智能抢答器PLC设计.docx
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智能抢答器PLC设计
烟台工程职业技术学院
数控系数控技术专业08级
毕业设计（论文）
题目:
智能抢答器PLC设计
姓名王德义学号2008070147
指导教师（签名）
二○一○年九月六日
题目：
智能抢答器PLC设计
姓名：
王德义
【摘要】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简化其电路结构，其将以其控制方便，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，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。
【关键词】PLC；智能抢答器；七段数码器；IO分配
一绪论
1.1课题研究内容
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[2]。
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。
并且PLC的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很详尽的操作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握[3]。
另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示故障原因和排除方法。
甚至可以显示故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。
1.2可编程控制器概论
1.2.1PLC的简介
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。
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。
PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形式一体，易于拓展其功能的原则设计。
1.2.2PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但近年来由于
微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC的成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用通常可分为五种类型：
⑴顺序控制⑵运动控制⑶闭环过程控制⑷数据处理⑸通信和联网
1.2.3PLC的特点
⑴抗干扰能力强，可靠性高
⑵控制系统结构简单、通用性强、应用灵活
⑶编程方便，易于使用
⑷功能完善，扩展能力强
⑸PLC控制系统设计、安装、调试方便
⑹结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化
由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。
1.2.4PLC的分类
按I/O点数容量分类一般来说，PLC处理的I/O点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。
按PLC的输入输出点数可将PLC分为四类。
微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC。
按结构形式分类按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类。
目录
一绪论1
1.1课题研究内容1
1.2可编程控制器概论1
二整体方案的选择3
2.1整体功能介绍3
2.2竞赛抢答器的控制要求3
2.3用单片机和PLC分别做系统的比较4
三硬件电路设计6
3.1控制特点分析6
3.2PLC机型的选择步骤与原则6
3.3抢答流程8
3.4PLC与七段LED显示器连接设计8
3.4.1LED数码管的结构及主要特性8
3.4.2PLC与七段数码管方案选择9
3.4.3PLC与七段数码管直接连接阻值计算10
3.4.4外部硬件接线图10
四软件设计12
4.1IO分配12
4.2根据控制要求进行梯形图设计13
4.3源程序17
4.4程序运行过程分析说明18
4.5程序的下载、安装和调试20
五总结21
致谢22
参考文献：
23
二整体方案的选择
2.1整体功能介绍
智能抢答器，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进行智能抢答器设计，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。
2.2竞赛抢答器的控制要求
⑴智能抢答器能使4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SB5；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。
1-4号参赛台分别对应按钮SB1-SB4及参赛台灯EL1-EL4。
⑶智能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30S内答完题，如30S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。
⑸在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，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。
2.3用单片机和PLC分别做系统的比较
所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。
这种形式在80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
单片机的可靠性：
由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。
另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定[11][12]。
单片机的可扩展性：
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。
