基于plc和单片机知识竞赛抢答器设计.doc

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题目 知识竞赛抢答器题目 知识竞赛抢答器 PLC 设计设计 I 目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题研究内容 1 1 3 可编程控制器概论 2 1 3 1 PLC 的简介 2 1 3 2 PLC 的用途 3 1 3 3 PLC 的特点 4 1 3 4 PLC 的分类 5 2 整体方案的选择 7 2 1 整体功能介绍 7 2 2 竞赛抢答器的控制要求 7 2 3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较 8 3 硬件电路设计 10 3 1 控制特点分析 10 3 2 PLC 机型的选择步骤与原则 10 3 3 流程图 12 3 4 PLC 与七段 LED 显示器连接设计 12 3 4 1 LED 数码管的结构及主要特性 12 3 4 2 PLC 与七段数码管方案选择 13 3 4 3 PLC 与七段数码管直接连接阻值计算 14 3 4 4 外部硬件接线图 14 4 软件设计 16 4 1 IO 分配 16 4 2 根据控制要求进行梯形图设计 17 4 3 源程序 21 4 4 程序运行过程分析说明 22 4 4 程序的下载 安装和调试 24 5 总 结 25 致 谢 26 参考文献 27 0 1 绪论 1 1 课题研究背景 目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器 其大致采用模 拟电路 数字电路 单片机或者 PLC 芯片 计算机控制系统等四类产品 对于采用模拟电路或者数字电路的产品 其技术相当成熟 但是随着功 能的增多 电路也越复杂 并且成本偏高 故障率高 显示方式简单或 者没有 无法准确判断抢按按钮的行为 也不便于参数调节及其功能的 升级换代 对于计算机控制系统来说 其程序简单 反应灵敏 便于参 数调节及其功能的升级换代 但鉴于其必须配合计算机实用 可操作性 差 没有得到广泛的应用 而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 1 传统的普通抢答器主要存在一下缺点 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 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 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 该设计不但有抢答功能 而且还有一个计分系 统 能分别对四个选手进行计分 并能够对分数进行加 减 带计分功 能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器 更好的服务于社会 1 1 2 课题研究内容 系统设计主要包括硬件和软件两大部分 依据控制系统的工作原理 和技术性能 将硬件和软件分开设计 硬件设计部分包括电路原理图 合理选择元器件 绘制线路图 然后对硬件进行调试 测试 以达到设 计要求 软件设计部分 首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的 功能设计 拟定详细的工作计划 然后进行具体设计 包括各模块的流 程图 选择合适的编程语言和工具 进行代码设计等 最后是对软件进 行调试 测试 达到所需功能要求 在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键 硬件电 路是采用结构化系统设计方法 该方法保证设计电路的标准化 模块化 2 硬件电路的设计最重要的选择可编程的 PLC 并确定与之配套的外围芯 片 使所设计的系统既经济又高性能 硬件电路设计还包括输入输出接 口设计 画出详细电路图 标出芯片的型号 器件参数值 根据电路图 在仿真机上进行调试 发现设计不当及时修改 最终达到设计目的 软 件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系 本系统由于是采用三 菱 FX 可控制编程 此编程工具更有可靠 可拓展 可维护性 并且 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 3 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 1 3 可编程控制器概论 可编程控制器 PLC 是一种新型的通用自动化控制装置 它将传统 的继电器控制技术 计算机技术和通讯技术融为一体 具有控制功能强 可靠性高 使用灵活方便 易于扩展等优点而应用越来越广泛 可编程 控制器 Programmable Logic Controller 即 PLC 现已广泛应用于工业控制 的各个领域 他以微处理为核心 用编写的程序不仅可以进行逻辑控制 还可以定时 计数和算术运算等 并通过数字量和模拟量的输入 输出来 控制机械设备或生产过程 美国电气制造商协会经过 4 年调查 与 1980 年将其正式命名为可编程控制器 Programmable Controller 简写为 2 PC 后来由于 PC 这个名称常常被用来称呼个人电脑 Personal Computer 为了区别 现在也把可编程控制器称为 PLC 4 5 1 3 1 PLC 的简介 国际电工委员会 IEC 于 1987 年对 PLC 定义如下 