知識競賽搶答器的PLC控制設(shè)計

1、知識競賽搶答器的plc控制設(shè)計摘要知識競賽搶答器是當今知識搶答競賽等活動中必不可少的東丙。在科技飛速發(fā)展的 今天，一個高效率且穩(wěn)定的知識競賽搶答器保證著競賽的公平和公正。雖然市面上有很多種 類的知識競賽搶答器，但其屮絕大部分都是平期用邏輯電路設(shè)計生產(chǎn)的。但足由邏輯電路設(shè) 計而成的搶答器會具有一定的缺陷：比如說，當許多人同時搶答的時候，搶答器會輸出優(yōu)先 級相對較高的那個號碼，這樣就是導致比賽變成不公平的比賽。因此，一個性價比合適、能 保證絕對公平的知識競賽搶答器設(shè)計對當今社會的搶答節(jié)目等十分重要。本文以plc控制 為核心設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案，在保留了原始

2、搶答器的基本功能的同時又增加一系列的實用功能并簡化其電路結(jié)構(gòu)。該搶答器控制靈活、 方便，而且穩(wěn)定性極好，能很好的保證比賽的公平性。只要修改plc的控制程序就可以改 變搶答參數(shù)，這樣就可以不斷完善搶答的公平性和公正性。關(guān)鍵詞:知識競賽搶答器；plc;七段數(shù)碼管；i/o分配刖 目搶答器是指在競賽、問題娛樂活動（搶答活動）中，能夠準確、公正、直觀地判斷出搶 答者的機器。為提高素質(zhì)或競賽選拔，各行業(yè)經(jīng)常舉辦智力、知識競賽，由于其競賽沒有好 的軟件系統(tǒng)支持，在很多情況下都依靠主持人的臨場發(fā)揮，選手和觀眾渴望的類似電視節(jié)0 的效果也難以得到實現(xiàn)。在科技飛速發(fā)展的今天，一個高效率且穩(wěn)定的知識競賽搶答器保證

3、著競賽的公平和公正。第1章當前知識競賽搶答器的現(xiàn)狀生活屮，競賽搶答器的應(yīng)用很多，在現(xiàn)在的市囬上也有很多種不同類型的搶答器，這些 搶答器大部分是早期川邏輯電路設(shè)計而成的，但是由邏輯電路設(shè)計而成的搶答器會具有一定 的缺陷：比如說，當許多人同時搶答的時候，搶答器會輸出優(yōu)先級相對較高的那個號碼，這 樣就是導致比賽變成不公平的比賽。而且隨著功能的增多，電路也越復雜，并且成本偏高, 故障率高，顯示方式簡單或者沒有，無法準確判斷搶按按鈕的行為，也不便于參數(shù)調(diào)節(jié)及其 功能的升級換代。另外還有一些plc和單片機控制的知識競賽搶答器。當今社會，單片機 和plc的應(yīng)用不斷深入，鑒于單片機和plc控制的優(yōu)點，以單片機

4、和plc為控制核心的部 件成為了當今社會的主流。尤其是plc的發(fā)展，力建立一個優(yōu)秀的知識競賽搶答器提供了條件和發(fā)展平臺。傳統(tǒng)的普通搶答器主要存在以丁缺點：1. 每一次搶答的時候，普通搶答器只能捕捉違規(guī)的信號，但是無法對正常搶答的信號進 行處理，這樣使正常搶答的人員成為該輪答題無效的受害者。2. 當出現(xiàn)多個違規(guī)搶答的時候，優(yōu)先編碼電路只能選擇其中一個，或利用搶答電路電子 元件的“競爭”選擇其中一個。對于后者由于搶答電路制作完畢后電子元件被固定，各路搶 答信號的“競爭”能力也被固定，因而本質(zhì)上也有優(yōu)先權(quán)。搶答器會輸出優(yōu)先級相對較高的 那個號碼，這樣就是導致比賽變成不公平的比賽。3. 當出現(xiàn)多個違規(guī)

5、搶答的時候，普通搶答器只能“抓住”其中一個違規(guī)者，而使其他的 違規(guī)者得以逃脫相應(yīng)的處罰。因而出現(xiàn)了 “漏洞”。如今興起的以plc為控制核心的知識競賽搶荇器，除了能彌補傳統(tǒng)搶荇器僅有的搶答 功能外，還會對搶答信號進行分析，nj以方便的實現(xiàn)多路搶答，并可以通過一系列的運算來 方便的顯示答題隊號，搶答時間等信息內(nèi)容，可以讓整個比賽充滿視覺和聽覺的效果。第2章可編程控制器(plc)的概念隨著當今科技的發(fā)展，plc (可編程控制器)的發(fā)展愈發(fā)蓬勃。plc是一種專門在工業(yè) 環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。自從美國dec公司1968年研制成世界上第 一臺可編程控制器到現(xiàn)在，plc技術(shù)得到了飛速的發(fā)

