六人抢答器设计任务书大学论文.doc

福州职业技术学院
毕业设计

设计题目 六人抢答器设计
系 别 电子信息工程系
年级专业 2013级应用电子技术（1）班
学 号 201310013133
姓 名 李蓉艺
指导教师 刘正翔
职 称 讲师

2016年 4 月25日

目录
一、 抢答器的概述 2
二、设计要求 3
（一）功能要求 3
（二）控制要求 3
（三）单片机和PLC分别做系统的比较 3
（四） 控制特点分析 4
（五） PLC机型的选择步骤与原则 4
（六）流程图 6
三、PLC控制系统硬件设计 11
（一） I/O地址分配 11
（二） PLC外部接线图 12
四、PLC控制系统软件设计 13
（一）程序设计 13
（二）程序调试 17
四、总结 17
参考文献 18

六人抢答器设计报告
[内容摘要] 本文介绍了知识竞赛抢答器,阐述了控制方案。实现抢答器功能的方式有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。近年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。同时根据知识竞赛抢答器的控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配,并进行现场调试。
[关键词] PLC 知识竞赛抢答器 PLC程序设计
一、 抢答器的概述

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

二、设计要求

（一）功能要求
实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。目前市场上已有的各种各样的智力竞赛抢答器绝大多数是早期设计的，只具有抢答锁定功能的一个电路，以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品，这部分抢答器已相当成熟。现在的抢答器具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能。但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单(有的甚至没有显示电路)，无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。本设计要求就是利用PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用PLC本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开
（二）控制要求
（1）抢答器同时供5～6名选手或6个代表队比赛，分别用6个按钮S1～S6表示。
（2）设置一个系统复位和抢答开始控制开关S0和S7，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。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。
（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
（5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
（6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
（三）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。
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。
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。
（四） 控制特点分析
知识竞赛抢答器通过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。
（五） PLC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：
1、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。
2、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。
3、 相应的功能要求
（1）显示分为大数码管显示（1位），用于显示抢答的位号；小数码管显示，用于显示倒计时；
（2）抢答按钮为统一接口，抢答器带有灯，用于指示抢答情况（违规，抢答成功过等）；
（3）整套系统具有自检功能。设计自检按键，常按3秒后，自检开始，大号数码管和小号数码管一次全亮，抢答按钮按下时，大号数码管显示抢答位号，灯亮；
（4）带复位功能，抢答完之后，复位进行下一次抢答；
（5）带声音提示；
（6）设计外壳，制作PCB板。
（7）电源接口，抢答按钮与显示屏接口全部采用统一的，由比赛组提供。
（8）可增加其他功能。
（六）流程图
当裁判按下开始按钮时，6个参赛对处于抢答状态，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（LD/LDI/LDP/LDF/OUT）
1、指令的使用
（1）AND（与指令）一个常开触点串联连接指令，完成逻辑“与”运算。
（2）ANI（与反指令）一个常闭触点串联连接指令，完成逻辑“与非”运算。
（3）ANDP上升沿检测串联连接指令。
（4）ANDF下降沿检测串联连接指令。
触点串联指令的使用如图1-1所示。

图1-1串联指令使用示意图

图1-2传送指令使用示意图

使用应用MOV指令时应注意：
1）源操作数可取所有数据类型，标操作数可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。
2）16位运算时占5个程序步，32位运算时则占9个程序步。
（2） 移位传送指令SMOV  SMOV(P)指令的编号为FNC13。该指令的功能是将源数据（二进制）自动转换成4位BCD码，再进行移位传送，传送后的目标操。

图1-3块传送指令使用示意图

使用块传送指令时应注意：
1）源操作数可取KnX、 KnY、KnM、KnS、T、C、D和文件寄存器，目标操作数可取. KnT、KnM、KnS、T、C和D；
2）只有16位操作，占7个程序步；
3）如果元件号超出允许范围，数据则仅传送到允许范围的元件。

图1-4多点传送指令使用示意图

多点传送指令FMOV  (D)FMOV(P)指令的编号为FNC16。它的功能是将源操作数中的数据传送到指定目标开始的n个元件中，传送后n个元件中的数据完全相同。如图3-12所示，当X0为ON时，把K0传送到D0～D9中。
使用多点传送指令FMOV时应注意：
1）源操作数可取所有的数据类型，目标操作数可取KnX、KnM、KnS、T、C、和D，n小等于512；
2）16位操作占7的程序步，32位操作则占13个程序步；
3） 如果元件号超出允许范围，数据仅送到允许范围的元件中。
2、 PLC常熟K、H
K是表示十进制整数的符号，主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用功能指令操作数中的数值；H是表示十六进制数，主要用来表示应用功能指令的操作数值。 例如20用十进制表示为K20，用十六进制则表示为H14。
3、 PLC输入继电器（X）、输出继电器（Y）
输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。PLC通过输入接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。
FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000~X267（184点）。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。例如：基本单元FX2N-64M的输入继电器编号为X000~X037（32点），如果接有扩展单元或扩展模块，则扩展的输入继电器从X040开始编号。
输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。如图1-5所示为输出继电器Y0的等效电路。

