基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計

電氣及自動化課程設計報告題目：基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計課程：PLC原理與應用學生姓名：學生學號：年級：14級專業(yè)：自動化班級：2班指導老師：機械與電氣工程學院制2017年6月目錄1課程設計的任務和要求 11.1課程設計的任務 11.2課程設計的要求 12.PLC限制器的原理與組成 12.1PLC硬件系統(tǒng) 12.2PLC工作原理 32.3六人搶答器基本組成 42.4六人搶答器工作原理 43六人搶答器系統(tǒng)設計方案制定 53.1PLC選型 53.2六人搶答器系統(tǒng)的I/O口安排 64六人搶答器系統(tǒng)的軟件設計 74.1PLC編程語言 74.2搶答器系統(tǒng)程序 74.2.1主持人限制端 74.2.2搶答勝利與搶答犯規(guī)指示燈顯示 94.2.3七段數(shù)碼管顯示 94.2.4蜂鳴器電路 115六人搶答器系統(tǒng)程序仿真 125.1搶答勝利仿真 125.2搶答犯規(guī)及搶答超時仿真 125.3加減分及數(shù)碼管顯示 135.4搶答超時 146總結及心得體會 14參考文獻 15基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計機械與電氣工程學院自動化專業(yè)1課程設計的任務和要求1.1課程設計的任務運用西門子S7-200PLC編寫程序實現(xiàn)六路搶答器的系統(tǒng)設計并運用仿真軟件進行其功能的實現(xiàn)。1.2課程設計的要求（1）主持人限制功能，具有起先搶答按鈕和復位按鈕；（2）主持人未按下起先搶答按鈕時搶答為違規(guī)搶答，違規(guī)指示燈亮，蜂鳴器響；（3）搶答延時，超過20S無人搶答時此題作廢，蜂鳴器長鳴；（4）搶答勝利后，搶答勝利指示燈亮，數(shù)碼管顯示搶答勝利的隊伍編號；（5）在搶答勝利后，主持人依據回答的正確與否可以對該隊伍進行加減分限制；（6）每次正確搶答時，只有第一位按下?lián)尨鸢粹o的隊伍為有效搶答。2.PLC限制器的原理與組成2.1PLC硬件系統(tǒng)可編程限制器，英文稱ProgrammableLogicController，簡稱PLC。PLC是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電限制器。它源于繼電限制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)限制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)限制。PLC基于電子計算機，但并不等同于一般計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的牢靠性、實時性，以及信息的運用等問題。特殊要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題[1]。PLC的硬件系統(tǒng)主要由主機、輸入/輸出擴展單元、外部設備組成，各部分之間通過總線連接。其中主機主要由中心處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出電路、外部設備接口、電源幾大部分組成[2]。PLC是一種由“事先存貯的程序”來確定限制功能的工控類計算機且實質和微機的結構相同。圖1PLC硬件結構（1）中心處理單元(CPU)中心處理單元（CPU）是PLC的限制中樞。它依據PLC系統(tǒng)程序給予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據：檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過吩咐說明后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據寄存器內。等全部的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最終將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。（2）存儲器（Memory）可編程限制器的限制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，擔當著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器，單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采納單片機或專用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式結構，具有高速數(shù)據處理實力。