基于PLC控制的智力抢答器.docx
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基于PLC控制的智力抢答器
设计任务书
设计题目：
基于PLC控制的智力抢答器
设计要求：
1.能够供四组选手抢答
2.能够自动的中断和对错误的抢答做出反应
3.可实现组号的显示及倒计时的显示
4.可以通过不同的抢答显示不同的显示灯
5.可以对在规定的时间内没有完成答题做出反应
5.可以实现复位
设计进度要求：
第一周：
确定题目,查阅相关资料
第二周：
根据设计要求分析智力抢答器工作原理
第三周：
根据智力抢答器的工作原理画出流程图并编译成PLC梯形图
第四周：
收集智力抢答器的资料，对硬件进行设计
第五周：
对软件进行设计
第六周：
进行上机调试,找出问题,进行修改,并改进设计
第七、八周：
撰写论文,毕业答辩
指导教师（签名）
摘要
本次设计是利用PLC（ProgrammableLogicController）对智力抢答器进行控制。
PLC智能抢答器有结构简单、操作方便、安全可靠、造价低、发展前景广阔、功能强大等优点。
首先，选择这个题目之后，我对本次设计进行了全面的思考。
使自己对本次设计有一个大致的总体思路，然后仔细分析智力抢答器的工作原理，以及它的一些工作形式，分析后得出它主要需要四组选手进行参加比赛，以及在比赛过程中正确抢答、正确回答、违规抢答、抢答限时及答题限时及输出显示功能等。
由于全面考虑到只是对智力抢答器的控制，则输出端口需要28个，输入端口需要8个，由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点，因此，我决定选用SIMATICS7-200系列的CPU226，因为CPU226输出点数不够，还需要十四个输出，知道数字量扩展模块EM222的输出点数为八个，故采用两个数字量扩展模块EM222。
故用SIMATICS7-200系列的CPU226和EM222作为本次设计的PLC。
另外，系统设计可分硬件设计和软件设计，采用手动操作方式，具有方便灵活，维护使用方便等特点。
抢答器在竞赛中能准确、公正、直观地判断出第1抢答者。
通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第1抢答者。
如果对外部电路稍加修改，或者在系统程序中加入分支，可以把六路抢答器改为更多路的抢答器。
如果去除系统中的互锁和限时功能，可以把抢答器改为呼叫器，能够用在医院病房、宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多种地方。
智力抢答器以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在赛场上是应用比较实用的抢答器。
在国内市场占有绝对优势的市场份额并逐年成上升趋势。
抢答器广泛用于电视台、商业机构及学校，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。
关键词：
智力抢答器，PLC，自动控制
1智力抢答器的介绍
1.1智力抢答器概述
抢答器在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。
通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。
随着现在科技技术的发展，人们在文体和一般赛事中要求公正和公平。
抢答器在这样的领域的用途十分重要。
时代的发展促使抢答器向着完善，全方位，多功能，价位低，品质高，灵敏度高等领域发展，现在的赛事都需要灵活度比较高，应用性较强。
作为在比赛中起重要作用的抢答器限时、复位。
这里面包括组号显示器，倒计时的显示，抢答的声响信号等。
在运用的过程中各个环节都是相互配合和协调的。
对于在当前状态下，复位在比赛应用中是十分必要的。
智力抢答器是有按钮控制的，在协调工作中，各个按钮的相互限制是工作的前提条件，通过在现场的正确操作已达到正常的比赛，为比赛的的成功奠定了基础。
抢答器中显示的应用在抢答的过程中，各小组都必须按照比赛要求和主持人的指令进行正确抢答，如果做出错误的抢答，声音输出是最明显的标识，主持人和选手可以通过声音来辨别是否正确抢答。
一、智力抢答器
利用软件进行控制是其最显著的特点，把软件运用在抢答器中，实现了无误差损耗、无变差等优越的特点，在用软件控制的过程中，能够正确的对各种情况进行控制，实现在正常的运用过程中，实现正确的抢答及正确的答题以及答题过程中需要处理的一些紧急情况。
智力抢答器在设计的过程中用一般的操作指令进行程序控制，在处理程序的过程中把抢答的环节和答题的环节紧密但又密切的联系在一起，用独立的输出进行控制。
其产品特点：
1、程序结构简单。
2、自动无差复位能力强，相互制约性强。
3、采用按钮控制，有利于比赛的顺利进行。
4、计时系统灵活且准确无误。
5、程序运用过程中无噪音。
6、适用于各种抢答比赛场合。
1.2智力抢答器工作原理
我用供四组选手抢答用的智能抢答器来说明器工作原理，在竞赛主持人处有三个按钮，分别为控制抢答的开始、复位、答题计时开始。
每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿灯指示灯亮、音响电路给出音响提示信号（设持续3S），以指示抢答成功，并对其后的强大信号不再响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才开始下一轮的抢答。
在这过程中，若选手在未开始时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管1显示其编号同时红灯亮、音响电路发出声响。
当主持人按下开始强大按钮后，定时器T0开始计时（设定为30S），若30S时限到时仍无人抢答，则黄灯亮、音响电路3发出声响，以示选手放弃该题。
在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，同时数码管2，3上显示答题答题倒计时时间（此处设定为50s），选手必须在设定的时间内完成答题，否则，音响电路发出答题超时报警信号。
2PLC概述
2.1PLC的定义、组成及特点
一、PLC的定义：
PLC一直在快速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。
1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器（PLC）的定义是：
可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。
二、PLC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，如下图2.1所示：
图2.1PLC硬件结构
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器（Memory）
可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。
CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。
小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。
大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。
3、基本I/O接口电路
（1）输入接口单元。
PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。
输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。