图1-5输出继电器等效电电路

每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。
FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX2N编号范围为Y000~Y267（184点）。与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。
在实际使用中，输入、输出继电器的数量，要看具体系统的配置情况。
4、 辅助继电器
辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间继电器相似。
辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。
辅助继电器采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。
（1）通用辅助继电器（M0～M499）
FX2N系列共有500点通用辅助继电器。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断电，则全部线圈均OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。
根据需要可通过程序设定，将M0～M499变为断电保持辅助继电器。
（2）断电保持辅助继电器（M500～M3071）
FX2N系列有M500～M3071共2572个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所以能在电源断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用PLC中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。其中M500～M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器。
（3）特殊辅助继电器
PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。FX2N系列中有256个特殊辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类
触点型 ：其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。例如：
M8000：运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。
M8002：初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。
M8011、M8012、M8013和M8014分别是产生10ms、100ms 、1s和1min时钟脉冲的特殊辅助继电器。
M8000、M8002、M8012的波形图如图1-6所示。

图1-6 M8000、M8002、M8012的波形图

线圈型： 由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。例如：
M8033：若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器内容。
前值变为0，触点也跟随复位。
5、 微分指令（PLS/PLF）
（1）PLS（上升沿微分指令） 在输入信号上升沿产生一个扫描周期的脉冲输出。
（2）PLF（下降沿微分指令） 在输入信号下降沿产生一个扫描周期的脉冲输出。
微分指令的使用如图3-9所示，利用微分指令检测到信号的边沿，通过置位和复位命令控制Y0的状态。

三、PLC控制系统硬件设计

（一） I/O地址分配
输入、输出信号的地址分配，如图1所示

图1

（二） PLC外部接线图
PLC外部接线如图2所示

图2

四、PLC控制系统软件设计

（一）程序设计

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。如图1所示

图1 开始键按下后蜂鸣示意图

参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。如图2所示

图2抢答有效时间示意图

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。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。

图3抢答流程示意图
如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
主持人按下复位按钮X7，开始新一轮的抢答。

图4复位示意图

（二）程序调试
（1）外部接线图接线，核对地址，逐点进行，确保正确无误。
（2）检查模拟量输入输出。检查输入输出模块是否正确，工作是否正常。
（3）将程序写入PLC，然后从初始步开始调试。用元件监视功能监视程序的状态变化。
（4）手动按钮来实施模拟现场，观察运行结果是否与要求相符合。
（5）在仿真软件上仿真模拟正常通过，设计正确。
五、总结
毕业设计即将结束，在整个毕业设计过程中，我在刘老师的带领下，基本完成了本学期毕业设计的任务，通过设计我学到了很多新的知识，学到了很多书本上没有的东西，同时，对以前所学的专业知识，有了进一步的加深和巩固。在设计前，通过刘老师的悉心指导，我制定了设计计划，借阅相关资料，做好设计准备。在设计过程中，我遇到了许多专业上的问题，这些问题都在老师的直接指导下，得以解决，使我们的设计能够顺利地进行，并最终得以完成。
总结几个月来的设计，体会如下：
首先，团队精神，毕业设计也不例外。比如在做抢答流程这一块上，抢答器是具有锁存和显示功能的。刚开始总是只能做到其中的一个，通过与同学讨论，解决了两个是否能同时运行的问题。
其次，对待任何工作，都要全力以赴，不能畏首畏尾。通过这次毕业设计，我深有体会。然更重要的是，在责任心的驱使下，如何采用何种方法更省时省力，解决问题的方案很多，永远坚信“方向总比努力重要”，首先分析课题任务本身，就拿毕业设计来说，课题有了，关键是往哪个方向着手。
在此，我要感谢在整个设计过程中，给与我及大帮助的老师们，无论是在论文内容的选择、资料的收集，还是在具体的设计过程中，老师都给与了我们细心的教导和无微不至的关怀，尤其在论文的整理过程中，刘老师提出了大量宝贵的意见和建议，使我们的设计得以更加完善，刘老师严谨的治学态度，真诚的处世哲学，也将是我们一生学习的财富，在此，请允许我向尊敬的刘老师，致以最真诚的谢意。

【参考文献】
［1］廖常初、PLC 的编程方法与工程应用[M]、重庆：重庆大学出版社，2001.
［2］郑　成、现代可编程序控制器原理及应用[M]、北京：科学出版社，1999.
［3］王　红、可编程控制器使用教程[M] 、 北京：电子工业出版社，2002.
［4］王振民、PLC原理及应用[M] 、大庆石油学院.14-61.
［5］王永华、现代电气控制及PLC应用技术 [M] 、北京： 北京航空航天大学出版社， 2003.80-96.
［6］江秀汉、可编程序控制原理及应用[M]、 西安：西安电子科技大学出版社，1998.

2

次数
指 导 意 见
第
一
次

第
二
次

第
三
次

第
四
次

指导教师定稿意 见

指 导 过 程 记 录

毕 业 设 计 评 审 表
指导教师
评 语

成绩评定等级： 指导教师(签名): 年 月 日
教研室
初审意见

签名： 年 月 日
系复审意见

(盖章):
年 月 日
教务处
终审意见

(盖章):
年 月 日