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1、菏泽学院Heze University本科生课程设计（论文）题目 竞赛抢答器的设计 姓名 学号 院 系 蒋震机电工程学院 专业 自动化 指导教师 职称 助教 2014 年6 月16 日 菏泽学院蒋震机电工程学院课程设计任务书及成绩评定设计题目 竞赛抢答器的设计 专业 自动化 学生姓名 学 号 201117082 指导教师姓名 指导教师职称 助教 设计任务书一、设计的主要内容（技术指标）与要求（1）系统上电后，持人在总台单击开始按钮后允许各队抢答即抢答有效。启动指示灯亮蜂鸣器响2秒。（2）、在抢答过程中1-6对任何一队先按下各自的抢答按钮（SB1SB6）后该队的指示灯亮（L1-L6），同时LED
2、数码管显示当前对号，及蜂鸣器想起2秒并连锁其他选手，继续抢答无效。（3）在有队抢答的情况下，抢答器发出抢答信号定时器开始计时，抢答各队必须在120秒内完成抢答及答题;如果在120秒内未完成则作超时处理。（4）120秒后主持人对抢答状态进行确认后单击开始按钮清楚显示数码系统又继续允许各队开始抢答；直至又一个抢答先按下各自的抢答按钮。二、进度安排 序号内 容所用时间1下达设计任务书，熟悉设计系统任务和要求1天2查阅资料，熟悉硬件、软件2天3系统方案设计2天4详细设计3天5撰写论文1天6课程设计检查1天合计10天成绩评定设计成绩：指导老师： （签字） 年 月 日目录摘要1关键字1Abstract1K
3、ey words11.绪论21.1课程设计研究内容21.2 竞赛抢答器控制要求22.系统总方案设计32.1设计要求32.2方案分析33.控制原理及具体设计方案33.1 系统结构框图设计33.2 流程图设计43.3 I/O分配表63.4 硬件电路图73.5 数码管显示部分83.6根据设计要求梯形图设计94.调试过程总结134.1调试过程总结144.2展望后续15参考文献 16竞赛抢答器的设计 11级自动化 杨崇涛 指导教师 沈勇摘要：随着我国经济和文化实业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。最初的抢答器是由优先权编码器构成的逻辑电
4、路，其运算速度慢，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更加困难。因此，一种能够体现竞赛的公开、公平、公正性的知识竞赛抢答器成为一种需求。 本设计将以PLC为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以其控制方便，灵活，只要改变输入PLC的控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。关键字：PLC； 竞赛抢答器 ；七段译码器Design Of Contest Responter Student majoring in Atoma
5、tion Name Yangchongtao Tutor Shenyong Abstact:With the development of Chinas economy and culture industry, in many publicoccasions require a fair competition competition award, such as securities, stock trading and various intelligence contest, hence the responder. Responder firstlogic circuit is co
6、mposed of a priority encoder, the operation speed slow, circuit complexity, reliability is not high, the function is simple, especially when theanswer way a lot, it is more difficult to achieve. Therefore, one can reflect therace open, fair, justice knowledge contest Responder become a demand.This d