6、展，在美國、日本、德國、法國等工 業(yè)發(fā)達國家己經(jīng)發(fā)展成為重要的產(chǎn)業(yè)。鑒于plc具有操作簡單，成本低等眾多的優(yōu)點，現(xiàn) 已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。它以微處理為核心，用編寫的程序不僅可以進行邏輯控 制，還可以定時、計數(shù)和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設(shè)備 或生產(chǎn)過程。美國電氣制造商協(xié)會經(jīng)過4年調(diào)查，與1980年將其正式命名為可編程控制器 (programmable controller),簡寫為pc。后來由于pc這個名稱常常被用來稱呼個人電腦 (personal computer),為了區(qū)別，現(xiàn)在也把可編程控制器稱為plc。2. 1 plc的簡介plc是專為在工業(yè)環(huán)境下

7、應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝賈，它采用一類可 編程的存儲器，用于其p、j部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等 而向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。就plc的本質(zhì)來說，其實plc就是一個以嵌入式系統(tǒng)cpu為核心并且配備了一系列 輸入、輸出模塊從而制造出來的一個可以方便應(yīng)用于工業(yè)控制的裝罝。通過plc及其相應(yīng) 的機器人設(shè)備和配套的人機界面可以方便的實現(xiàn)現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的自動化控制。2. 2 plc的基本結(jié)構(gòu)鑒于plc為專門作為工控汁算機的本質(zhì)，它的基本結(jié)構(gòu)跟微型計算機基本相同。它的 結(jié)構(gòu)包括有：電源、cpu、存儲器、輸入輸出接口電路、

8、功能模塊、通信模塊。電源一般可以直接接到交流電網(wǎng)中去。cpu作為一個系統(tǒng)的決策機構(gòu)非常重要，為了提高可靠性，有些plc更是采取雙cpu 甚至三cpu的系統(tǒng)，這樣在一個cpu出故障的時候，設(shè)備仍然可以運行。存儲器有兩種，一種是存放系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)程序存儲器，還有一種是存放應(yīng)用軟件的用 戶程序存儲器?，F(xiàn)場輸入接口電路巾光耦合電路和微機的輸入接口電路，現(xiàn)場輸出接口電路巾輸出數(shù)據(jù) 寄存器、選通電路和中斷請求電路集成。功能模塊和通信模塊更包括了多種功能來適應(yīng)當今工業(yè)發(fā)展的要求。2. 3 plc的工作原理當plc投入運行后，其工作過程一般分為三個階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸岀 刷新。這樣從輸入采樣到用戶

9、程序執(zhí)行到輸出刷新整個階段被稱為一個掃描周期。工作過程 中，plc以一定的速度重復著一個又一個的掃描周期。在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將 它們存入i/o映象區(qū)屮的相應(yīng)的單元6。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階 段。在這兩個階段屮，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，1/0映象區(qū)屮的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù) 據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期, 才能保證在任何怙況下，該輸入均能被讀入。在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按巾上而下的順序依次地掃描梯形圖。掃 描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的巾各觸

10、點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、 先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該 邏輯線圈在系統(tǒng)ram存儲區(qū)屮對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區(qū)屮對應(yīng)位 的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形閣所規(guī)定的特殊功能指令。當掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按 照i/o映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)裾刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外 設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。2. 4 plc的功能特點經(jīng)過多年的發(fā)展，plc已經(jīng)具備以下特點：1. 使用方便，編程簡單采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，不需要人

11、:w:復雜的計算機知識，因此 系統(tǒng)的開發(fā)周期相對短，現(xiàn)場調(diào)試也比較容易。另外，plc程序的修改也十分的方便，不 需要拆動線路，只要修改相應(yīng)的程序，就可以達到改變控制的效果。2. 功能強大，性價比高一臺小型plc內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非 常復雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價比。除了剛開始的開 關(guān)fi的控制功能外，plc還具有運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)等眾多優(yōu)秀的 功能。plc可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集屮管理。3. 配套的硬件齊全，使用方便，適應(yīng)性強plc產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)標準化、系列化、模塊化，配備有各種類型的硬件裝罝

12、給用戶選用,用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，來組成各種不同功能和規(guī)模的系統(tǒng)。plc的安裝接線也 很方便，一般用接線端子連接外部接線即可。plc能帶的負載能力較為強悍，可以直接驅(qū) 動一般的電磁閥和小型交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改相應(yīng)的程序，從而改變相應(yīng)的反應(yīng)，使得系統(tǒng)能夠很好 的適應(yīng)各種環(huán)境的變化。4. 可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，很各易就會出現(xiàn)各種因 觸點接觸不良而引發(fā)的各類故障狀況。plc用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器， 只剩k與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，這樣就大幅度減少了相應(yīng)的接線，從而大幅度的 減少了那些因為觸點接觸

13、不良而帶來的m題，提高plc的可靠性與此同時，plc采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均 無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，plc己被廣大 用戶公認為最可靠的工業(yè)控制沒備之一。5. 開發(fā)系統(tǒng)的工作量少plc用軟件功能取代了繼電器校制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等 器件，這樣就免去了復雜的控制柜的設(shè)計工作，同時也節(jié)省了安裝接線的時間。plc的梯形圖程序可采用經(jīng)驗設(shè)計法以及順序功能圖來實現(xiàn)。尤其是順序工程圖的方 法，這種編程方法很有規(guī)律，所以相對比較容易掌握。當設(shè)計一個比較復雜的控制系統(tǒng)時, 通過梯形圖的編寫來實現(xiàn)功能相對比較界

