抢答器plc系统设计

课程设计（论文）题目抢答器PLC系统设计专业机械工程及自动化班级2008级01班学生指导老师时间2011/12/192012/1/5摘要随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生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，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体现）、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。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。关键词可编程控制器，抢答器，PLC目录第一章概述111PLC的由来及发展史112PLC的基本结构213PLC的工作原理3第二章抢答器系统设计分析4第三章硬件设计方案5第四章软件设计841设计梯形图842程序说明15心得体会17参考文献18第一章概述11PLC的由来及发展史PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大可编程控制器PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司DEC为美国通用公司GM研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段1早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2中期的PLC（70年代中期80年代中后期）在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。3近期的PLC（80年代中后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。12PLC的基本结构PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。1输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。2输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。4CPU单元CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。5其它接口单元其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件13PLC的工作原理一扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第二章抢答器系统设计分析PLC抢答器的控制要求及分析设计方案1抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示。2设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4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，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间05秒左右。5参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抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。6如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答。基于以上控制要求，采用欧姆龙公司的PLC为主要控制器。第3章硬件设计方案（即I/O配线图）I/O通道分配如下表所示表311I/O通道分配SB000主持人开关SB10011号选手按纽SB20022号选手按纽SB30033号选手按纽SB40044号选手按纽SB50055号选手按纽SB60066号选手按纽SB70077号选手按纽输入SB80088号选手按纽HR1008蜂鸣器HL110001号选手指示灯HL210012号选手指示灯HL310023号选手指示灯HL410034号选手指示灯HL510045号选手指示灯HL610056号选手指示灯HL710067号选手指示灯HL810078号选手指示灯HL91100HL101101HL111102HL121103HL131104HL141105HL151106HL161107时间倒计时数码显示HL171200HL181201HL191202输出HL201203选手编号数码显示注其中1100接数码显示LED管的1端1101接数码显示LED管的2端1102接数码显示LED管的4端1103接数码显示LED管的8端1104接数码显示LED管的1端1105接数码显示LED管的2端1106接数码显示LED管的4端1107接数码显示LED管的8端1200接数码显示LED管的1端1201接数码显示LED管的2端1202接数码显示LED管的4端1203接数码显示LED管的8端抢答器I/O接线图如下图所示SBSB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8COMCOMCOMCOMCOM24VHL2HL1HL5HL3HL4HL6HL7HL8HL9HL10HL11HL12HL13HL14HL15HL16HL17HL18HL19HL20HR220V图311抢答器I/O接线图第4章软件设计41设计梯形图如下所示00020005006TIM0002000500020002003TIM000200022000000100020000TIM00020001000TIM0002000100200020003004TIM000200032000400020004005TIM0002000600020007008TIM0002000720006000TIM000200060072000110001001100210032000010042000220003200042000520006200072000120002200002000220003200042000520006200072000020001200032000420005200062000720003200002000120002200042000520006200072000420000200012000220003200052000620007100510061007200052000020001200022000320004200062000720006200012000020002200032000420005200072000720000200012000220003200042000520006TIM0000300TIM000000TIM0001008TIM0010005000TIM001TIM001MOVTIM00020125313图411梯形图110020104110120105110420108110520109110620110110720111DMPX000012000025313110220106110320107所以程序如下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程序说明本次抢答器的设计由于是供8个代表队参赛使用，所以用了八个按钮，分别由SB1SB8来表示，主持人开关由SB来表示，由于此抢答器具有锁存与显示功能，所以梯形图设计中需要用互锁来实现，选手编号的显示我用了依照曾经做过的实验用了一个编码指令来实现。当主持人按下开关000时，定时器工作，显示器上显示选手编号和抢答时间，同时扬声器发出响声，持续时间05秒。同时八位选手开始抢答，在规定时间内抢答有效，若主持人没按下开关，则抢答无效，如果定时器时间到了以后，仍无人抢答，则TIM000动作，本次抢答无效。第五章心得体会本次课程设计的写作是在肖老师的指导下进行的。针对在写作过程中遇到许多的难题，肖老师都给以认真的解释，为此，向肖老师表示最衷心的谢意。我在这次课程设计中，学会了怎么去发现问题，解决问题。遇到不明白的问题都会积极的去询问老师，或者去找寻相关的资料。从中学到了很多知识。这次课程设计使我们有机会把我们的课堂理论知识运用到实际生活中，贴近生活，实现我们的人生价值。并且通过对知识的综合利用，加入个人的分析和比较，加深了了我们对理论知识的理解和运用。也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。虽然本次课程设计是自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多