4 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装 置 是带有存储器 可以编制程序的控制器 它能够存储和执行指令 进行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术等操作 并通过数字式和 模拟式的输入输出 控制各种类型的机械和生产过程 PLC 及其有关的 外围设备 都应按易于与工业控制系统形式一体 易于拓展其功能的原 则设计 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 1 3 2 PLC 的用途 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置 使其应用受到限制 但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降 使 PLC 的成本下 降 同时又由于 PLC 的功能大大增强 使 PLC 的应用越来越广泛 广 泛应用于钢铁 水泥 石油 化工 采矿 电力 机械制造 汽车 造 纸 纺织 环保等行业 PLC 的应用通常可分为五种类型 顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域 用以取代传统的继电器 顺序控制 PLC 可应用于单机控制 多机群控 生产自动线控制等 如 注塑机 印刷机械 订书机械 切纸机械 组合机床 磨床 装配生产 线 电镀流水线及电梯控制等 运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动 机的单轴或多轴位置控制模版 在多数情况下 PLC 把扫描目标位置的 数据送给模版块 其输出移动一轴或数轴到目标位置 闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数 如温度 压力 速 度和流量等 PID Proportional Intergral Derivative 模块的提供使 PLC 3 具有闭环控制功能 即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制 当过程控制中某一个变量出现偏差时 PID 控制算法会计算出正确的输出 把变量保持在设定值上 数据处理 在机械加工中 出现了把支持顺序控制的 PLC 和计算 机数值控制 CNC 设备紧密结合的趋向 著名的日本 FANUC 公司推 出的 Systen10 11 12 系列 已将 CNC 控制功能作为 PLC 的一部分 为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传递 该公司采用了窗口 软件 通过窗口软件 用户可以独自编程 由 PLC 送至 CNC 设备使用 美国 GE 公司的 CNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLC 预 计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统 通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化 FA 系 统 柔性制造系统 FMS 及集散控制系统 DCS 等发展的需要 必 须发展 PLC 之间 PLC 和上级计算机之间的通信功能 作为实时控制系 统 不仅 PLC 数据通信速率要求高 而且要考虑出现停电故障时的对策 1 3 3 PLC 的特点 抗干扰能力强 可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗 干扰能力 但使用了大量的机械触头 使设备连线复杂 由于器件的老 化 脱焊 触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的 可靠性 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器 时间继电 器 由于触点接触不良 容易出现故障 PLC 用软件代替大量的中间继 电器和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件 接线可减少 互继电器控制系统的 1 10 1 100 因触点接触不良造成的故障大为减少 而 PLC 采用微电子技术 大量的开关动作由无触点的电子存储器件 来完成 大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代 故寿命长 可 靠性大大提高 微机虽然具有很强的功能 但抗干扰能力差 工业现场的电磁波干 扰 电源波动 机械振动 温度和湿度的变化 都可能使一般通用微机 不能正常工作 而 PLC 在电子线路 机械结构以及软件结构上都吸收了 4 生产控制经验 主要模块均采用了大规模集成电路 I O 系统设计有完善 的通道保护与信号调理电路 在结构上对耐热 防潮 抗震等都有精确 的考虑 在硬件上采用隔离 屏蔽 滤波 接地等抗干扰能力 目前个 生产厂家生产的 PLC 平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小 时 有的甚至达到了几十万小时 控制系统结构简单 通用性强 应用灵活 PLC 产品均成系列化 生产 品种齐全 外围模块品种也多 可有各种组件灵活组合成各种大 小和不同要求的控制系统 在 PLC 构成的控制系统中 只需在 PLC 的端 子上接入相应的输入 