知識(shí)競(jìng)賽搶答器PLC設(shè)計(jì)-職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文

北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文畢業(yè)論文 題目：知識(shí)競(jìng)賽搶答器題目：知識(shí)競(jìng)賽搶答器 PLCPLC 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 系系院：院：機(jī)械電子系機(jī)械電子系 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：王王 騰騰 學(xué)學(xué)號(hào)：號(hào)：20090727139 專專業(yè)：業(yè)：機(jī)電一體化機(jī)電一體化 年年級(jí)：級(jí)：200907271 完成日期：完成日期：2012 年年 4 月月日日 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：侯艷霞侯艷霞 2 論文論文 題目題目 5 路知識(shí)競(jìng)賽搶答器 PLC 控制 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要 （一）搶答器的操作分為兩部分：搶答器控制臺(tái)和選手搶答 臺(tái)。 （二）控制臺(tái)設(shè)備有指示燈、蜂鳴器、選手臺(tái)數(shù)碼顯示板、 開(kāi)始和復(fù)位控制按鈕。 （三）選手搶答臺(tái)設(shè)有搶答按鈕及賽臺(tái)燈。 （四）在控制臺(tái)按下?lián)尨鹂刂瓢粹o后，選手開(kāi)始搶答，如 5s 時(shí)間到，仍然無(wú)人搶答，蜂鳴器叫 1s，且控制臺(tái)指示 燈亮。 （五）在一個(gè)題目回答結(jié)束之后，控制臺(tái)按下復(fù)位按鈕，蜂 鳴器恢復(fù)原始狀態(tài)，等待第二輪搶答。 指導(dǎo)指導(dǎo) 教師教師 評(píng)語(yǔ)評(píng)語(yǔ) 論文論文 成績(jī)成績(jī) 指導(dǎo)教師簽名指導(dǎo)教師簽名 3 摘摘 要要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文化實(shí)業(yè)的發(fā)展，在很多公開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)合要求有公正的競(jìng)爭(zhēng)裁決，諸 如證券、股票交易及各種智力競(jìng)賽等，因此出現(xiàn)了搶答器。最初的搶答器是由優(yōu)先權(quán) 編碼器構(gòu)成的邏輯電路，其運(yùn)算速度慢，線路復(fù)雜，可靠性不高，功能也比較簡(jiǎn)單， 特別是當(dāng)搶答路數(shù)很多時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更加困難。因此，一種能夠體現(xiàn)競(jìng)賽的公開(kāi)、 公平、公正性的知識(shí)競(jìng)賽搶答器成為一種需求。 本設(shè)計(jì)將以 PLC 為核心設(shè)計(jì)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，在保留了原始搶答器的基本功能的同時(shí)又增加一系列的實(shí)用功能并簡(jiǎn)化 其電路結(jié)構(gòu)，其將以其控制方便，靈活，只要改變輸入 PLC 的控制程序，便可改變競(jìng) 賽搶答器的搶答方案，從而使得競(jìng)賽不斷完善其公平、公正性。 關(guān)鍵詞：PLC；知識(shí)競(jìng)賽搶答器；氣短數(shù)碼管；IO 分 4 目目錄錄 1 1 緒論緒論.5 1.1 課題研究背景5 1.2 課題研究?jī)?nèi)容5 1.3 可編程控制器概論6 1.3.1PLC 的簡(jiǎn)介.6 1.3.2PLC 的用途.6 1.3.3PLC 的特點(diǎn).7 1.3.4PLC 的分類.8 2 2整體方案的選擇整體方案的選擇.9 2.1 整體功能介紹.9 2.2 競(jìng)賽搶答器的控制要求.9 2.3 用單片機(jī)和 PLC 分別做系統(tǒng)的比較.10 3 3硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).12 3.1 控制特點(diǎn)分析.12 3.2PLC 機(jī)型的選擇步驟與原則13 3.3 流程圖.14 3.4PLC 與七段 LED 顯示器連接設(shè)計(jì) 14 3.4.1LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及主要特性.14 3.4.2PLC 與七段數(shù)碼管方案選擇.15 3.4.3PLC 與七段數(shù)碼管直接連接阻值計(jì)算.16 3.4.4 外部硬件接線圖16 4 4軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).18 4.1IO 分配. 18 4.2 根據(jù)控制要求進(jìn)行梯形圖設(shè)計(jì).19 4.3 程序運(yùn)行過(guò)程分析說(shuō)明24 4.4 程序的下載、安裝和調(diào)試.25 5 5總總 結(jié)結(jié).26 致致謝謝. 27 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn). 28 5 1 1 緒緒 論論 1.11.1 課題研究背景課題研究背景 目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已有很多類型的知識(shí)競(jìng)賽搶答器，其大致采用模擬電路、數(shù)字 電路、單片機(jī)或者 PLC 芯片、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等四類產(chǎn)品。對(duì)于采用模擬電路或者數(shù) 字電路的產(chǎn)品，其技術(shù)相當(dāng)成熟。但是隨著功能的增多，電路也越復(fù)雜，并且成本偏 高，故障率高，顯示方式簡(jiǎn)單或者沒(méi)有，無(wú)法準(zhǔn)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(jí)換代。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其程序簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，便 于參數(shù)調(diào)節(jié)及其功能的升級(jí)換代，但鑒于其必須配合計(jì)算機(jī)實(shí)用，可操作性差，沒(méi)有 得到廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于科技飛速發(fā)展的今天，PLC、單片機(jī)應(yīng)用的不斷深入，帶動(dòng)了 傳統(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)的不斷更新，并鑒于其本身具有的優(yōu)點(diǎn)，以 PLC、單片機(jī)為核心的 部件成為主流 1。 傳統(tǒng)的普通搶答器主要存在以下缺點(diǎn)： 在一次搶答過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)超前違規(guī)搶答時(shí)，只能處理違規(guī)搶答信號(hào)，而對(duì)沒(méi) 有違規(guī)的有效信號(hào)不能進(jìn)行處理，因而使該次搶答過(guò)程變?yōu)闊o(wú)效。 當(dāng)有多個(gè)違規(guī)搶答時(shí)，優(yōu)先編碼電路只能選擇其中一個(gè)，或利用搶答電路電子 元件的“競(jìng)爭(zhēng)”選擇其中一個(gè)。對(duì)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(hào)的“競(jìng)爭(zhēng)”能力也被固定，因而本質(zhì)上也有優(yōu)先權(quán)。普通搶答器存在不 公平性。 當(dāng)有多個(gè)違規(guī)搶答時(shí)，普通搶答器只能“抓住”其中一個(gè)違規(guī)者。因而出現(xiàn)了 “漏洞” 。 現(xiàn)在大多搶答器都是以 PLC、單片機(jī)為控制核心的智能搶答器，它對(duì)采樣獲得的 各種搶答信號(hào)進(jìn)行分析。但僅有搶答功能的搶答器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需要。該 設(shè)計(jì)不但有搶答功能，而且還有一個(gè)計(jì)分系統(tǒng)，能分別對(duì)四個(gè)選手進(jìn)行計(jì)分，并能夠 對(duì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行加、減。帶計(jì)分功能的智能搶答器將會(huì)取代一般的智能搶答器，更好的服 務(wù)于社會(huì)。 