8人抢答器PLC控制系统设计.doc

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1、电气工程学院课 程 设 计 说 明 书设计题目： 8人抢答器PLC控制系统设计 系 别： 电气工程及自动化系 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 郭忠南等 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系 指导教师： 郭忠南等学号学生姓名（专业）班级设计题目8人抢答器PLC控制系统设计设计技术参数1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 S7表示。2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

2、选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。其他要求查阅相关文献。设计要求1) 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。2) 根据控制要求，编制PLC控制程序3) 按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。参考资料1、PLC电气控制技术 漆汉宏主编 机械工业出版社 20082、图书馆各类期刊文献相关数据库3、相关电气设计手册周次第一周第二周应完成内容完成全部方案设计：周一、二：查、阅相关参考资料周二至周五：方案设计周六、日：设计方案完善周一、二：完成设计说明书周三、四：绘制A1设计图纸周五：答辩考核指导教师签字基层教学单位主任签字说明：

3、1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科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

4、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 竞赛抢答器 七段译码器目录第一章 绪论1第二章 概述32.1 PLC的简单介绍32.2 PLC八人抢答器3第三章 抢答器的功能与工作流程5第四章 抢答器的硬件设计与连接74.1 PLC控制器74.2 七段显示数码管74.3 系统其他硬件74.4 I/O口分配与硬件连接电路8第五章 软件的设计105.1抢答开始部分程序105.2选手按钮部分程序105.3选手抢答成功后音响及计时程序115.4数码管显示选手编号部分程序12第六章 总结13参考文献

5、14致谢15附录（一） 完整梯形图16附录（二） 指令表18第一章 绪论随着我国经济和文化事业的发展，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。抢答器一般是由很多电路组成的，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，实现起来就更为困难。因此我们设计了以PLC为核心的新型智能的抢答器，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。随着市场对功能需求的增加，以单片机、CPLD、PLC 等为核心的抢答器开始投入研究和进入市场。通过比较几种抢答器，发现由于单片机、CPLD 器件工作电压为5V，信号经过长

6、距离的传输衰减比较严重，导致不能准确判断选手号码的缺点。本设计以PLC 为控制核心，利用PLC 输入信号电压为24V，克服了以往抢答器信号衰减的缺点；并通过信号比较实验证明该设计具有良好的稳定性和广泛的应用性，保证了竞赛的公正、公平、公开。本设计总结实际比赛的经验，对选手可能出现的情况进行了全面的考虑，并增加答题倒计时时间到提醒功能。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。硬件设计部分包括硬件设备的选择、合理选择元器件、绘制线路图，以达到设计要求。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。硬件电路设计还包括输入输出端

7、口设计，画出详细电路图，标出元件的型号和功能作用，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。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等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。软件设计方面本系统由于是采用三菱FX2n系列可控制编程。此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。通过这次设计，掌握PIC控制器的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课程设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立PLC理

8、论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时等的各个单元电路。初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。第二章 概述21 PLC的简单介绍在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Prog

9、rammable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一

10、个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，而且在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。现今，PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。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

11、设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。22 PLC八人抢答器本课程介绍了一种数字式抢答器，能使八个队同时参加抢答,赛场中设有1个主持人台和8个参赛选手台。总体设计选用三菱FX2N系列PLC控制,抢答操作简单方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉听觉效果非常好。抢答器，顾名思义就是用于比赛时，与对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科学技术的不断发展，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

12、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。八人抢答器工作原理如下，我所设计的 PLC智能抢答器是适合八组选手或个人抢答的抢答器。给竞赛主持人设置2个控制按钮，用来控制何时开始抢答以及系统的复位，每当主持人发出开始抢答指令并按下开始按钮后（此时用绿灯指示已可以抢答），选手方可抢答，哪组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，音响电路发出声响提示信号以指示抢答成功，并对其后的抢答信号封锁而不在响应，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。若选手在主持人未按下开始抢答按钮，则视为放弃该题答题权，音响电路发出4s声响提示

13、无人抢答。当主持人按下抢答开始按钮时定时器 T1 开始计时（设定 10 秒）若 10秒限制到时仍无人抢答则音响电路发出声响，以表示选手放弃该题。在抢答成功后，系统自动倒计时，该时间可根据需要调节，此设定为 15 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，同时亮红灯提示，直至主持人按复位开关红灯灭， 其中以上功能都通过编制的 PLC 程序来控制1个数码管以及1个扬声器来实现，第三章 抢答器的功能与工作流程本设计总结实际比赛的经验，对选手犯规的可能性进行了全面的考虑，并增加了数码管显示答题倒计时功能。具体工作的流程及过程中可能出现的情况见下图1 图1 工作流程图此设计分为正