输出信号线即可 不需要诸如继电器之类的物理 电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路 当控制要求改变 需要变更 控制系统功能时 可以用编程器在线或离线修改程序 修改接线量很小 同一个 PLC 装置有 用于不同的控制对象 只是输入 输出组件和应用 软件不同而已 编程方便 易于使用 PLC 是面向用户的设备 PLC 的设计者充 分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯 PLC 程序的编制 采用梯形 图或面向工业控制的简单指令形式 梯形图与继电器原理图相类似 直 观易懂 容易掌握 不需要专门的计算机知识和语言 深受现场电气技 术人员的欢迎 功能完善 扩展能力强 PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理 的继电器类软件 可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制 这是一般的 继电器控制所不能实现的 PLC 内部具有许多控制功能 能方便地实现 D A A D 转换及 PID 运算 实现过程控制 数字控制等功能 PLC 具 有通信联网功能 他不仅可以控制一台单机 一条生产线 还可以控制 一个机群 许多生产线 他不但可以进行现场控制 还可以用于远程控 制 PLC 控制系统设计 安装 调试方便 PLC 中相当于继电器系统 中的中间继电器 时间继电器 计数器等 软元件 数量巨大 硬件齐 全 且为模块化积木式结构 并已商品化 故可按性能 容量 输入 输出点 内存大小 等选用组装 又由于用软件编程取代了硬接线实现 控制功能 使安装接线量大大减小 设计人员只要一台 PLC 就可进行控 制系统的设计可在实验室进行模拟调试 而继电接触器系统需要在现场 5 调试 工作量很大且繁难 PLC 控制系统的工作状态状态 通信状态 异常状态和 I O 点的状 态均有显示 工作人员通过他可查出故障原因 便于迅速处理 及时排 除 结构紧凑 体积小 重量轻 易于实现机电一体化 由于以上特点 使得 PLC 获得极为广泛的应用 1 3 4 PLC 的分类 按 I O 点数容量分类 一般来说 PLC 处理的 I O 点数比较多 反映 控制关系比较复杂 用户要求的程序存储器容量比较大 要求 PLC 的指 令及其他功能比较多 指令执行的过程比较快等 按 PLC 的输入输出点 数可将 PLC 分为三类 公司的 SLC500 系列等整式 PLC 等产品 微型 PLC I O 点数小于 64 点的 PLC 为超小型或微型 PLC 小型 PLC I O 点数为 256 点以下 用户程序存储容量小于 8KB 的为小型 PLC 它可以连接开关量和模拟量 I O 模块以及其他各种特殊 功能模块 能执行包括逻辑运算 计时 计数 算术运算 数据处理和 传送 通信联网等功能 如西门子公司的 S7 200PLC 三菱公司的 F1 F2 和 FX0 系列 PLC 都属于小型机 中型 PLC I O 点数在 512 2048 点之间的为中型 PLC 它除了 具有小型机所能实现的功能外 还具有更强大的通信联网功能 更丰富 的指令系统 更大的内存容量和更快的扫描速度 如西门子公司的 S7 300PLC 三菱公司的 A1S 系列 PLC 都属于中型机 大型 PLC I O 点数为 048 点以上的为大型 PLC 它具有极强的 软件和硬件功能 自诊断功能 通信联网功能 它可以构成三级通信网 实现工厂生产管理自动化 另外大型 PLC 还可以采用三个 CPU 构成表决 式系统 使机器具有更高的可靠性 如西门子公司的 S7 400 系列 PLC 三菱公司的 A3M A3N 系列 PLC 都属于大型机 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7 400 系列 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列 SB 公司的 SLC5 05 系列等产品 上述划分没有严格的界限 随着 PLC 技术的飞速发展 某些小型 6 PLC 也具备中型机和大型机的功能 这也是 PLC 的发展趋势 按结构形式分类 按 PLC 物理结构形式的不同 可分为整体式 也 称单元式 和组合式 也称模块式 两类 整体式结构 整体式结构的 PLC 是将中央处理单元 CPU 存 储器 输入单元 电源 通信端口 I O 扩展端口等组装在一个箱体内构 成主机 内外还有独立的 I O 扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端 口相连 以构成 PLC 不同配置与主机配合使用 整体式结构的 PLC 结构 紧凑 体积小 成本低 安装方便 小型机常用这种结构 组合式结构 这种结构的 PLC 是将 CPU 输入单元 输出单元 电源单元 智能 I O 单元 通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块 组合式的特点是配置灵活 输入接点 输出接点的数量可以自由选择 各种功能模块可以依需要灵活配置 大 中型 PLC 常用组合式结构 7 2 整体方案的选择 2 1 整体功能介绍 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 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 2 2 竞赛抢答器的控制要求 知识竞赛抢答器能使 