基于PLC的五路抢答器设计

设计任务书

2015～2016 学年第2学期

学生姓名：专业班级：

指导教师：胡学芝、高海洲工作部门：电气与电子信息工程学院

一、设计题目

课题1 ：.电动机的综合控制方向

课题2 ：竟猜抢答系统的设计方向

课题3 ：交通灯控制方向

课题4 ：电梯控制方向

课题5 ：喷泉或彩灯控制方向

二、设计内容（含技术指标）

1、用PLC实现四台以上电动机综合控制，要求模拟实际的工况，包括电机的顺序控制、电机的连锁和互锁控制，电机间的逻辑联系应具有一定的复杂程度，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

2、用PLC实验装置设计竟猜抢答系统，要求不少于5组，有必要的组号显示、记时显示和模拟记分系统，有优先抢答功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

3、用PLC实现各种路口的交通信号灯控制，要求与实际交通灯工作情况基本相符，具有必要显示和通过外部设备进行设定功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

4、用PLC实现电梯控制，要求与实际基本相符，电梯层数不少于4层，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

5、用PLC实现喷泉控制，要求花样不少于6种，能自动循环、单循环、和手动控制，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

6、同组同学要求不能完全重复，必须有自己的亮点，对思路新颖的、和用到更多功能指令的有加分。

7、所有小组均应在开题的过程中由指导老师对与题目相关的具体的设计控制要求进行审核。

三、设计进度安排

四、基本要求

设计报告：不少于5000字，Ａ４幅面，统一复印封面。

①封面、设计任务书

②目录

1）方案选择，方案论证（综述、任务详解及设计思路，PLC选型等）

2）系统硬件设计（系统功能及原理、系统组成框图、器件选择、电路原理图、I/O 分配及接线）

3）系统软件设计（各软件模块的功能，梯形图及说明）

4）系统调试（调试步骤、方法及调试过程中的问题及如何解决等）

5）结果分析及展望（最后的结果成功点和不足之处、总结及改进等）

③附录---参考文献

五、设计考核办法与成绩评定

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩按得分0～100分，可分为优、良、中、

目录

一概述 (5)

二方案选择及论证 (5)

2.1 任务详解及要求 (5)

2.2 设计思路及PLC选型 (5)

三系统硬件设计 (6)

3.1系统功能及原理 (6)

3.2系统组成框图 (6)

3.3 器件选择 (7)

3.4流程图设计 (7)

3.5 I/O分配表 (8)

3.6硬件电路图 (8)

四系统软件设计 (9)

4.1各软件模块的功能 (9)

4.2梯形图及说明 (10)

五系统调试 (13)

5.1硬件调试步骤 (13)

5.2调试过程中的问题及如何解决 (13)

六结果分析及展望 (14)

6.1调试结果分析 (14)

6.2未来展望 (15)

6.3总结 (15)

参考文献 (16)

附录1-梯形图 (16)

附录2-指令表 (22)

一概述

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实现）、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。近年来，PLC以其结构灵活，传输质量高、速度快、带宽稳定，性价比高，工期短，可扩展性和可管理性更强，适用面广得到了广泛的应用，而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平、公正、公开。

二方案选择及论证

2.1任务详解及要求

近年来随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，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。

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。用PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便。

抢答器广泛用于电视台、商业机构及学校，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。本文介绍一种抢答器，能使五个人同时参加抢答,赛场中设有一个裁判台，五个参赛台.总体设计选用三菱PLC控制,抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉效果非常好。

2.2任务详解及要求

抢答器同时供5名选手或5个代表队比赛，分别用5个按钮S1—S5表示。设置一个系统复位按钮S10和抢答控制开关S0，该开关由主持人控制。

抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的组号，同时选手台面指示

灯长亮。组号高的选手抢答具有优先权，在给定时间内组号大的可抢断组号小的选手而组号小的不能抢断组号大的给定抢答时间到锁定最终选手。

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，在规定时时间内无人抢答在抢答时间的最后十秒显示倒计时并在之后系统报警提示此题作废。