1.2 課題研究?jī)?nèi)容課題研究?jī)?nèi)容 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能， 將硬件和軟件分開(kāi)設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路 圖，然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì) 中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)， 包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語(yǔ)言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)等；最后是對(duì)軟件 進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，達(dá)到所需功能要求。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。硬件電路是采用結(jié)構(gòu) 6 化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化 2。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要 的選擇可編程的 PLC，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。 硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫(huà)出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號(hào)、器件參 數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)及時(shí)修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 軟件設(shè)計(jì)的方法與開(kāi)發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系， 本系統(tǒng)由于是采用三菱 FX 可控制 編程。此編程工具更有可靠、可拓展、可維護(hù)性。并且 PLC 的操作采用觸摸式操作終 端，人機(jī)界面，全屏顯示，上面設(shè)計(jì)了很詳盡的操作指南，即使第一次使用，也能根 據(jù)提示順利操作，這就降低了對(duì)操作人員的要求，一般工人也能很快掌握 3。另外， 一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，畫(huà)面自動(dòng)切換到故障提示畫(huà)面，提示故障原因和排除方法。甚至 可以顯示故障在機(jī)器上的位置，維修人員可以根據(jù)提示很快排除故障。 1.3 可編程控制器概論可編程控制器概論 可編程控制器（PLC）是一種新型的通用自動(dòng)化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算 機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高，使用靈活方便，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用 越來(lái)越廣泛?？删幊炭刂破?Programmable Logic Controller)即 PLC。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制 的各個(gè)領(lǐng)域。他以微處理為核心，用編寫(xiě)的程序不僅可以進(jìn)行邏輯控制，還可以定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù) 運(yùn)算等，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來(lái)控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)經(jīng) 過(guò) 4 年調(diào)查，與 1980 年將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller） ，簡(jiǎn)寫(xiě)為 PC。 后來(lái)由于 PC 這個(gè)名稱常常被用來(lái)稱呼個(gè)人電腦（Personal Computer） ，為了區(qū)別，現(xiàn)在也把可編 程控制器稱為 PLC 45。 1.3.11.3.1 PLCPLC 的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）于 1987 年對(duì) PLC 定義如下 4。 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存 儲(chǔ)器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、 定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等操作，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械 和生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形式一體，易于 拓展其功能的原則設(shè)計(jì)。 事實(shí)上，PLC 就是以嵌入式 CPU 為核心，配以輸入，輸出等模塊，可以方便的用 于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。PLC 與機(jī)器人，計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)與制造一起作為現(xiàn)代工業(yè)的 三大支柱。 1.3.21.3.2 PLCPLC 的用途的用途 PLC 的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置，使其應(yīng)用受到限制。但近年來(lái)由于微處 理器芯片及有關(guān)元件價(jià)格大大下降，使 PLC 的成本下降，同時(shí)又由于 PLC 的功能大大 增強(qiáng)，使 PLC 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、 機(jī)械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。 PLC 的應(yīng)用通?？煞譃槲宸N類型。 （1） 順序控制這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。 PLC 可應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書(shū) 機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。 7 （2） 運(yùn)動(dòng)控制PLC 制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸 或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下，PLC 把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸 出移動(dòng)一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。 （3） 閉環(huán)過(guò)程控制PLC 能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量 等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使 PLC 具有閉環(huán)控制功 能，即一個(gè)具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過(guò)程控制。當(dāng)過(guò)程控制中某一個(gè)變量出現(xiàn) 偏差時(shí)，PID 控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。 （4） 數(shù)據(jù)處理在機(jī)械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的 PLC 和計(jì)算機(jī)數(shù)值控 制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen10、11、12 系 列，已將 CNC 控制功能作為 PLC 的一部分。為了實(shí)現(xiàn) PLC 和 CNC 設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自 由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過(guò)窗口軟件，用戶可以獨(dú)自編程，由 PLC 送至 CNC 設(shè)備使用。