4 个队同时参加抢答 设裁判队为裁判台 参赛对为参赛台 裁判台设有音响和裁判灯 并且设有裁判台开始按钮 SB0 和裁判台复位按钮 SB5 参赛台设有参赛 台抢答按钮以及参赛台灯 1 4 号参赛台分别对应按钮 SB1 SB4 及参赛台 灯 EL1 EL4 知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则 出题后 各队抢答必须在 裁判说出 开始 并按下裁判台的开始按钮 SB0 后 15S 内抢答 并由数 码管显示时间 如提前抢答 抢答器发出 违规 信号 15S 时间到 如 无队抢答 则抢答器给出时间已到信号 该题作废 在有队抢答的情况 下 则抢答器发出 抢答 信号 数码管开始计时 并由数码管显示出 抢到题的参考队号 抢到题的队必须在 30S 内答完题 如 30S 内未答完 则作超时处理 灯光与音响信号的意义如下 见图 2 1 结构流程图 音响叫 响 1S 某台灯亮 由某参赛队正常抢答 音响叫 响 1S 某台灯亮 总台灯亮 某参赛队违规 音响叫 响 1S 裁判台灯亮 无人抢答或答题超时 在某个题结束后 裁判员按下台上的复位按钮 SB5 抢答器恢复 原来的状态 为下一轮抢答作好准备 8 各输出端口统一采用直流 24V 电源 初始状态 复位 图 2 1 结构流程图 开始抢答 违规抢答 状态 开始信号发 出前抢答 音响叫 响 1S 某台灯 亮 总台灯亮 正常抢答 状态 开始信 号发出 15s 内 音响叫 响 1S 某台灯 亮 无人应答 状态 开始信 号发出 15s 内 音响叫 响 1S 裁判台 灯亮 2 3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较 所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机 CPU 及其它外围芯片 根据不同系统设计电路板 最终设计成一台简易的计算机系统 并在此 基础上设计程序以达到所要求的控制功能 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 单片机的可靠性 由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不 齐 很大一部分还是国外筛选出来的次等品 加上其它外围元件 如电 阻 电容等 的参数离散性也很大 批量小的产品不可能经过筛选配对 等技术处理 因此这样的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 另外 单片机的 所有器件均不是工业级的 抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱 而国 内的电源一般都很差 加上压片机的变频调速对电源的干扰很大 因此 更可能引起单片机系统的不稳定 11 12 单片机的可扩展性 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别 设计的 所以要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 这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加 11 9 单片机的可维护性 一旦单片机系统出现故障 很难诊断出故障元 件 最简单的方法是更换整个系统 这样维修成本增加了 12 操作 现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘 设定数据 用拨码开关 显示用 LED 整个面板显得繁锁 而且为了减少操作键 设计时往往一键多用 操作人员很难脱开说明书操作 特别是故障显示 只能显示故障代码 一旦发生故障 操作人员必须翻阅说明书方能发现 故障所在 最终按说明书指示排除故障 这样排除故障的时间相对较长 总之 这样的人机对话不够友善 特点 不可靠 价格便宜 可编程控制器 PLC 所谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工 业控制厂家生产的可编程控制器 根据要求选用不同的模块 在此基础 上设计程序以达到所设计的功能 这种形式目前在工业现场应用最为广 泛 10 PLC 的可靠性 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 的可扩展性 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 的可维护性 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 操作 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 特点 价格与前二种控制器相比略贵 可靠性好 操作简单 10 综合以上的分析和比较 最终决定采用 PLC 11 3 硬件电路设计 3 1 控制特点分析 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 知识竞赛抢答器有六个输入信号 即 六个按钮 九个输出信号 即五个台灯信号 一个音响信号 三个数码 管输出信号 由上可知 PLC 共有六个输入点 九个输出点 系统控制结 构框图如上图 3 1 所示 3 2 PLC 机型的选择步骤与原则 随着 PLC 技术的发展 PLC 产品的种类也越来越多 不同型号的 PLC 其结构形式 性能 容量 指令系统 编程方式 价格等也各有不 