14、易，而傳統(tǒng)繼電器電路的設(shè)計rh于太過復雜而太費 時間。當完成一個系統(tǒng)所需的plc梯形圖編程時，我們可以先用計算進使用相應(yīng)的軟件進行 仿真，這樣可以非常直觀的了解系統(tǒng)的功能以及所存在的問題，使用這種方法來調(diào)試整個系 統(tǒng)相對于調(diào)試整個繼電器電路要方便的多，從而更加節(jié)約了時間。6. 維修方便plc發(fā)生故障的概率非常之低，可以說是當今工業(yè)控制中，故障率最低的控制器。當 plc發(fā)生故障或者外部連接設(shè)備發(fā)生故障時，plc都會通過自帶的發(fā)光二極管來顯示相應(yīng) 的信息。如果真的有相應(yīng)的模塊出了故障，只需要更換模塊，不需要龐大的檢測和維修工程。鑒于plc具有如此之多的功能和特點，在科技飛速發(fā)展的今天，plc得到了

15、非常廣泛 的應(yīng)用。2. 5 plc的種類plc按地域來分主要分成主要分力三大地域流派：美國產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品、日本產(chǎn)品。 當然當今科技發(fā)展迅速，我國國產(chǎn)的歐姆龍等plc品牌以及其他國家的一些品牌也在迅速 的發(fā)展。其屮歐洲和美國的產(chǎn)品互相獨立研發(fā)，因此差異比較大，而日本的產(chǎn)品技術(shù)從美國 引進，因為繼承了美國產(chǎn)品的-些特性。不過就三個地域流派的plc產(chǎn)品而言，美國和歐 洲以巾大型plc而聞名，日本則以小型plc而聞名。plc按照i/o點數(shù)來分又分成：小型plc、巾型plc和大型plc三種。點數(shù)在256點 以下的為小型plc,它具備有plc的所有功能，但是點數(shù)和容量等各方面參數(shù)相對較低。點數(shù)在256-2

16、048點范圍內(nèi)的為中型plc,相對于小型plc而言，它的通信功能更加強大， 指令系統(tǒng)也有所增加，各方面參數(shù)都有所加強。點數(shù)大于2048點以上的為大型plc，相對 于中型plc,它的功能又進一步加強，而且采用多cpu技術(shù)，提高plc的可靠性。這些劃 分沒有十分嚴格和明確的界限，隨著當今世界plc技術(shù)的快速發(fā)展，一些小型plc也慢慢 具備了中型plc和大型plc的功能，這是plc的發(fā)展必然趨勢。plc按照結(jié)構(gòu)形式來分又分為：整體式（單元式）和組合式（模塊式）兩種類型。整 體式plc結(jié)鉤相對獨立，整體式結(jié)構(gòu)的plc結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便。這種 結(jié)構(gòu)通常被小型plc所采用。組合式plc結(jié)構(gòu)

17、相對模塊化，它將各個plc的基本單元做成 各種類型的模塊，組合式plc配置靈活，輸入/輸出接點的數(shù)量可以自由選擇。這種結(jié)構(gòu)一 般被中大型plc所采用。2.6 plc的用途在plc發(fā)明的初期，它的價格相對以其他繼電裝置來說是十分昂貴的，所以它的使用 在當時沒有得到普及。但是在當今社會，隨著微處理技術(shù)的提高，而且相應(yīng)的設(shè)備價格也不 斷的下降，plc被越來越多地使用到各個場合。尤其在德國、法國、円本等國外發(fā)達國家, plc的使用己經(jīng)普及到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。按照plc在各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域屮的應(yīng)用所起到的功能而言，plc的應(yīng)用可以分成以下 兒種類型：運動控制型：在目前的工業(yè)生產(chǎn)屮，拖動用的步進電機和伺服

18、電機相應(yīng)設(shè)備比較多，而 plc能夠精確地掃描目標位置的信息，然后反應(yīng)給相應(yīng)的與電機連接的軸，使軸移動到相 應(yīng)的位置。順序控制型：可以說順序控制是plc應(yīng)用最為廣泛的方而。由于plc的眾多優(yōu)點，用 其來替代傳統(tǒng)的各種繼電器的順序控制是最好不過的了。就這方而而言，包拈有單機校制， 多機群控，還有各類生產(chǎn)線的自動化控制等。這方而的例子舉不勝舉，比如說：自動化的注 塑機、各類自動化的組合機床、各類自動化裝備流水線以及電梯等。數(shù)據(jù)處理型：在機械加工屮，出現(xiàn)了把支持順序控制的plc和計算機數(shù)值控制（cnc） 設(shè)備緊密結(jié)合的趨肉。國外一些發(fā)達的國家正在嘗試將cnc的控制功能作為plc功能的一 部分。比如說円

