王腾-基于PLC控制的八路知识抢答器毕业设计

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1、毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题目题目: : 知识竞赛抢答器设计知识竞赛抢答器设计 姓名姓名 * 学号学号 * 指导教师（签名）指导教师（签名） 2013 年 月 日 1 目目 录录 目 录1 摘 要2 第 1 章 绪论.3 1.1 课题研究背景3 1.2 课题研究内容3 第 2 章 可编程控制器概述.4 2.1 PLC 的简介.4 2.2 用单片机和 PLC 分别做系统的比较5 第 3 章 抢答器功能设计要求6 第 4 章 硬件设计7 4.1 控制器7 4.2 数码管设计7 4.3 系统结构8 4.4 I/O 分配.8 4.5 硬件控制接线图9 第 5 章 软件设计10 5.1 抢答器开

2、始程序10 5.2 选手选择抢答程序10 5.3 抢答器部分控制程序12 5.4 数码管显示程序13 5.5 抢答器控制梯形图13 5.6 程序的下载、安装和调试13 总 结.14 致 谢.15 参考文献.16 附录.17 2 摘摘 要要 学校、工厂、军队、电视台等越来越多的单位里在开展活动时注重知识的 竞赛，抢答器成了不可少的工具。目前市场上存在多种类型的抢答器，很多都 是早期设计的，主要是采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。随 着市场对功能需求的增加，以单片机、CPLD、FPGA、PLC 等为核心的抢答器开 始投入研究和进入市场。以往基于PLC 设计的抢答器功能比较简单，对选手犯

3、 规的可能性研究不深入，也没有考虑答题时间的限制。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，并增加答题倒计时功能。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。 关键词：PLC；八路知识竞赛抢答器；数码倒计时显示；I/O 分配 3 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 目前市场上存在多种类型的抢答器，很多都是早期设计的，主要是采用模 拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。随着市场对功能需求的增加，

4、以 单片机、CPLD、FPGA、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，对选手犯规的可能性进行 了全面的考虑，并增加答题倒计时功能。 1.21.2 课题研究内容课题研究内容 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

5、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，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。 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。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

6、调试，发现设计不当及时修改， 最终达到设计目的。软件设计方面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。 4 第第 2 2 章章 可编程控制器概述可编程控制器概述 2.12.1 PLCPLC 的简介的简介 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

7、，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 Programmable 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

8、、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

9、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，计算机帮助设计与制造一起作 为现代工业的三大支柱。 5 2.22.2 用单片机和用单片机和 PLCPLC 分别做系统的比较分别做系统的比较 单片机系统设计电路这种形式在 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。根据国内现况单片机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；单片机的可扩展性 不高，增加一个功

10、能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计；单片 机系统出现故障，很难诊断出故障元件；现在国内单片机系统的操作均采用自 设计的键盘，人机对话不够友善。对于单片机来说，PLC 却有着这些方面的优 势。 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 的可靠性高。PLC 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，

11、这样对于开发周期会缩短。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。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。 在可靠性、可扩展性、可维护性以及操作界面等各个方面都比单片机更

12、有 优势。虽然 PLC 较单片机来说，价格上控制器相比略贵，但 PLC 可靠性好， 操作简单，更适合用于本设计中。 6 第第 3 3 章章 抢答器功能设计要求抢答器功能设计要求 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 增加答题倒计时功能。此设计总分正常答题、无人抢答以及犯规操作三方面的 设计要求，由总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 当控制台按下开始开关SB1时，蜂鸣器响、红灯亮，在10s内抢答。若10s内 抢答成功，显示抢答选手号码，并有绿灯显示抢答成功。答题开始，总台按下 倒计时开关SB2，答题时间到，红灯亮。进入下一题，控制台按下复

13、位按钮 SB0，按SB1 开始抢答，如此循环。 2、无人抢答 控制台按下开始开关SB1，蜂鸣器发出声音和红光，若十秒内无人抢答，蜂 鸣器响、黄灯亮，表示无人抢答。 3、犯规操作 犯规一：若控制台未按下开关时，有选手抢答，选手抢答则犯规，红灯亮。 犯规二：抢答成功后，系统在10 秒后自动复位，若有选手按下抢答按钮， 红灯亮，显示选手号码，蜂鸣器起动。 犯规三：若控制台按下开关后10s内无人抢答，则黄灯亮；若此时选手再按 开关则犯规，蜂鸣器起动。 7 第第 4 4 章章 硬件设计硬件设计 4.14.1 控制器控制器 本设计的控制器采用日本三菱公司生产PLC，选用FX2N-32MR（见图4-1），

14、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编程叫采用编程软件GX-Developer，简单易懂。 图图4-1 三菱三菱FX2N系列系列PLC的外形图的外形图 4.24.2 数码管设计数码管设计 LED 数码显示控制原理如图 4-2 所示，每一个数码显示单元由八组发光二 极管组成，分别用图中 A-H 表示，要显示某一数字只要将相应组二极管点亮即 可。例如要显示数字“1”，只要将 B、C 两组发光二极管点亮即可。由于本系统 只要显示数字而无需显示小数点所以只要将 PLC 输出端 Y0-Y7 接

15、到数码管 A- G 即可完成数码显示。 图图 4-24-2 LEDLED 数码显示原理图数码显示原理图 8 4.34.3 系统结构系统结构 对于抢答部分，当 X0-X7 六个输入按钮中的某一个按下之后，此处采用辅 助继电器 M 来记录抢答结果。由于抢答是按钮为了信号长期有效，还需要将其 自锁，又由于任何时刻，只有一组抢答有效，所以各辅助继电器又要进行互锁。 对于数码显示部分，三菱 PLC 提供了 7 段译码指令 SEGD 使得 PLC 处理数码 显示变为极为方便。 图图 4-34-3 抢答器系统结构抢答器系统结构 4.44.4 I/OI/O 分配分配 PLC 的 I/O 分配如下： PLC 端

16、子功能说明PLC 端子功能说明 X0抢答选手按钮 PB1Y0数码管控制端子 A X1抢答选手按钮 PB2Y1数码管控制端子 B X2抢答选手按钮 PB3Y2数码管控制端子 C X3抢答选手按钮 PB4Y3数码管控制端子 D X4抢答选手按钮 PB5Y4数码管控制端子 E X5抢答选手按钮 PB6Y5数码管控制端子 F X6抢答选手按钮 PB7Y6数码管控制端子 G X7抢答选手按钮 PB8Y11绿灯 X11主席台开始抢答按钮Y13黄灯 X10主席台复位按钮Y16红灯 X2130s 倒计时按钮Y10、Y12、Y17音效电路 主机 COM0、COM1、COM2、COM3、COM4 等接电源 GND 9 4.54.5 硬件控制接线图硬件控制接线图 图图 4-4 抢答器硬件控制连线图抢答器硬件控制连线图 10 第第 5 5 章章 软件设计软件设计 5.15.1 抢答器开始程序抢答器开始程序 主持人提出问题后，按下开始开关 SB1，蜂鸣器发出声音和红光，在十秒 内抢答，该设计可以在抢到 5s 后实现自动复位。图 5-1 为抢答开始程序图。 当主控台按下