基于PLC实现的抢答器的设计.doc

1、目录1、 绪论12、整体方案的选择23、硬件电路设计104、软件分析14结论28致谢29参考文献301、 绪论抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，无论是在学校、工厂、军队还是电视节目中，都可能会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。目前市场上已有很多类型的竞赛抢答器，但其中绝大多数是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。这抢答器已相当成熟，但是随着功能增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式却简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及功能的升级换代。近年来随着科技的飞速发展，单片机、CPLD、PLC的应用正在不断地走

2、向深入，因此设计出系统的可靠性和稳定性也在不断的提高，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。鉴于PLC在我国的应用已有二十几年的历史，随着目前生产自动化水平的提高，以及各种监控系统的需要，PLC以其外部电路简单、模块化结构、可靠性高，尤其可以通过方便的编制和修改软件来实现顺序控制的功能等特点，在工业的应用中越来越广泛。 本次设计的是一款基于三菱FX2N-48MR型PLC控制的抢答器，系统包括抢答控制按钮、抢答成功指示灯、数码管显示等等。该系统的设计编程简单，容易理解掌握，且工作稳定可靠。总体电路的设计简单。设计的系统在很大程度上提高了系统运行的稳定性。1.1竞赛抢答器的研究背景及意义智力竞赛是

3、一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们增加一些科学知识和生活常识。智力竞赛抢答器的电路各种各样，有的很简单，也有的比较复杂，比如用发光二极管或用双向晶闸管控制的灯泡指示抢答组别的电路可以做的很简单，如果用数字显示抢答组别，电路会相对复杂一些。本文介绍的是用数字显示抢答组别的智力竞赛抢答器。作为智力竞赛抢答器主控制器的PLC，在其发展初期，由于价格较高以及其功能还主要是逻辑控制，使得其应用受到限制。随着微电子技术、自动化技术、计算机技术和通信技术的迅速发展，使得PLC的成本大幅度下降，功能不断增强，可靠性和处理速度不断提高、

4、编程和故障检测更加灵活方便.2、整体方案的选择2.1 抢答器介绍知识竞赛抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科技技术的不断发展，他的应用场合也随之增加；技术含量大大提升；更加方便可靠。目前, 形式多样、功能完备的抢答器已广泛应用于电视台、商业机构、学校及企事业单位, 它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性, 在一定程度上丰富了人们的业余生活。用PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只要改变输入PLC的控制程序，可改变竞赛抢答器的抢答方案。2.2 用单片机和PLC做系统的比较所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系

5、统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。这种形式在 80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面 的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好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

6、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。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。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。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

7、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。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

8、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

9、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。2.2.1 PLC的简介国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下:PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模

10、块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。2.2.2 PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组

11、合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控

12、制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实

13、时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。2.2.3 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高。继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子

14、存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活。

15、PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。（3）编程方便。易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似

16、，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎，近年来又发（4）功能完善，扩展能力强。PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。（5）PLC控制系统设计、安装、调试方便。PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，

17、硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。（6）结构紧凑。体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。2.3 PLC的分类2.3.1 按I/O点数容量分类一般来说，PLC处理的I/O点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要

18、求的程序存储器容量比较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。按PLC的输入输出点数可将PLC分为三类。（1）小型机 小型PLC的功能一般以开关量控制为主，其输入、输出总点数在256点以下，用户程序存储器容量在4K字以下。现在的高性能小型机还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC价格低廉，体积小，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列，MITSUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整式PLC等产品。（2）中型机 中型机PLC的输入、输出总点数在256-2048

19、点之间，用户程序存储器容量达到2-8K字。中型机PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。中型机的指令比小型机更丰富，适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。典型的中型机有SIEMENS公司的S-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列模块式PLC等产品。（3）大型机 大型机PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到8-6K字。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，他具有计算、控制和调节的功能，还具有很强的网络结构和通信联网能力。他的监视采用CRT显示，能够表示过程动

20、态流程，纪录各种曲线，PID调节参数选择图；他配备多种智能板，构成一个多功能系统。这种系统还可以和其他型号的PLC互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。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系列等产品。上述划分没有严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具备中型机和大型机的功能，这也是PLC的发展趋势。2.3.2 按结构形式分类 按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类。（1）