同 适用的场合也各有侧重 因此 合理选用 PLC 对于提高 PLC 控制 系统的技术经济指标有着重要意义 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型 容量 I O 模块 电源模块 特 殊功能模块 通信联网能力等方面加以综合考虑 PLC 机型的选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠 维护方便 的前提下 力争最佳的性能价格比 选择时主要考虑以下几点 PLC SB0 SB5 SB1 SB2 SB3 SB4 显 示 器 参赛队号码 计数器的个位 计数器的十位 1 号台灯 2 号台灯 3 号台灯 4 号台灯 蜂鸣器 图 3 1 系统控制结构框图 12 合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式 整体式 PLC 的每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 且体积相 对较小 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中 而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便 在 I O 点数 输入点数与输出点数的比例 I O 模块的种类等方面选择余地大 且维修方便 一般于较复杂的控制系 统 安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式 远程 I O 式以及多台 PLC 联网 的分布式 集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件 系统反应快 成本低 远程 I O 式适用于大型系统 系统的装置分布范围很广 远程 I O 可以分散安 装在现场装置附近 连线短 但需要增设驱动器和远程 I O 电源 多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制 又要相互联系的场合 可以选用小型 PLC 但必须要附加通讯模块 相应的功能要求 一般小型 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只需要 开关量控制的设备都可满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能带 A D 和 D A 转换单元 具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低档 PLC 对于控制较复杂 要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等功能 可视控制规模大小及复杂程度 选用中档或高档 PLC 但是中 高档 PLC 价格较贵 一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合 响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器 不同档次 PLC 的响应速 度一般都能满足其应用范围内的需要 如果要跨范围使用 PLC 或者某 些功能或信号有特殊的速度要求时 则应该慎重考虑 PLC 的响应速度 可选用具有高速 I O 处理功能的 PLC 或选用具有快速响应模块和中断 输入模块的 PLC 等 系统可靠性的要求 13 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足 对可靠性要求很高的系统 应考虑是否采用冗余系统或热备用系统 机型尽量统一 一个企业 应尽量做到 PLC 的机型统一 主要考虑到以下三方面问 题 机型统一 其模块可互为备用 便于备品备件的采购和管理 机型统一 其功能和使用方法类似 有利于技术力量的培训和技 术水平的提高 机型统一 其外部设备通用 资源可共享 易于联网通信 配上 位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统 综上所述 基于以上思想 选用日本三菱公司 FX 48MR 系列的 PLC 作为控制主机 3 3 流程图 当裁判按下开始按钮时 四个参赛对处于抢答状态 假如是一号参 赛队先抢到题目 PLC 先判断抢答是否成功 若成功 则进行下一部看 是否在规定的抢答时间内答题 若在规定时间内 则答题结束 若超时 则提示主持人 如果抢答没有成功 则判断是否抢答犯规 若法规 某 法规台灯亮 总台灯亮出指令 3 4 PLC 与七段 LED 显示器连接设计 3 4 1 LED 数码管的结构及主要特性 LED 数码管的结构 LED 数码管是由发光二极管构成的 亦称半导体数码管 将条状发 光二极管按照共阴极 负极 或共阳极 正极 的方法连接 组成 8 字 再把发光二极管另一电极作笔段电极 就构成了 LED 数码管 若按 规定使某些笔段上的发光二极管发光 就能显示从 0 9 的一系列数字 同荧光数码管 VFD 辉光数码管 NRT 相比 它具有 体积小 功 耗低 耐震动 寿命长 亮度高 单色性好 发光响应的时间短 能与 TTL CMOS 电路兼容等优点 现已广泛用作数字化仪表 数控装置 14 家用电器中的数显器件 常见 LED 数码管的外形及内部结构如图 3 14 所示 图 3 14 属于共 阳极结构 图 3 20 采用共阴极结构 分别表示公共阳极和公共阴极 a g 是 7 个笔段电极 DP 为小数点 