19、本fanuc公司所推fli的systenlo、11、12系列，美國ge公司等都在嘗試 能做出帶有數(shù)據(jù)處理類型的plc.閉環(huán)過程控制型：即將pid控制模塊與plc控制結(jié)合起來的方式，來實現(xiàn)一個帶pid 控制的plc。這樣plc就可以以閉環(huán)控制的方式來更好的控制（溫度、壓力、速度等）各 類物理垃。通信聯(lián)網(wǎng)型：隨著科技的發(fā)展，工業(yè)上很多地方逐漸需要用到plc與plc、plc與上 級計算機之間的通信功能。這主要表現(xiàn)在集散控制系統(tǒng)、工廠自動化系統(tǒng)等。為了配合相應(yīng) 的發(fā)展，plc拓展了許多功能，通信聯(lián)網(wǎng)只是其中的一部分而己?，F(xiàn)如今鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等 非常

20、眾多的行業(yè)都有在使用plc,因為它不僅性能好，而且使用壽命長，有著非常眾多的 優(yōu)點。第3章整體方案的構(gòu)思所謂知識競賽搶答器，其主要用途就是在比賽時看誰反應(yīng)敏捷，讓對手們互相比思維反 應(yīng)快慢的電子產(chǎn)品。改革開放以來科技逐漸的發(fā)展，在當代科技的發(fā)展更是日新月異，發(fā)展 的速度十分驚人。在強大的科技女榨下，知識競賽搶答器的使用也逐漸的增多，而且知識搶 答器的功能也逐漸的完善著，并且搶答器的可靠性也越來越高。就現(xiàn)在來看，知識競賽搶答 器己經(jīng)應(yīng)用于電視臺各種問答節(jié)目、學校和企業(yè)等各單位所舉辦的智力節(jié)目、股票證券等各 類金融商業(yè)機構(gòu)等方而。它在提尚我們綜合素質(zhì)的同時也更加豐富了我們平時的娛樂生活。 而我選擇

21、plc來控制知識競賽搶答器主要是因為以下兒點原因：第一、當代搶答器功能十分多樣化，plc能為當代搶答器的多樣化功能提供一個優(yōu)越 的技術(shù)平臺。第二、plc控制非常方便、靈活，它可以在不改動布線的惜況下，修改plc控制程序 來方便的達到各種搶答效果。第三、plc的布線也相對簡單，可適應(yīng)多種場合進行布線。3.1知識競賽搶答器的控制要求(1) 本知識競賽搶答器可以支持4個搶答小分隊進行搶答。(2) 裁判所在的位賈為裁判臺，4個參賽小隊所在的為各參賽臺。裁判臺有開始搶答 按鈕sbo和復位按鈕sb5, 4個參賽臺上分別有各自的搶答按鈕，每個參賽小隊的參賽臺上 還有各自的指示燈和記分牌。整個賽場還有搶答成功

22、小隊的隊號示器以及示搶答時間和 答題時間的時間顯示器，另外賽場還有專門的提示咅響來作為搶答成功時的提示咅。(3) 該知識競賽搶答器的使用規(guī)則：在出題后，各個參賽小隊必須在裁判說“開始” 并按下開始搶答按鈕后的0-15s內(nèi)進行搶答，否則視為無效搶答。為考慮到有人提前搶答而 犯規(guī)的情況，本設(shè)計刻意考慮到了防提早搶答的動作。即只有當裁判按下開始搶答按鈕時， 參賽臺的搶答按鈕才有功效。如在開始搶答15s pt沒有參加小隊搶答，則將該小題視為作 廢。并由裁判按復位按鈕進行復位來進行下一輪的搶答。若在開始搶答的時間a有參賽隊搶 答，則參賽小隊同樣必須在15sp、j回答出相應(yīng)的答案，然后由裁判臺判定給記分牌

23、計分，并 按位按鈕位來啟動下一輪搶答。(4) 各指示燈配合音響的含義：丨、各小隊指示燈滅：該情況下各小隊的搶答按鈕均無法產(chǎn)生效果。2、各小隊指示燈亮但無音響提示音：該情況下是指裁判剛按下開始搶答按鈕的后，即 各參賽小隊開始搶答。在搶答有效時間15秒a無音響提示則該題作廢，進入下一輪。3、一個小隊指示燈亮，其他小隊指示燈熄滅，ii有音響提示1秒鐘：該情況表示該小 隊搶答成功，有15秒的時間進行回答。并在答題結(jié)束后由裁判給分。(5) 每輪搶答結(jié)束后，裁判都需要手動按下s位按鈕sb5,使知識競賽搶答器處于準 備搶答的狀態(tài)，為即將進行的下一輪搶答做好準備。(6) plc的每個輸出端口都采用24v的直流

24、穩(wěn)壓電源，保證電源的穩(wěn)定性來確保plc 使用時的穩(wěn)定性。(7) 每一輪搶答結(jié)束后由裁判手動為成功搶答的參賽隊伍進行加減分。3.2方案的選擇在現(xiàn)代自動化控制中，數(shù)單片機和plc兩類產(chǎn)品控制的效果最好。因為它們都具有強 大的功能實現(xiàn)能力。在對兩種類型的控制系統(tǒng)進行比較后可以得岀最佳的選擇方案。就單片機的本質(zhì)而言，單片機就是當代社會依靠超大規(guī)模的集成電路技術(shù)，將cpu和 相對應(yīng)的其他外圍芯片集成形成一個小型甚至微型的計算機系統(tǒng)。而且單片機所需要的編程 語言相對較為復雜。由于在實際的生產(chǎn)屮單片機具有很多的限制，因此當今工業(yè)屮很少有用 單片機控制的，它的應(yīng)用領(lǐng)域主要在一些小型的儀表方而。在現(xiàn)代工業(yè)屮，p

