毕业设计论文-知识竞赛抢答器plc设计

毕业设计论文-知识竞赛抢答器plc设计内容摘要：

的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离 设计要求都会引起系统的不稳定。 另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定 [11][12]。 单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。 这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加 [11]。 初始状态 复位 图 21 结构流程图 开始抢答 违规抢答 状态：开始信号发出前抢答， 音响叫（响 1S） +某台灯亮 +总台灯亮。 正常抢答 状态：开始信号发出 15s内，音响叫（响 1S）+某台灯亮。 无人应答 状态：开始信号发出 15s内，音响叫（响 1S）+裁判台灯亮。 10 单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了 [12]。 操作：现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关， 显示用 LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。 特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。 总之，这样的人机对话不够友善。 特点：不可靠，价格便宜。 可编程控制器（ PLC）： 所谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上 设计程序以达到所设计的功能。 这种形式目前在工业现场应用最为广泛 [10]。 PLC 的可靠性：进口 PLC 采用的 CPU 都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。 PLC 的可扩展性： 要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而 PLC 的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。 PLC 的可维护性： PLC 本身 有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。 操作： PLC 的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很详尽的操作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握。 另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示故障原因和排除方法。 甚至可以显示故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。 特点：价格与前二 种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。 综合以上的分析和比较，最终决定采用 PLC。 11 3 硬件电路设计 控制特点分析 知识竞赛抢答器通过 PLC 进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过裁判员和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（ PLC），PLC 将根据信号作出相应的响应。 知识竞赛抢答器有六个输入信号（即六个按钮），九个输出信号（即五个台灯信号、一个音响信号、三个数码管输出信号）。 由上可知 PLC 共有六个输入点，九个输出点。 系统控制结构框图如上图 31 所示 ： PLC 机型的选择 步骤与原则 随着 PLC 技术的发展， PLC 产品的种类也越来越多。 不同型号的 PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。 因此，合理选用 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、 I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC 机型的选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。 选择时主要考虑以下几点： PLC SB0 SB5 SB1 SB2 SB3 SB4 显示器 参赛队号码 计数器的个位 计数器的十位 1 号台灯 2 号台灯 3 号台灯 4 号台灯 蜂鸣器 图 31 系统控制结构框图 12 ⑴ 合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 PLC 的每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC的功能扩展灵活方便，在 I/O 点数、输入点数与输出点数的比例、 I/O 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 ⑵ 安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 I/O 式以及多台 PLC 联网的分布式。 集中式不需要设置驱动远程 I/O 硬件，系统反应快、成本低；远程 I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广 ，远程 I/O 可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程 I/O 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC，但必须要附加通讯模块。 ⑶ 相应的功能要求 一般小型 (低档 )PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 A/D和 D/A 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PLC。 对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规 模大小及复杂程度，选用中档或高档 PLC。 但是中、高档 PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 ⑷ 响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。 如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑 PLC 的响应速度，可选用具有高速 I/O 处理功能的 PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。 ⑸ 系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。 对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余 系统或热备用系统。 13 ⑹ 机型尽量统一 一个企业，应尽量做到 PLC 的机型统一。 主要考虑到以下三方面问题： ① 机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 ② 机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 ③ 机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易 于形成一个多级分布式控制系统。 综上所述，基于以上思想，选用日本三菱公司 FX48MR 系列的 PLC作为控制主机。 流程图 当裁判按下开始按钮时，四个参赛对处于抢答状态，假如是一号参赛队先 抢到题目， PLC 先判断抢答是否成功，若成功，则进行下一部看是否在规定的抢答时间内答题，若在规定时间内，则答题结束；若超时，则提示主持人；如果抢答没有成功，则判断是否抢答犯规，若法规，某法规台灯亮，总台灯亮出指令。 PLC 与七段 LED 显示器连接设计 LED 数码管的结构及主要特性 ⑴ LED 数码管的结构 LED 数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。 将条状发光二极管按照共阴极（负极）或共阳极（正极）的方法连接，组成“ 8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了 LED 数码 管。 若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从 0～ 9 的一系列数字。 同荧光数码管（ VFD）、辉光数码管（ NRT）相比，它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与 TTL、CMOS 电路兼容等优点。 现已广泛用作数字化仪表、数控装置、家用电器中的数显器件。 常见 LED 数码管的外形及内部结构如图 314 所示。 图 314 属于共阳极结构，图 320 采用共阴极结构。 分别表示公共阳极和公共阴极。 a～ g 是 14 7 个笔段电极， DP 为小数点。 另有一种字高为 mm 的超小型 LED 数码管，管脚从左右两排引出，小数点则是独立的。 abcdefg1 2 5431 09876g f bae d D Pc++● D PОООООООО+aD PgfedcbООООООООaD Pgfedcb( a ) ( c )( b ) 图 32 常见 LED数码管的外形及内部结构 ⑵ LED 数码管的主要特性 ① 工作电压 ～ 5V，一般为 ～ ，工作电流 5～ 10mA，高亮度管可在低电压和小电流（ 1mA 左右）条件下工作。 ② 单色性好，亮度高、高频特性优良，发光响应时间非常短，通常小于。 好，工作温度范围为 30～ +80℃，使用寿命可达 5M 小时以上。 ③ LED 数码管每笔画工作电流 I 在 5～ 10 mA 之间，若 电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算 R=（ V0V1） /I 其中 V0 为加在 LED 两端上的电压， V1 为 LED 数码管每笔划压降（约为 2V）。 PLC 与七段数码管方案选择 PLC (可编程控制器 ) 具有体积小、抗干扰能力强以及运行可靠等诸多优点。 PLC 的梯形图语言清晰直观、可读性强， 易于掌握。 在工业控制中， PLC 作为面向控制对象的下位机，已广泛应用于工业控制的各个领域。 但对于一般的中小型的专用设备，采用工业控制计算机作为上位机会使成本大大提高，同时不便于在操作现场直接读取 或输入数据 .在显示数据较少时，采用 PLC 控制 LED 直接进行数据显示，可以降低成本，使得数据显 15 示直观。 而当欲显示的数据较多时， PLC 直接进行数据显示，会使得所需PLC 输出点数大大增加，同时由于 PLC 梯形图的局限性，会使得显示程序的编制变得非常复杂，这不仅增大了程序编制的难度，而且增加了程序的执行时间，从而大大地降低了显示速度。 在应用可编程序控制器 (PLC)构成的控制系统中，除要求 PLC 完成指定的控制功 能外，往往还要求附带有输出显示，对一些参数进行动态实时显示，以利于操作者监控生产过程。 PLC 通过输出模块外接显示电路，一般要求少占用输出点数、外接电路简单、输出显示速度尽可能快。 OMRON公司推出的 CQM1 型 PLC 指令中设置了 7 段输出显示指令 7SEG(2)，该指令有 4 位和 8 位两种方式，输出 8 位数时要占用 13 个输出点，若要求输出显示 5 位数时，需选用 8 位方式，占用 13 个输出点。 PLC 输出模块接 LED 数码管显示的方法已应用在一实际 CQM1 型 PLC 构成的控制系统中。 PLC 驱动的显示电路配合 PLC 程序，可以实现如下的指标的数据显示 [7]: ⑴ 在仅占用 PLC16 点输出的情况下，显示的 LED 可多达 128 个。 ⑵ 所有的显示单元的电路结构完全相同，可以互换。 ⑶ 所有的显示单元与 PLC 之间的连线完全相同 ， 硬件连线简单。 ⑷ 采用静态显示方式，显示没有闪烁感。 ⑸ 每一位 LED 数据更新显示仅需 2。