21、整体式结构 整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。内外还有独立的I/O扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。小型机常用这种结构。（2）组合式结构 这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。大、中型PLC常用组合式结构。2.4 PLC机型的选择步骤与原

22、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：（1）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IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用

23、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IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO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。（2）安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO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IO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。（3）相应的功能要求一般小型(低档)P

24、LC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AD和DA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。（4）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

25、速IO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。（5）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。(6)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FX-48MR系列的PLC作为控制主机。3、硬件电路设

26、计3.1 竞赛抢答器的控制要求（1）知识竞赛抢答器能使4个队同时参加抢答。（2）设裁判队为裁判台，参赛对为参赛台。裁判台设有音响和裁判灯，并且设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。1-4号参赛台分别对应按钮SB1-SB4及参赛台灯EL1-EL4。（3）知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则：出题后，各队抢答必须在裁判说出“开始”并按下裁判台的开始按钮SB0后15S内抢答，并由数码管显示时间。如提前抢答，抢答器发出“违规”信号。15S时间到，如无队抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。在有队抢答的情况下，则抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时，并由

27、数码管显示出抢到题的参考队号，抢到题的队必须在30S内答完题，如30S内未答完，则作超时处理。（4）灯光与音响信号的意义如下：1) 音响叫（响1S）+某台灯亮，由某参赛队正常抢答。2) 音响叫（响1S）+某台灯亮+总台灯亮，某参赛队违规。3) 音响叫（响1S）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。（5）在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答作好准备。（6）各输出端口统一采用直流24V电源。3.2 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

28、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下图3-1所示：1号按键2号按键3号按键4号按键初始化显示抢答应用程序显示抢答显示抢答显示抢答应用程序应用程序应用程序YNNYYNYN开始3-1 主程序流程图3.3 PLC与七段LED显示器连接设计3.3.1 LED数码管的结构及主要特性1LED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

29、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09 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。2LED数码管的主要特性（1）工作电压1.55V，一般为1.52.5V，工作电流510mA，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0.1us。工作温度范围为-30+80，使用寿命可达5M小时以上。（3）

30、LED数码管每笔画工作电流I在510 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=（V0-V1）/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）。3.3.2 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

31、LED直接进行数据显示，可以降低成本，使得数据显示直观。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

32、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:1) 在仅占用PLC16点输出的情况下，显示的LED可多达128 个。2) 所有的显示单元的电路结构完全相同，可以互换。3) 所有的显示单元与PLC之间的连线完全相同, 硬件连线简单。4) 采用静态显示方式，显示没有闪烁感。5) 每一位LED数据更新显示仅需2个PLC 扫描周期。6) 在没有新数据显

33、示时，程序进行循环显示，使显示电路的抗干扰能力增强。由上述可知，结合本次设计，由于输入输出点并不是很多，采用PLC 控制LED 直接进行数据显示方案，可以大大降低设计成本。3.4.3 PLC与七段数码管直接连接阻值计算根据LED数码管每笔画工作电流I在510 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=（V0-V1）/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）。本次设计PLC电源采用的是直流24V，PLC的输出电压为5V，安通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1K。本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1K的R，以及5个E

34、L灯和一个音响。3.4.4 外部硬件接线图（见附图）为了硬件电路接线方便，SB0作为抢答的开始按钮，对应输入点为X0，输出点为Y0。SB1、SB2、SB3、SB4分别对应四个参赛对号，输入点分别X1、X2、X3、X4，输出点分别为Y1、Y2、Y3、Y4。SB5作为抢答的复位按钮，对应输入点为X5。音响输出点为Y5。数码管1显示输出点为Y10-Y16。数码管2显示输出点为Y20-Y26。数码管3显示输出点为Y30-Y36。PLC与数码管采用串电阻直接连接方式。4、软件分析4.1 IO分配表4-1 知识竞赛抢答器输入输出口分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号EL0Y0EL1Y