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目前分数，并保持到下一题的开始。

基于以上控制要求，采用三菱公司的PLC为主要控制器。

三系统硬件设计

3.1系统功能及原理

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。知识竞赛抢答器有9个输入信号（即9个按钮），21个输出信号（即1个音响信号，1个答题指示灯，5选手台号指示灯，其余为两个数码管输出信号）。

本次设计可大致分为4大部分：抢答部分、倒计时及其显示部分、显示灯与蜂鸣器显示部分、计分及其显示部分。在抢答设计中，肯定要有自锁和互锁控制，自锁是为了保持信号长期有效，互锁是为了对组间互不影响；在倒计时显示部分中，主要采用时间继电器和mov指令来实现；计分环节是本次设计的难点，采用计数器累计计数，然后转换为BCD码再送入辅助继电器，再将段码送入数码管实现显示数字功能。

3.2系统组成框图

3.3器件选择

按钮采用国产型号LA10、LA18、LA19、LA20、LA25等系列，当按下按钮帽时，动断触

点先断开，动合触点后闭合；当松开时，触点复位。

也叫自激式蜂鸣器）。

数码管采用8段LED数码管，LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。外壳采用阻燃PC塑料制作，强度高，抗冲击，抗老化，防紫外线，防尘，防潮。LED数码管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点，配合控制器，即可实现流水，渐变，跳变，追逐等效果。

PLC选用FXCPU系列的FX2N（C）类型，其具有最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

3.4流程图设计

3.5 I/O分配表

根据任务要求及所选FX2N PLC和其他硬件（蜂鸣器、灯、数码显示管）的实际情况，I/O地址分配如表所示

3.6硬件电路图

根据题目要求和I/O地址分配，结合FX2N的PLC外部硬件接线图如图所示：

四系统软件设计

4.1各软件模块的功能

在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。

定时器通道范围如下：

100 ms定时器T0～T199，共200点，设定值：0.1～ 3276.7秒；

10 ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：0.01～327.67秒；

1 ms积算定时器 T245～T249，共4点，设定值：0.001～32.767秒；

100 ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：0.1～3276.7秒；

定时器指令符号及应用如下图所示：

当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。

每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值.为了明确各定时器的作用，以便于理解各个灯的状态转换的准确时间，下表列出了定时器的功能如下：

计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，其设定计数值由程序设置。本设计中用到的计数器只是用于普通的计数功能，故选用普通加计数器，其地址范围为C0—C99。

4.2梯形图及说明

（1）主持人按下按钮X0，抢答开始，按下按钮X10系统复位。其梯形图如图

（2）在主持人按下开始按钮后，各参赛选手开始抢题，各选手抢题的梯形图如图

（3）用数码管来显示组号，其对应数码管段码的梯形图如图：

（4）用计数器C1—C5分别来存储对应五组选手的答题分数，其梯形图如图

注：C3-C5选手的答题分数储存如上分别用计数器C3-C5来储存。

（5）通过计数器来显示选手的分数，如图

（6）九秒倒计时，如图

五系统调试

5.1硬件调试步骤

（1）将PLC与对应输入输出的设备连接起来。

（2）用GX Developer软件编制图的梯形图程序，将编制无误的程序分别下载到PLC 中，并将模式选择开关拨至RUN状态。

（3）调试运行。

按下启动开关S，此时选手就可以抢答，若在此时间内没有选手抢答，则此次抢答就作废，蜂鸣器响，指示灯亮，再按复位键，重新开始下一轮的抢答；若在此时间内有选手有抢答，数码管显示队号，该队台上的灯亮。在有效的时间内答完题后，主持人按下加分按钮为你加分，若回答错误，则此次就不能得分，再按下复位键按钮，再按开始按钮开始下一轮的抢答。