（3）基本I/O接口電路a、輸入接口單元。PLC內部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）供應的、符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至PLC內部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾實力，輸入響應時間一般在0.1~15ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入，一種是溝通輸入。b、輸出接口單元。PLC輸出電路用來將CPU運算的結果變換成肯定形式的功率輸出，驅動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結構形式分為繼電器式、晶閘管式和晶體管輸出型等三種。（4）接口電路a、I/O擴接口電路I/O擴展接口電路用連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采納并行接口和串行接口兩種電路形式。依據被限制對象對PLC限制系統(tǒng)的技術和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設備，據此確定PLC的I/O點數(shù)。b、外設通信接口電路通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能組成PLC的限制網絡。PLC通過PC/PPI電纜或運用MPI卡通過RS-485接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網等功能。（5）電源PLC內部配有一個專用開關式穩(wěn)壓電源，將溝通/直流供電電源轉化為PLC內部電源須要的工作電源（5V直流）。當輸入端子為非干接點結構時，為外部輸入元件供應24V直流電源（僅供輸入點運用）[3]。2.2PLC工作原理PLC是采納“依次掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU依據用戶按限制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令起先逐條依次執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，起先下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作[4]。PLC的一個掃描周期必經輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按依次將全部暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段[5]。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后依次掃描執(zhí)行每條指令，經相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中全部的內容隨著程序的執(zhí)行而變更。輸出刷新階段：當全部指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過肯定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作[6]。圖2PLC工作原理2.3六人搶答器基本組成六人搶答器系統(tǒng)主要由主持人輸入信號、選手輸入信號、信號燈輸出信號、蜂鳴器輸出信號、數(shù)碼管輸出信號幾部分構成。首先PLC通過對兩個輸入信號的實行進行數(shù)字量的輸入，通過PLC內的用戶程序進行推斷將信號輸出至相應位置。圖3六人搶答器基本結構2.4六人搶答器工作原理六人搶答器系統(tǒng)上電完畢后，先驗證是否有起先搶答信號，假如在沒有的狀況下有隊伍進行搶答則進入違規(guī)搶答流程，在有起先搶答信號的狀況下，進入正常搶答流程，搶答勝利后，數(shù)碼管顯示搶答勝利的隊伍編號，搶答倒計時停止計時，然后主持人依據搶答勝利隊伍答題的正確與否進行加減分，同時將分數(shù)顯示在數(shù)碼管上，全部完成后，主持人按下復位按鈕，將搶答器系統(tǒng)復位至最起先狀態(tài)，等待下次搶答。圖4搶答器系統(tǒng)流程圖3六人搶答器系統(tǒng)設計方案制定3.1PLC選型六人搶答器對時間間隔的要求很高，同時須要有經濟實惠，精確性和精確性高的要求，西門子S7-200PLC是個不錯的選擇，其可牢靠性高，體積小，通用性好，運用便利，技術成熟，價格合適，是個不二選擇。最終依據本文設計的六人搶答器的輸入輸出接口數(shù)量對比表1的西門子S7-200的規(guī)格最終選擇西門子S7-200CPU226和EM223擴展模塊。