25、lc才是應(yīng)用 的主流產(chǎn)品。從產(chǎn)品可靠性、對應(yīng)電路擴展性、對設(shè)備的維護、智能化程度等方而來比較單片機和 plc可以發(fā)現(xiàn)眾多plc的優(yōu)點：產(chǎn)品可靠性：就現(xiàn)在的惜況來看，plc中的cpu都是各自廠家專門設(shè)計專門用來控制 工業(yè)自動化的處理器。與plc配套的其他各類元件也是直接向設(shè)備供應(yīng)商們買的，都是專 門用來控制工業(yè)自動化的高性能元件。而且plc的電源模塊也是為了配合工業(yè)使用而專門 設(shè)計的，抗干擾性能十分的優(yōu)秀。但是單片機的情況就相對較差，目前國內(nèi)市場屮單片機芯 片的質(zhì):k很不穩(wěn)定。雖然國內(nèi)市場屮也有許許多多的單片機芯片，但是國內(nèi)市場屮流通的單 片機芯片很多都是在國外篩選過以后才進入我國的次品。而且需

26、要與單片機連接的一些元件 的參數(shù)離散性較大，比如電阻的阻值、電容的電容量等參數(shù)。另外，不是大規(guī)模批量生產(chǎn)的 小產(chǎn)品不會經(jīng)過一些配對的高等技術(shù)處理，但是只要電路中有一個參數(shù)有所誤差就會導致整 個系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至崩潰。而且r前單片機的抗干擾性能都比較差。因此，單片機的穩(wěn)定也 就大打折扣。所以說plc的可靠性要遠商于單片機的可靠性。電路擴展性：plc控制系統(tǒng)主要是通過對plc的各個功能模塊的編程來達到相應(yīng)的輸 出要求。如果要在plc控制電路屮添加其他功能的話，只要添加功能模塊和修改程序就可 以輕松達到目的。不需要大費周章地重新設(shè)計。但是單片機對于整個系統(tǒng)的控制方式就完全 不同。就單片機而言，用單片機

27、控制所設(shè)計的電路都是因某種特定的功能需要而設(shè)計的特種 電路。如果要在單片機電路中添加其他的功能，那就必須重新設(shè)計相應(yīng)的單片機電路?？梢?plc的擴展性要遠高于單片機。對設(shè)備的維護：plc系統(tǒng)具有較為強大的故障檢測系統(tǒng)，在設(shè)備運行時一旦!li現(xiàn)與系 統(tǒng)運行不符的情況，很容易通過故障的現(xiàn)象來確認哪里的元件出了問題。這樣維護起來就十 分的方便。即使是因為編程不當而引起的故障現(xiàn)象也可以很方便的根據(jù)調(diào)試系統(tǒng)來修改程 序，不需要大費周章地對元器件進行處理。但是單片機系統(tǒng)沒有先進的故障提示系統(tǒng)。如果 單片機設(shè)備在運行中fli現(xiàn)了問題，這將浪費維修部人員大量的時間來確認到底是哪里出了問 題。一般怡況下，當單片

28、機設(shè)備山了問題，最簡單的辦法就是把整個單片機系統(tǒng)換掉。但是 這樣做的話就會大大提高對設(shè)備的維護費用。很明顯，plc控制設(shè)備在故障時對設(shè)備進行 維護的處理也要大大簡單于單片機設(shè)備，而且費用也低。智能化程度：plc控制系統(tǒng)通過觸摸式的操作平臺，有十分和諧的人機界而，相應(yīng)的 顯示器也比單片機的led顯示器大得多，因此可以在人機界而上設(shè)計各種相應(yīng)設(shè)備的操作 說明。一般情況來說，就算是一個沒有接觸過plc控制系統(tǒng)的新人也可以按照對應(yīng)的提示 來對設(shè)備進行操作。操作的相對簡單，容易上手。而這個特點更是符合了當代工業(yè)對操作工 的要求。在最初設(shè)備程序設(shè)定的時候，nj以設(shè)定成當設(shè)備發(fā)生故障和各類問題時，界面自動

29、跳轉(zhuǎn)到故障提示畫面，并在畫面上顯示問題的所在以及排除對應(yīng)悶題的方法。這樣維修部的 人員可以快速的將出現(xiàn)的問題處理掉，更甚至一些小問題只要有公司授權(quán)的情況下不需要維 修部的人員，操作工就可以a己來解決。這對提高公司的生產(chǎn)效率和節(jié)省成本方面具有明顯 的促進作用。而單片機系統(tǒng)采用a己設(shè)計的傳統(tǒng)鍵盤來進行操作，用傳統(tǒng)的撥碼方式來進行 各種參數(shù)的設(shè)定，用led顯示器來顯示系統(tǒng)的內(nèi)容。整個系統(tǒng)的控制面板看起來十分的復 雜。而且單片機的操作按鍵往往比較少，很多時候用一個按鍵來表示不同的功能。不懂具體 控制電路的人可以說根本無法操作，即使宥操作說明書在手，操作起來也十分的麻煩。就h 前單片機和plc的發(fā)展情況