（4）监控运行。

当PLC运行时，可以使用GX Developer软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。在GX Developer软件上，单击“PLC写入”—“监视”－“监视开始”，可以全画面监控PLC的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于GX Developer软件的监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。

5.2调试过程中的问题及如何解决

在PLC-Ⅲ型实验台上按图将PLC外部硬件电路图接线，之前觉得抢答器很难，变化很多，应该不好把握，在接触之后发现其实是有规律可循的。经过比较，发现每个抢答器其实每一个抢答器就。可是，由于平时对抢答器没有系统的理解，没有意识到个个抢答器之间的来联系，在起初设计时，总是个个抢答器之间存在同时进行的现象，后来才了解到，每个抢答器之间必须要用互锁来来完成。画出了时序图，再转化为步进功能指令图。在第一次程序编写完毕后，上机调试，发现程序进行到一半去无法再继续下去，检查发现原来是用错了特殊时间继电器M8013，导致计数无法完成，程序无法跳转。更改后发现程序没办法实现倒计时五秒的提示，有时只能是蜂鸣器响一声或数码管只能显示组号不能显示分数，有时只能显示组号和分数，但蜂鸣器不起作用，总是达不到想要的结果，分析发现指令使用错误，导致不能正常显示。将所有错误改正过来之后再次进行调试，调试结果符合方案设计预期效果。

六结果分析及展望

6.1调试结果分析

根据这次设计的要求，经过这几天的努力和在老师同学的帮助下，达到了自己预期想要的结果，但这结果可能不是很完善，在这过程中遇到了不少的麻烦，下面来大致总结一下。本次设计大致分为三块：抢答、倒计时显示、各组分数显示。在抢答这一块我采用了基本指令，根据设计要求，各组为按钮抢答，所以我先用按钮驱动辅助继电器M1-M5并将其自锁，组与组之间采用互锁，使其不能同时得电。再根据七段数码管的特性，a1-g1分别对应于程序中的输出Y1-Y7，a2-g2分别对应Y10-Y16，再看每个组号亮时数码管的对应那些段被点亮，再将五组整理在一起，了解Y1-Y7与M1-M5之间的关系，从而实现这一功能。在这过程中我加了一点功能，在抢答成功后，由时间继电器T2和辅助继电器M8013完成闪烁功能，开始的3秒会闪烁对应的组号，后接着常亮，并且蜂鸣器在前一秒钟报警。例：若一号组抢到题后，b、c两段被点亮，则在数码管上显示数字“1”。抢答成功后，有30秒的答题时间，并且在答题进行到25秒时，数码管上闪烁组号和分数，同时蜂鸣器报警，在这过程中根据答题情况可以对其进行加分操作，若答题超过了规定时间，则此次答题无效，不能进行加分环节，同时由时间继电器T0切断系统，主持人按复位按钮后，下轮抢答有效。

在倒计时这一块，主要用时间继电器来完成，当主持人按了开始按钮后开始计时（由于plc 输出点数有限，只有十六个点的输出，则抢答倒计时只设置了9秒），由mov指令将数字9对应的段码送入到Y10-Y17中，经过1秒钟到后，由时间继电器切断这条mov指令，同时接通下条mov指令将数字8对应的段码送入到Y10-Y17中，如此循环到达倒计时目的。当有组在规定的时间内抢答，则切断倒计时这一功能，当倒计时结束后，则由这一块中的最后一个时间继电器切断整个系统，只有主持人按复位按钮后才可以进行下一轮。

在计分显示这一块，是整个设计中最复杂的，在单片机原理书中讲到过“LED数码管的显示原理”，里面说到了数码管段码与字节中各位对应关系，根据数字对应的共阴极代码段间的联系就能实现显示不同数字这一功能。所以就采用了这一原理。

