意的是，计时器精度为100ms，在显示数据时需要设置如图2-22除以10运算式，在输入时需要设定乘以10的运算式。
图2-22数据运算式设置
设置正确即可在数据输入框显示以秒为单位的时间，而程序中已经能以百毫秒为单位正确运行
2.5.4密码修改界面设计
图2-23密码修改界面设计
如图在旧密码输入框中输入正确地旧密码。
按下确认修改即可将密码改为新密码中设置的密码。
2.5.5弹窗界面设计
在触摸屏的参数中预先将D981设定为覆盖窗口控制寄存器，需要弹出界面时通过程序对D981赋值即可使触摸屏中心弹出对应页码的覆盖窗口，效果如图2-24、
图2-25、图2-26所示。
图2-24密码错误弹窗设计
图2-25密码修改成功弹窗设计
图2-26参数修改成功弹窗设计
3硬件系统
本设计外部硬件电路使用三枚共阴极七段数码管配合三个CD4511型七段译码器使用显示选手号码和倒计时；九颗按钮和一一对应的九颗LED指示灯。
3.1PLC的选用及其限制
PLC系统由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊扩展设备、外围设备等构成，FX2N系列PLC是FX系列该功能最强、速度最快的的微型可编程控制器。
其基本指令执行时间可低达0.08微秒；用户储存容量可扩展至16k，最大可扩展至256个I/O点有五种模拟量输入/输出模块、高速计算器模块、脉冲输出模块、四种位置控制模块、多种RS-232C/RS422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板。
使用特殊模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。
在选用FX2N系列PLC时，需考虑到以下几点：
1、输入输出总点数要控制在256点内；
2、FX2N系列PLC的基本单元和扩展单元内装有电源，可对扩展模块提供DC24V电源，对特殊模块提供DC5V电源。
因此扩展模块和特殊模块的耗电量应该控制在基本单元和扩展单元的电源容量范围之内；
3、FX2N基本单元，外接单元、特殊模块的数量不能超过8台。
3.2数码管的选用
数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。
图3-1七段共阴数码管管脚图
每个数码管的每一个段码都由一个I/O端口进行驱动，优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。
本设计选用5611AH数码管，次型号为共阴七段数码管，引脚图如图3.1.1所示。
5611AH七段数码管需要5V恒定工作电流，在实体硬件接线是需要在输入端串联300Ω电阻限流，防止过大的电流烧坏LED。
3.3译码器的选用
本设计选用CD451BE译码器
CD4511是一盘CMOSBCD——锁存/7段译码/驱动器，具有BCD转换、具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接
驱动共阴LED数码管。
其引脚定义、如图3-2所示。
图3-2CD4511引脚图
CD4511采用3V~18V电压工作，输入引脚电压不能高于VDD。
根据以上条件，在实物焊接时需要在输入端（A、B、C、D）串联一个1KΩ的电阻，限制电流以保证译码器能够稳定工作。
3.3外部硬件电路设计
根据控制要求与输入输出需求，抢答器需要9个输入信号（即9个按钮），21个输出信号（9盏灯和三个译码器）。
由CD4511译码器真值表可知需要将第三第四引脚接高电平、第五引脚接低电平，即可保持译码器持续工作
4硬件调试
4.1调试步骤
1、按照电气原理图接线，核对地址、逐点进行，保证正确无误。
2、将PLC六路抢答器程序写入PLC，通过数据线让电脑端模拟触控屏与PLC保持连接，触摸屏操作与硬件电路操作交替进行保证程序的正确性。
3、模拟使用现场进行一次操作，观察运行结果是否与要求符合。
4.2调试结果
通过上述调试步骤，的出调试结果：
1、主持人未按下开始抢答按钮时，参赛选手按下抢答器，报警灯亮，数码管与触摸屏显示提前抢答的选手号码，其他抢答按钮再按下无反应；
2、主持人按下开始抢答按钮后，数码管与触摸屏开始倒计时，选手按下抢答按钮后数码管显示成功抢答的选手号码，其他抢答器再按下无反应。
此时主持人按下开始回答按钮后开始倒计时；
3、主持人按下开始抢答按钮，超时后无人抢答，报警灯闪烁；
4、选手成功抢答后，进入作答状态。
超时后报警灯亮，对应选手赛台灯闪烁提示超
5结论
PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中，对大部分控制对象都有良好的控制效果。
经过几个星期的努力，在老师和同学们的热心帮助下在三菱FX2N系列PLC的基础上成功设计了六路抢答器控制系统，在这次实训过程中遇到了很多的难题，但是在我和同学的探讨下最终一一克服。
在这次实训设计中，我不仅运用自己所学的知识解决在设计中遇到的难题，还在这个过程查阅了很多资料，并在动手实践的过程中深入理解，巩固，使我的专业能力更上一层楼。
谢 辞
通过这次实训设计，我受益匪浅。
在实训的选题、研究过程中，指导老师廖晓梅老师细心的指导让我成功完成了本次实训，并从中学到了很多东西。
在设计过程中廖老师提供了很多宝贵的意见，使我在设计过程中事半功倍，在廖老师耐心的指导、监督下本次实训设计能够按时完成。
在此，我向廖老师致以真挚的谢意！
同时感谢我的同学，在实训过程中遇到挫折，都有同学真诚的鼓励，给我营造了一个良好的学习环境。
向所有关心和帮助我的老师、同学们表示诚挚的谢意。
参考文献
[1]郁汉
升级会员 