9路抢答器毕业设计.docx

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9路抢答器毕业设计

摘要

随着科技的高速发展，各种各样的新技术、新元件都应用到了实际的生产生活之中，加快了人们的生活节奏，也简化了人们的劳动过程。

随着人们对娱乐生活的质量的追求，作为娱乐项目中的工具—抢答器也一样在变化。

抢答器它可以由PLC、单片机、数字电路、模拟电路还可以由EDA技术做成，本次设计是采用PLC做主控制器，控制台灯、音响、数码管构成的电路。

本抢答器系统可以通过修改程序方便地调整设置时间，显示部分采用控制器内部编码方式输出控制信号驱动外部数码显示器件，也可以外部连接编、译码器件实现，并且可以采用适当的输出信号驱动其它类型的显示器件。

本设计基于西门子S7-300可编程控制器设计，而该型号PLC在各类工业控制中广泛应用。

关键词：

抢答器；可编程控制器；数码管

第1章智能抢答器系统概述

1.1课题研究背景

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。

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为核心的部件成为主流。

1.2抢答器系统的功能

（1）抢答器可同时供9组选手参加比赛；

（2）具有违规提示功能：

只有在主持人发出开始抢答指令后，选手才能开始抢答；（3）具有抢答限时及答题限时功能：

在无人抢答及答题超时时都设置了音响提示信号；（4）具有数码显示功能：

能显示抢答选手的编号及答题倒计时时间。

2抢答器控制系统  

抢答器控制系统分5部分：

PLC、抢答按钮、信号灯、音响电路和显示部分，它利用抢答按钮输入各路的抢答信号，经PLC处理，输出控制信号，控制数码管和音响提示电路工作。

图1.2控制系统原理图

1.3抢答器扩展功能介绍

（1）每当主持人发出开始抢答指令（即按下启动按钮）后，哪组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。

（2）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1显示其编号，同时红灯亮、音响电路2发出声响。

（3）抢答限时：

当主持人按下开始抢答按钮后，定时器T0开始计时（设定时10s），若10s时限到时仍无人抢答，则红灯亮、音响电路 并发出声响，以示选手放弃该题。

（4）答题限时：

在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮 SA2、SA3、SA4，秒脉冲辅助继电器开始工作，并利用响应的指令，使数码管2、3、4上显示答题倒计时时间（该时间可根据需要调节，SA2为60s、SA3为120s、SA4为180s），数码管2显示时间十位，数码管3显示时间个位，选手必须在设定的时间内完成答题，否则，音响电路4发出答题超时报警信号。

数码管2、数码管3显示部分的梯形图略去。

（5）本抢答器系统虽是针对九路参赛选手设计的，但通过原理分析可知，它也完全适用于少于九路选手的抢答场合。

第2章PLC相关概述

2.1可编程控制器概论

可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。

可编程控制器（ProgrammableLogicController）即PLC。

现已广泛应用于工业控制的各个领域。

他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，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。

美国电气制造商协会经过4年调查，与1980年将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简写为PC。

后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（PersonalComputer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC。

2.2PLC的简介

国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下。

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。

事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入，输出等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。

PLC与机器人，计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。

2.2.1PLC的应用

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。

风力发电系统结构复杂,具有非线性、时变的特点.变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行,影响风力机的使用寿命,变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性,现代的大型风力发电机大多采用可编程控制器（PLC）作为风力发电机的变桨距控制器.控制方式灵活,编程简单,结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高,抗干扰能力强等特点.本文介绍了液压变桨距系统的工作原理,设计了变桨控制器的软件系统。

2.2.2PLC的特点

⑴抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

⑵控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

⑶编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

⑷功能完善，扩展能力强PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。

⑸PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。

又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。

而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。

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。

2.2.3PLC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分为三类。

公司的SLC500系列等整式PLC等产品。

⑴微型PLCI/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。

⑵小型PLCI/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。

它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。

如西门子公司的S7-200PLC，三菱公司的F1、F2和FX0系列PLC都属于小型机。

⑶中型PLCI/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。

它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。

⑷大型PLCI/O点数为048点以上的为大型PLC。

它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。

另外大型PLC还可以采用三个CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。

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。

⑴整体式结构整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。

内外还有独立的I/O扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。

整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。

小型机常用这种结构。

⑵组合式结构这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。

组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。

大、中型PLC常用组合式结构。

第3章智能抢答器硬件概述

3.1可编程控制器PLC的选型

S7-300是SIMATIC控制器中销售量最多的产品，它已成功地用于范围广泛的自动化领域。

S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。

这就是说，S7-300 是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。

坚持不懈的创新和改革使S7-300这个广泛应用的自动化平台能持续不断的升值概述。

本设计中采用西门子公司的S7-300型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。

3.2S7-300PLC系统组成

电源模块（PS）；

（选件）

为S7-300/ET200M供给电源；

将120/230V交换电压改变到所须要的24伏直流工作电压；

输出电流2A、5A、10A；

中心处置单元（CPU）；

多种CPU,有各种不同的性能,例如,有的CPU上集成有输入/输出点,有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口等；

接口模块（IM）；

用于连接多机架配置的；

SIMATICS7-300的机架；

最多配置4个机架.每个机架最多可以插入8个模块.在4个机架上最多可安装32个模块；

IM365

用于一个中心机架和一个扩大机架的配置中；

IM365/IM361；

用于一个中央机架和最多4个扩展机架的配置中；

信号模块（SM）；

用于数字量和模拟量输入/输出；

通讯处理器（CP）；

用于连接网络和点对点连接；

功能模块（FM）；

用于高速计数,定位操作（开环或闭环控制）和闭环掌握；

存储器

MMC

DIN尺度导轨；

用于模块安装；

前连接器；

用于简单而便利地连接传感器和执行器；

调换模块时容许坚持接线；

采取编码元件以避免更；

换模块时的错误；

分为20针、40针两种；