7、esign takes PLC as a core design of the system structure diagram, program instructions,ladder diagram as well as input and output terminal assignment,while retaining the basic functions of the original responder and a series of practical functions and simplify the circuit structure, the control is c
8、onvenient,flexible, as long as the change control procedure input PLC, responder schemecan change the contest Responder, which makes the competition and constantly improve its fairness, impartiality.Key words: PLC Race responder The seven segment decoder 1绪论 目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器，其大致采用模拟电路、数字电路、单片机
9、或者PLC芯片、计算机控制系统等四类产品。对于采用模拟电路或者数字电路的产品，其技术相当成熟。但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及其功能的升级换代。对于计算机控制系统来说，其程序简单，反应灵敏，便于参数调节及其功能的升级换代，但鉴于其必须配合计算机实用，可操作性差，没有得到广泛的应用。而对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC、单片机为核心的部件成为主流。它对采样获得的各种抢答信号进行分析。但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当
10、今社会的需要。该设计不但有抢答功能，而且还有一个计分系统，能分别对四个选手进行计分，并能够对分数进行加、减。带计分功能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器，更好的服务于社会。1.1课程设计研究内容 系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。1
11、.2竞赛抢答器控制要求 设计一个七段数码管（简称LED）显示6队的智力竞赛抢答器。抢答器的外形结构如图1-1所示；总台设有总台开关及定时复位按钮及指示灯，分台按钮及分台指示灯，蜂鸣器（简称喇叭）。(1)、系统上电后，持人在总台单击开始按钮后允许各队抢答即抢答有效。启动指示灯亮蜂鸣器响2秒。（2）、在抢答过程中1-6对任何一队先按下各自的抢答按钮（SB1SB6）后该队的指示灯亮（L1-L6），同时LED数码管显示当前对号，及蜂鸣器想起2秒并连锁其他选手，继续抢答无效。（3）在有队抢答的情况下，抢答器发出抢答信号定时器开始计时，抢答各队必须在120秒内完成抢答及答题;如果在120秒内未完成则作超时
12、处理。（4）120秒后主持人对抢答状态进行确认后单击开始按钮清楚显示数码系统又继续允许各队开始抢答；直至又一个抢答先按下各自的抢答按钮。（）、灯光亮与音响信号的意义：音响响秒启动指示灯亮开始抢答音响响秒某队指示灯亮由某参赛队正常答题注：各输出端口统一采用直流电源2系统总体方案设计2.1设计要求 1.由五组竟猜抢答，当主持人按下开始抢答按钮后，五组选手开始抢答，数码管开始显示九秒倒计时。 2.如果在九秒内无人抢答该题作废，再按抢答键无效；在抢答时间内如果有人抢答，抢答成功的选手的台前闪烁对应组号码，并报警鸣音，闪烁3秒后组号常亮，抢答成功后，开始进行答题倒计时30秒，在有效答题时间内可以对对应组
13、进行计分，有显示分数和总场积累分数的功能。当这次答题结束后，主持人次按复位键后，开始进行新一轮抢答。3.五组中，第一组两个按纽任一个抢先按下有效，第二组两个按纽同时抢先按下有效，其他组一个按纽抢先按下有效。2.2方案分析抢答器设计是一个经典问题，有很多方法可以实现，可以采用数字电路，单片机系统，PLC系统来实现，相比之下PLC实现具有可靠性高，设计简单等特点。由于系统有起动和停止选项，为了简单明了，将系统工作状态信号用辅助继电器M6来表示。对于抢答部分，当X1-X7七个输入按钮中的某一个或两个按下之后，系统应该记录其状态，如果采用指示灯形式表示，可以直接将其输出给输出继电器Y，但是由于我们采用
