四路抢答器毕业设计
滁州职业技术学院机电系毕业设计
课题：抢答器
设计时间：2014.11～2014.12
班级：机电（4）班
学号：20121401402
姓名：刘俊
指导教师：杨入超
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了所有控制领域。而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，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。设计是利用PLC(Programmable Logic Controller)对PLC控制的四路智力抢答器进行控制。首先选择这个题目之后我对本次设计进行了全面的思考。使自己对本次设计有一个大致的总体思路然后仔细分析PLC控制的四路智力抢答器的工作原理以及它的一些工作过程分析后得出它主要需要完成主持人的控制、选手的抢答、报警、计时及输出显示功能等。考虑到只是PLC控制的四路智力抢答器则输出端口需要9个,输入端口需要6个,由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点因此我决定选用SIMATIC S7-200 系列的CPU226和数字量扩展模块EM223作为本次设计的PLC。具有方便灵活维护使用方便等特点。
关键词: 可编程控制器抢答器 PLC 模拟电路数字电路
引言 (1)
第一章PLC抢答器概述 (2)
1.1 抢答器的组成 (2)
1.2 PLC智能抢答器的工作原理 (2)
1.3 系统控制要求及设计要求 (3)
第二章 PLC概述 (5)
2.1 PLC的产生 (5)
2.2 PLC的定义 (5)
2.3 PLC基本结构 (6)
2.4 PLC的编程语言 (7)
2.5 PLC的特点 (7)
2.6 PLC的性能指标 (8)
第三章系统硬件设计 (9)
3.1 控制系统 (9)
3.2 控制系统硬件组成 (10)
3.3 控制系统I/O分配表 (11)
3.4 系统硬件连接图 (11)
第四章软件设计 (12)
4.1 梯形图 (12)
4.2 语句表 (15)
4.3 软件调试 (19)
致谢 (20)
参考文献 (21)
对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC、单片机为核心的部件成为主流。
传统的普通抢答器主要存在一下缺点：
(1) 在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。
(2) 当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。普通抢答器存在不公平性。
(3) 当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。因而出现了“漏洞”.现在大多抢答器都是以PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行分析。但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要，因此该设计采用基于PLC控制来设计四路抢答器。
第一章PLC抢答器概述
1.1 抢答器的组成
抢答器主要由抢答开关、优先编码电路、锁存电路、抢答号码显示译码电路、控制开关、时序控制电路、警报电路、定时电路、时间显示译码电路组成。其构成框图如图（1-1）
图1-1抢答器构成框图
1.2 PLC智能抢答器的工作原理
我所设计的PLC智能抢答器是适合四个人抢答的四路抢答器，现在以四路抢答器为例。给竞赛主持人设置了2个控制按钮，用来控制开始、复位，每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不在相应，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。若选手在未开始抢答时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管显示其编号同时红灯亮音响电路发出声响。其中以上功能都通过编制的PLC程序来控1个制数码管和3个指示灯以及2个喇叭来实现。如图1-2所示：
1
1组
2组
3组
4组
数码管
开始
复位
图1-2抢答器原理图
1.3 系统控制要求及设计要求
系统控制要求:
(1) 抢答器可同时供四组选手参加比赛
(2) 给主持人设置二个控制按钮，用来控制抢答的开始和复位。
(3) 每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路给出信箱提示信号（以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应。选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。
(4) 违规抢答：若选手在未开时抢答试题时抢答了，则为违规，违规时数码管1显示其编号，同时红灯亮，音响电路发出声响。
(5) 抢答限时：当主持人按下开始按钮后，定时器T37 开始计时。10S 后仍无人抢答，则黄灯亮、音响电路发出声响，以示选手放弃该题。
(6) 答题限时：在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，选手必须在设定
的时间内完成答题。否则，音响电路发出答题超时报警信号。
设计要求:
（1）根据控制要求，进行抢答器PLC控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
（2）根据控制要求，编制抢答器PLC控制应用程序。
（3）编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。
②基于PLC的抢答器电气控制系统电路图。
③PLC控制程序。
④电器元器件的选择和有关计算。
⑤电气设备明细表。
⑥参考资料、参考书及参考手册。
