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三组五人
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I 三组五人抢答器设计 摘 要 抢答器广泛应用于电视台娱乐节目、商业机构及学校，为竞赛增添刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了业余生活。 抢答器在竞赛中有很大用处 ， 它能准确、公正、直观地判断出第 1 抢答者。通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第 1 抢答者。 本次设计一共有五个抢答按钮，但只可共三组参加抢答，每个组的人数分配与以往的比赛不同，因此抢答按钮的分布也不同，更要结合抢答者的默契。 本文介绍一种智能 抢答器的设计方案 ， 同时阐述了三菱公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器 列 其程序设计简单 ,通过 梯形图设计完成 ， 该系统采用 三菱 制三路抢答器， 其充分利用了学习中讲述的可编程控制器（ 多方面设计知识和方法， 使得 系统稳定可靠，应用范围得到扩展。 关键词： 抢答器， 报警功能 ， 定时功能 ， 数码 显示 is in in in it be . is by to to of to of to so we of a to be to LC of by is of of of 录 前 言 . 1 第 1 章 介 . 2 定义及特点 . 2 定义 . 2 特点 . 2 基本组成及工作原理 . 2 基本组成 . 2 基本工作原理 . 4 分类及应用 . 4 分类 . 5 应用 . 5 制系统的设计与应用 . 5 制系统设计的基本原则 . 5 制系统设计的一般步骤 . 6 第 2 章 三菱 列 介及选用 . 8 X 系列 特点及分类 . 8 X 系列 内部资源 . 9 第 3 章 抢答器控制系统设计及软硬件设计 . 11 制要求 . 11 件设计 . 12 型 . 12 I/O 地址分配及外部接线图 . 13 件设计 . 13 作流程 图 . 13 序设计 . 14 序功能图 . 16 形图 . 18 结 论 . 22 辞 . 23 参考文献 . 24 外文资料翻译 . 25 1 前 言 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，它 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。本抢答器系统虽是针对三路参赛选手设计的但通过原理分析可知，它也完全适用于多于三路选手的 抢答场合。当然，如果对外围电路及程序稍加修改，就很容易使之扩展成更多路的抢答器。若程序中有互锁功能可以将其去掉 （本次设计中没有互锁功能而是充分利用了顺序功能图的优点），可以将本抢答器改成呼叫器，用在医院病房等多种地方。由此可见，只要我们运用恰当， 术能实现许多复杂的功能，能极方便的控制我们所需要控制的对象，给我们生产和生活带来极大的方便。以往的电子抢答器有许多功能也达不到的。但是随着科学技术飞速的发展，抢答器由硬件逐步向软件化发展。抢答器竞赛软件利用计算机搞知识竞赛，经过调查，利用抢答器竞赛软件办一 次类似电视台效果的知识竞赛，其费用仅仅是到电视台演播厅举办一次竞赛费用的十分之一还少。更关键的是，抢答器竞赛软件不是一次性产品，可以多次重复使用，这是一次拥有长期受益的软件。 用 行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只要改变输入控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案。知识竞赛的一个最重要的硬件设备就是抢答器。 2 第 1 章 介 定义及特点 定义 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命令，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有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。 特点 综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使 有许多其他控制器所无法相比的特点。 （ 1） 可靠性高，抗干扰能力强 （ 2） 通用性强，使用方便 （ 3） 采用模块化结构，使系统组合灵活方便 （ 4） 编程语言简单、易学，便于掌握 （ 5） 系统设计周 期短 （ 6） 对生产工艺改变适应性强 （ 7） 安装简单、调试方便、维护工作量小 基本组成及工作原理 基本组成 在图 1 1 中， 主机由微处理器（ 存储器（ 输入 /输出模块、外设 I/O 接口、通信接口及电源组成。对于整体式的 些部件都在同一个机壳内。而对于模块式结构的 部 3 件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。 主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成 不同的 面分别介绍 组成部分及其作用： 图 1硬件结构图 控制中枢， 控制下有条不紊的工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。 具体作用如下： （ 1） 接收、存储用户程序。 （ 2） 以扫描方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 （ 3） 执行监控程序和用户程序。 （ 4） 响应外部设备的请求。 2. 存储器 可编程控制器有两种存储器，即系统存储器（ 用户存储器（ 系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工 4 作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区。它包括输入、输出数据映像区，定时器 /计数器预置数和当前的数据区，存放中间结果的缓冲区。 3. 输入 /输出模块 控制对象是工业生产过程，实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是各不相同的，而可编程控制器的处理的信号只能是标准电平，这样就需要有相应的 I/O 模块作为工业生产现场的桥梁 ，进行信号电平的转换。 基本工作原理 一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到 用户程序存储器中寄存。 控制功能就是通过运行用户程序来实现的。 描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。 （ 1）输入采样 开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。 运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而 是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。 （ 2） 程序执行 成了采样工作后，按顺序从 0000 号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。 （ 3）输出刷新 在执行到 命令时，即执行完用户所有的程序后， 输出映像寄存器中的内容送到输出锁 存器中进行输出，驱动用户设备。 分类及应用 5 分类 可分为整体式和模块式 将电源、 储器及 I/O 等各个功能集成在一个机壳内的 整体式 特点是结构紧凑、体积小、价格低，小型 采用这个结构，如三菱 列的 体式 般配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量 I/O 模块、通信模块等。 将电信模块、 块、 I/O 模块作为单独的模块安装在同一底板或框架上的 模块式 特点是配置灵活、装备维护方便，大、中型 采用这种结构，例如西门子 300 系列的 ： I/O 点数在 256 点以下，存储器容量 2K 步 ; 中型 I/O 点数在 2562048 点之间，存储器容量 2K8K 步； 大型 I/O 点数在 2048 点以上，存储器容量 8K 步以上。 应用 目前在先进工业国家 成为工业控制中的标准设备，应用的领域已覆盖整个工业企业。概括起来主要应用在： 1. 逻辑控制 2. 过程控制 3. 运动控制 4. 通信 联网 5. 数据处理 制系统的设计与应用 制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 制系统时，应遵循以下基本原则： （ 1）最大限度的满足被控对象的控制要求 （ 2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用、 6 维修方便。 （ 3）保证控制系统的安全、可靠。 （ 4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择 量时，应适当留有余地。 制系统设计的基本内容： 制系统是由 用户输入、输出设备连接而成的。因此， （ 1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等）、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。 （ 2） 选择。 制系统的核心部件，正确选择 于保证整个控制系统的技术经济性能指标起重要作用。 （ 3）分配 I/O 点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。 （ 4）设计控制程序。包括设计梯形图、程序清单或控制系统流程图。 （ 5）必要时还需设计控制台。 （ 6）编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。 制系统设计的一般步骤 设计 制系统的一般设计步骤如图 1 2 所示。 7 图 1制系统设计的一般步骤 8 第 2 章 三菱 列 介及选用 X 系列 特点及分类 （ 1）先进美观的外部结构 三菱公司 列 收了整体式和模块式可编程序控制器的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和宽度相同。它们的相互连接不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整 齐的长方体。其体积小，很适于在机电一体化产品中使用。 （ 2）多种系列机型供用户选择 观相似其性能和价格上还是有某些差别（见表 2 表 2 性能比较 功能简单实用，价格便宜，可用于小型开关量控制系统； 功能最强，可用于要求很高的系统。由于不同的 列 供不同的用户系统选用，避免了功能的浪费，使用户用最少的投资来满足系统的要求。 （ 3）灵活多变的系统配置 列 系统配置灵活，用户除了可以选用不同型号的 列 ，还可以选用各种扩展单元和扩展模块，组成不同 I/O 点和不同功能的控制系统。 