14、数码管输出显示，输出继电器部分已经被占用，所以此处我们采用辅助继电器M1-M5来记录抢答结果。由于抢答是按钮为了信号长期有效，还需要将其自锁，又由于任何时刻，只有一组抢答有效，所以各辅助继电器又要进行互锁。3 控制原理及具体设计方案3.1 系统结构框图设计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。知识竞赛抢答器有十个输入信号（即十个按钮），十六个输出信号（即一个音响信号，其余为数码管输出信号）。本次设计可大致分为3大部分：抢答部分、倒计时及其显示部分、计分及其显示部分。在抢答设
15、计中，肯定要有自锁和互锁控制，自锁是为了保持信号长期有效，互锁是为了对组间互不影响；在倒计时显示部分中，主要采用时间继电器和mov指令来实现；计分环节是本次设计的难点，采用计数器累计计数，然后转换为BCD码再送入辅助继电器，再将段码送入数码管实现显示数字功能。系统控制结构框图如下图3-1所示：PLC控制器 主持人控制按钮选 手抢答按 钮指示灯报 警选手 抢答号显示计分显示倒计时显示 图3.1系统结构框图.3.2 流程图设计 当裁判按下开始按钮时，五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，则由工
16、作人员进行对应的计分操作，答题结束；若超时，则该次抢答失败。流程图如下图3.2所示：开始9秒抢答并显示倒计时选手答题，进行倒计 未按时答题 是工作人员进行工作积分，并显示计时结束复位图3.2操作流程图3.3 I/O分配表根据任务要求及所选FXoN-40MR PLC和其他硬件（蜂鸣器、灯、数码显示管）的实际情况，I/O地址分配如表1所示。表3-1 I/O分配表输入信号输出信号名称代号输入点标号名称代号输出点标号开始/复位按钮SB1X0蜂鸣器HAY01号赛台抢答器按钮SB2SB3X1/X2数码管1 a1 Y12号赛台抢答器按钮SB4SB5X3 与X4 b1Y23号赛台抢答器按钮SB6X5c1Y34
17、号赛台抢答器按钮SB7X6d1Y45号赛台抢答器按钮SB8X7e1Y5计分按钮SB9X10f1Y6停止按钮SB10X11g1Y7数码管2a2g2Y10Y17 为了硬件电路接线方便，SB1抢答的开始按钮，对应输入点为X0；SB2、SB3为一号参赛抢答按钮，对应输入点为X1/X2；SB4、SB5为二号参赛抢答按钮，对应输入点为X3 与X4；SB6，SB7，SB8分别对应后面三个参赛对号，输入点分别X5、X6、X7；SB9为计分按钮，对应输入点为X10；数码管1显示输出点为Y0-Y7。数码管2显示输出点为Y10-Y17。3.4 硬件电路图 根据题目要求和I/O地址分配，结合FXoN-40MR的PLC
18、外部硬件接线图如图3.3所示：图3.3硬件外部接线图3.5 数码管显示部分为了使LED数码管显示不同的数字，要把某些段的发光二极管点亮，这样就要为LED数码管提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字符，这些代码也称为段码。本设计采用的是共阴极接地，该数码管外形及引脚如下图3.4所示 ；图3.4数码管外形及引其具体显示字符及共阴极段码如下表2所示表3-2 8段LED段码抢答器的传送数据显示数字共阴极段码gfedcba0H3F01111111H0600001102H5B10110113H4F10011114H6611001105H6D11011016H7D11111017H70
19、0001118H7F11111119H6F1101111 3.6根据控制要求梯形图设计 3.6根据控制要求梯形图设计3.6根据控制要求梯形图设计4调试过程总结及展望4.1调试过程总结根据这次设计的要求及自己额外扩展的功能，经过这几天的努力和在老师同学的帮助下，基本达到了自己期待的目标，在这过程中遇到了不少的麻烦，下面来大致总结一下。本次设计大致分为三块：抢答、倒计时显示、各组分数显示。在抢答这一块我采用了基本指令，根据设计要求，各组为按钮抢答，所以我先用按钮驱动辅助继电器M1M5并将其自锁，组与组之间采用互锁，使其不能同时得电。再根据七段数码管的特性，ag分别对应于程序中的输出Y1Y7，再看每