美國(guó) GE 公司的 CNC 設(shè)備新機(jī)種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的 PLC。預(yù)計(jì)今 后幾年 CNC 系統(tǒng)將變成以 PLC 為主體的控制和管理系統(tǒng)。 （5） 通信和聯(lián)網(wǎng)為了適應(yīng)國(guó)外近幾年來(lái)興起的工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)、柔性 制造系統(tǒng)（FMS）及集散控制系統(tǒng)（DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展 PLC 之間，PLC 和 上級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信功能。作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，不僅 PLC 數(shù)據(jù)通信速率要求高，而 且要考慮出現(xiàn)停電故障時(shí)的對(duì)策。 1.3.31.3.3 PLCPLC 的特點(diǎn)的特點(diǎn) （1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高繼電接觸器控制系統(tǒng)雖具有較好的抗干擾能力， 但使用了大量的機(jī)械觸頭，使設(shè)備連線復(fù)雜，由于器件的老化、脫焊、觸頭的抖動(dòng)及 觸頭在開(kāi)閉時(shí)受電弧的損害大大降低了系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用 了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障，PLC 用軟件 代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可 減少互繼電器控制系統(tǒng)的 1/10-1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。 而 PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來(lái)完成，大部 分繼電器和復(fù)雜的連線被軟件程序所取代，故壽命長(zhǎng)，可靠性大大提高。 微機(jī)雖然具有很強(qiáng)的功能，但抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁波干擾，電源波動(dòng)， 機(jī)械振動(dòng)，溫度和濕度的變化，都可能使一般通用微機(jī)不能正常工作。而 PLC 在電子 線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸收了生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用了大規(guī)模集 成電路，I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、 抗震等都有精確的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾能力，目前 個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 PLC，平均無(wú)故障時(shí)間都大大超過(guò)了 IEC 規(guī)定的 10 萬(wàn)小時(shí)，有的甚 至達(dá)到了幾十萬(wàn)小時(shí)。 （2） 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活PLC 產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品 種齊全，外圍模塊品種也多，可有各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系 統(tǒng)。在 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需在 PLC 的端子上接入相應(yīng)的輸入、輸出信號(hào)線即 可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量而有繁雜的硬件接線線路。當(dāng)控制 要求改變，需要變更控制系統(tǒng)功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，修改接線 量很小。同一個(gè) PLC 裝置有、用于不同的控制對(duì)象，只是輸入、輸出組件和應(yīng)用軟件 不同而已。 8 （3） 編程方便，易于使用PLC 是面向用戶的設(shè)備，PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn) 場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單 指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，直觀易懂，容易掌握，不需要專門的計(jì)算 機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，深受現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員的歡迎。 （4）功能完善，擴(kuò)展能力強(qiáng)PLC 中含有數(shù)量巨大的用于開(kāi)關(guān)量處理的繼電器類 軟件，可輕松地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)關(guān)量邏輯控制，這是一般的繼電器控制所不能實(shí)現(xiàn)的。 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，能方便地實(shí)現(xiàn) D/A、A/D 轉(zhuǎn)換及 PID 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、 數(shù)字控制等功能。PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，他不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)，一條生產(chǎn)線， 還可以控制一個(gè)機(jī)群，許多生產(chǎn)線。他不但可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以用于遠(yuǎn)程控制。 （5） PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便PLC 中相當(dāng)于繼電器系統(tǒng)中的中間繼 電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等“軟元件”數(shù)量巨大，硬件齊全，且為模塊化積木式結(jié) 構(gòu)，并已商品化，故可按性能、容量（輸入、輸出點(diǎn)、內(nèi)存大?。┑冗x用組裝。又由 于用軟件編程取代了硬接線實(shí)現(xiàn)控制功能，使安裝接線量大大減小，設(shè)計(jì)人員只要一 臺(tái) PLC 就可進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。而繼電接觸器系統(tǒng)需要在 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，工作量很大且繁難。 PLC 控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和 I/O 點(diǎn)的狀態(tài)均有顯示。 工作人員通過(guò)他可查出故障原因，便于迅速處理，及時(shí)排除。 （6） 結(jié)構(gòu)緊湊體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 由于以上特點(diǎn)，使得 PLC 獲得極為廣泛的應(yīng)用。 1.3.41.3.4 PLCPLC 的分類的分類 按 I/O 點(diǎn)數(shù)容量分類一般來(lái)說(shuō)，PLC 處理的 I/O 點(diǎn)數(shù)比較多，反映控制關(guān)系比 較復(fù)雜，用戶要求的程序存儲(chǔ)器容量比較大，要求 PLC 的指令及其他功能比較多，指 令執(zhí)行的過(guò)程比較快等。按 PLC 的輸入輸出點(diǎn)數(shù)可將 PLC 分為三類。 公司的 SLC500 系列等整式 PLC 等產(chǎn)品。 （1）微型 PLCI/O 點(diǎn)數(shù)小于 64 點(diǎn)的 PLC 為超小型或微型 PLC。 （2） 小型 PLCI/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以下， 用戶程序存儲(chǔ)容量小于8KB的為小型 PLC。 它可以連接開(kāi)關(guān)量和模擬量 I/O 模塊以及其他各種特殊功能模塊，能執(zhí)行包括邏輯運(yùn) 算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。