35、1EL2Y23号参赛台抢答按钮SB3X33号参赛台灯EL3Y34号参赛台抢答按钮SB4X44号参赛台灯EL4Y4裁判台复位按钮SB5X5音响BY5数码管1LE1Y10-Y16数码管2LE2Y20-Y26数码管3LE3Y30-Y36为了硬件电路接线方便和程序清晰易读，用SB0作为裁判台的开始按钮，四个参赛队分别用与之对应号SB1、SB2、SB3、SB4设置按钮。SB5为比赛复位按钮，使下轮比赛开始。输出与输入对应，用YO输出信号驱动比赛开始信号灯EL0，同理用Y1、Y2、Y3、Y4输出信号驱动对应的信号灯EL1、EL2、EL3、EL4。Y5输出信号驱动音响。Y10-Y16输出信号驱动数码管1显示

36、各个参赛队的队号。Y20-Y26输出信号驱动数码管2，显示抢答时间的个位，Y30-Y36输出信号驱动数码管3，显示抢答时间的十位。4.2 根据控制要求进行梯形图设计M0 111T0Y1Y2Y3Y4M1M2X0M1X5M0X1M1X5Y1X2M1X5Y2X3M1X5Y3X4M1X5Y4X1X5X2X3X4M1M1T1X5M2T1K130Y0M1M1T0T1M1Y0PLSM3M0M1M1M0M1T1M1T0M0X5梯形图（一）X5Y5M3T2Y5T2Y10Y2Y3Y11Y1Y2Y3Y4Y12Y1Y3Y4Y13Y2Y3Y14Y2Y15Y16Y4Y2Y3Y4T36T46M46T4M0T3T4M0M10

37、M11M12M13M14M15M166M17M18M19续梯形图（二）Y23M9M11M12M14M15M17M18M9Y24M11M15M17M9Y25M13M14M15M17M18M10Y26PLSM20M22K3M23ZRSTK1M20M15M11M13M17M12M14M18M19M21M22M23SFTLM21M22M24M25M15续梯形图（三）4.3 程序运行过程分析说明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，则进行下一步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

38、成功，则判断是否抢答犯规，若犯规，某犯规台灯亮，总台灯亮出指令。1、当裁判台按下开始按钮时，就将信号传入PLC中，同时四个参赛队处于抢答状态。然后根据哪个队最先抢到题目，然后在规定的答题时间内作答，或者答题超时。（由规定显示电路和音响作出反应）例如，1号参赛队抢到题目，同时抢答继电器M1 通电并自锁，抢答继电器M1 与其它参赛台按钮输入触点相串联的常闭触点断开，使得在有抢答按钮按下的情况下，其它按钮均无效。抢答继电器M1闭合，答题限时继电器M2 闭合并自锁，使得答题限时计时器T 1 开始计时（1）若1号参赛台答题超时，抢答继电器M1 通电闭合(有人抢答)，答题限时计时器T1计时到，其常开触点闭

39、合。在答题超时的情况下，M1 的常开触点与T1 的常开触点串联驱动裁判台的灯和音响。（2）若1号参赛台违规抢答，抢答允许继电器M0未闭合，裁判员未按下开始按钮SB0(X0 未闭合)，而抢答继电器M1闭合(有人抢答)。在违规抢答的情况下，M0 和M1 是“与”的关系，即M0的常闭触点与M1 的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。（3）无参赛队抢答，抢答继电器M1 未通电闭合(无人抢答)，抢答限时计时器T0计时到，常开触点闭合。当无人抢答时，M1 的常闭触点与T0 的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。综上所述，当1号参赛队违规抢答、无人抢答、答题超时驱动裁判台灯及正常抢答、答题驱动音响的梯形图如附图二所

40、示。其中M3为音响驱动继电器，当四种条件中有一种合符时，M3闭合一个扫描周期，使得音响驱动输出继电器Y5闭合，音响发出声音，同时音响限时计时器T2通电计时，经过1S后计时器T1动作，其常闭触点断开Y5及T2的电源，音响停止发出声音。2、抢答参赛队号显示，选用输出继电器Y10Y16 驱动数码管1 的七段发光管，即当有人抢答时即可显示抢到题的队号。（1）当1 号参赛台抢到题，则1号参赛台灯驱动输出继电器Y1闭合，Y1 的常开触点闭合，驱动Y11 和Y12，数码管1 即显示“1”的字符。（2）当2号参赛台抢到题，则2号参赛台灯驱动输出继电器Y2闭合，驱动Y10、Y11 、Y13、Y14和Y16，数码

