基于PLC六路抢答器设计.docx
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基于PLC六路抢答器设计
课程设计说明书
题目：
基于PLC的六路抢答器设计
姓名：
***
学号：
********
指导教师：
***
专业年级：
12届机械电子工程
所在学院和系：
机械学院
完成日期：
2015.12.24
1、绪论
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、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。
现已广泛应用于工业控制的各个领域，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。
PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。
该设计为全自动洗衣机的PLC控制，主要介绍了全自动洗衣机的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试，控制系统PLC程序。
最后，在该设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师、同学，在此表示衷心的感谢。
由于在设计过程中存在许多不足，希望老师同学指正。
1.1课题研究背景
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”。
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，而且还有一个计分系统，能分别对四个选手进行计分，并能够对分数进行加、减。
带计分功能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器，更好的服务于社会。
1.2课程设计研究内容及要求
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择可编程的PLC，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱FX可控制编程。
此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。
设计要求：
按钮按下时对应指示灯亮，时间自定；按钮按下时对应的电铃响，时间自定；某一按钮按下时，其余按钮失效；除此以外，根据自己理解，提出控制要求并实现控制。
任务：
PLC控制系统硬、软件设计。
2、系统总体方案设计
2.1方案设计
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，它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。
智能竞赛抢答器通过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。
竞赛抢答器有八个输入信号（即八个按钮），九个输出信号（即六个灯管信号、一个音响信号、二个指示灯数码管输出信号）。
由上可知PLC共有：
八个输入点，九个输出点。
系统控制结构框图如下图2-1-1所示
⑴知识竞赛抢答器能使6个队同时参加抢答。
⑵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SB7；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛指示灯。
1-6号参赛台分别对应按钮SB1-SB6及参赛指示灯L1-L6。
⑶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60S内答完题，如60S内未答完，则作超时处理。
⑷灯光与音响信号的意义如下:
（见图2-1结构流程图）
①音响叫（响1S）+某指示灯亮，由某参赛队正常抢答。
②音响叫（响1S）+某指示灯亮+总指示灯亮，某参赛队违规。
③音响叫（响1S）+裁判指示灯亮，无人抢答或答题超时。
⑸在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB7，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答作好准备。
⑹各输出端口统一采用直流24V电源。
2.2芯片选择
2.2.1PLC选型
可编程控制器（PLC）按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小3种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC。
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
本设计采用采用三菱公司的FX2N系列PLC。
FX2N系列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是FX系列中功能最强的、速度最高的微型可编程控制器。
其基本指令执行时间高达0.08微妙。
用户存储器容量可扩展到16K，最大可以扩展到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系列时，须考虑到下述各点：
（1）输入输出总点数控制在256点以内。
（2）电源容量。
基本单元和扩展单元内部装有电源，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控制在基本单元及扩展单元的电源容量范围之内。
（3）对于FX2N基本单元，外接特殊单元、特殊模块的数量，最多不超过8台。
2.2.2七段译码管显示器
图2-2七段译码管显示器
3、系统硬件电路设计
3.1系统主电路图设计
图3-1系统主电路原理图
3.2PLC的I/O分配表
1.输入分配
信号名称
外部元件
内部地址
开始按钮
SA
X0
复位按钮
SB7
X7
1组按钮
SB1
X1
2组按钮
SB2
X2
3组按钮
SB3
X3
4组按钮
SB4
X4
5组按钮
SB5
X5
6组按钮
SB6
X6
表3-1PLC信号输入
2.输出分配
信号名称
内部地址
数码管a
Y0
数码管b
Y1
数码管c
Y2
数码管d
Y3
数码管e
Y4
数码管f
Y5
数码管g
Y6
倒计时指示灯
Y7
蜂鸣器
Y10
启动指示灯
Y11
表3-2PLC信号输出
其中显示器b、c亮显示数字1；a、b、d、e、g亮显示数字2；a、b、c、d、g亮显示数字3；b、c、f、g亮显示数字4；a、c、d、f、g亮显示数字5；a、c、d、e、f、g亮显示数字6。
设置辅助继电器
宣布开始M8002
定时器T0
3.3PLC外部接线图
图3-2PLC六路智能抢答器外部接线图
分析：
SA代表“抢答开始”按钮对应输入寄存器X0，SB1-SB6代表6组参赛选手的常开按钮，分别对应X1-X6,输出寄存器Y0-Y6分别对应显示器a-g,Y11为启动指示灯，Y10为蜂鸣器，Y7为倒计时指示灯，各输出窗口统一采用直流24V电源。
3.4系统操作面板
图3-3系统操作面板
4、系统软件设计
4.1系统主程序设计
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。
4.2程序设计
梯形图设计与分析
图4-2梯形图
主持人宣布开始，即启动M8002，并且按下“抢答开始”按钮X0后，点亮启动指示灯Y11；在启动指示灯被点亮的前提下，按下X1，显示管b、c亮，显示数字1，即Y1、Y2有输出，并与Y0、Y3、Y4、Y5、Y6的常闭触点串联构成互锁，保证b、c亮时，a、d、e、f、g不亮，串联复位开关X7常闭触点用于停止，X1与蜂鸣器、输出继电器Y10并联，用于自保持，锁住抢答器，使其他按钮无效；同样，按下X2，显示管a、b、d、e、g亮，显示数字2，即Y0、Y1、Y3、Y4、Y6有输出，串联Y2、Y5的常闭触点构成互锁，保证a、b、d、e、g亮时，c、f不亮；按下X3，显示管a、b、c、d、g亮，显示数字3，即Y0、Y1、Y2、Y3、Y6有输出，串联Y4、Y5的常闭触点构成互锁，保证a、b、c、d、g亮时，e、f不亮；按下X4，显示管b、c、f、g亮，显示数字4，即Y1、Y2、Y5、Y6有输出，串联Y0、Y3、Y4的常闭触点构成互锁，保证b、c、f、g亮时，a、d、e不亮；按下X5，显示管a、c、d、f、g亮，显示数字5，即Y0、Y2、Y3、Y5、Y6有输出，串联Y1、Y4的常闭触点构成互锁，保证a、c、d、f、g亮时，b、e不亮；按下X6，显示管a、c、d、e、f、g亮，显示数字6，即Y0、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6有输出，串联Y1的常闭触点构成互锁，保证a、c、d、e、f、g亮时，b不亮；
4.3系统仿真
4.3.1程序运行过程分析说明
1）、按照图所示的外部接线图接线，核对地址，逐点进行，确保正确无误。
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