这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加[11]。
单片机的可维护性：
一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了[12]。
操作：
现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。
特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。
总之，这样的人机对话不够友善。
特点：
不可靠，价格便宜。
可编程控制器（PLC）：
所谓PLC系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。
这种形式目前在工业现场应用最为广泛[10]。
PLC的可靠性：
进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。
PLC的可扩展性：
要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。
PLC的可维护性：
PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。
操作：
PLC的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很详尽的操作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握。
另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示故障原因和排除方法。
甚至可以显示故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。
特点：
价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。
综合以上的分析和比较，最终决定采用PLC。
三硬件电路设计
3.1控制特点分析
智能抢答器通过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。
智能抢答器有六个输入信号（即六个按钮），九个输出信号（即五个台灯信号、一个音响信号、三个数码管输出信号）。
由上可知PLC共有六个输入点，九个输出点。
系统控制结构框图如下图3-1所示：
3.2PLC机型的选择步骤与原则
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型的选择
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
选择时主要考虑以下几点：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
⑸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。
⑹机型尽量统一
一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。
主要考虑到以下三方面问题：
①机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。
②机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
③机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
综上所述，基于以上思想，选用日本三菱公司FX-48MR系列的PLC作为控制主机。
3.3抢答流程
当裁判按下开始按钮时，四个参赛队处于抢答状态，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。
3.4PLC与七段LED显示器连接设计
3.4.1LED数码管的结构及主要特性
⑴LED数码管的结构
LED数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。
将条状发光二极管按照共阴极（负极）或共阳极（正极）的方法连接，组成“8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了LED数码管。
若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从0～9的一系列数字。
同荧光数码管（VFD）、辉光数码管（NRT）相比，它具有：
体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS电路兼容等优点。
现已广泛用作数字化仪表、数控装置、家用电器中的数显器件。
常见LED数码管的外形及内部结构如图3-14所示。
图3-14属于共阳极结构，图3-20采用共阴极结构。
分别表示公共阳极和公共阴极。
a～g是7个笔段电极，DP为小数点。
另有一种字高为7.6mm的超小型LED数码管，管脚从左右两排引出，小数点则是独立的。
图3-2常见LED数码管的外形及内部结构
⑵LED数码管的主要特性
①工作电压1.5～5V，一般为1.5～2.5V，工作电流5～10mA，高亮度管可在低电压和小电流（1mA左右）条件下工作。
②单色性好，亮度高、高频特性优良，发光响应时间非常短，通常小于0.1us。
好，工作温度范围为-30～+80℃，使用寿命可达5M小时以上。
③LED数码管每笔画工作电流I在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算
R=（V0-V1）/I
其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。
3.4.2PLC与七段数码管方案选择
PLC（可编程控制器）具有体积小、抗干扰能力强以及运行可靠等诸多优点。
PLC的梯形图语言清晰直观、可读性强，易于掌握。
在工业控制中，PLC作为面向控制对象的下位机，已广泛应用于工业控制的各个领域。
但对于一般的中小型的专用设备，采用工业控制计算机作为上位机会使成本大大提高，同时不便于在操作现场直接读取或输入数据.在显示数据较少时，采用PLC控制LED直接进行数据显示，可以降低成本，使得数据显示直观。