30、來看，plc要比單片機先進很多。從以上兩種控制器的比較來看，簡單得可以將單片機的特點描述為價格便宜、不可靠、 發(fā)展空間小、維護麻煩、操作復雜，而plc的特點為價格較貴、可靠性高、發(fā)展空間巨大、 容易維護、操作簡單。因此，最終我決定采用plc控制系統(tǒng)作為本搶答器沒計的控制系統(tǒng)。第4章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4. 1控制方案川plc作力控制器來設(shè)計的知識競賽搶答器，其本質(zhì)就是以裁判臺和參賽臺的搶答按 鈕作力輸入信號，然后通過事先對plc進行合適的編程從而得出相應(yīng)的輸出結(jié)果。而本次 設(shè)計有叫個參賽隊伍，因此，本知識競賽搶答器有裁判臺的開始搶答、復位和叫個參賽臺的 搶答按鈕這六個輸入信號，有一個音響、四個參賽

31、臺的指示燈、一個隊號顯示數(shù)碼管、兩個 時間顯示數(shù)碼管這八輸出信號。也就是說plc總共有6個輸入信號和8個輸出信號。由此可以得出大概的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：顯 參賽隊隊號開始搶答按鈕sbo |廠 示時間顯示十位器時間顯示個位1隊搶答按鈕sb12隊搶答按鈕sb2=> plc =>蜂鳴器3隊搶答按鈕sb31隊臺燈4隊搶答按鈕sb4f2隊臺燈3隊臺燈sb5 r4隊臺燈圖4.1系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖4.2選擇合適的plc型號目前在市場上流通的plc多種多樣，他們的參數(shù)功能也有較大的差異，它們的價格也 有較大的差異，因此選擇一個合適的plc機型能很好的降低成本，以保證整個控制系統(tǒng)有 一個良好的性價

32、比。進行plc系統(tǒng)設(shè)計時，在確定plc的控制方案后，第二步要做的就是plc的選型。工 藝流程的特點和應(yīng)用要求是對plc進行選型的主要依據(jù)。在對plc進行工程設(shè)計選型的時 候，必須仔細分析各個工藝流程和控制要求，制定出完成整個控制過程所需要的步驟。然后 按照控制要求來具體估算確定需要用到的plc的輸入輸出點數(shù)、所需plc的存儲容以、所 需plc的功能要求以及外部連接設(shè)備的一些要求。通過以上一系列的分析，然后確定出性 價比最為合適的plc型號以及整個控制系統(tǒng)。具體的估算方法如下：(1) 輸入輸岀點數(shù)的估算：在完成當前控制所需點數(shù)的基礎(chǔ)上再增加10%-20%以保證 plc有足夠的擴展空間。(2) 存

33、儲容量估算：存儲容的估算沒有什么具體的計算公式，只要做到程序容量小 于存儲容量就可以了。存儲容量與輸入輸出點數(shù)一樣，也需要增加一定的余u來保證plc 有足夠的擴展空間。在滿足功能要求的情況下就要試著考慮價格，使設(shè)計的系統(tǒng)達到一個最好的性價比。主 要我們需要考慮到以下幾點：plc可靠性的選擇：需在可靠性要求很高的系統(tǒng)中采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。plc機型的選擇：在一個企業(yè)內(nèi)，plc的選擇最好是同一個機型的。因為機型統(tǒng)一的話就可以使各個plc模塊互為備用，方便采購和管理；而且機型統(tǒng)一的話各個plc的功能 和操作沒有太大的區(qū)別，這樣方便技術(shù)人員的培養(yǎng)，也有助于技術(shù)的提島；機型統(tǒng)一的情況 下，它們就更

34、加容易互相聯(lián)網(wǎng)通信，形成一個多級控制系統(tǒng)。plc功能的選擇：一般來說只需要幵關(guān)控制的系統(tǒng)每個plc都可以滿足要求。但是 現(xiàn)代控制中需要具有的功能越來越多，因此選擇一個功能合適的plc也十分重要。小型plc 一般有邏輯運算、計數(shù)、定時等功能，還有一些功能增強型的具有數(shù)據(jù)傳送、加減法運算等 功能。這類plc通常運用在開關(guān)量為主但是有一定模擬量控制的系統(tǒng)。另外的一些中大型 plc功能更為強大，還具有通信聯(lián)網(wǎng)等功能，因此它們的價格也十分昂貴。這類plc主要 應(yīng)用在需要閉環(huán)控制、pid控制、需要通信聯(lián)網(wǎng)的一些大型系統(tǒng)屮。plc結(jié)構(gòu)類型的選擇. plc的類型按結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩大類。就整體式而言 輸

