基于點對點通信實現(xiàn)3組搶答器設(shè)計課程設(shè)計論文

1、. . . . 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)PLC技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計（論文）題目：基于點對點通信實現(xiàn)3組搶答器設(shè)計院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：學(xué) 號：學(xué)生：指導(dǎo)教師：起止時間：25 / 29課程設(shè)計（論文）任務(wù)與評語學(xué) 號學(xué)生專業(yè)班級設(shè)計題目基于點對點通信實現(xiàn)3組搶答器設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計任務(wù)：參賽的A，B，C 3人的桌上各有一個搶答按鈕，用3盞信號燈來顯示他們的搶答信號，主持人通過控制臺上的選擇開關(guān)控制比賽的進行，控制臺面板上有選擇開關(guān)SF0，開始搶答按鈕SF1，加分按鈕SF2，減分按鈕SF3。還設(shè)有LED顯示器實時顯示各組積分情況。1、比賽開始或宣布下一個題目之前，主持人要撥動一

2、次開關(guān)，使所有指示燈復(fù)位；2、為了控制搶答時間，搶答按鈕在15秒按下有效，超過15秒則無效；3、當(dāng)主持人公布題目后，并按下開始搶答按鈕，這時控制臺上的搶答計時指示燈亮。自此搶答有效，當(dāng)15秒到而無人搶答時，計時指示燈滅；4、最先按下按鈕的搶答者對應(yīng)的指示燈亮，與此同時，應(yīng)禁止另外3個搶答者燈亮；5、若回答正確，其積分器加10分，若回答錯誤，其積分器減10分；沒有得到搶答權(quán)的參賽組不能得到加分；6、LED顯示器同步顯示各組得分情況。最后各參賽組以積分多少論勝負(fù)。設(shè)計要求：1、系統(tǒng)需要4臺PLC，請選擇合適的PLC主機和擴展模塊，完成系統(tǒng)硬件接線圖；2、完成PLC 控制I/O 端口分配表以與整體程

3、序流程圖；3、按系統(tǒng)的控制要求，用梯形圖設(shè)計程序；4、按統(tǒng)一的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書在4000字以上。 技術(shù)參數(shù)：搶答按鈕在15秒按下有效，超過15秒則無效；積分器初值設(shè)置為50；LED顯示位數(shù)為2位?？刂瓢粹o額定工作電壓220V，約定發(fā)熱電流5A，PLC觸點壽命500000次，時間誤差0.5S。工作計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天）2、確定系統(tǒng)的輸入/輸出信號和類型，選擇PLC主機和擴展模塊。（1天）3、建立I/O分配表，完成PLC與輸入輸出信號的外部接線。（1天）4、按系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計系統(tǒng)的梯形圖。（3天）5、上機調(diào)試、修改程序、答辯。

4、（2天）6、撰寫、打印設(shè)計說明書（1天）指導(dǎo)教師評語與成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘要目前市場上的大多數(shù)的所謂智能搶答器多是早期設(shè)計型號，功能不全，大多只是帶有搶答鎖定的單一功能。而目前最近采用的一批搶答器型號，技術(shù)上也是越來越成熟，一般采用模擬電路或者數(shù)字電路控制，或者是模數(shù)結(jié)合的控制形式。目前比較先進的搶答器一般都具有倒計時、定時、自動（手動）復(fù)位、LED數(shù)碼管顯示、按鍵發(fā)光等多種復(fù)合功能。而我們都知道越是功能繁雜，工藝要求越是高，成本高，損壞檢修難度也相

5、對比較困難?；谑袌錾蠐尨鹌鞯倪@一情況，要想改變這樣的這樣的一個現(xiàn)狀，必須化繁為簡，節(jié)約成本，提高準(zhǔn)確率，而以PLC作為其核心部件來進行邏輯控制與信號的產(chǎn)生，用這一手段來達到最快最準(zhǔn)最簡的目的。本次設(shè)計的搶答器具備通信能力，各從站能與主站進行通信；它還具有顯示單元，能將各參賽隊的積分值進行實時顯示，并且將工作在交流電源下的按鈕與PLC主機進行了隔離，更加安全。它功能更強，性能更高，編程語言多樣化，抗干擾能力尤為強大，可靠性大為提高。使這套系統(tǒng)具備易用性和實用性。本次設(shè)計的基于PPI通信的三路搶答器具備了任務(wù)要求功能，能夠運用在各種競賽的場合，由于PLC的成本問題，本次設(shè)計的搶答器優(yōu)異的抗干擾能