另有一种字高为 7 6 mm 的超小 型 LED 数码管 管脚从左右两排引出 小数点则是独立的 a b c d e f g 12543 109 876 gfba edDPc DP a DP g f e d c b a DP g f e d c b a c b 图 3 2 常见 LED 数码管的外形及内部结构 LED 数码管的主要特性 工作电压 1 5 5V 一般为 1 5 2 5V 工作电流 5 10mA 高亮 度管可在低电压和小电流 1mA 左右 条件下工作 单色性好 亮度高 高频特性优良 发光响应时间非常短 通常 小于 0 1us 好 工作温度范围为 30 80 使用寿命可达 5M 小时以上 LED 数码管每笔画工作电流 I 在 5 10 mA 之间 若电流过大会 损坏数码管 因此必须加限流电阻 其阻可按下式计算 R V0 V1 I 其中 V0 为加在 LED 两端上的电压 V1 为 LED 数码管每笔划压降 约为 2V 3 4 2 PLC 与七段数码管方案选择 PLC 可编程控制器 具有体积小 抗干扰能力强以及运行可靠等诸 多优点 PLC 的梯形图语言清晰直观 可读性强 易于掌握 在工业控 制中 PLC 作为面向控制对象的下位机 已广泛应用于工业控制的各个 15 领域 但对于一般的中小型的专用设备 采用工业控制计算机作为上位 机会使成本大大提高 同时不便于在操作现场直接读取或输入数据 在显 示数据较少时 采用 PLC 控制 LED 直接进行数据显示 可以降低成本 使得数据显示直观 而当欲显示的数据较多时 PLC 直接进行数据显示 会使得所需 PLC 输出点数大大增加 同时由于 PLC 梯形图的局限性 会使得显示程序的编制变得非常复杂 这不仅增大了程序编制的难度 而且增加了程序的执行时间 从而大大地降低了显示速度 在应用可编程序控制器 PLC 构成的控制系统中 除要求 PLC 完成指 定的控制功能外 往往还要求附带有输出显示 对一些参数进行动态实 时显示 以利于操作者监控生产过程 PLC 通过输出模块外接显示电路 一般要求少占用输出点数 外接电路简单 输出显示速度尽可能快 OMRON 公司推出的 CQM1 型 PLC 指令中设置了 7 段输出显示指令 7SEG 2 该指令有 4 位和 8 位两种方式 输出 8 位数时要占用 13 个输 出点 若要求输出显示 5 位数时 需选用 8 位方式 占用 13 个输出点 PLC 输出模块接 LED 数码管显示的方法已应用在一实际 CQM1 型 PLC 构成的控制系统中 PLC 驱动的显示电路配合 PLC 程序 可以实现如下的指标的数据 显示 7 在仅占用 PLC16 点输出的情况下 显示的 LED 可多达 128 个 所有的显示单元的电路结构完全相同 可以互换 所有的显示单元与 PLC 之间的连线完全相同 硬件连线简单 采用静态显示方式 显示没有闪烁感 每一位 LED 数据更新显示仅需 2 个 PLC 扫描周期 在没有新数据显示时 程序进行循环显示 使显示电路的抗干扰 能力增强 由上述可知 结合本次设计 由于输入输出点并不是很多 采用 PLC 控制 LED 直接进行数据显示方案 可以大大降低设计成本 3 4 3 PLC 与七段数码管直接连接阻值计算 根据 LED 数码管每笔画工作电流 I 在 5 10 mA 之间 若电流过大 会损坏数码管 因此必须加限流电阻 其阻可按下式计算 8 16 R V0 V1 I 其中 V0 为加在 LED 两端上的电压 V1 为 LED 数码管每笔划压降 约为 2V 本次设计 PLC 电源采用的是直流 24V PLC 的输出电压为 5V 安通 过数码管的电流 I 3mA 计算可得 R 1K 本次设计共用到了三个数码 管 所以须要 21 个 1K 的 R 以及 5 个 EL 灯和一个音响 3 4 4 外部硬件接线图 为了硬件电路接线方便 SB0 作为抢答的开始按钮 对应输入点为 X0 输出点为 Y0 SB1 SB2 SB3 SB4 分别对应四个参赛对号 输入 点分别 X1 X2 X3 X4 输出点分别为 Y1 Y2 Y3 Y4 SB5 作为 抢答的复位按钮 对应输入点为 X5 音响输出点为 Y5 数码管 1 显示 输出点为 Y10 Y16 数码管 2 显示输出点为 Y20 Y26 数码管 3 显示输 出点为 Y30 Y36 PLC 与数码管采用串电阻直接连接方式 其外部硬件 接线图如图 3 15 所示 17 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 13 May 2010Sheet of File C Documents and Settings Administrator 桌桌 MyDesign ddbDrawn By SB0 SW PB SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 COM1 Y0 Y1 Y2 Y3 COM2 Y4 Y5 Y15 COM3 Y10 Y11 Y12 Y13 COM4 Y14 Y16 COM5 Y20 Y21 Y22 Y23 COM6 Y24 Y26 Y25 COM7 Y30 Y31 Y32 Y33 Y34 Y35 Y36 COM8 COM9 X0 X1 X2 X3 X4 X5 FX 2N48MR EL 0 EL 1EL 2EL 3EL 4 SPEAKER VCC 1K 7 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 1K 7 1K 7 图 3 13 外部硬件接线图 18 4 软件设计 4 1 IO 分配 表 4 1 