9 X 系列 内部资源 编程器件概述 部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是电子电路和内存组成的，例如：输入继电器 X 是有输入电路和映像输入触点的内存组成的；输出继电器 Y 是有输出电路和映像输出触点的内存组成；定时器 T、计数器 C、辅助继电器 M、状态继电器 S、数据寄存器 D、变址寄存器 V/了把他们与通常的硬件器件分开，我 们把上面的器件称为软器件，是等效概念抽象模拟的器件并非实际的有形状和大小的物理器件。 列 程器件 1)输入继电器 X 入继电器采用八进制地址编号，最多可达 16 个点即17 2)输出继电器 Y 输出继电器的地址编号也是八进制，最多可达 14 点即 15 3)辅助继电器 M 辅助继电器往往用作状态暂存、移位等运算，还具有一些特殊功能，下面是几种常见的辅助继电器。 1 一般辅助继电器 495 2 停电保持继电器 511 3 特殊辅助继电器 8255（其中的 47 点） 有 47 个特殊辅助继电器，这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能，通常分为下面两大类。 圈由 动驱动，用户之可以利用其触点，例如： 为运行监控用， 行时 通 仅在运行开始瞬间产生一个初始脉冲 为产生 10钟脉冲的特殊辅助继电器 为产生 100钟脉冲的特殊辅助继电器 10 为产生 1s 时钟脉冲的特殊辅助继电器 为产生 1钟脉冲的特殊辅助继电器 户激活线圈后， 特定动作。例如： 为锂电池电压指示灯特殊辅助继电器 为定时器的时间转换标记 为 止时输出保持特殊辅助继电器 为禁止全部输出特殊辅助继电器 为定时扫描特殊辅助继电器 需要说明的是未定义特殊功能继电器不可在用户程序中使用，辅助继电器的常开、常闭触点在 部可无限次地自由使用。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 第 3 章 抢答器控制系统设计及软硬件设计 制要求 设计 一个有三个参赛组的抢答器，通过控制台上的按钮控制比赛的进行。为了方便观众了解比赛情况，抢答器设有必要地显示。 参赛组的分配： 1#儿童组：儿童组的抢答桌上有两个按钮，同时有两个人；且两个按钮为并联，无论按下哪一个抢答电路都会被接通。 2#中学生组：中学生的抢答桌上只有一个按钮，同时只有一个人；只有按下按钮抢答电路才会接通。 3#成人组：成人组的抢答桌上有两个按钮，同时也有两个人；且两个按钮是串联的，只有两个同时按下才能接通抢答电路。 抢答器的功能如下： （ 1） 比赛开始前，主持人要按一次复位按钮，使所有参赛组的显示均灭； （ 2） 比赛开始后，主持人要按一次开始按钮，当开始灯（绿灯）亮之后，才允许抢答； （ 3） 比赛开始后，如果参赛组在开始灯（绿灯）亮之前按下按钮进行抢答，则视为犯规。此时，蜂鸣器以 1 次 /秒的频率鸣叫，同时显示参赛组的组号； （ 4） 比赛开始后，如果参赛组在开始灯（绿灯）亮之后按下按钮进行抢答，数码管显示抢答到得参赛组组号，然后主持人请此参赛组回答问题； （ 5） 为了控制比赛时间，回答问题必须在 30 秒内完成，超时按错论处。当时间进行到 20 秒时，红灯亮，提醒抢答者抓紧时间；当时间进行到30 秒时，红灯亮，同时蜂鸣器不间断地鸣叫，提示抢答者 “错误”； （ 6） 答对一题将得到一个海宝玩偶，答错一题将扣除一个，以玩偶数的 多少级输赢。 在如上控制功能中抢答器还要实现在得到第一个参赛按下抢答按钮时洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 同时要屏蔽其余组的抢答信号，以实现公正的、准确的抢答过程，同时实现娱乐性。 件设计 型 （ 1）功能适当 由于抢答器是属于小型单机且仅需要开关量控制的普通设备，因此，一般的微型 可满足其功能要求。 （ 2） I/O 点数 输入端：主持人需要两个按钮，分别是开始和复位按钮；三个参赛组需要五个抢答按钮，因此， 要至少七个输入点数 。 输出端：采用一个共阴极的七段数码管（图 3示参赛组的组号，七段数码管直接由 出端驱动，占七个输出点；再加上一个绿灯、一个红灯、一个蜂鸣器共三个负载，因此， 少应该有十个输出点。 图 3七段数码管示意图 由于其输入输出信号无需特殊处理；对程序存储器容量没有特殊要求；响应时间远小于输入信号的周期，不影响输入信号的可靠接收；再考虑到未来的功能扩展，因此，选用 型号为 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 I/O 地址分配及外部接线图 （ 1） I/O 地址分配 输入地址的分配： 持人开始按钮 1#抢答者按钮 1#抢答者按钮 2#抢答者按钮 3#抢答者按钮 3#抢答者按钮 持人复位按钮 输出地址的分配： 段数码管 a 段； 段数码管 b 段； 段数码管 c 段； 段数码管 d 段； 段数码管 e 段； 段数码管 f 段； 段数码管 g 段； 鸣器 灯 灯 （ 2） 外部设备接线图如图 3示 件设计 作流程图 根据控制要求，绘制抢答器的工作流程图，如图 3示 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 图 3部接线图 序设计 设计方案 顺序功能图又称状态转移图，它是 一种编程语言，也是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。它主要由状态 (步 )、有相连线、转换、转换条件和动作（命令）组成。 顺序功能图的主要特点是：新的状态位置，前一状态自动复位。因此，它特别适合设计 顺序控制程序。在编程时，状态继电器 S 是构成顺序功能图的基本元件。 顺序功能图从结构上来分，可以分为单流程结构、选择性分支结构、并行分支结构、循环结构和复合结构五种，如图 3示。 