14、常答题、无人抢答及选手答题超时三方面的设计要求，由主持人控制台控制八路抢答选手的各项操作。具体说明如下：1、正常答题：当主持人按下开始按钮SB0时，抢答指示灯绿灯亮，同时定时器T1开始计时，选手在10s内抢答。若10s内抢答成功，1号数码管显示抢答成功选手编号，并由扬声器发出声音（声长为1s）显示抢答成功，同时系统自动计时，在15s后音响发出2s声响提示，同时答题超时红灯常亮，若选手在规定时间内回答完毕，则答题成功，进入下一题。若没在15s内完成答题则视为弃权，也进入下一题。主持人按复位按钮SB9，之后接着出示题目，之后按SB0 继续开始抢答，如此循环。2、无人抢答：当主持人宣布开始并按下开始

15、按钮SB0后，绿灯发出绿光，但10秒内无人抢答，10秒时间到扬声器发出4s响声，表示无人抢答，可理解为选手放弃该题，主持人按复位按钮SB9，进入下一题。3、选手答题超时：选手抢答成功后，需要在规定时间内完成作答，本次限定时间为15秒（此时间可根据需要改动）。若选手在规定时间内完成，则属于正常答题。限定时间到后，扬声器报警声响2s并答题时间到红灯提示，而选手仍未答完题目，则选手失去继续答题机会。此时，由主持人按复位按钮SB9，进入下一题作答。注：本系统对系统进行了封锁设置，如在主持人宣布开始并按下开始按钮SB0后，绿灯发出绿光，但10秒内无人抢答，10秒时间到扬声器响，而正在此时或之后即主持人复

16、位之前，选手按下抢答按钮，按钮将不起作用，从而避免了在此时选手违规操作，以使节目或活动可以尽量顺利的进行。第四章 抢答器的硬件设计与连接41 PLC控制器本设计的控制器采用日本三菱公司生产的PLC，选用FX2N-64MR。FX2N系列是三菱PLCFX家族中先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。三菱PLC编程采用编程软件GX-Developer，简单易懂，好用好学，十分方便。42 七段显示数码管 图2 数码管示意图 此数码管采用分段显示，用PLC的输出电信号直接控制数码管的各段，如果数码管采用共阴极，则PLC输出高电平对应的段则亮，如

17、果数码管采用共阳极，则PLC输出低电平对应的段则亮。本次数码管选择共阳极。43 系统其它硬件 本系统还用到了电阻器（根据PLC输出电压以及数码管驱动电流选择阻值，使电流不超出数码管允许电流即可）、手动按钮（瞬时型）、指示灯以及音响设备，这些设备均可采用日常生活常见常用的电器，无特殊可言。示意图如下所示图3 系统中相关的几种简单电器4.4 I/O口分配与硬件连接电路PLC的I/O分配表（一）：PLC输入端子功能说明PLC输出端子功能说明X001选手一按钮SB1Y000数码管1控制端子B0X002选手二按钮SB2Y001数码管1控制端子B1X003选手三按钮SB3Y002数码管1控制端子B2X00

18、4选手四按钮SB4Y003数码管1控制端子B3X005选手五按钮SB5Y004数码管1控制端子B4X006选手六按钮SB6Y005数码管1控制端子B5X007选手七按钮SB7Y006数码管1控制端子B6X011选手八按钮SB8Y010扬声器X000主持人开始按钮SB0Y011扬声器X010主持人复位按钮SB9Y012扬声器Y014红灯Y013绿灯图4 PLC控制系统输入输出及主线路硬件连线图第五章 软件的设计51 抢答开始部分程序 主持人按下X000（即SB0按钮），输出Y013，绿灯亮，抢答开始。Y013自锁，绿灯可以一直亮着，定时器T1开始计时，选手规定时间内抢答，否则T1计时到，触点动作

19、，蜂鸣器响（响两秒便停），同时T1将选手按钮封锁，禁止抢答。52 选手按钮部分程序选手按钮为X001 X007和X011(即SB1-SB8),每个按钮对应一个中间继电器，选手中间继电器之间使用互锁，实现优先选择，同时各中间继电器自锁，以确保按钮弹起后仍然得电。53 选手抢答成功后音响及计时程序某选手抢答成功后，例如1号成功，则M1得电，Y011输出声响（设定为响1秒），同时开始倒计时，选手须在规定时间内答完，该系统计时设定为15秒，之后T0触点动作。蜂鸣器发出2s声响，同时Y014对应的红灯亮指示时间到。54 数码管显示选手编号部分程序由于数码管采用分段控制方式，没有用译码指令，显得略繁琐，但

20、调试时可以一目了然的看出显示是否正确。但选手抢答成功后，其编号对应的数码管段便导通发光。注：系统的完整梯形图可参见附录。第六章 总结本抢答器系统设计虽然针对八路参赛选手设计的，但是通过原理分析可知，他完全是用于少于八路选手的抢答场合，对程序和外围电路稍加改动或者在系统程序中加入分支，还可以变成更多路抢答器。这次课程设计，最终参照设计任务实现了抢答、报警、指示灯、倒计时目的，完成了任务和要求，即利用了PLC来设计抢答器。该抢答器包括抢答、灯光显示、蜂鸣报警、答题倒计时控制于一身，体现出了用PLC控制系统的简单可靠，表现出了很大的优越性。在作课程设计过程中，我从收集资料、构思设计方案、编写程序、验