而当欲显示的数据较多时，PLC直接进行数据显示，会使得所需PLC输出点数大大增加，同时由于PLC梯形图的局限性，会使得显示程序的编制变得非常复杂，这不仅增大了程序编制的难度，而且增加了程序的执行时间，从而大大地降低了显示速度。
在应用可编程序控制器（PLC）构成的控制系统中，除要求PLC完成指定的控制功能外，往往还要求附带有输出显示，对一些参数进行动态实时显示，以利于操作者监控生产过程。
PLC通过输出模块外接显示电路，一般要求少占用输出点数、外接电路简单、输出显示速度尽可能快。
OMRON公司推出的CQM1型PLC指令中设置了7段输出显示指令7SEG
（2），该指令有4位和8位两种方式，输出8位数时要占用13个输出点，若要求输出显示5位数时，需选用8位方式，占用13个输出点。
PLC输出模块接LED数码管显示的方法已应用在一实际CQM1型PLC构成的控制系统中。
PLC驱动的显示电路配合PLC程序，可以实现如下的指标的数据显示[7]:
⑴在仅占用PLC16点输出的情况下，显示的LED可多达128个。
⑵所有的显示单元的电路结构完全相同，可以互换。
⑶所有的显示单元与PLC之间的连线完全相同，硬件连线简单。
⑷采用静态显示方式，显示没有闪烁感。
⑸每一位LED数据更新显示仅需2个PLC扫描周期。
⑹在没有新数据显示时，程序进行循环显示，使显示电路的抗干扰能力增强。
由上述可知，结合本次设计，由于输入输出点并不是很多，采用PLC控制LED直接进行数据显示方案，可以大大降低设计成本。
3.4.3PLC与七段数码管直接连接阻值计算
根据LED数码管每笔画工作电流I在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算[8]
R=（V0-V1）/I
其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。
本次设计PLC电源采用的是直流24V，PLC的输出电压为5V，安通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1KΩ。
本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1KΩ的R，以及5个EL灯和一个音响。
3.4.4外部硬件接线图
为了硬件电路接线方便，SB0作为抢答的开始按钮，对应输入点为X0，输出点为Y0。
SB1、SB2、SB3、SB4分别对应四个参赛对号，输入点分别X1、X2、X3、X4，输出点分别为Y1、Y2、Y3、Y4。
SB5作为抢答的复位按钮，对应输入点为X5。
音响输出点为Y5。
数码管1显示输出点为Y10-Y16。
数码管2显示输出点为Y20-Y26。
数码管3显示输出点为Y30-Y36。
PLC与数码管采用串电阻直接连接方式。
其外部硬件接线图如图3-13所示。
图3-13外部硬件接线图
四软件设计
4.1IO分配
表4-1智能抢答器输入输出口分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点标号
名称
代号
输出点标号
裁判台开始按钮
SB0
X0
开始工作指示灯
EL0
Y0
1号赛台抢答器按钮
SB1
X1
1号参赛台灯
EL1
Y1
2号赛台抢答器按钮
SB2
X2
2号参赛台灯
EL2
Y2
3号赛台抢答器按钮
SB3
X3
3号参赛台灯
EL3
Y3
4号赛台抢答器按钮
SB4
X4
4号参赛台灯
EL4
Y4
裁判台复位按钮
SB5
X5
音响
B
Y5
数码管1
LE1
Y10-Y16
数码管2
LE2
Y20-Y26
数码管3
LE3
Y30-Y36
为了硬件电路接线方便和程序清晰易读，用SB0作为，四个参赛队分别用与之对应号SB1、SB2、SB3、SB4设置按钮。
SB5为比赛复位按钮，使下轮比赛开始。
输出与输入对应，用YO输出信号驱动比赛开始信号灯EL0，同理用Y1、Y2、Y3、Y4输出信号驱动对应的信号灯EL1、EL2、EL3、EL4。
Y5输出信号驱动音响。
Y10-Y16输出信号驱动数码管1显示各个参赛队的队号。
Y20-Y26输出信号驱动数码管2，显示抢答时间的个位，Y30-Y36输出信号驱动数码管3，显示抢答时间的十位。
4.2根据控制要求进行梯形图设计
图4-1梯形图Ⅰ
图4-2梯形图Ⅱ
图4-3梯形图Ⅲ
图4-4梯形图Ⅳ
图4-5梯形图Ⅴ
4.3源程序
LDX0
ORM0
ANIM1
ANIX5
OUTM0
OUTT0
LDX1
ANIM1
ORY1
ANIM1
OUTY1
LDX2
ANIM1
ORY2
ANIX5
OUTY2
LDX3
ANIM1
ORY3
ANIX5
OUTY3
LDX4
ANIM1
ORY4
ANIX5
OUTY4
LDX1
ORX2
ORX3
ORX4
ORM1
ANIX5
OUTM1
LDM1
ORM2
ANIT1
ANIX5
OUTM2
OUTT1K300
LDM1
ANIM0
ORB
LDT0
ANIM1
ORB
LDT1
ANIM1
ORY0
ANIX5
OUTY0
LDM0
ANIM1
ORB
LDT0
ANIM1
ORB
LDT1
ANDM1
ORB
LDM1
ANIM0
ORB
PLSM3
LDM4
SFTLM9M10K10K1
LDM19
ORM25
ORM5
ZRSTM10M18
LDM0
ANDM1
PLSM5
LDM9
ORM11
ORM12
ORM14
ORM15
ORM16
ORM17
ORM18
OUTY20
LMM9
ORM10
ORM11
ORM12
ORM13
ORM16
ORM17
ORM18
OUTY21
LDM9
ORM10
ORM12
ORM13
ORM14
ORM15
ORM16
ORM17
ORM18
OUTY22
LDM9
ORM11
ORM12
ORM14
ORM15
ORM17
ORM18
OUTY23
LDM3
ORY5
ANIT2
ANIX5
OUTY5
OUTT2K10
LDY2
ORY3
OUTY10
LDY1
ORY2
ORY3
ORY4
OUTY11
LDY1
ORY3
ORY4
OUTY12
LDY2
ORY3
OUTY13
LDY2
OUTY14
LDY4
OUTY15
LDY2
ORY3
ORY4
OUTY16
LDM0
ANIT4
OUTT3K500
LDT3
OUTT4K500
LDT4
OUTM4
LDM0
ANIM10
ANIM11
ANIM12
ANIM13
ANIM14
ANIM15
ANIM16
ANIM17
ANIM18
LDM9
ORM11
ORM12
ORM14
OR
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