湖北理工学院基于PLC的五路抢答器的设计

电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院 电气控制与电气控制与 PLCPLC 实训实训 设计报告设计报告 名名 称：称： 基于基于 PLCPLC 的五路抢答器设计的五路抢答器设计 专业名称：专业名称： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 设计时间：设计时间： 20152015 年年 4 4 月月 2727 日日20152015 年年 5 5 月月 8 8 日日 设计地点：设计地点： K3-218K3-218 PLCPLC 实验室实验室 电气控制与 PLC 实训成绩评定表 姓 名 学号 专业班级 题目： 基于基于 PLC 的五路抢答器的设计的五路抢答器的设计 答辩记录： 1 你的智力抢答器可以实现哪些功能？ 答：由五组竟猜抢答，当主持人按下开始抢答按钮后，五组选手开始抢答，数码管开始显示 九秒倒计时。如果在九秒内无人抢答该题作废，裁判台上警示灯点亮同时蜂鸣器响三秒停止， 再按抢答键无效；在抢答时间内如果有人抢答，显示器显示对应组号码，对应选手台上的显示 灯亮。抢答成功后，裁判根据选手答题是否正确给选手打分。选手答对得一分，答错不得分。 如果选手答题正确，裁判台上的绿灯亮。当这次答题结束后，主持人次按复位键后，开始进行 新一轮抢答。全场积分最高的队伍获得胜利。 2 数码管是如何接的，你的设计中两个数码管分别显示什么东西？ 答：本次设计中用到两个数码管，1 号数码管用来倒计时和显示抢答队伍的组号，2 号数码 管用来显示每个队伍当前的分数。Y10-Y17 控制 1 号数码管，Y10 接 a,Y11 接 b,依此类推。当 b、c 管被同时点亮时,数码管就显示 1，同理我们可以用它显示 0-9 这 10 个数字。 成绩评定及依据： 1.考勤情况（10%）： 2.设计调试情况（30%）： 3.设计答辩（20%）： 4.设计报告（完成情况、报告规范性等情况 40%）： 最终评定成绩（以分数和优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 设计任务书设计任务书 2014201420152015 学年第学年第 2 2 学期学期 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级：12 级电气工程及其自动化级电气工程及其自动化 1 班班 指导教师：指导教师： 工作部门：工作部门： 电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院 一、设计题目一、设计题目 课题课题 1 ：.电动机的综合控制方向 课题课题 2 ：竟猜抢答系统的设计方向 课题课题 3 ：交通灯控制方向 课题课题 4 ：电梯控制方向 课题课题 5 ：喷泉或彩灯控制方向 二、设计内容二、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、设计进度安排三、设计进度安排 序 号内 容学时安排（天） 1选题、讲解设计要求、查资料； 1 2方案论证、说题及硬件选型和设计2 3软件设计2 4程序及系统调试3 5绘制图纸、撰写和打印设计报告1 6设计答辩1 合 计10 设计指导答辩地点：K3PLC 实验室 四、基本要求四、基本要求 设计报告：不少于 5000 字，幅面，统一复印封面。 封面、设计任务书 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、功能时序图、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 （此部分不是全部梯形图，只是把主要部分分别单独截出来，分别单独介绍说明！） ） 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） 附录-参考文献和完整梯形图（梯形图要求要有注释，否则会扣分！ ） 五、设计考核办法与成绩评定五、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 0100 分，可分为优、良、中、 及格、不及格五等。 评定项目 基本内涵分值 设计考勤 考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10 设计调试 软硬件调试过程及完成情况30 设计答辩 回答问题等情况20 设计报告 完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况40 目 录 一 方案选择及论证.6 1.1 任务详解及要求.6 1.2 设计思路.6 二 系统硬件设计.10 2.1 系统功能及原理.10 2.2 系统组成框图.10 2.3 流程图设计.11 2.4 I/O 分配表.11 2.5 硬件电路图.12 2.6 数码管显示部分.13 三 系统软件设计.14 3.1 定时器、计数器的选择.14 3.2 梯形图个主要模块及说明.15 四 系统调试 .20 4.1 硬件调试:.20 4.2 调试过程中的问题及解法.20 五 结果分析与展望.22 5.1 调试结果分析.22 5.2 功能展望.23 2.3 个人总结.24 参考文献 .25 附录.26 一方案设计及论证 1.1 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。 1.2 设计思路 1.由五组竟猜抢答，当主持人按下开始抢答按钮后，五组选手开始抢答，数 码管开始显示九秒倒计时。 