6、力和出眾的穩(wěn)定性適合應(yīng)用在可靠性要求極高的場合，例如軍工航天等場合。為人們的日常生活帶來了方便，更為社會創(chuàng)造了價值。關(guān)鍵詞：搶答器；PLC；PPI通信目錄 第1章緒論1第2章方案論證32.1 系統(tǒng)分析32.2 I/O分析32.3 確定方案4第3章硬件設(shè)計53.1 主機和模塊選型53.2 連接與地址分配53.3 I/O分配73.4 外部接線圖8第4章程序設(shè)計114.1 流程圖114.2 梯形圖12第5章調(diào)試或仿真21第6章總結(jié)24參考文獻25第1章 緒論我國科技迅速發(fā)展，而電子行業(yè)這個新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更是日新月異，在很多行業(yè)和競爭場合都要求公正的快速裁決，例如體育競技、證券、股票交易，以與各種智力

7、競賽等。在現(xiàn)在的社會中，智力競賽更是作為一種生動活潑的教育形式和方法來引起觀眾和參與者的極興趣，在各種各樣的競賽中，往往有幾組或多組選手參加，這時主持人針對某個問題提問時，選手們都要經(jīng)過競賽搶答器來進行搶答。競賽搶答器是用于多人競賽搶答的器件，在現(xiàn)實生活中很常見，尤其是在隨著各種智益電視節(jié)目的不斷發(fā)展，越來越多的競賽搶答器被用在了其中，這種搶答器的好處是不僅能夠鍛煉參賽選手的反應(yīng)能力，而且能增加節(jié)目現(xiàn)場的緊、活躍氣氛，讓觀眾看得更有情趣?？梢姄尨鹌髟诂F(xiàn)實生活中確實很實用，運用前景非常廣泛。目前所使用的搶答器存在分立元件使用較多的特點，造成每路的成本偏高，而現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展要求電子電路朝數(shù)字化

8、、集成化方向發(fā)展，因此設(shè)計成數(shù)字化全集成電路的數(shù)字搶答器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求?，F(xiàn)在，常見的搶答器設(shè)計方案有3種：用繼電器設(shè)計、用數(shù)字電路設(shè)計、用單片機設(shè)計。利用繼電器或接觸器的常閉觸點互鎖的原理可以很容易的做成搶答器。但由于受到繼電器觸點數(shù)目的限制往往只能構(gòu)成四路以的搶答器，不能滿足參賽隊數(shù)的要求。并且利用繼電器設(shè)計的搶答器，體積龐大。利用數(shù)字電路中的優(yōu)先編碼器、鎖存器、譯碼器、計數(shù)器、定時器和七段式數(shù)碼管顯示器可以很容易組建出搶答器，但是，運用的元件很多，故障點也就會隨之增加，可靠性大打折扣。用單片機設(shè)計的搶答器具有電路簡單、功能齊全、制作成本低、性價比高的特點，是一種經(jīng)濟、實用的比賽所

9、用搶答器，但是它不具備通信能力，如果要求通信，再加上通信部分，整個電路會龐大不少，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將大大降低。本次設(shè)計另辟蹊徑，采用功能更加強大，性能更加穩(wěn)定的PLC（Programmable Logic Controller，意為可編程序邏輯控制器）。它功能更強，性能更高，編程語言多樣化，抗干擾能力尤為強大，可靠性大為提高。在本設(shè)計中，PLC擁有繼電器一樣的開關(guān)量互鎖組建搶答器的優(yōu)點，同時它優(yōu)秀的可拓展能力也克服了觸點數(shù)目的缺陷，它部資源豐富，兼具單片機運算的優(yōu)勢，又能進行通信，且可以多臺PLC互相通信，集運算、處理、顯示等功能與一身，外部只需將開關(guān)、按鈕、指示燈和顯示單元的七段式數(shù)

10、碼管顯示器接上即可組成穩(wěn)定、可靠的多路搶答器。在本設(shè)計中，PLC擔(dān)當(dāng)?shù)氖呛诵牡匚?，此次采用了四臺PLC組建基于PPI通信的多路搶答器，其中一臺PLC作為主站，其他三臺PLC作為從站，主站讀取其他三臺從站的信息，同時將搶答開始等信號寫入從站。主站供主持人操作，從站供各參賽隊進行搶答等操作，所有一切信息的讀取與處理、輸出均為PLC控制，其他器件僅為輔助作用。用到了平時所學(xué)的PPI通信，觸點的自鎖與互鎖，定時，計數(shù)和送顯示等知識點，加深了印象，鞏固了所學(xué)到的知識。第2章 方案論證2.1 系統(tǒng)分析經(jīng)過分析，參賽的A，B，C 3人的桌上各有一個搶答按鈕，并用3盞信號燈來顯示他們的搶答信號，還設(shè)有兩位七段