如西門子公司的 S7-200PLC，三菱公司的 F1、F2 和 FX0 系列 PLC 都屬于小型機(jī)。 （3） 中型 PLCI/O 點(diǎn)數(shù)在 5122048 點(diǎn)之間的為中型 PLC。它除了具有小型機(jī) 所能實(shí)現(xiàn)的功能外，還具有更強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能、更豐富的指令系統(tǒng)、更大的內(nèi)存 容量和更快的掃描速度。如西門子公司的 S7-300PLC、三菱公司的 A1S 系列 PLC 都屬 于中型機(jī)。 （4） 大型 PLCI/O 點(diǎn)數(shù)為 048 點(diǎn)以上的為大型 PLC。它具有極強(qiáng)的軟件和硬件 功能、自診斷功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能，它可以構(gòu)成三級(jí)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動(dòng) 化。另外大型 PLC 還可以采用三個(gè) CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機(jī)器具有更高的可靠性。 如西門子公司的 S7-400 系列 PLC、三菱公司的 A3M、A3N 系列 PLC 都屬于大型機(jī)。 9 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 系列等產(chǎn)品。 上述劃分沒(méi)有嚴(yán)格的界限，隨著 PLC 技術(shù)的飛速發(fā)展，某些小型 PLC 也具備中型 機(jī)和大型機(jī)的功能，這也是 PLC 的發(fā)展趨勢(shì)。 按結(jié)構(gòu)形式分類按 PLC 物理結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為整體式（也稱單元式）和 組合式（也稱模塊式）兩類。 整體式結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理單元 （CPU） 、 存儲(chǔ)器、 輸入單元、 電源、通信端口、I/O 擴(kuò)展端口等組裝在一個(gè)箱體內(nèi)構(gòu)成主機(jī)。內(nèi)外還有獨(dú)立的 I/O 擴(kuò)展單元等通過(guò)擴(kuò)展電纜與主機(jī)上的擴(kuò)展端口相連，以構(gòu)成 PLC 不同配置與主機(jī)配合 使用。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。小型機(jī)常用這種結(jié) 構(gòu)。 組合式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的 PLC 是將 CPU、輸入單元、輸出單元、電源單元、智 能 I/O 單元，通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板和擴(kuò)展模塊。組合式的特點(diǎn)是配置靈 活，輸入接點(diǎn)、輸出接點(diǎn)的數(shù)量可以自由選擇，各種功能模塊可以依需要靈活配置。 大、中型 PLC 常用組合式結(jié)構(gòu)。 2 2 整體方案的選擇整體方案的選擇 2.1 整體功能介紹整體功能介紹 知識(shí)競(jìng)賽搶答器，顧名思義就是用于比賽時(shí)，跟對(duì)手比反應(yīng)時(shí)間，思維運(yùn)轉(zhuǎn)快慢 的新型電器。隨著社會(huì)科技技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用場(chǎng)合也隨之增加；技術(shù)含量大 大提升；更加方便可靠。目前，形式多樣、功能完備的搶答器已廣泛應(yīng)用于電視臺(tái)、 商業(yè)機(jī)構(gòu)、學(xué)校及企事業(yè)單位，它為各種競(jìng)賽增添了刺激性、娛樂(lè)性，在一定程度上 豐富了人們的業(yè)余生活。用 PLC 進(jìn)行知識(shí)競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)，其控制方便，靈活，只要 改變輸入 PLC 的控制程序，便可改變競(jìng)賽搶答器的搶答方案。 2.22.2 競(jìng)賽搶答器的控制要求競(jìng)賽搶答器的控制要求 知識(shí)競(jìng)賽搶答器能使 5 個(gè)隊(duì)同時(shí)參加搶答。 設(shè)裁判隊(duì)為裁判臺(tái)，參賽隊(duì)為參賽臺(tái)。裁判臺(tái)設(shè)有音響和裁判燈，并且設(shè)有裁 判臺(tái)開(kāi)始按鈕 SB0 和裁判臺(tái)復(fù)位按鈕 SB6；參賽臺(tái)設(shè)有參賽臺(tái)搶答按鈕以及參賽臺(tái)燈。 1-5 號(hào)參賽臺(tái)分別對(duì)應(yīng)按鈕 SB1-SB5 及參賽臺(tái)燈 EL1-EL5。 知識(shí)競(jìng)賽搶答器能適合以下比賽規(guī)則：出題后，各隊(duì)搶答必須在裁判說(shuō)出“開(kāi) 始”并按下裁判臺(tái)的開(kāi)始按鈕 SB0 后 5S 內(nèi)搶答，并由數(shù)碼管顯示時(shí)間。如提前搶答， 搶答器發(fā)出“違規(guī)”信號(hào)。 5S 時(shí)間到，如無(wú)隊(duì)搶答，則搶答器給出時(shí)間已到信號(hào)， 該題作廢。在有隊(duì)搶答的情況下，則搶答器發(fā)出“搶答”信號(hào)，數(shù)碼管開(kāi)始計(jì)時(shí)，并 由數(shù)碼管顯示出搶到題的參考隊(duì)號(hào)，搶到題的隊(duì)必須在 20S 內(nèi)答完題，如 20S 內(nèi)未答 完，則作超時(shí)處理。 燈光與音響信號(hào)的意義如下： 音響叫（響 1S）+某臺(tái)燈亮，由某參賽隊(duì)正常搶答。 10 音響叫（響 1S）+某臺(tái)燈亮+總臺(tái)燈亮，某參賽隊(duì)違規(guī)。 音響叫（響 1S）+裁判臺(tái)燈亮，無(wú)人搶答或答題超時(shí)。 在某個(gè)題結(jié)束后，裁判員按下臺(tái)上的復(fù)位按鈕 SB6，搶答器恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)， 為下一輪搶答作好準(zhǔn)備。 各輸出端口統(tǒng)一采用直流 24V 電源。 初始狀態(tài) 復(fù)位 圖 2-1 結(jié)構(gòu)流程圖 開(kāi)始搶答 違規(guī)搶答 狀態(tài)：開(kāi)始信號(hào)發(fā) 出前搶答，音響叫 （響 1S）+某臺(tái)燈 亮+總臺(tái)燈亮。 正常搶答 狀態(tài)：開(kāi)始信 號(hào)發(fā)出 5s 內(nèi)， 音響叫 （響 1S） +某臺(tái)燈亮。 無(wú)人應(yīng)答 狀態(tài)：開(kāi)始信 號(hào)發(fā)出 5s 內(nèi)， 音響叫 （響 1S） +裁判臺(tái)燈亮。 2.32.3 用單片機(jī)和用單片機(jī)和 PLCPLC 分別做系統(tǒng)的比較分別做系統(tǒng)的比較 所謂單片機(jī)系統(tǒng)就是采用目前市場(chǎng)上的單片機(jī) CPU 及其它外圍芯片，根據(jù)不同系 統(tǒng)設(shè)計(jì)電路板，最終設(shè)計(jì)成一臺(tái)簡(jiǎn)易的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序以達(dá)到所 要求的控制功能。這種形式在 80 年代國(guó)內(nèi)很流行，但由于受到本身可靠性及其它方 面的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用已逐步被 PLC 所代替。 單片機(jī)的可靠性：由于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的單片機(jī)芯片的品質(zhì)良莠不齊，很大一部 分還是國(guó)外篩選出來(lái)的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性 也很大，批量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過(guò)篩選配對(duì)等技術(shù)處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很 好的一致性和高可靠性，因?yàn)槿我辉膮?shù)偏離設(shè)計(jì)要求都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 另外，單片機(jī)的所有器件均不是工業(yè)級(jí)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而 國(guó)內(nèi)的電源一般都很差，加上壓片機(jī)的變頻調(diào)速對(duì)電源的干擾很大，因此，更可能引 起單片機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 11 單片機(jī)的可擴(kuò)展性：由于單片機(jī)的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計(jì)的，所以 要增加一個(gè)功能就要重新設(shè)計(jì)線路，而且對(duì)應(yīng)的程序都要重新設(shè)計(jì)。