多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。
一种是直流输入，一种是交流输入。
（2）输出接口单元。
PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。
PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。
在继电器式输出中，CPU可以根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触点，由外部电源驱动交、直流负载。
优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。
但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题。
双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。
晶闸管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。
优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。
以上列举了六类输入和输出电路形式，各类PLC产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。
根据输入、输出电路的结构形式不同，I/O借口又可以分为开关量I/O和模拟量I/O两大类。
其中模拟量I/O要经过A/D，D/A转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号，在整体机构的PLC中，有开关量的交，直流I/O模块，和模拟量I/O模块及各种智能I/O模块可供选择。
PLC输入电路和输出电路各种不同结构形式能够适应各不同负载的要求。
4、接口电路
PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类
（1）I/O扩接口电路
I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。
I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。
根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
（2）外设通信接口电路
通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。
PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。
5、电源
PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。
当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。
三、PLC的特点：
1、软硬件功能强
PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。
PLC不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。
PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入控制、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
PLC的编程语言丰富，它可以分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、和顺序功能四种。
特别是梯形图语言，它直观、方便，我们只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于它有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员操作和使用。
2、使用维护方便
PLC不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作。
PLC的输入接口和输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连的接口。
如输入借口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。
不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。
PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的远行状态进行监控。
3、运行稳定可靠
由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽，滤波，隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。
特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出都采用光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入输出电路之间的联系，从而避免了有输入输出通道串入的干扰信号引起的误动作。
PLC还采用屏蔽，输入延时滤波等软、硬件措施，有效的防止空间电磁干扰，特别多高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。
所以这一切措施，都有效的保证了PLC在恶劣的工作环境下能正常地远行。
4、组织灵活
可编程控制器品种很多,小型PLC为整体结构，并外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。
中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专有功能模块（开关量、模拟量输入/输出模块、位控模块、伺服、步进驱动模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。
外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器进行修改用户程序来满足新的控制要求，最大限度地缩短工艺更新所需要的时间。
2.2PLC工作原理
一、循环扫描的特点：
1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。
二、PLC中的存储器：
PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。
1、用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。
2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。
3、系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。
2.3PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
如图2.2所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
图2.2PLC控制的梯形图程序
2.4PLC的分类及性能指标
一、按I/O点数容量分类：
1、小型机（I/O点数小于256点）
典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列。