11、式LED數(shù)碼管顯示器實時顯示各組積分情況。主持人通過控制臺上的選擇開關(guān)控制比賽的進行，控制臺面板上有選擇開關(guān)SF0，開始搶答按鈕SF1，加分按鈕SF2，減分按鈕SF3，還有一個搶答計時指示燈L1。要求：1、比賽開始或宣布下一個題目之前，主持人要撥動一次開關(guān)，使所有指示燈復(fù)位；2、為了控制搶答時間，搶答按鈕在15秒按下有效，超過15秒則無效；3、當(dāng)主持人公布題目后，并按下開始搶答按鈕，這時控制臺上的搶答計時指示燈亮。自此搶答有效，當(dāng)15秒到而無人搶答時，計時指示燈滅；4、最先按下按鈕的搶答者對應(yīng)的指示燈亮，與此同時，應(yīng)禁止另外兩個搶答者燈亮；5、若回答正確，其積分器加10分，若回答錯誤，其積分器

12、減10分；沒有得到搶答權(quán)的參賽組不能得到加分；6、LED顯示器同步顯示各組得分情況。最后各參賽組以積分多少論勝負(fù)。2.2 I/O分析由分析可知，四臺PLC均只涉與到數(shù)字量I/O，并未涉與模擬量輸入輸出。對于主持人所在的主站，數(shù)字量輸入（DI）有4路，分別是選擇開關(guān)SF0，開始搶答按鈕SF1，加分按鈕SF2和減分按鈕SF3。數(shù)字量輸出（DO）有一路：搶答計時指示燈（L1）。對于A組參賽隊所在的從站A則有數(shù)字量輸入（DI）一路：搶答開關(guān)K1。數(shù)字量輸出（DO）17路：搶答指示燈LA，顯示單元DA（16路）。對于B組參賽隊所在的從站B則有數(shù)字量輸入（DI）一路：搶答開關(guān)K2。數(shù)字量輸出（DO）17路

13、：搶答指示燈LB，顯示單元DB（16路）。對于C組參賽隊所在的從站C則有數(shù)字量輸入（DI）一路：搶答開關(guān)K3。數(shù)字量輸出（DO）17路：搶答指示燈LC，顯示單元DC（16路）。2.3 確定方案根據(jù)系統(tǒng)分析和I/O分析，本次選用4臺PLC，一臺作為PPI通信的主站，另外三臺作為PPI通信的從站，主、從站之間通過通信電纜連接，進行點對點通信。主站負(fù)責(zé)搶答開始與停止，以與對各組回答正確后加分與回答錯誤后減分，主站還要讀取是哪個從站先按下了搶答燈，從而對另外兩組進行互鎖，使其他后兩組的操作不起作用。從站通過主站寫入的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的操作，同時還要顯示本組實時的積分?jǐn)?shù)值。又因為按鈕的額定工作電壓是交流22

14、0V，考慮到PLC主機的安全，在此采用交流繼電器作為隔離來保護PLC主機，避免在意外情況下造成主機燒毀。接線時，繼電器線圈通過按鈕和交流220V電源連接，繼電器觸點接在直流24V電源上，通過按鈕的動作來控制線圈得電與失電，從而進行開關(guān)量信號的輸入?？紤]到晶體管的動作頻率比繼電器的動作頻率更快，且具備無觸點、無火花、動作頻率快的優(yōu)點，更加安全，穩(wěn)定，故PLC主機均選用晶體管輸出型。第3章 硬件設(shè)計3.1 主機和模塊選型本次設(shè)計需要用到PLC，S7-200型PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，它是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測與控制的自動化。S7-200系