1）单流程结构 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 图 3 抢答器的工作流程图 它是最简单的一种结构，这种结构没有分支，每个状态只有一个状态，状态与状态之间只有一个转换条件，如图 3a）所示。 2）选择性分支结构 它的特点是：有多个分支，每个分支都有互不相同的转换条件，每次只能执行其中一个分支，而其他分支都被屏蔽，如图 3b）所示 3）并行分支 结构 它的特点是：有多个分支，他们具有相同的转换条件，当转换条件满足时，多个分支同时执行，如图 3c）所示 4）循环结构 循环结构用于一个顺序过程的多次反复执行，如图 3d）所示 5）复合结构 它是集单流结构、选择性分支结构、并行分支结构、循环结构于一体洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 的结构。用于设计复杂性的 序控制程序。 图 3 顺序功能图结构 序功能图 根据抢答器的控制要求和工作流程图，可知抢答器的特点：显示抢答者的信息，同时屏蔽后抢答者；属于顺序步进 控制。因此，应该选用选择性分支结构复合循环结 构的顺序功能图来编程。 （ 1） 状态继电器 S 的分配 初始状态； 开始状态； 第一组违规状态； 第二组违规状态； 第三组违规状态； 第一组答题状态； 第二组答题状态； 第三组答题状态； 提示时间状态； 超时状态。 （ 2） 七段数码管显示程序设计 显示“ 1”则输出 显示“ 2”则输出 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 图 3 顺序功能图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 显示“ 3”则输出 （ 3） 顺序功能图程序（图 3 根据抢答器的控制要求我们可以知道，在抢答者违规操作时蜂鸣器会以每秒钟一次的频率鸣叫以提示主持人，由于此设计是不需要记次数的所以无需计数器，因此设计不可以以常规来设计。 列 带有许多不同功能的元器件，其中继电器中的特殊辅助继电器 产生一秒钟时钟脉冲的特殊辅助继电器，在工作时是 鸣叫， 延时。 用在这里既 节省了元器件也充分利用了 形图 在下面的梯形图中 ,我们首先分析的是儿童组的违规操作和正常操作时的 现象 ；然后分析的是中学生组的；最后分析的是成人组的。 他们的分析过程基本一样，违规操作时是在主持人没有按下开始按钮 时 进行的， 这时七段数码管会显示出抢答者的组号，同时蜂鸣器还会以每秒钟一次的频率鸣叫 提示违规操作，然后主持人按下复位按钮结束这次抢答 且此题作废 。在主持人按下开始按钮后进行抢答是正常的， 同时也会显示其组号，在抢答者答题用去 20 秒时，红灯会亮，提示时间不多了； 30 秒时蜂鸣器会鸣叫提示超时，此题作废，主持人按下复位按钮后再次重新开始。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 图 3 梯形图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 22 结 论 抢答器在竞赛中有很大用处 ， 它能准确、公正、直观地判断出第一 抢答者。通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第 一 抢答者。 随着社会科技技术的不断发展，它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 行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只要改变输入 控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案。知识竞赛的一个最重要的硬件设备就是抢答器。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 23 谢 辞 当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下 “ 谢辞 ” ，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。 三 年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆 。 在这份大学的最后一页里 ，首先感谢党、感谢学院给我们提供这个能自我 展示的平台，感谢我们的指导教师，孙娟老师， 你们 从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。 谢谢我们辅导老师，从大一到大二是你的悉心教导、孜孜不倦我们才能顺利的完成学业。 我要感谢在我 二 年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！ 在此， 我还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文 的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这 三 年的生活。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 24 参考文献 1郭艳萍 . 电气控制与 术 . 北京 : 北京师范大学出版社 , 2007 2王兆义 . 可编程控制器教程 . 北京 : 机械工业出版社 , 2000 3张进秋 . 可编程控制器原理与应用实例 . 北京 : 机械工业出
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