知识竞赛抢答器输入输出口分配表 为了硬件电路接线方便和程序清晰易读 用 SB0 作为 四个参赛队 分别用与之对应号 SB1 SB2 SB3 SB4 设置按钮 SB5 为比赛复位按 钮 使下轮比赛开始 输出与输入对应 用 YO 输出信号驱动比赛开始 信号灯 EL0 同理用 Y1 Y2 Y3 Y4 输出信号驱动对应的信号灯 EL1 EL2 EL3 EL4 Y5 输出信号驱动音响 Y10 Y16 输出信号驱动 数码管 1 显示各个参赛队的队号 Y20 Y26 输出信号驱动数码管 2 显示 抢答时间的个位 Y30 Y36 输出信号驱动数码管 3 显示抢答时间的十位 输入信号输出信号 名称代号输入点标号名称代号输出点标号 裁判台开始按钮SB0X0开始工作指示灯EL0Y0 1 号赛台抢答器按钮SB1X11 号参赛台灯EL1Y1 2 号赛台抢答器按钮SB2X22 号参赛台灯EL2Y2 3 号赛台抢答器按钮SB3X33 号参赛台灯EL3Y3 4 号赛台抢答器按钮SB4X44 号参赛台灯EL4Y4 裁判台复位按钮SB5X5音 响BY5 数码管 1LE1Y10 Y16 数码管 2LE2Y20 Y26 数码管 3LE3Y30 Y36 19 4 2 根据控制要求进行梯形图设计 X0 M0 M1X5 M0 T0 X1 M1 Y1 X5 Y1 X2M1X5 Y2 Y2 X3 M1 Y3 X5 Y3 X4M1 Y4 Y4 X5 X1 X2 X3 X4 M1 M1 M1 M2 T1 X5 M2 T1 K130 M1 T0 T1 Y0 X5 Y0 M0 M1 T0M1 T1M1 M1 M0 M0 M1 M1 X5 PLSM3 抢答允许 抢答限时 1号参赛台 二号参赛台 三号参赛台 四号参赛台 抢答继电器 答题限时继电器 答题限时 裁判台灯状态 违规抢答 无人抢答 答题超时 裁判台 灯状态 正常抢答 无人抢答 答题超时 违规抢答 图 4 1 梯形图 21 M4 M19 M25 M5 M0 M5 M9 M11 M12 M14 M15 M16 M17 M18 M9 M10 M11 M12 M13 M16 M17 M18 M9 M10 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 Y22 Y21 Y20 PLSM5 ZRST M10M18 SFTLM10M9K10K1 图 4 2 梯形图 22 M3 Y5 T2 X5 Y5 T2 Y2 Y3 Y10 Y1 Y2 Y3 Y4 Y11 Y1 Y3 Y4 Y12 Y2 Y3 Y13 Y2 Y14 Y4 Y15 Y2 Y3 Y4 Y16 M0T4 T3 K5 T3 T4 K5 T4 M4 M0 M10 M11 M12 M13M14M15 M16M17 M18M19 音响驱动 音响限时 数码管1显 示参赛台队 号 计时秒脉冲信号产生程 序 秒个位移位继电器 数码管2计时 器个位显示程 序 图 4 3 梯形图 23 M9 Y23 M11 M12 M14 M15 M17 M18 M9 Y24 M11 M15 M17 M9 Y25 M13 M14 M15 M17 M18 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M17 M18 M19 PLSM20 M22M23 M21 M20 SFTLM21M22 K3K1 M24 M25 M5 ZRSTM22M23 Y26 数码观3计时器 十位显示程序 秒个位移位继 电器 图 4 4 梯形图 1 Y30 Y31 Y32 Y33 Y34 M25 END M23 M24 M22 M23 M24 M22 M24 M24 M23 M24 M23 M23 抢答超时显示复位 答题超时显示复位 图 4 5 梯形图 4 3 源程序 LD X0 OR M0 ANI M1 ANI X5 OUT M0 OUT T0 LD X1 ANI M1 OR Y1 ANI M1 OUT Y1 LD X2 ANI M1 OR Y2 ANI X5 OUT Y2 LD X3 ANI M1 OR Y3 ANI X5 OUT Y3 LD X4 ANI M1 OR Y4 ANI X5 OUT Y4 LD X1 OR X2 OR X3 OR X4 OR M1 ANI X5 OUT M1 LD M1 OR M2 ANI T1 ANI X5 OUT M2 OUT T1 K300 LD M1 ANI M0 ORB LD T0 ANI M1 ORB LD T1 ANI M1 OR Y0 ANI X5 OUT Y0 LD M0 ANI M1 ORB LD T0 ANI M1 ORB LD T1 AND M1 ORB LD M1 ANI M0 ORB PLS M3 24 LD M4 SFTL M9 M10 K10 K1 LD M19 OR M25 OR M5 ZRST M10 M18 LD M0 AND M1 PLS M5 LD M9 OR M11 OR M12 OR M14 OR M15 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y20 LM M9 OR M10 OR M11 OR M12 OR M13 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y21 LD M9 OR M10 OR M12 OR M13 OR M14 OR M15 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y22 LD M9 OR M11 OR M12 