15、列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比，故本次設(shè)計將采用這一系列的PLC來實現(xiàn)。因為主機的輸入輸出點數(shù)較少，故考慮到成本問題，應(yīng)選用自身帶有I/O點數(shù)較少和使用廣泛的的CPU型號。經(jīng)過初期的市場調(diào)研，結(jié)合本系統(tǒng)的需求以與各方面的綜合因素考慮，計劃選用4臺SIEMENS公司的S7-200系列CPU224型PLC。它具備14路數(shù)字量輸入和10路數(shù)字量輸出端口，因從站還需要顯示兩位數(shù)的實時積分值，所以從站的I/O點數(shù)不夠，故還需拓展輸出拓展模塊，選用的是3個8點DC的EM222模塊即可解決問題。3.2 模塊連接與地址分配由于從站

16、主機I/O點數(shù)為14入/10出，與要求的1入/17出還有差距，故需拓展一個8點DC的EM222。其中EM222通過用于連接拓展電纜或EM進行連接，連接圖如圖3.1所示。因為還涉與到I/O點數(shù)編址，根據(jù)S7-200系統(tǒng)拓展對輸入/輸出地址空間的分配規(guī)則現(xiàn)編址如表3.1所示。模塊1EM222DO8主機CPU224DI14/DO10圖3.1 模塊連接方式表3.1 各模塊編址主機I/O模塊1 I/O輸入輸出輸出I0.0Q0.0Q2.0I0.1Q0.1Q2.1I0.2Q0.2Q2.2I0.3Q0.3Q2.3I0.4Q0.4Q2.4I0.5Q0.5Q2.5I0.6Q0.6Q2.6I0.7Q0.7Q2.7I

17、1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5又因三組從站皆為CPU224拓展一個8點DC的EM222，故其他兩組的連接和地址分配與上述連接與地址分配一樣。3.3 I/O分配根據(jù)之前的I/O分析，對于主持人所在的主站，數(shù)字量輸入（DI）有4路，分別是選擇開關(guān)SF0，開始搶答按鈕SF1，加分按鈕SF2和減分按鈕SF3。數(shù)字量輸出（DO）有一路：搶答計時指示燈（L1）?？紤]到I/O點的冗余配置和利于安裝、調(diào)試等原則，將開關(guān)的接線端子與接線端子之間間隔幾個端子，I0.0和I0.6之間間隔著I0.1I0.5的5個輸入端子，用于以實現(xiàn)選擇開關(guān)SF0輸入端子壞掉以后方便更換。其他端子之間的

18、間隔也是出于同樣的考慮而分配。并且將指示燈統(tǒng)一定在Q1.0，Q1.1作為其備份端子，在調(diào)試的時候便于接線和記憶。故主站的I/O分配表如表3.2所示。表3.2 主站I/O分配序號地址設(shè)備名稱與作用1I0.0選擇開關(guān)SF02I0.6開始搶答SF13I1.1加分按鈕SF24I1.5減分按鈕SF35Q1.0搶答計時指示燈L1對于參賽隊x所在的從站x則有數(shù)字量輸入（DI）一路：搶答開關(guān)Kx。數(shù)字量輸出（DO）17路：搶答指示燈Lx，顯示單元Dx（16路）。為便于區(qū)別三組從站，將A組搶答開關(guān)接在I0.1，B組的接在I0.2，C組的接在I0.3，這樣利于提高接線的準(zhǔn)確性和調(diào)試時的便捷度。又由CPU224的I

19、/O點數(shù)分布知道，因為QB1只有Q1.0和Q1.1可用，故將搶答指示燈隨主站定于Q1.0，Q1.1作為其備份端子。還差16路數(shù)字量輸出，可以將QB0和QB2作為顯示輸出端子，用QB0顯示積分值的十位數(shù)，QB2則用于顯示積分值的個位。故各從站I/O分配表如下表3.3表3.5所示。表3.3 從站A I/O分配序號地址設(shè)備名稱與作用1I0.1A組搶答開關(guān)K12Q1.0A組搶答燈LA3QB0A組顯示器十位4QB2A組顯示器個位表3.4從站B I/O分配序號地址設(shè)備名稱與作用1I0.2B組搶答開關(guān)K22Q1.0B組搶答燈LB3QB0B組顯示器十位4QB2B組顯示器個位表3.5從站C I/O分配序號地址設(shè)