這樣對(duì)于增加功 能的開(kāi)發(fā)成本和周期都會(huì)增加。 單片機(jī)的可維護(hù)性：一旦單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡(jiǎn)單的 方法是更換整個(gè)系統(tǒng)，這樣維修成本增加了 12。 操作：現(xiàn)在國(guó)內(nèi)單片機(jī)系統(tǒng)的操作均采用自設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥碼開(kāi)關(guān)， 顯示用 LED，整個(gè)面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計(jì)時(shí)往往一鍵多用，操作 人員很難脫開(kāi)說(shuō)明書(shū)操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作 人員必須翻閱說(shuō)明書(shū)方能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說(shuō)明書(shū)指示排除故障，這樣排除故障 的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。總之，這樣的人機(jī)對(duì)話不夠友善。 特點(diǎn)：不可靠，價(jià)格便宜。 可編程控制器（PLC） ： 所謂 PLC 系統(tǒng)就是采用目前市場(chǎng)上各大工業(yè)控制廠家生產(chǎn) 的可編程控制器，根據(jù)要求選用不同的模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序以達(dá)到所設(shè)計(jì)的功 能。這種形式目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛 10。 PLC 的可靠性：進(jìn)口 PLC 采用的 CPU 都是生產(chǎn)廠家專門設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)專用處理器， 其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購(gòu)買的，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格挑選的工業(yè)級(jí)元件，另外它的電源 模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng)驗(yàn)而特別設(shè)計(jì)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力 有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。 PLC 的可擴(kuò)展性：要增加一個(gè)功能只要增加相應(yīng)的模塊和修正對(duì)應(yīng)的程序， 而 PLC 的編程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這樣對(duì)于開(kāi)發(fā)周期會(huì)縮短。 PLC 的可維護(hù)性：PLC 本身有很強(qiáng)的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷 很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設(shè)計(jì)不合理引 起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡(jiǎn)單。 操作：PLC 的操作采用觸摸式操作終端，人機(jī)界面，全屏顯示，上面設(shè)計(jì)了很詳 盡的操作指南，即使第一次使用，也能根據(jù)提示順利操作，這就降低了對(duì)操作人員的 要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，畫(huà)面自動(dòng)切換到故障提示 畫(huà)面，提示故障原因和排除方法。甚至可以顯示故障在機(jī)器上的位置，維修人員可以 根據(jù)提示很快排除故障。 特點(diǎn)：價(jià)格與前二種控制器相比略貴，可靠性好，操作簡(jiǎn)單。 綜合以上的分析和比較，最終決定采用 PLC。 12 3 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 控制特點(diǎn)分析控制特點(diǎn)分析 知識(shí)競(jìng)賽搶答器通過(guò) PLC 進(jìn)行按控制要求編程，其主要的輸入就是通過(guò)裁判員和 參賽選手的按鈕，然后將信號(hào)傳遞給信息分析中心（PLC） ，PLC 將根據(jù)信號(hào)作出相應(yīng) 的響應(yīng)。知識(shí)競(jìng)賽搶答器有七個(gè)輸入信號(hào)（即七個(gè)按鈕） ，十個(gè)輸出信號(hào)（即六個(gè)臺(tái)燈 信號(hào)、一個(gè)音響信號(hào)、三個(gè)數(shù)碼管輸出信號(hào)） 。由上可知 PLC 共有七個(gè)輸入點(diǎn)，十個(gè)輸 出點(diǎn)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖 3-1 所示： 3.23.2 PLCPLC 機(jī)型的選擇步驟與原則機(jī)型的選擇步驟與原則 隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展， PLC 產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。 不同型號(hào)的 PLC， 其結(jié)構(gòu)形式、 性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因 此，合理選用 PLC，對(duì)于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。 PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、I/O 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、 通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 PLC 機(jī)型的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力 爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： PLC SB0 SB6 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 顯 示 器 參賽隊(duì)號(hào)碼 計(jì)數(shù)器的個(gè)位 計(jì)數(shù)器的十位 1 號(hào)臺(tái)燈 2 號(hào)臺(tái)燈 3 號(hào)臺(tái)燈 4 號(hào)臺(tái)燈 5 號(hào)臺(tái)燈 蜂鳴器 圖 3-1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖 13 （1） 合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC 主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC 的每一個(gè) I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，一般 用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展靈活方便， 在 I/O 點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O 模塊的種類等方面選擇余地大，且維 修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 （2）安裝方式的選擇 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程 I/O 式以及多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程 I/O 硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程 I/O 式適用于 大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程 I/O 可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線 短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程 I/O 電源；多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別 獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊模塊。 （3） 相應(yīng)的功能要求 一般小型(低檔)PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開(kāi)關(guān)量控制 的設(shè)備都可滿足。 對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換 單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。 對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī) 模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 PLC。但是中、高檔 PLC 價(jià)格較貴，一般用于大 規(guī)模過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。 （4） 響應(yīng)速度要求 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足 其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要 求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度，可選用具有高速 I/O 處理功能的 PLC，或選 用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等。 （5） 系統(tǒng)可靠性的要求 對(duì)于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采 用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 （6） 機(jī)型盡量統(tǒng)一 一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到 PLC 的機(jī)型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問(wèn)題： 機(jī)型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理。 機(jī)型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。 機(jī)型統(tǒng)一，其外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易 于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。 綜上所述，基于以上思想，選用日本三菱公司 FX-48MR 系列的 PLC 作為控制主機(jī)。 14 3.33.3 流程圖流程圖 當(dāng)裁判按下開(kāi)始按鈕時(shí)，四個(gè)參賽對(duì)處于搶答狀態(tài)，假如是一號(hào)參賽隊(duì)先搶到題 目，PLC 先判斷搶答是否成功，若成功，則進(jìn)行下一部看是否在規(guī)定的搶答時(shí)間內(nèi)答 題，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，則答題結(jié)束；若超時(shí)，則提示主持人；如果搶答沒(méi)有成功，則 判斷是否搶答犯規(guī)，若法規(guī)，某法規(guī)臺(tái)燈亮，總臺(tái)燈亮出指令。 3.4PLC 與七段與七段 LED 顯示器連接設(shè)計(jì)顯示器連接設(shè)計(jì) 3.4.1LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及主要特性數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及主要特性 （1）LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，亦稱半導(dǎo)體數(shù)碼管。將條狀發(fā)光二極管按照 共陰極（負(fù)極）或共陽(yáng)極（正極）的方法連接，組成“ 8”字，再把發(fā)光二極管另一 電極作筆段電極，就構(gòu)成了 LED 數(shù)碼管。若按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光， 就能顯示從 09 的一系列數(shù)字。同熒光數(shù)碼管（VFD） 、輝光數(shù)碼管（NRT）相比，它 具有：體積小、功耗低、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)、亮度高、單色性好、發(fā)光響應(yīng)的時(shí)間短， 能與 TTL、CMOS 電路兼容等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已廣泛用作數(shù)字化儀表、數(shù)控裝置、家用電器中 的數(shù)顯器件。 常見(jiàn) LED 數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-14 所示。圖 3-14 屬于共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，圖 3-20 采用共陰極結(jié)構(gòu)。分別表示公共陽(yáng)極和公共陰極。ag 是 7 個(gè)筆段電極，DP 為 小數(shù)點(diǎn)。另有一種字高為 7.6 mm 的超小型 LED 數(shù)碼管，管腳從左右兩排引出，小數(shù) 點(diǎn)則是獨(dú)立的。 圖 3-2 常見(jiàn) LED 數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 15 LED 數(shù)碼管的主要特性 工作電壓 1.55V，一般為 1.52.5V，工作電流 510mA，高亮度管可在低電 壓和小電流（1mA 左右）條件下工作。 單色性好，亮度高、高頻特性優(yōu)良，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間非常短，通常小于 0.1us。 工作溫度范圍為-30+80，使用壽命可達(dá) 5M 小時(shí)以上。 LED 數(shù)碼管每筆畫(huà)工作電流 I 在 510 mA 之間，若電流過(guò)大會(huì)損壞數(shù)碼管，因 此必須加限流電阻，其阻可按下試計(jì)算 R=（V0-V1）/I 其中 V0 為加在 LED 兩端上的電壓，V1 為 LED 數(shù)碼管每筆劃壓降（約為 2V） 。 3.4.2PLC 與七段數(shù)碼管方案選擇與七段數(shù)碼管方案選擇 PLC (可編程控制器) 具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)以及運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。PLC 的梯形圖語(yǔ)言清晰直觀、可讀性強(qiáng)， 易于掌握。在工業(yè)控制中，PLC 作為面向控制對(duì) 象的下位機(jī)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。但對(duì)于一般的中小型的專用設(shè)備， 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)會(huì)使成本大大提高，同時(shí)不便于在操作現(xiàn)場(chǎng)直接讀取 或輸入數(shù)據(jù).在顯示數(shù)據(jù)較少時(shí)，采用 PLC 控制 LED 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，可以降低成 本，使得數(shù)據(jù)顯示直觀。而當(dāng)欲顯示的數(shù)據(jù)較多時(shí)，PLC 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，會(huì)使得 所需 PLC 輸出點(diǎn)數(shù)大大增加，同時(shí)由于 PLC 梯形圖的局限性，會(huì)使得顯示程序的編制 變得非常復(fù)雜，這不僅增大了程序編制的難度，而且增加了程序的執(zhí)行時(shí)間，從而大 大地降低了顯示速度。 在應(yīng)用可編程序控制器(PLC)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，除要求 PLC 完成指定的控制功能 外，往往還要求附帶有輸出顯示，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，以利于操作者監(jiān)控 生產(chǎn)過(guò)程。PLC 通過(guò)輸出模塊外接顯示電路，一般要求少占用輸出點(diǎn)數(shù)、外接電路簡(jiǎn) 單、 輸出顯示速度盡可能快。