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y23 LD M3 OR Y5 ANI T2 ANI X5 OUT Y5 OUT T2 K10 LD Y2 OR Y3 OUT Y10 LD Y1 OR Y2 OR Y3 OR Y4 OUT Y11 LD Y1 OR Y3 OR Y4 OUT Y12 LD Y2 OR Y3 OUT Y13 LD Y2 OUT Y14 LD Y4 OUT Y15 LD Y2 OR Y3 OR Y4 OUT Y16 LD M0 ANI T4 OUT T3 K500 LD T3 OUT T4 K500 LD T4 OUT M4 LD M0 ANI M10 ANI M11 ANI M12 ANI M13 ANI M14 ANI M15 ANI M16 ANI M17 ANI M18 LD M9 OR M11 OR M12 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y23 LD M9 OR M11 OR M15 OR M17 OUT Y24 LD M9 OR M13 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y25 LD M10 OR M11 OR M12 OR M13 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y26 LD M19 PLS M20 LDI M22 ANI M23 OUT M21 LD M20 SFTL M21 M22 K3 K1 LD M24 OR M25 OR M5 ZRST M22 M23 LD M23 OR M24 OUT Y30 LD M22 OR M23 OR M24 OUT Y31 LD M22 OR M24 OUT Y32 LD M23 OR M24 OUT Y33 LD M23 OUT Y34 LD M23 OR M24 OUT END 4 4 程序运行过程分析说明 当裁判台按下开始按钮时 就将信号传入 PLC 中 同时四个参赛 队处于抢答状态 然后根据哪个队最先抢到题目 然后在规定的答题时 25 间内作答 或者答题超时 由规定显示电路和音响作出反应 例如 1 号参赛队抢到题目 同时抢答继电器 M1 通电并自锁 抢答继电器 M1 与其它参赛台按钮输入触点相串联的常闭触点断开 使得在有抢答按钮 按下的情况下 其它按钮均无效 抢答继电器 M1 闭合 答题限时继电器 M2 闭合并自锁 使得答题限时计时器 T 1 开始计时 若 1 号参赛台答题超时 抢答继电器 M1 通电闭合 有人抢答 答 题限时计时器 T1 计时到 其常开触点闭合 在答题超时的情况下 M1 的常开触点与 T1 的常开触点串联驱动裁判台的灯和音响 若 1 号参赛台违规抢答 抢答允许继电器 M0 未闭合 裁判员未按 下开始按钮 SB0 X0 未闭合 而抢答继电器 M1 闭合 有人抢答 在违 规抢答的情况下 M0 和 M1 是 与 的关系 即 M0 的常闭触点与 M1 的 常开触点串联驱动裁判台灯和音响 无参赛队抢答 抢答继电器 M1 未通电闭合 无人抢答 抢答限时 计时器 T0 计时到 常开触点闭合 当无人抢答时 M1 的常闭触点与 T0 的常开触点串联驱动裁判台灯和音响 综上所述 当 1 号参赛队违规抢答 无人抢答 答题超时驱动裁判 台灯及正常抢答 答题驱动音响的梯形图 其中 M3 为音响驱动继电器 当四种条件中有一种合符时 M3 闭合一个扫描周期 使得音响驱动输出 继电器 Y5 闭合 音响发出声音 同时音响限时计时器 T2 通电计时 经 过 1S 后计时器 T1 动作 其常闭触点断开 Y5 及 T2 的电源 音响停止发 出声音 抢答参赛队号显示 选用输出继电器 Y10 Y16 驱动数码管 1 的 七段发光管 即当有人抢答时即可显示抢到题的队号 当 1 号参赛台抢到题 则 1 号参赛台灯驱动输出继电器 Y1 闭合 Y1 的常开触点闭合 驱动 Y11 和 Y12 数码管 1 即显示 1 的字符 当 2 号参赛台抢到题 则 2 号参赛台灯驱动输出继电器 Y2 闭合 驱动 Y10 Y11 Y13 Y14 和 Y16 数码管 1 即显示 2 的字符 当 3 号参赛台抢到题 则 3 号参赛台灯驱动输出继电器 Y3 闭合 驱动 Y10 Y11 Y12 Y13 和 Y16 数码管 1 即显示 3 的字符 当 4 号参赛台抢到题 则 4 号参赛台灯驱动输出继电器 Y4 闭合 26 驱动 Y11 Y12 Y15 和 Y16 数码管 1 即显示 4 的字符 计时脉冲产生程序 计时脉冲产生程序由计时器 T3 T4 组成 当抢答允许继电器 M0 闭合时 计时器 T3 开始计时 经过 0 5S 后 T3 的常开触点闭合 接通计时器 T4 的电源 在经过 0 5S 后 T4 动作 其 常闭触点断开 使 T3 复位 常开触点闭合 接通秒个位移位继电器 M4 经过一个扫描周期后 T4 的常开触点断开 M4 复位 计时显示程序 计时显示程序由输出继电器 Y20 Y26 Y30 Y36 驱动数码管 2 和数码管 3 完成 其中输出继电器 Y20 Y26 驱动数码管 2 担任秒个位的显示 Y30 Y36 驱动数码管 3 担任秒十位的显示 在抢答允许继电器 M0 闭合后 继电器 M9 闭合 输出继电器 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 闭合 驱动数码管 2 显示 0 字符 同时秒脉冲信号产生程序开始工作 经过 1S