⑦其他需要说明的问题，挒如操作说明书、程序的调用过程、遇到的问题及解决方发、对课程设计的认识和建议等。
第二章 PLC概述
2.1 PLC的产生
可编程序控制器(Programmable Controller，简称PLC)，是在继电器控制的基础上开发出来的。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新变化所带来的生产工艺的不断变化，想寻求另一种全新的控制方式。设想用这样一种控制装置，它既应该具有计算机控制的功能性、灵活性、通用性，同时又应具有继电器控制方式的简单性、操作方便性。对这种装置的具体要求体现在通用的招标书中；
即：
(1)编程简单可在现场修改程序。
(2)维护方便，采用插件式结构。
(3)可靠性高于继电器控制柜。
(4)体积小于继电器控制柜。
(5)可将数据直接送入管理计算机。
(6)成本可与继电器控制柜竞争。
(7)可接115V交流输入。
(8)输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。
(9)通用性强，扩展时方便。
(10)程序要能储存，存储容量可扩展到4K字节。
根据以上要求，1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的生产线上试用，取得了满意的效果，可编程序控制器由此诞生。可编程序控制器的出现开创了以微电子技术为核心的数字化电气控制技术的新局面，此后这一全新的技术便以很快的速度发展起来。现在的PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置。
2.2 PLC的定义
可编程序控制器出现以后，名称一直没有统一。国际电工委员会(IEC)于1987
年2月对可编程序控制器作了如下的规定：“可编程序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。它采用可编程序控制的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备，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。”由于早期的可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，且为了和个人计算机(Personal Computer)相区别，人们把可编程序控制器缩写成为PLC(Programmable Logic Controller)，一直沿用至今。
2.3 PLC基本结构
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：
编程器
输入电路
中央处理器
CPU
输
出
电
路
系统程序存
储器
用户程序存
储器
电源
图2-1PLC基本结构
2.4 PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
2.5 PLC的特点
1、软硬件功能强
2、使用维护方便
3、运行稳定可靠
4、组织灵活
2.5.1 PLC的发展趋势
从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。
1．向高速度、大容量方向发展
2．向超大型、超小型两个方向发展
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
4．增强外部故障的检测与处理能力
5．编程语言多样化
2.6 PLC的性能指标
1、I/O点数I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。
2、存储容量这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~2MB。
3、扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的稳合程度。可编程控制器采用循环扫描的工作方式。
4、指令系统它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
5、通信功能
通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。
6、扩展能力扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
7、特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
第三章系统硬件设计
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立体车库高性能的使用要求，所以我确定该车库控制系统为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 控制系统硬件组成
在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输入信号，控制系统就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。其硬件组成结构图如图3-1所示
PLC
CPU226
数字量输入数字量输出
主持人输入信号
选
手
输
入
信
号
组
别
显
示
输
出
信
号
音
响
输
出
信
号图3-1控制系统硬件组成结构图
3.3 控制系统I/O分配表
图3-2I/O分配表
信号名称内部地址信号名称内部地址抢答器开始按钮SB1 I0.1 第二组抢答按钮SB4 I1.1
主持人复位按钮SB2 I0.0 第三组抢答按钮SB5 I1.2
第一组抢答按钮SB3 I1.0 第四组抢答按钮SB6 I1.3
数码管a段Q0.0 数码管f段Q0.5
数码管b段Q0.1 数码管g段Q0.6
数码管c段Q0.2 抢答音响Q3.1
数码管d段Q0.3 系统报警音响Q3.0
数码管e段Q0.4
3.4 系统硬件连接图
图3-3系统硬件连接图
第四章软件设计4.1 梯形图
4.2 语句表