20、个组号分别亮的时候要点亮那几段，再将五组整理在一起可知，Y1Y7与M1M5之间的关系，从而实现这一功能。在这过程中我加了一点花样，在抢答成功后，由时间继电器T2和辅助继电器M8013完成闪烁功能，开始的3秒会闪烁对应的组号，后接着常亮。例：若一号组抢到该次机会，则由图3.4可知，b、c两段亮则在数码管上显示数字“1”。抢答成功后，有30秒的答题时间，在这过程中根据答题情况可以对其进行加分操作，若答题超过了规定时间，则由时间继电器T0切断系统，主持人按复位按钮后，下轮抢答有效。在倒计时这一块，我主要采用时间继电器实现这一功能，当主持人按了开始按钮后开始计时（由于plc输出点数有限，抢答倒计时只设
21、置了9秒），由mov指令将数字9对应的段码送入到Y10Y17中，当1秒钟到后，由时间继电器切断这条mov指令，同时接通下条mov指令将数字8对应的段码送入到Y10Y17中，如此循环到达倒计时目的。当有组在规定的时间内抢答，则切断倒计时这一功能，当倒计时结束后，则由这一块中的最后一个时间继电器切断整个系统，只有主持人按复位按钮后才可以进行下一轮。在计分显示这一块，是整个设计中最复杂的，开始采用的是三菱FX-2N中SEGD这一指令，它能将数字直接送到数码管中达到显示的目的，很方便，简洁。但在FX-ON中，不支持这条指令，所以只能采用别的方法。在单片机原理书中讲到过“LED数码管的显示原理”，里面说
22、到了数码管段码与字节中各位对应关系，根据数字对应的共阴极代码段间的联系就能实现显示不同数字这一功能。所以就采用了这一原理。首先，各组计分的实现。利用计数器来对计分按钮进行计数，由于数码管个计分的功能；每组对应一个计数器，C0C4,计数中，由前面的辅助继电器M1M5接通与之对应的计数器（M1M5相互互锁，从而计分不可能同时进行），从而到达计数器之间互不影响，计分公平的目的。其次，计分显示的实现。由于要利用一个8段数码管显示五组不同的分数，开始是想到了，采用OUT Y10之类的，但是每组都要用到，要是用基本指令，肯定特别复杂，或者有双线圈输出的可能，查阅了大量的资料发现在类似的情况下可以用BCD指
23、令实现这一功能。将各组计数器中的数值通过BCD指令转换为BCD码送给辅助继电器，这样每次计数将得到4个不同的数值，从而4个辅助继电器得电的情况也不一样，通过这4个辅助继电器得电的情况驱动mov指令，让相对应的段码送到数码管中，从而显示每组对应的分数。例：计数器记的数为1，则通过BCD转码后M23M20的得电情况为：0001，则由该指将数字“1”显示在数码管上。 再就是数码管2，也就是Y10Y17 重复利用了6次，第一次是起到倒计时的功能，后面5次是分别显示五组不同分数的功能，由于利用的次数较多，所以采用了mov指令，可以重复利用，很直观，大大简化了指令的繁琐 。由于倒计时和积分是不可能同时出现
24、的，有倒计时说明没人抢答，不会显示分数，要是显示了分数，则说明了一定有一组抢到该次机会。由这个逻辑关系，在抢答倒计时和积分显示这两大块上采用互锁，即梯形图中的辅助继电器M8。M8没得电接通倒计时功能，M8得电后断开倒计时功能，接通计分显示功能。由以上分析实践可以实现一个数码管显示器重复利用的功能。 4.2 展望后续通过这次的课程设计，让我学到了很多东西。首先是对PLC这门课程的一个总体掌握与运用的锻炼机会，在方案的规划，硬件的选择确定，程序中各个基本指令的用法，功能指令的应用场合、特定的功能等等这些方面，有了很大的提高；在就是学会了遇到不懂的问题及时查阅资料，其实很多东西书上写的很好很详细，只
25、是平时在一些小的问题上没有注意，从而导致在用法上有困难；再就是通过这次设计让我对PLC产生了更加浓厚的兴趣，从开始到调试再到最后，遇到了很多问题，但是通过找办法，让一个个问题解决，我觉得这就是一种收获，一种满足。在这次设计中，由于时间和硬件的关系，没有完全实现全智能的抢答器，希望有机会再增加一系列的使用功能：1.能切换场景，相同的抢答台，能实现不同的场景；2.能进行犯规惩罚，当主持人没按开始或是复位按钮，有人抢答则算犯规；3.同时能进行减分操作，由于这次硬件原因，该PLC不支持双向计数器，从而不能进行减分操作，希望在下次的设计中加入减分功能,从而将竞赛抢答器设计的更加完美。 参 考 文 献1 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:航空航天大学出版社，2003.2 高 勤.可编程控制器原理及应用(三菱机型) M .北京:电子工业出版社，2006.3 廖常初.PLC的编程方法与工程应用 M.重庆:重庆大学出版社，2001. 4 王红.可编程控制器使用教程 M.北京:电子工业出版社，2002.5 钟肇新等.可编程控制器原理及应用 M.广州:华南理工大学出版社，2008.6三菱FX2n系列微型可编程控制器使用手册