35、入輸出點數(shù)固定較少，對于我們來說沒有多少的選擇余地，一般用于小型plc控制系統(tǒng)。 模塊式就相對較為靈活，選擇余地也較大，一般用于中大型plc控制系統(tǒng)。plc安裝方式的選擇：plc控制系統(tǒng)的安裝方式有集中式、遠程i/o式和多臺plc聯(lián) 網(wǎng)的分布式三種類型。每種安裝方式都有自己的優(yōu)缺點。就集中式而言，集中式不需要考慮 到遠程i/o問題，整個系統(tǒng)的反應(yīng)快、系統(tǒng)的成本也較低；而遠程i/o式主要應(yīng)用于大型系 統(tǒng)，整個系統(tǒng)屮所有裝置的分布范圍相對較大，遠程i/o式的主要特點是整個系統(tǒng)的控制需 要相應(yīng)的驅(qū)動器和遠程i/o專用的電源；多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式主要應(yīng)用在各個設(shè)備分別 獨立控制，但是又耑要有相互聯(lián)系

36、的情況，它的特點是plc必須具備通信功能才有可能實 現(xiàn)。plc響應(yīng)速度的選擇：一般來說每個plc都能夠滿足它所在應(yīng)用范圍內(nèi)的響應(yīng)耑要。 但是一旦出現(xiàn)要跨范圍使用plc時，就要慎重考慮這一點，比如要將小型plc應(yīng)用到大型 復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中。簡單來說，plc的響應(yīng)速度絕對不能慢丁系統(tǒng)控制要求。按照以上工程沒計對plc選型的原則以及我們平時所學的三菱plc的知識，最終我確 定用三菱公司的fx-2n-48mr型號的plc作為本次知識競賽搶答器沒計的控制器。4.3整個plc控制系統(tǒng)的流程為了避免在裁判按下開始搶答按鈕前有參賽隊伍搶先搶答,我們用相應(yīng)的編程措施將這 種惜況下的搶答按鈕變?yōu)闊o效。當裁判按

37、下開始搶答按鈕，四個參賽隊的指示燈都會亮起, 四個參賽隊就處于可以搶答的階段。然后看有無參賽隊伍進行搶答，如果沒有隊伍搶答，則 等搶答時間結(jié)柬后巾裁判復位進入下一輪。如果有隊伍搶答，則plc會判定哪個隊伍為最 先搶答的并通過指示燈和音響提示，并巾隊號顯示器顯示隊號。如果搶答成功的隊伍在規(guī)定 時間內(nèi)答題成功，則該輪答題結(jié)來，由裁判進行給分，復位進入下一輪。如果搶答成功的隊 伍在規(guī)定時間p、j沒有回答出相應(yīng)答案，則答題失敗，該輪搶答結(jié)束，巾裁判進行減分，復位 進入下一輪。4.4整個plc搶答器控制電路的設(shè)計按照搶答器的基本構(gòu)思，指示燈和提示音響可以直接接在plc的輸出端。在設(shè)計中采 用七段led數(shù)

38、碼管來作為搶答器的時間、隊號顯示器。由于流入七段led數(shù)碼管每段的電 流必須控制在5-loma，因此在七段數(shù)碼管與plc連接的時候必須加以限流電阻，從而保證 數(shù)碼管不會因為電流過大而燒壞。1. led數(shù)碼管簡介led數(shù)碼管是一種半導體發(fā)光器件，它的基本單元就是發(fā)光二極管?，F(xiàn)在市場上流通 的led數(shù)碼管分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管兩種。顧名思義，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管要 多一個發(fā)光二極管單元。led碼管的本質(zhì)就是將發(fā)光二極管的單元按共陰極或者共陽極的 接法，組成一個“8”字形狀，然后將另一段作為筆段電極。按照輸入信號的不同可以使七 段led數(shù)碼管s示出0-9的數(shù)字i容。與其他類型的數(shù)碼管相比，le

39、d數(shù)碼管具有使用壽命 長、能耗低、體積小、響應(yīng)時間短、亮度髙等眾多優(yōu)點，而且很重要的一點是led數(shù)碼管 能夠與ttl、cmos電路兼容。如此一來，它的應(yīng)用范圍就變得十分廣泛，可以應(yīng)用在當 代工業(yè)的多個領(lǐng)域。led數(shù)碼管的常見結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，其中(b)圖為共陰極接法、(c)圖為共陽極接法。g f a bi i iiiadabcdefg0ooo00i11 1(b)棚極後法0 <1» 1a b c d e f g共隨接法圖4. 2 led數(shù)碼管的常見結(jié)構(gòu)圖2丄ed數(shù)碼管的工作特點led數(shù)碼管的工作特點有以下兒點：第一、功耗低。工作電壓1.5-5v，工作電流為5-10ma，如果是高亮