OMRON 公司推出的 CQM1 型 PLC 指令中設(shè)置了 7 段輸 出顯示指令 7SEG(2)，該指令有 4 位和 8 位兩種方式，輸出 8 位數(shù)時(shí)要占用 13 個(gè)輸出 點(diǎn)，若要求輸出顯示 5 位數(shù)時(shí)，需選用 8 位方式，占用 13 個(gè)輸出點(diǎn)。PLC 輸出模塊 接 LED 數(shù)碼管顯示的方法已應(yīng)用在一實(shí)際 CQM1 型 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)中。 PLC 驅(qū)動(dòng)的顯示電路配合 PLC 程序，可以實(shí)現(xiàn)如下的指標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示: （1） 在僅占用 PLC16 點(diǎn)輸出的情況下，顯示的 LED 可多達(dá) 128 個(gè)。 （2）所有的顯示單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換。 （3）所有的顯示單元與 PLC 之間的連線完全相同，硬件連線簡(jiǎn)單。 （4） 采用靜態(tài)顯示方式，顯示沒(méi)有閃爍感。 （5） 每一位 LED 數(shù)據(jù)更新顯示僅需 2 個(gè) PLC 掃描周期。 （6）在沒(méi)有新數(shù)據(jù)顯示時(shí)，程序進(jìn)行循環(huán)顯示，使顯示電路的抗干擾能力增強(qiáng)。 16 由上述可知，結(jié)合本次設(shè)計(jì)，由于輸入輸出點(diǎn)并不是很多，采用 PLC 控制 LED 直 接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示方案，可以大大降低設(shè)計(jì)成本。 3.4.3PLC 與七段數(shù)碼管直接連接阻值計(jì)算 根據(jù) LED 數(shù)碼管每筆畫(huà)工作電流 I 在 510 mA 之間，若電流過(guò)大會(huì)損壞數(shù)碼管， 因此必須加限流電阻，其阻可按下式計(jì)算 R=（V0-V1）/I 其中 V0 為加在 LED 兩端上的電壓，V1 為 LED 數(shù)碼管每筆劃壓降（約為 2V） 。 本次設(shè)計(jì) PLC 電源采用的是直流 24V，PLC 的輸出電壓為 5V，安通過(guò)數(shù)碼管的電 流 I=3mA 計(jì)算可得 R=1K。本次設(shè)計(jì)共用到了三個(gè)數(shù)碼管，所以須要 21 個(gè) 1K的 R， 以及 5 個(gè) EL 燈和一個(gè)音響。 3.4.4 外部硬件接線圖 為了硬件電路接線方便，SB0 作為搶答的開(kāi)始按鈕，對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)為 X0，輸出點(diǎn)為 Y0。SB1、SB2、SB3、SB4、SB5 分別對(duì)應(yīng)五個(gè)參賽對(duì)號(hào)，輸入點(diǎn)分別 X1、X2、X3、 X4、X5，輸出點(diǎn)分別為 Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。SB6 作為搶答的復(fù)位按鈕，對(duì)應(yīng)輸 入點(diǎn)為 X6。音響輸出點(diǎn)為 Y6。數(shù)碼管 1 顯示輸出點(diǎn)為 Y10-Y16。數(shù)碼管 2 顯示輸出 點(diǎn)為 Y20-Y26。數(shù)碼管 3 顯示輸出點(diǎn)為 Y30-Y36。PLC 與數(shù)碼管采用串電阻直接連接 方式。其外部硬件接線圖如圖 3-3 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 SettingsAdministrator桌面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 EL0 EL1EL2EL3EL4 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 圖 3-3 外部硬件接線圖 18 4 4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 4.1IO 分配 表 4-1 知識(shí)競(jìng)賽搶答器輸入輸出口分配表 表 4-1 知識(shí)競(jìng)賽搶答器輸入輸出口分配表 為了硬件電路接線方便和程序清晰易讀， 用 SB0 作為， 四個(gè)參 賽隊(duì)分別用與之對(duì)應(yīng)號(hào) SB1、SB2、SB3、SB4、SB5 設(shè)置按鈕。SB6 為比賽復(fù)位按 鈕， 使下輪比賽開(kāi)始。 輸出與輸入對(duì)應(yīng)， 用 YO 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)比賽開(kāi)始信號(hào)燈 EL0， 同理用 Y1、Y2、Y3、Y4、Y5 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈 EL1、EL2、EL3、EL4、 EL5。Y6 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)音響。Y10-Y16 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 1 顯示各個(gè)參賽隊(duì)的 隊(duì)號(hào)。Y20-Y26 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 2，顯示搶答時(shí)間的個(gè)位，Y30-Y36 輸出信 號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 3，顯示搶答時(shí)間的十位。 輸入信號(hào)輸出信號(hào) 名稱代號(hào)輸入點(diǎn)標(biāo)號(hào)名稱代號(hào)輸出點(diǎn)標(biāo)號(hào) 裁判臺(tái)開(kāi)始按鈕SB0X0開(kāi)始工作指示燈EL0Y0 1 號(hào)賽臺(tái)搶答器按鈕SB1X11 號(hào)參賽臺(tái)燈EL1Y1 2 號(hào)賽臺(tái)搶答器按鈕SB2X22 號(hào)參賽臺(tái)燈EL2Y2 3 號(hào)賽臺(tái)搶答器按鈕SB3X33 號(hào)參賽臺(tái)燈EL3Y3 4 號(hào)賽臺(tái)搶答器按鈕SB4X44 號(hào)參賽臺(tái)燈EL4Y4 5 號(hào)賽臺(tái)搶答器按鈕SB5X55 號(hào)參賽臺(tái)燈EL4Y5 裁判臺(tái)復(fù)位按鈕SB6X6音響B(tài)Y6 數(shù)碼管 1LE1Y10-Y16 數(shù)碼管 2LE2Y20-Y26 數(shù)碼管 3LE3Y30-Y36 19 4.2 根據(jù)控制要求進(jìn)行梯形圖設(shè)計(jì) 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 搶答允許 搶答限時(shí) 1號(hào)參賽臺(tái) 二號(hào)參賽臺(tái) 三號(hào)參賽臺(tái) 四號(hào)參賽臺(tái) 搶答繼電器 答題限時(shí)繼電器 答題限時(shí) (裁判臺(tái)燈狀態(tài)) 違規(guī)搶答 無(wú)人搶答 答題超時(shí) (裁判臺(tái) 燈狀態(tài)) 正常搶答 無(wú)人搶答 答題超時(shí) 違規(guī)搶答 圖 4-1梯形圖 1 20 圖 4-2梯形圖 2 21 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 音響驅(qū)動(dòng) 音響限時(shí) 數(shù)碼管1顯 示參賽臺(tái)隊(duì) 號(hào) 計(jì)時(shí)秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生程 序 秒個(gè)位移位繼電器 數(shù)碼管2計(jì)時(shí) 器個(gè)位顯示程 序 圖 4-3梯形圖 3 22 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 數(shù)碼觀3計(jì)時(shí)器 十位顯示程序 秒個(gè)位移位繼 電器 圖 4-4 梯形圖 23 圖 4-5梯形圖 5 24 4.34.3 程序運(yùn)行過(guò)程分析說(shuō)明程序運(yùn)行過(guò)程分析說(shuō)明 （1 1） 當(dāng)裁判臺(tái)按下開(kāi)始按鈕時(shí)，就將信號(hào)傳入當(dāng)裁判臺(tái)按下開(kāi)始按鈕時(shí)，就將信號(hào)傳入 PLCPLC 中，同時(shí)五個(gè)參賽隊(duì)中，同時(shí)五個(gè)參賽隊(duì) 處于搶答狀態(tài)處于搶答狀態(tài)。然后根據(jù)哪個(gè)隊(duì)最先搶到題目然后根據(jù)哪個(gè)隊(duì)最先搶到題目，然后在規(guī)定的答題時(shí)間內(nèi)作答然后在規(guī)定的答題時(shí)間內(nèi)作答， 或者答題超時(shí)或者答題超時(shí)。 （由規(guī)定顯示電路和音響作出反應(yīng)由規(guī)定顯示電路和音響作出反應(yīng)。 ） 例如例如， 1 1 號(hào)參賽隊(duì)搶到題目號(hào)參賽隊(duì)搶到題目， 同時(shí)搶答繼電器同時(shí)搶答繼電器 M1M1 通電并自鎖，搶答繼電器通電并自鎖，搶答繼電器 M1M1 與其它參賽臺(tái)按鈕輸入觸點(diǎn)相與其它參賽臺(tái)按鈕輸入觸點(diǎn)相 串聯(lián)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使得在有搶答按鈕按下的情況下，其它按鈕均無(wú)效。搶串聯(lián)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使得在有搶答按鈕按下的情況下，其它按鈕均無(wú)效。搶 答繼電器答繼電器 M1M1 閉合，答題限時(shí)繼電器閉合，答題限時(shí)繼電器 M2M2 閉合并自鎖，使得答題限時(shí)計(jì)時(shí)器閉合并自鎖，使得答題限時(shí)計(jì)時(shí)器 T T 1 1 開(kāi)始計(jì)時(shí)。開(kāi)始計(jì)時(shí)。 若 1 號(hào)參賽臺(tái)答題超時(shí)，搶答繼電器 M1 通電閉合(有人搶答)，答題限時(shí) 計(jì)時(shí)器 T1 計(jì)時(shí)到，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。在答題超時(shí)的情況下，M1 的常開(kāi)觸點(diǎn)與 T1 的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)裁判臺(tái)的燈和音響。 若 1 號(hào)參賽臺(tái)違規(guī)搶答，搶答允許繼電器 M0 未閉合，裁判員未按下開(kāi)始 按鈕 SB0(X0 未閉合)， 而搶答繼電器 M1 閉合(有人搶答)。 在違規(guī)搶答的情況下， M0 和 M1 是“與”的關(guān)系，即 M0 的常閉觸點(diǎn)與 M1 的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)裁判臺(tái)燈 和音響。 無(wú)參賽隊(duì)搶答，搶答繼電器 M1 未通電閉合(無(wú)人搶答)，搶答限時(shí)計(jì)時(shí)器 T0 計(jì)時(shí)到，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。當(dāng)無(wú)人搶答時(shí)，M1 的常閉觸點(diǎn)與 T0 的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián) 驅(qū)動(dòng)裁判臺(tái)燈和音響。 綜上所述，當(dāng) 1 號(hào)參賽隊(duì)違規(guī)搶答、無(wú)人搶答、答題超時(shí)驅(qū)動(dòng)裁判臺(tái)燈及正常搶 答、答題驅(qū)動(dòng)音響的梯形圖。其中 M3 為音響驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)四種條件中有一種 合符時(shí)，M3 閉合一個(gè)掃描周期，使得音響驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y5 閉合，音響發(fā)出聲 音，同時(shí)音響限時(shí)計(jì)時(shí)器 T2 通電計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò) 1S 后計(jì)時(shí)器 T1 動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn) 斷開(kāi) Y5 及 T2 的電源，音響停止發(fā)出聲音。 搶答參賽隊(duì)號(hào)顯示， 選用輸出繼電器 Y10Y16 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 1 的七段發(fā)光 管，即當(dāng)有人搶答時(shí)即可顯示搶到題的隊(duì)號(hào)。 當(dāng) 1 號(hào)參賽臺(tái)搶到題，則 1 號(hào)參賽臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y1 閉合，Y1 的 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng) Y11 和 Y12，數(shù)碼管 1 即顯示“1”的字符。 當(dāng) 2 號(hào)參賽臺(tái)搶到題，則 2 號(hào)參賽臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y2 閉合，驅(qū)動(dòng) Y10、Y11、Y13、Y14 和 Y16，數(shù)碼管 1 即顯示“2”的字符。 當(dāng) 3 號(hào)參賽臺(tái)搶到題，則 3 號(hào)參賽臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y3 閉合，驅(qū)動(dòng) Y10、Y11、Y12、Y13、和 Y16，數(shù)碼管 1 即顯示“3”的字符。 當(dāng) 4 號(hào)參賽臺(tái)搶到題，則 4 號(hào)參賽臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y4 閉合，驅(qū)動(dòng) Y11 、Y12、Y15 和 Y16，數(shù)碼管 1 即顯示“4”的字符。 當(dāng) 5 參賽臺(tái)搶到題， 則 5 號(hào)參賽臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)輸出繼電器 Y5 閉合， 驅(qū)動(dòng) Y10 、 Y12、Y13、Y15 和 Y16，數(shù)碼管 1 即顯示“5”的字符。 25 計(jì)時(shí)脈沖產(chǎn)生程序。計(jì)時(shí)脈沖產(chǎn)生程序由計(jì)時(shí)器 T3、T4 組成。當(dāng)搶答允 許繼電器 M0 閉合時(shí)，計(jì)時(shí)器 T3 開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò) 0.5S 后，T3 的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合， 接通計(jì)時(shí)器 T4 的電源；在經(jīng)過(guò) 0.5S 后，T4 動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使 T3 復(fù)位， 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通秒個(gè)位移位繼電器 M4。經(jīng)過(guò)一個(gè)掃描周期后 T4 的常開(kāi)觸點(diǎn) 斷開(kāi)，M4 復(fù)位。 計(jì)時(shí)顯示程序。計(jì)時(shí)顯示程序由輸出繼電器 Y20-Y26，Y30-Y36 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼 管 2 和數(shù)碼管 3 完成。其中輸出繼電器 Y20-Y26 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 2，擔(dān)任秒個(gè)位的顯 示；Y30-Y36 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 3，擔(dān)任秒十位的顯示。 在搶答允許繼電器 M0 閉合后，繼電器 M9 閉合，輸出繼電器 Y20、Y21、Y22、 Y23、Y24、Y25 閉合，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 2 顯示“0”字符，同時(shí)秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生程序 開(kāi)始工作。經(jīng)過(guò) 1S 后，秒脈沖繼電器 M4 閉合一個(gè)掃描周期，將 M9 中“1”的狀 態(tài)移位至 M10 中，M10 閉合，輸出繼電器 Y21、Y22 閉合，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 2 顯示“1” 字符， 同理， 隨著左指令 SFTL 的運(yùn)行， 數(shù)碼管將接著顯示“2、3、4、5、 9”字符。 當(dāng)“1”狀態(tài)移位至繼電器 M18 時(shí)，數(shù)碼管 2 顯示“9”字符；當(dāng)“1”的狀 態(tài)移位至繼電器 M19 中時(shí)，繼電器 M10-M18 全部復(fù)位，M9 又閉合，數(shù)碼管 2 又 顯示“0”字符。同時(shí) M19 閉合，使得繼電器 M20 產(chǎn)生一個(gè)掃描周期脈沖，這個(gè) 脈沖將 M21 中的“1”狀態(tài)移位至 M22 中，繼電器 M22 閉合，輸出繼電器 Y31、