抢答器课程设计

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。

近年来随着科技的飞速发展， 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，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。对于抢答器其广泛用于电视台、商业机构、企事业工会组织、俱乐部及学校等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答之用，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活，并且给人的视觉效果非常好，是各单位开展素质教育、精神文明、娱乐活动的必备产品。

PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，在日常生活中，智能抢答器广泛的应用于各种竞赛和抢答场合。越来越多的抢答器投入市场，可是大部分的抢答器主要采用的是单片机系统；而单片机系统由于稳定性不高。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。所以我们设想利用PLC进行抢答器的设计

关键词：抢答器反应时间可编程控制器单片机 PLC

一、引言 (1)

二、系统总体方案设计 (2)

2.1 可编程控制器简介 (2)

2.2 PLC的结构组成及工作原理 (3)

三、PLC控制系统设计 (6)

3.1控制系统选取 (6)

3.2 控制要求分析 (6)

3.3 控制系统I/O分配 (8)

3.4 控制系统程序梯形图 (8)

3.5 控制系统程序语句表 (8)

3.6 控制系统接线图 (8)

四、结论 (9)

五、设计总结 (10)

六、谢辞 (11)

七、附录

八、参考文献

一、引言

自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。

PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。

PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度-20—65度、相对湿度为35%-85%情况下仍可正常工作。

二、系统总体方案设计

2.1可编程序控制器简介

可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，是随着科学技术的进步与现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展起来的一种新型的工业控制装置。

PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有道用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。曾经有人将PLC技术与数控技术(CNC)、CAD／CAM 技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。

众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启／制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。

作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电—接触器控制系统”。“继电—接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观方便、运用范围广。它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。因此，直到今天“继电—接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。

但是，出于“继电－接触器控制系统”的控制元件(继电器、接触器)均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：

①通用性、灵活性差。

②体积大，材料消耗多。

③功能局限性大。

④可靠性较低，性用寿命较短。

⑤不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。

正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求与生产过程摔制集成化、网络化需要。

为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末．人们曾设想利用计算机功能先备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。但由于当时的汁算机原理复杂，生产成术高，程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。

到了20世纪60年代木，有人这样设想：能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制，PLC利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？

这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM公司)于1968年提出。当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽车生产线“继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提到了对一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。

2.2 PLC的结构组成及工作原理

2.2.1 PLC的结构组成

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.1所示：

图2.1 PLC硬件结构

1、中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC 的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。

2、存储器（Memory）

可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。

3、基本I/O接口电路

（1）输入接口单元。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输入。

（2）输出接口单元。PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。

4、接口电路

PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类

（1）I/O扩接口电路

I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。

根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。

（2）外设通信接口电路

通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

5、电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC 内部电源需要的工作电源（5V直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。

2.2.2 PLC的工作原理

CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。

PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。

1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC 都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100～200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。

2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间

三、PLC 控制系统设计

3.1控制系统选取

抢答器对时间间隔的要求很高，而且多在会议、答辩赛等一些正规的需要进行抢答的场合中使用，所以对设备的精准性和可靠性要求很高。为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入, 输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：

1、可靠性高：由于可编程控制器的输入, 输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。

2、体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。

3、通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU 模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。

4、使用方便：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足抢答器的使用要求，所以我确定该抢答器控制系统为PLC(西门子S7-200系列)。

S7-200系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。抢答器所使用的各种判断信号均为数字量，所以用西门子S7-200系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。

3.2 控制要求分析

3.1.1控制要求

详见课程设计任务书

3.1.2要求分析

根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。安全、可靠、省时、省力、价格便宜。

控制软件应用step7编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图4.1.所示。根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。如下图所示，有主程序和若干子程序组成，其整体设计工作系统自动控制流程图如图3.1所示

图3.1PLC工作系统自动控制流程图

3.3控制系统I/O分配

PLC控制系统I/O地址分配详见附录

3.4 控制系统程序梯形图

PLC控制系统程序梯形图详见附录

3.5 控制系统程序语句表

PLC控制系统程序语句表详见附录

3.6 控制系统接线图

PLC控制系统接线图详见附录

四、结论

将设计好的程序写入PLC后，首先要做的就是仔细检查程序，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。也可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求，由于受实验设备条件的限制，本次设计只进行了模拟实验调试，没有把整个设计技术运用到实际当中。

五、设计总结

为期两周的课程设计很快就结束了，在这两周的时间里我收获很多。课程设计前我们都去图书馆借了课程设计方面的指导书，提前对课程设计有了一点认识。在课题放下来以后，刚开始的时候我们都很迷惑，也不知道从哪里下手，于是我把课本认真地复习一遍，这为课程设计打好了坚实的基础，设计中用到了课本上的很多东西，在剩余的时间里我运用课本上的知识理清了课程设计的思路，最终完成了程序的设计。

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。

在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。

我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。

六、谢辞

经过两周的时间，在老师、同学的帮助下，在我的不断努力下，我的课程设计终于完成了。从设计中我学到许多知识，也理解了做任何事都要细心的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我要真诚的感谢薛东彬老师给予我的指导，在设计过程中薛老师及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在整个设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在薛老师的帮助和指导下我顺利完成了本次课程设计，也让我在这次课程设计中受益匪浅，在此谨向薛老师致以深切的谢意！

在这次课程设计中我也遇到了许多困难得到了学校里其他老师的帮助和指导，我也要感谢我的母校河南工业大学，是她提供了良好的学习环境和生活环境。

八、参考文献

[1] 林明星。电气控制及可编程序控制器[M ]。北京：机械工业出版社，

2004

[2] 王玉中。电气控制及PLC应用技术。河南：河南科学技术出版社，2006

[3] 王成福主编。可编程序控制器原理及应用。北京：机械工业出版社，

2006

[4] 张新军。电气控制与PLC技术及应用。济源：济源职业技术学院出版

社，2006

[5] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计.人民邮电出版社,2001.3