毕业设计-知识竞赛抢答器设计.doc

中原工学院毕业设计

毕业设计（论文）

题目名称：知识竞赛抢答器设计
院系名称：
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：

2014年 3 月

论文编号：

知识竞赛抢答器设计
Design knowledge contest Responder

院系名称：
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：

2014 年 3 月

摘要
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

I

目 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

III

毕业设计

第一章 绪论
1.1 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，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。

第 2 章 可编程控制器概述
2.1 PLC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，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、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。
2.2 用单片机和PLC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，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。

第 3 章 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。

第 4 章 硬件设计
4.1 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），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4-1 三菱FX2N系列PLC的外形图
4.2 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接到数码管A-G即可完成数码显示。

图4-2 LED数码显示原理图
4.3 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4-3 抢答器系统结构
4.4 I/O分配
PLC的I/O分配如下：
PLC端子
功能说明
PLC端子
功能说明
X0
抢答选手按钮PB1
Y0
数码管控制端子A
X1
抢答选手按钮PB2
Y1
数码管控制端子B
X2
抢答选手按钮PB3
Y2
数码管控制端子C
X3
抢答选手按钮PB4
Y3
数码管控制端子D
X4
抢答选手按钮PB5
Y4
数码管控制端子E
X5
抢答选手按钮PB6
Y5
数码管控制端子F
X6
抢答选手按钮PB7
Y6
数码管控制端子G
X7
抢答选手按钮PB8
Y11
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
X21
30s倒计时按钮
Y10、Y12、Y17
音效电路
主机COM0、COM1、COM2、COM3、COM4等接电源GND
4.5 硬件控制接线图

图4-4 抢答器硬件控制连线图
第 5 章 软件设计
5.1 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。当主控台按下开始开关X011，选手开始抢答，定时器T0开始计时。同时辅助继电器M11线圈得电，M11常开触点闭合并自锁。10s后，定时器T0时间到，T0常开触点闭合，常闭触点断开。继电器M11失电断开，继电器M10因T0常开触点接通等电，M10常开触点闭合并自锁。当5s后T12定时时间到，M10失电断开。从而达到5s后实现自动复位。

图5-1 为抢答开始程序图
5.2 选手选择抢答程序
选手选择抢答程序本设计采用了自锁与互锁原理。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。例如当选手1按下抢答开关，其对应辅助继电器M0线圈得电，使M0常开触点闭合，常闭触点断开。M0常开触点与X0并联，闭合并自锁。同时M0的常闭触点与其他选手的支路串联，断开，其他选手抢答无效，实现了抢答功能的互锁。选手选择抢答程序图如图5-2。

图5-2 选手选择抢答程序图
5.3 抢答器部分控制程序
图5-3为无人抢答、犯规等部分的具体实现程序，这段程序根据设计要求严格的对各种犯规情况进行了精细的设计，保证了比赛的公平及公正。

图5-3 抢答器部分控制程序

5.4 数码管显示程序
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5-4即为数码管的显示程序。

图5-4 数码管的显示程序
5.5 抢答器控制梯形图
综合上述抢答器开始程序、选手选择抢答程序、抢答器控制程序、数码管显示程序，编辑完整的抢答器程序，完成抢答器的整体设计。抢答器完整梯形图见附录。
5.6 程序的下载、安装和调试
将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。知识竞赛抢答器的程序是由三菱PLC编程软GX-DEVELOPER7编制完成，正常工作时程序存放在存储卡中，运行编程软GX-DEVELOPER7编程软件，打开知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。
程序调试基本成功，基本功能已实现。

结束语
大学生涯马上就将结束，面对这次毕业设计，我从一开始的无从下手，到现在的毕业设计完成，整个过程让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。才真正体会到理论知识要完美的运用到现实的设计中来，我还存在很多的问题。让我明白我们的知识面不应该只是停留在书本上。在设计过程中，我也遇到了很多的问题。主要问题出现在软件设计方面，最开始的梯形图设计过程中不断的报错，设计的程序达不到预期的效果。设计过程中我不断的检查错误，使程序完整化。虽然很多困难被克服了，但是系统中难免还有很多不足之处，希望老师和同学给予指正与建议。
这次的设计，从选题到实现，几乎都是自己独立完成的。设计过程中从总体设计到硬件、软件设计，整个过程中，从需求分析到设计、编码、测试，我都力求规范化和文档化，努力让自己以前学的知识运用到设计中来，尽量保证整个系统的开发进度和质量，顺利完成这次的毕业设计，为自己的大学生涯画上一个完美的句号。
。
致谢
本篇论文是在000老师的精心指导下完成的，从选题到论文内容他都给予了我精心的指导和严格的教诲，无论从学术水平还是学术造诣上都使我受益匪浅，不仅使我学到了许多社会经验，更重要的是让我开拓了眼界。
在这次毕业论文设计中，我第一次亲身尝试到了作为一个缺乏社会实践经验的学生所面临的困难。使我学会了如何利用所学的知识，把理论结合于实践中，进一步掌握了PLC方面的知识，也对本专业知识有了更深刻的认识。此后，我会加倍努力的去研究，在熟练的基础上掌握更多的新型技术，来提高自己的开发水平。通过这一阶段的学习和研究，该设计终于完成，虽然耗费了许多精力和时间，但是它也验证了我的知识和能力，让我有了不断提高自身素质的意识。
在这里我衷心的感谢我的指导老师000对我的指导和启发。没有她的指导和帮助，我是不可能顺利圆满地完成论文的工作

参考文献
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