41、管1 即显示“2”的字符。（3）当3号参赛台抢到题，则3号参赛台灯驱动输出继电器Y3闭合，驱动Y10、Y11 、Y12、Y13、和Y16，数码管1 即显示“3”的字符。（4）当4号参赛台抢到题，则4号参赛台灯驱动输出继电器Y4闭合，驱动Y11 、Y12、Y15和Y16，数码管1 即显示“4”的字符。3、计时脉冲产生程序。计时脉冲产生程序由计时器T3、T4组成。当抢答允许继电器M0闭合时，计时器T3开始计时，经过0.5S后，T3的常开触点闭合，接通计时器T4的电源；在经过0.5S后，T4动作，其常闭触点断开，使T3复位，常开触点闭合，接通秒个位移位继电器M4。经过一个扫描周期后T4的常开触点断开

42、，M4复位。4、计时显示程序。计时显示程序由输出继电器Y20-Y26，Y30-Y36驱动数码管2和数码管3完成。其中输出继电器Y20-Y26驱动数码管2，担任秒个位的显示；Y30-Y36驱动数码管3，担任秒十位的显示。在抢答允许继电器M0闭合后，继电器M9闭合，输出继电器Y20、Y21、Y22、Y23、Y24、Y25闭合，驱动数码管2显示“0”字符，同时秒脉冲信号产生程序开始工作。经过1S后，秒脉冲继电器M4闭合一个扫描周期，将M9中“1”的状态移位至M10中，M10闭合，输出继电器Y21、Y22闭合，驱动数码管2显示“1”字符，同理，随着左指令SFTL的运行，数码管将接着显示“2、3、4、5

43、9”字符。当“1”状态移位至继电器M18时，数码管2显示“9”字符；当“1”的状态移位至继电器M19中时，继电器M10-M18全部复位，M9又闭合，数码管2又显示“0”字符。同时M19闭合，使得继电器M20产生一个扫描周期脉冲，这个脉冲将M21中的“1”状态移位至M22中，继电器M22闭合，输出继电器Y31、Y32闭合，数码管3显示“1”字符。在抢答允许继电器M0闭合后，若在15S内有人抢答，由M0常开触点和M1常开触点组成的抢答计时显示触点闭合，使得M5闭合一个扫描周期，数码管2和数码管3复位清零。同理，若有人抢答但答题超时，则由M1常开触点和T1的常开触点组成的答题超时触点组闭合，使继电器

44、M25闭合，数码管2和数码管3复位清零。按下复位按钮SB5，X5闭合，各输出继电器辅助继电器全部释放，为下一次抢答作准备。4.4 源程序LD X0OR ANI M1OR Y2ANI X5OUT Y2 /(二号参赛台)LD X3ANI M1OR Y3ANI X5OUT Y3 /(三号参赛台)LD X4ANI M1OR Y4ANI X5OUT Y4 /(四号参赛台)LD X1OR X2OR X3OANI T1ANI X5OUT M2 /(答题限时继电器)OUT T1 K300 /(答题限时,裁判台灯状态)LD M1ANI M0LD T0ANI M1ORBORBLD T1AND M1ORBLD M1

45、ANI M0ORBPLS M3 /(正常抢答,无人抢答,答题超时,违规抢答)LD M3OR Y5ANI T2ANI X5OUT Y5 /(音响驱动,音响限时)OUT T2 K10LD Y2OR Y3OUT Y10 /(数码管一显示抢答参赛台队号)LD Y1OR Y2OR Y3OR Y4OUT Y11LD Y1OR Y3OR Y4OUT Y12LD Y2OR Y3OUT Y13LD Y2OUT Y14LD Y4OUT Y15LD Y2OR Y3OR Y4OUT Y16LD M0ANI T4ANI M12ANI M13ANI M14ANI M15ANI M16ANI M17ANI M18OUT M9LD M4SFTL M9 M10 K10 K1LD M19OR M25OR M5ZRST M10 M18LD M0AND M1PLS M5LD M9OR M11OR M12OR M14OR M15