表1S7-200系列選型表3.2六人搶答器系統(tǒng)的I/O口安排六人搶答器的輸入端口如表2所示：表2輸入端口搶答器一按鈕I0.1搶答器六按鈕I0.6搶答器二按鈕I0.2起先搶答按鈕I0.0搶答器三按鈕I0.3復位按鈕I0.7搶答器四按鈕I0.4加分按鈕I1.0搶答器五按鈕I0.5減分按鈕I1.1六人搶答器的輸出端口如表3所示：表3輸出端口搶答器一指燈Q0.1搶答犯規(guī)指示燈1Q1.1搶答器二指燈Q0.2搶答犯規(guī)指示燈2Q1.2搶答器三指燈Q0.3搶答犯規(guī)指示燈3Q1.3搶答器四指燈Q0.4搶答犯規(guī)指示燈4Q1.4搶答器五指燈Q0.5搶答犯規(guī)指示燈5Q1.5搶答器六指燈Q0.6搶答犯規(guī)指示燈6Q1.6蜂鳴器Q0.72路分數(shù)數(shù)碼管QB6搶答勝利隊編號QB23路分數(shù)數(shù)碼管QB7倒計時個位數(shù)碼管QB34路分數(shù)數(shù)碼管QB8倒計時十位數(shù)碼管QB45路分數(shù)數(shù)碼管QB91路分數(shù)數(shù)碼管QB56路分數(shù)數(shù)碼管QB104六人搶答器系統(tǒng)的軟件設計4.1PLC編程語言梯形圖語言是PLC程序設計中最常用的編程語言。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。由于電氣設計人員對繼電器限制較為熟識，因此，梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應用。所以本文將采納梯形圖語言進行程序的編寫。4.2搶答器系統(tǒng)程序4.2.1主持人限制端主持人進行搶答起先，搶答復位，搶答定時以及加減分的限制，程序如下：（1）當主持人按下起先搶答按鈕后，起先搶答信號M0.1置1，按下復位按鈕后，起先搶答信號M0.1置0.置1狀態(tài)下M0.1接通。圖5起先搶答與復位（2）按下起先搶答按鈕后，搶答定時20S起先倒計時，搶答勝利后倒計時停止并保持。圖6搶答倒計時（3）在隊伍搶答完成后，主持人依據答案正確與否按動加分減分按鈕進行分數(shù)限制。圖7分數(shù)限制4.2.2搶答勝利與搶答犯規(guī)指示燈顯示（1）在起先搶答信號接通的前提下，每個隊伍的搶答按鈕與另外五隊的按鈕進行互鎖，將搶答勝利指示燈進行自鎖保持，并入搶答倒計時的常閉信號，哪個隊伍的搶答按鈕先按下，哪個隊伍的搶答勝利指示燈就會亮，并隨著主持人的復位按鈕進行關閉。圖8搶答勝利指示燈顯示（2）起先搶答信號沒有接通的狀況下，即主持人未按下起先搶答按鈕，有隊伍按下?lián)尨鸢粹o，搶答犯規(guī)指示燈會進行顯示并自鎖保持。圖9搶答犯規(guī)指示燈顯示4.2.3七段數(shù)碼管顯示（1）搶答勝利隊伍編號顯示搶答勝利后，程序會將搶答勝利的那個隊伍的編號值傳送給VB1，然后將VB1中的值轉換為七段數(shù)碼管的值進行顯示，無搶答勝利信號時，數(shù)碼管顯示為0.圖10賦值程序圖11轉換數(shù)值并使數(shù)碼管顯示程序（2）20S倒計時數(shù)碼管顯示主持人按下起先搶答按鈕后，減計數(shù)計數(shù)器起先計數(shù)，每1S減1，然后將減計數(shù)計數(shù)器C20的當前值進行除法運算儲存于VD100中，個位為余數(shù)儲存于VB101中，十位數(shù)為商儲存于VB103中，并利用轉換指令SEG，將兩個值轉換為數(shù)碼管顯示值。圖12搶答倒計時圖13搶答倒計時轉換（3）各隊伍分數(shù)數(shù)碼管顯示利用加減計數(shù)器對每個隊伍進行計分，同時將加減計數(shù)器當前值轉換給數(shù)碼管進行顯示。圖14分數(shù)限制圖15分數(shù)傳送顯示4.2.4蜂鳴器電路主持人按下起先搶答按鈕時，蜂鳴器響1S進行提示，搶答犯規(guī)時，蜂鳴器常響，直至主持人按下復位按鈕結束，當答題倒計時為0時，蜂鳴器也常響，直至復位按鈕按下。圖16蜂鳴器電路5六人搶答器系統(tǒng)程序仿真5.1搶答勝利仿真主持人按下起先搶答按鈕后，第一個隊伍先按下?lián)尨鸢粹o，隊伍1搶答勝利指示燈亮，搶答勝利數(shù)碼管顯示1.圖17搶答勝利指示燈顯示仿真圖18指示燈及數(shù)碼管顯示仿真5.2搶答犯規(guī)及搶答超時仿真在主持人未按下起先按鈕I0.0的狀況下，隊伍1按下了搶答案按鈕I0.1，所以隊伍一搶答違規(guī)指示燈Q1.1亮，如圖19；蜂鳴器Q0.7接通，如圖20.圖19搶答違規(guī)指示燈仿真圖20搶答違規(guī)蜂鳴器報警仿真5.3加減分及數(shù)碼管顯示在隊伍1搶答勝利的狀況下（隊伍1搶答勝利指示燈Q0.1接通），主持人按下加分按鈕I1.0,隊伍一的分數(shù)加減計數(shù)器加1如圖21所示，然后經過傳送指令將加減計數(shù)器的值傳送給VW如圖22所示，最終通過SEG轉換指令將數(shù)碼管點亮如圖23所示。圖21分