40、度管的話工作電壓 和電流更小。這一特點非常符合當代社會節(jié)能減排的要求。第二、亮度高、響應(yīng)時間短、使用壽命忪。這一特點表明了 led數(shù)碼管的高性能水準。第三、led數(shù)碼管的每筆畫工作電流為5-10ma,電流過大就會燒毀。閃此在連接時需 要加限流電阻。這一特點表明了 led數(shù)碼管在使用時必須謹慎考慮流過電流的大小。3. 連接plc與led數(shù)碼管的限流電阻阻值計算由于led數(shù)碼管的一般工作電流為5-10ma,因此必須在連接時添加一個阻值合適的限 流電阻r。而我們對于限流電阻的計算有以下公式：r= (vo-v!) /ivq為加在整個led數(shù)碼管上的電壓，v,為加在led數(shù)碼管每一個筆畫上的壓降。一 般

41、來說¥1取21。而本次設(shè)計的plc采用的電源為24v直流穩(wěn)壓電源，plc的輸岀電壓為5v,通過數(shù) 碼管的電流為3ma,由上而的計算公式計算可得r的阻值約為1kq。因為我們有兩個時間 顯示數(shù)碼管、一個隊號顯示數(shù)碼管，一共三個七段數(shù)碼管，所以需要21個1kq的電阻。4. plc外部接線閣為了電路接線的方便，我將sbo作為裁判臺的開始搶答按鈕，與之相對應(yīng)的輸入信號 為x0。將sb1、sb2、sb3、sb4作為一至四隊各個參賽隊伍的搶答按鈕，與之對應(yīng)的 輸入信號為xi、x2、x3、x4。將sb5作為裁判臺的復位按鈕，與之對應(yīng)的輸入信號為x5。 然后用yl、y2、y3、y4四個輸出信號來控制一

42、至四隊各個參賽隊伍的指示燈，用輸出信 號y5來控制提示音響。用y10-y16七個輸出信號來控制s示搶答成功的參賽隊伍的隊號的 數(shù)碼管。用y20-y26七個輸出信號來控制顯示時間十位數(shù)的數(shù)碼管。用y30-y36七個輸出 信號來控制s示時間個位數(shù)的數(shù)碼管。三個led數(shù)碼管通過串聯(lián)電阻的方法直接與plc相 連接?？傻胮lc外部接線圖如k圖所示：sbosb1q-3-sb2sb3sb4sb5comxix25qyiy2y3cowy4x4x5y5cofvpy10ylly12y13com4yi4yi5y16c(jk>py20y21y22y23c()msy24y25y26com?y30oc)m)y3iy3

43、2y33y34y35y36cc)ivefx-2n4s*m<|v(;cspi-akhk-4ll +711<*71k + 79:ocf cl丄lc & lecmildive iledud圖4.3plc外部接線圖第5章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)的i/o分配表按知識競賽搶答器的控制要求，得出下表所示的i/o分配表：表5. 1 i/o分配表輸入信號輸出信號名稱代號對應(yīng)輸入點名稱代號對應(yīng)輸出點裁判臺開始按鈕sb0x0一隊指示燈eliy1一隊搶答按鈕sb1xi二隊指示燈el2y2二隊搶答按鈕sb2x2三隊指示燈el3y3三隊搶答按鈕sb3x3四隊指示燈el4y4四隊搶答按鈕sb4x4提示

44、音響by5裁判臺復位按鈕sb5x5隊號顯示器le1y10-y16時間十位數(shù)顯示器le2y20-y26時間個位數(shù)顯示器le3y30-y36為了電路接線的方便，我將sbo作為裁判臺的開始搶答按鈕，與之相對應(yīng)的輸入信號為x0。將sb1、sb2、sb3、sb4作為一至四隊各個參賽隊伍的搶答按鈕，與之對應(yīng)的輸入信號為xi、x2、x3、x4。將sb5作為裁判臺的復位按鈕，與之對應(yīng)的輸入信號為x5。 然后用yl、y2、y3、y4四個輸出信號來控制一至四隊各個參賽隊伍的指示燈，用輸出信 號y5來控制提示咅響。用y10-y16七個輸出信號來控制顯示搶答成功的參賽隊伍的隊號的 數(shù)碼管。用y20-y26七個輸出信號

45、來控制顯示時間十位數(shù)的數(shù)碼管。用y30-y36七個輸出 信號來控制顯示時間個位數(shù)的數(shù)碼管。5.2控制用的plc梯形圖因為本次設(shè)h我采用了三菱公司的fx-2n-48mr型號的plc,因此我采用三菱公司的 gx-developer軟件進行相應(yīng)的梯形圖編寫，并通過安裝gx-simulator插件來進行相應(yīng)的仿真。按系統(tǒng)控制要求所編寫的梯形圖如下圖所示：<y001<y002)<y003)<y004)一隊指示燈 二隊指示燈三隊指示燈四隊指示燈<m025485160x001ifcox002cohix003co1x004iy005ihcomohhto<y005k10<t0k2(co(y010)(y011)(y012y013提示音響搶答計數(shù)器有隊伍搶答 后的隊號顯 示復位功能 進入第二輪搶答<y014)<y015)<y016)m471x001-1(-ml)1-75x002hm2ih79x0031hm3-h h83x004hi-m4h卜a7x005 1coyuicoco<m3co<m4t15hht1 t4til t14t8 til t14了 2t3t4t8ift12t4t5t8t14t15:h139m0h-t1i 1c11 r145t11 11 1zrstmlm4zrstcoc2rsttorstt15(yo2