2、中型机（I/O点数在256—1024之间）
典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列。
3、大型机（I/O点数在1024点以上）
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列。
二、按结构形式分：
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
1、整体式结构
微型和小型PLC一般为整体式结构。
如西门子的S7-200。
2、模块式结构
目前大、中型PLC都采用这种方式。
如西门子的S7-300和S7-400系列。
三、PLC的性能指标：
1、I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
2、存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。
3、扫描速度
扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的稳合程度。
可编程控制器采用循环扫描的工作方式。
4、指令系统
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
5、通信功能
通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。
主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。
6、扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展（如图3.1所示）和PLC功能的扩展两方面的内容。
7、特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
图3.1I/O点数的扩展模块示意图
3系统硬件设计
3.1控制系统选取
抢答器使用时涉及到用电的安全及抢答过程中的性能，而且使用的环境一般是室内，所以对设备的安全性和可靠性要求很高。
为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。
可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入,输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：
1、可靠性高：
由于可编程控制器的输入,输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。
2、体积小：
由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。
3、通用性好：
由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。
4、使用方便：
对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。
基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足立体车库高性能的使用要求，所以我确定该车库控制系统为PLC（西门子S7-200系列）。
S7-200系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。
由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：
极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。
3.2控制系统的硬件组成
智力抢答器组成单元简单示意图如图3.2所示：
图3.2智力抢答器示意图
该图3.2为智力抢答器示意图，主要由指示器、按钮、倒计时显示器、组号显示器、和音响组成。
其结构包括主持人的按钮（抢答开始、答题开始、计时开始），显示器组成的五十秒倒计时器，在每一次抢答的时候，显示组号的组号显示器，和各种情况下的音响发生器。
在实际运用中，主持人通过按钮对比赛的开始进行控制，在主持人未开时的时候，如果按下抢答按钮，则会通过程序控制进行违规抢答的反应，在主持人按下抢答开始按钮时，则参赛组可以通过按钮进行抢答，在抢答的过程中，抢答的过程在系统的调节下会做出正确抢答的提示，在接受正确的抢答后，主持人则可以进行答题的限时，在这过程中，超时可通过系统的程序控制进行做出相应的反应，通过程序的相互约束对系统的清零，包括，主持人按下复位按钮，对已有的程序进行清零和复位。
3.3系统控制要求
1、抢答器可同时共4等选手参加比赛.
2、给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、停止.
3、每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不在相应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统开始下一轮抢答。
4、违规抢答：
若选手在未开始抢答时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管显示其编号同时红灯亮音响电路发出声响。
5、抢答限时：
当主持人按下抢答器按钮时定时器T0开始计时（设定30秒）若30秒限制到时仍无人抢答则黄灯亮音响电路发出声响，以示选手放弃该题。
6、答题限时：
在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码管显示答题倒计时时间改时间可根据需要调节，此设定为50秒，选手必须在设定时间内完成答题，否则，音响电路发出超时报警信号。
3.4控制系统I/O分配表
一、PLC声光智能抢答器PLC控制系统的输入端口如表3.3所示：
表3.3输入信号对照表
信号名称
外部元件
内部地址
信号名称
外部元件
内部地址
开始按钮
SB1
I0.0
1组按钮
SB4
I0.3
复位按钮
SB2
I0.1
2组按钮
SB5
I0.4
答题计时按钮
SB3
I0.2
3组按钮
SB6
I0.5
4组按钮
SB7
I0.63
二、PLC声光智能抢答器PLC控制系统的输出端口如表3.4所示
表3.4输出信号对照表
信号名称
内部地址
信号名称
内部地址
1号数码管A
Q0.0
3号数码管A
Q2.0
1号数码管B
Q0.1
3号数码管B
Q2.1
1号数码管C
Q0.2
3号数码管C
Q2.2
1号数码管D
Q0.3
3号数码管D
Q2.3
1号数码管E
Q0.4
3号数码管E
Q2.4
1号数码管F
Q0.5
3号数码管F
Q2.5
1号数码管G
Q0.6
3号数码管G
Q2.6
1号数码管H
Q0.7
3号数码管H
Q2.7
2号数码管A
Q1.0
绿灯
Q3.0
2号数码管B
Q1.1
音响1
Q3.1
2号数码管C
Q1.2
红灯
Q3.2
2号数码管D
Q1.3
音响2
Q3.3
2号数码管E
Q1.4
黄灯
Q3.4
2号数码管F
Q1.5
音响3
Q3.5
2号数码管G
Q1.6
音响4
Q3.6
2号数码管H
Q1.7
3.5系统硬件连接图
根据系统要求和所需要的硬件，系统数字量输入点总计8个点，输出点总计28个点。
综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕量，因此PLC选择SIEMENS的S7-200系列的CPU226继电器输出型和数字量扩展模块EM222。
其它接触器等控制电器西门子T系列的产品。
输入、输出端子电气接线图如下图3.5所示。
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