20、備名稱與作用1I0.3C組搶答開關(guān)K32Q1.0C組搶答燈LC3QB0C組顯示器十位4QB2C組顯示器個位3.4 外部接線圖經(jīng)過前文方案確定的分析，主站的接線圖如圖3.2所示。圖3.2 主站硬件接線圖在圖3.2中，SF0作為選擇開關(guān)，比賽開始或宣布下一個題目之前，主持人要按動一次該按鈕開關(guān)，使所有指示燈復(fù)位。SF1作為搶答開始按鈕，當(dāng)主持人公布題目后，并按下開始搶答按鈕，這時控制臺上的搶答計時指示燈L1亮。自此搶答有效，當(dāng)15秒到而無人搶答時，計時指示燈L1滅。SF2為加分按鈕，SF3為減分按鈕，正在答題的參賽組的積分值變化程序會自動與加分按鈕SF2和減分按鈕SF3相聯(lián)系，回答正確后，主持人按

21、下加分按鈕，該組積分值增加十分，反之，則按下減分按鈕，積分值減少十分，其他未獲得答題權(quán)的組不會發(fā)生任何變化。同理，各參賽組所在的從站硬件接線圖如圖3.3圖3.5所示。圖3.3 從站A硬件接線圖圖3.3中，按鈕K1為A組的搶答開關(guān)，按下按鈕K1后，繼電器線圈得電，觸點閉合，數(shù)字量輸入端子Q0.1得電，如果A組先于其他參賽組按下?lián)尨鸢粹o，則A組搶答指示燈LA亮起，兩位七段式LED數(shù)碼管顯示器，分別接在CPU224的QB0和QB2上，分別將A組積分值的十位和個位顯示出來。其他兩組B組和C組原理同A組一樣。其硬件接線圖如下圖3.4和圖3.5所示。圖3.4 從站B硬件接線圖圖3.5 從站C硬件接線圖第4

22、章 程序設(shè)計4.1 流程圖 在主持人按下?lián)尨鸢粹o，同時計時器開始計時。如在15秒倒計時結(jié)束前沒有選手搶答，則復(fù)位進行下輪搶答；如果有選手搶答，則相應(yīng)的指示燈亮起。然后選手對主持人提出的問題進行回答。接下來主持人對選手回答的答案進行判斷從而選擇對選手加分或是減分。最后主持人按下復(fù)位鍵，進行下一輪搶答。流程圖如圖4.1所示。NYNY開 始有無選手搶答？倒計時結(jié)束指示燈有沒有答對？選手答題答題結(jié)束主持人下令搶答 15秒倒計時開始加10分減10分圖4.1 程序流程圖4.2 梯形圖由分析可知，主站置于主持人所操作的主持臺，它讀取各從站的搶答狀態(tài)，讓三組參賽隊之間形成互鎖，并通過寫指令使位于主站的加減分按

23、鈕來為相應(yīng)的從站進行加減分操作。故主站梯形圖如圖所示：各從站的主機位于各參賽組的搶答臺，它通過主站的PLC主機讀指令和寫指令來與主站點對點通信，實時的將各從站狀態(tài)送進主站，并將主站寫入的指令實時的進行運算，最終將各參賽組的積分值顯示在七段式LED數(shù)碼管上。從站A梯形圖如下：從站B梯形圖如下：從站C梯形圖如下：第5章 系統(tǒng)模擬調(diào)試進過系統(tǒng)分析，器件選型，I/O分配，梯形圖編程，最后進行實際調(diào)試，在本次調(diào)試時，由于考慮到積分值的個位是不變的，變化的是十位數(shù)，因此本次調(diào)試未使用EM222聯(lián)機調(diào)試，只用了從機的QB0顯示各從站積分值的十位數(shù)。由于主持人這里無需顯示，故主站這兒只有四個按鈕和一個搶答指示燈。由于實驗臺上的直接是24V直流，故交流繼電器的隔離電路也無需在加，故主站最后的線路圖和調(diào)結(jié)果如圖5.1所示。圖5.1 主站調(diào)試圖圖5.2 從站A調(diào)試圖圖5.3 從站B調(diào)試圖圖5.4 從站C調(diào)試圖在各從站中，交流繼電器的隔離電路也無需再加，只需一個按鈕輸入和一個指示燈輸出與七段式LED數(shù)碼管輸出，在調(diào)試時，我們對三組的積分值都進行了加分和減分操作，均可以實現(xiàn)設(shè)計要求的功能。為了顯示出區(qū)別，在這里對A組和B組進行了加分，對C組進行了減分，以展現(xiàn)三組的差異。各從站的現(xiàn)場調(diào)試圖如圖5.2、圖5.3和圖5.4所示。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，本次程序設(shè)計和硬件連接均能實現(xiàn)任務(wù)的指標(biāo)要求。第6章 總結(jié)本搶答器