21、证设计结果，硬件选择、设计硬件电路，顺利完成设计任务。在此过程中，我遇到了不少困难，对于其中遇到的问题，除了自己思考外，还请教了老师和同学，获得了很多好思路好想法，并通过从课本和网络上查到的资料获得了解决问题的方法，并成功解决问题，此过程进一步提高了我的动手能力和解决问题的能力。风雨过后的彩虹才是最美丽的，这次课设是大学后的第二次课程设计，课程设计的这段时间是十分充实的，从对课题、要使用的软件的无知，到完成并添加新的功能，以及对新软件的熟练使用，无疑这又是自己进步与提高的一次绝佳机会，所以我本着对自己独立完成、出色完成、求创新、求发散思维的要求，认认真真，一步一步的完成模块，最终完成了整个课题

22、的设计要求，并结合了实际情况，添加修改了要求。课设中具体遇到的问题有软件安装出错、模块功能无法实现、程序测试有问题等等，这些问题困难的克服是找同学一起商量完成的，而对于硬件如三菱PLC控制器内部结构、电源来源、工作原理则是通过辅导老师和上网查阅资料来了解的。通过这些问题的被克服，我成功按照自己的设计思路设计出了具有多功能的八路抢答器系统的设计。我因此对PLC有了进一步认识，为将来的应用和工作打下坚实基础。参考文献1. 漆汉宏.PLC 电气控制技术M. 北京:机械工业出版社,2006:150-155.2. 胡育林. 用PLC 程序设计的八路抢答器J. 大众科技,2008,1:53-54.3. 夏

23、江涛.八路抢答器的PLC 程序设计J.安阳工学院学报,fuck。2007,1:33-34.4. 史国生 电气控制与可编程控制器技术 M 北京: 化学工业出版社，2003 致谢在历时一个多星期的课设过程里，我体会了失败的苦涩，也尝到了成功的喜悦。通过这次课程设计，我懂得了理论必须与实践相结合，只有理论是远远不够的，只有把所学知识与实践相结合起来，呵呵从理论中得出结论并从实践中检验结论，才能真正提高自己的独立思考和实际动手的能力。在此，要特别感谢四个老师在这十天中的指导和教育。附录（一） 完整梯形图附录（二） 指令表0 LD X0001 OR Y0132 ANI X0103 OUT Y0134 A

24、NI M15 ANI M26 ANI M37 ANI M48 ANI M59 ANI M610 OUT M10011 LD M10012 ANI M713 ANI M814 OUT T1 K10017 LD T118 MPS19 ANI T420 OUT Y01021 MPP22 OUT T4 K4025 LD X00126 OR M127 ANI M228 ANI M329 ANI M430 ANI M531 ANI M632 ANI M733 ANI M834 ANI X01035 ANI T136 OUT M137 LD X00238 OR M239 ANI M140 ANI M341

25、ANI M442 ANI M543 ANI M644 ANI M745 ANI M846 ANI X01047 ANI T148 OUT M249 LD X00350 OR M351 ANI M152 ANI M253 ANI M454 ANI M555 ANI M656 ANI M757 ANI M858 ANI X01059 ANI T160 OUT M361 LD X00462 OR M463 ANI M164 ANI M265 ANI M366 ANI M567 ANI M668 ANI M769 ANI M870 ANI X01071 ANI T172 OUT M473 LD X00

26、574 OR M575 ANI M176 ANI M277 ANI M378 ANI M479 ANI M680 ANI M781 ANI M882 ANI X01083 ANI T184 OUT M585 LD X00686 OR M687 ANI M188 ANI M289 ANI M390 ANI M491 ANI M592 ANI M793 ANI M894 ANI X01095 ANI T196 OUT M697 LD X00798 OR M799 ANI M1100 ANI M2101 ANI M3102 ANI M4103 ANI M5104 ANI M6105 ANI M810

27、6 ANI X010107 ANI T1108 OUT M7109 LD X011110 OR M8111 ANI M1112 ANI M2113 ANI M3114 ANI M4115 ANI M5116 ANI M6117 ANI M8118 ANI X010119 ANI T1120 OUT M8121 LD M1122 OR M2123 OR M3124 OR M4125 OR M5126 OR M6127 OR M7128 OR M8129 ANI X010130 MPS131 ANI T2132 OUT Y011133 MPP134 OUT T2 K10137 OUT T0 K15

28、0140 LD T0141 ANI X010142 MPS143 ANI T3144 OUT Y012145 MPP146 OUT Y014147 OUT T3 K20150 LD M1151 SEGD K1 K2Y000156 LD M2157 SEGD K2 K2Y000162 LD M3163 SEGD K3 K2Y000168 LD M4169 SEGD K4 K2Y000174 LD M5175 SEGD K5 K2Y000180 LD M6181 SEGD K6 K2Y000186 LD M7187 SEGD K7 K2Y000192 LD M8193 SEGD K8 K2Y000198 END