首先，各组计分的实现。利用计数器来对计分按钮进行计数，由于数码管个数受限的原因，计分量程为0-9分，到计数达到9后，继续按按钮，计数器会清零，计数重新开始；由于计数器有断电保持功能，所以各组间有累计计分的功能；每组对应一个计数器C1-C5,在计数中，由前面的辅助继电器M1-M5接通与之对应的计数器（M1-M5相互互锁，从而计分不

可能同时进行），从而到达计数器之间互不影响，计分公平的目的。

其次，计分显示的实现。由于要利用一个8段数码管显示五组不同的分数，开始是想到了，采用OUT Y10之类的，但是每组都要用到，要是用基本指令，肯定出现双线圈输出的现象，查阅了大量的资料发现在类似的情况下可以用BCD指令实现这一功能。将各组计数器中的数值通过BCD指令转换为BCD码送给辅助继电器，这样每次计数将得到4个不同的数值，从而4个辅助继电器得电的情况也不一样，通过这4个辅助继电器得电的情况来驱动mov指令，让相对应的段码送到数码管中，从而显示每组对应的分数。例：计数器记的数为1，则通过BCD转码后M23-M20的得电情况为：0001，则由该指令将数字“1”显示在数码管上。

再就是数码管2，也就是Y10-Y17 重复利用了6次，第一次是起到倒计时的功能，后面5次是分别显示五组不同分数的功能，由于利用的次数较多，所以采用了mov指令，可以重复利用，很直观，大大简化了指令的繁琐。由于倒计时和积分是不可能同时出现的，有倒计时说明没人抢答，不会显示分数，要是显示了分数，则说明肯定有一组抢答成功，由这个逻辑关系，在抢答倒计时和积分显示这两大块上采用互锁，即梯形图中的辅助继电器M0。M0没得电接通倒计时功能，M8得电后断开倒计时的功能，接通计分显示功能。由以上分析实践可以实现一个数码管显示器重复利用的功能。

6.2未来展望

在此次设计中，由于时间和硬件的关系，没有完全实现全智能的抢答器，希望有机会再增加一系列的使用功能：1.能实现优先抢答的功能，有助于老年人及小孩进行操作；2.能进行犯规惩罚，当主持人没有按下开始或是复位按钮时，有选手抢答，则为犯规，并给其惩罚；3.由于这次硬件原因，该PLC不支持双向计数器，希望在下次的设计中加入减分功能,从而将竞赛抢答器设计的更加完美。

6.3总结

这次PLC的课程设计，我们班做的是抢答器的设计，虽然以前上实验课的时候做过类似的实验，不过课程设计毕竟不同于平时的实验课，在设计的难度及繁琐度都有了一定的上升，光梯形图就画

此次的PLC课程设计是对一学期课程学习与实践的总结，不得不说，还是有很多有差距的地方，所以，在学好理论知识的同时，依然不能忘了时间的重要性。

七、参考文献

[1]李仁主编，电气控制，北京：机械工业出版社，2000

[2]陈立定等主编，电气控制与可编程控制器，广州：华南理工大学出版社，2001

[3]王仁祥主编，常用低压电器原理及其控制技术，北京：机械工业出版社，2002

[4]郑萍主编，现代电气控制技术，重庆：重庆大学出版社，2001

[5] 佟为明等编，低压电器继电器及其控制系统，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000

[6] 王海，李洪奎，刘晓。基于PLC的多轴控制研究[J]。机械工程学报,2008, 6(4): 470-472.

[7] 杨东, 黄永红, 张新华, 吉敬华. 用PLC基本指令实现自动运动定位控制的研究[J]. 微计

算机信息, 2010, 26(2-1): 62-64。

[8] 秦琴，王忠庆.。利用PLC的高速计数功能实现轴的精确定位控制.。电气技术。2009(3)。

[9] 陈婵娟, 薛恺. 基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现. 机械设计与制造. 2009(3)。

[10] 杨涛, 王启江等。基于PLC绕线机控制系统设计[J]。组合机床与自动化加工技

术， 2005(8)：58-59。

附录一