2.如果在九秒内无人抢答该题作废，裁判台上警示灯点亮同时蜂鸣器响三秒 停止，再按抢答键无效；在抢答时间内如果有人抢答，显示器显示对应组号码， 对应选手台上的显示灯亮。抢答成功后，裁判根据选手答题是否正确给选手打 分。选手答对得一分，答错不得分。如果选手答题正确，裁判台上的绿灯亮。 当这次答题结束后，主持人次按复位键后，开始进行新一轮抢答。全场积分最 高的队伍获得胜利。 二系统硬件设计 2.1 系统的功能及原理 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。知识竞赛抢答器有十个输入信号（即十个按钮） ，十六个 输出信号（即一个音响信号，其余为数码管输出信号） 。 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。 2.2 系统组成框图 2.3 流程图设计 当裁判按下开始按钮时，五个参赛对处于抢答状态，若无人抢答，9 秒过 后蜂鸣器响三秒，裁判台警示灯亮，裁判按下复位新一轮答题开始。如果 9 秒 内有人抢答，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，则由裁判进行对应的计分操作，答题结束。 流程图如下图所示： 2.4 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 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 开始按钮SB0X0蜂鸣器HAY0 为了硬件电路接线方便，SB0 抢答的开始按钮，对应输入点为 X0；SB1 为 一号参赛抢答按钮，对应输入点为 X1；SB2 为二号参赛抢答按钮，对应输入点 为 X2；SB3，SB3，SB4 分别对应后面三个参赛对号，输入点分别 X3、X4、X5；SB6 为计分按钮，对应输入点为 X6；数码管 1 显示输出点为 Y1- Y7。数码管 2 显示输出点为 Y10-Y17。 2.5 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： 1 号赛台抢答器按钮SB1X1数码管 1 a1 Y1 2 号赛台抢答器按钮SB2X2 b1Y2 3 号赛台抢答器按钮SB3X3c1Y3 4 号赛台抢答器按钮SB4X4d1Y4 5 号赛台抢答器按钮SB5X5e1Y5 计分按钮SB6X6f1Y6 复位按钮SB7X7g1Y7 数码管 2a2g2Y10Y17 2.6 数码管显示部分 为了使 LED 数码管显示不同的数字，要把某些段的发光二极管点亮，这样 就要为 LED 数码管提供代码，因为这些代码可使 LED 相应的段发光，从而显示 不同字符，这些代码也称为段码。本设计采用的是共阴极接地，该数码管外形 及引脚如下图所示 ；其具体显示字符及共阴极段码如下表 2 所示: 抢答器的传送数据 显示数字共阴极段码 gfedcba 0H3F0111111 1H060000110 2H5B1011011 3H4F1001111 4H661100110 5H6D1101101 6H7D1111101 7H70000111 8H7F1111111 9H6F1101111 三 系统软件程序设计 3.1 定时器、计数器的选择 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 T0T199， 共 200 点，设定值：0.1 3276.7 秒； 10 ms 定时器 T200TT245，共 46 点，设定值：0.01327.67 秒； 1 ms 积算定时器 T245T249，共 4 点，设定值：0.00132.767 秒； 100 ms 积算定时器 T250T255，共 6 点，设定值：0.13276.7 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： 定时器定时时间功能 T0 9S 控制无人抢答时蜂鸣器响 T2 3S 控制蜂鸣器响三秒 T3-T12 1S 十秒倒计时 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 C0C99。 3.2 梯形图各主要模块及说明 （1）主持人按下按钮 X0，抢答开始，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 （2）用数码管来显示组号，其对应数码管段码的梯形图如图 （5）用计数器 C1C5 分别来存储对应五组选手的答题分数，其梯形图如图 （6）通过计数器来显示选手的分数，如图 （7）九秒倒计时，如图 四系统调试 4.1 硬件调试 （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，抢答 9倒计时开始计时，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 4.2 调试过程中的问题及解决 在 PLC-型实验台上按图 2.3PLC 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，最后设计出来。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。 5 结果分析及展望 5.1 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 M8。M8 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