基于点对点通信实现3组抢答器设计

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1、本科生课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学PLC技术及应用课程设计（论文）题目：基于点对点通信实现3组抢答器设计院（系）： 电气工程学院 专业班级：学 号：学生姓名：指导教师： 起止时间：24课程设计（论文）任务及评语学 号学生姓名专业班级设计题目基于点对点通信实现3组抢答器设计课程设计（论文）任务设计任务：参赛的A，B，C 3人的桌上各有一个抢答按钮，用3盏信号灯来显示他们的抢答信号，主持人通过控制台上的选择开关控制比赛的进行，控制台面板上有选择开关SF0，开始抢答按钮SF1，加分按钮SF2，减分按钮SF3。还设有LED显示器实时显示各组积分情况。1、比赛开始或宣布下一个题目之前，主持人要

2、拨动一次开关，使所有指示灯复位；2、为了控制抢答时间，抢答按钮在15秒内按下有效，超过15秒则无效；3、当主持人公布题目后，并按下开始抢答按钮，这时控制台上的抢答计时指示灯亮。自此抢答有效，当15秒到而无人抢答时，计时指示灯灭；4、最先按下按钮的抢答者对应的指示灯亮，与此同时，应禁止另外3个抢答者灯亮；5、若回答正确，其积分器加10分，若回答错误，其积分器减10分；没有得到抢答权的参赛组不能得到加分；6、LED显示器同步显示各组得分情况。最后各参赛组以积分多少论胜负。设计要求：1、系统需要4台PLC，请选择合适的PLC主机和扩展模块，完成系统硬件接线图；2、完成PLC 控制I/O 端口分配表以

3、及整体程序流程图；3、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；4、按统一的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书在4000字以上。 技术参数：抢答按钮在15秒内按下有效，超过15秒则无效；积分器初值设置为50；LED显示位数为2位。控制按钮额定工作电压220V，约定发热电流5A，PLC触点寿命500000次，时间误差0.5S。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）2、确定系统的输入/输出信号和类型，选择PLC主机和扩展模块。（1天）3、建立I/O分配表，完成PLC与输入输出信号的外部接线。（1天）4、按系统的控制要求，设计系统的梯形图。（3天）5、上机调试、修改程

4、序、答辩。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要目前市场上的大多数的所谓智能抢答器多是早期设计型号，功能不全，大多只是带有抢答锁定的单一功能。而目前最近采用的一批抢答器型号，技术上也是越来越成熟，一般采用模拟电路或者数字电路控制，或者是模数结合的控制形式。目前比较先进的抢答器一般都具有倒计时、定时、自动（手动）复位、LED数码管显示、按键发光等多种复合功能。而我们都知道越是功能繁杂，工艺要求越是高，成本高，损坏检

5、修难度也相对比较困难。基于市场上抢答器的这一情况，要想改变这样的这样的一个现状，必须化繁为简，节约成本，提高准确率，而以PLC作为其核心部件来进行逻辑控制及信号的产生，用这一手段来达到最快最准最简的目的。本次设计的抢答器具备通信能力，各从站能与主站进行通信；它还具有显示单元，能将各参赛队的积分值进行实时显示，并且将工作在交流电源下的按钮与PLC主机进行了隔离，更加安全。它功能更强，性能更高，编程语言多样化，抗干扰能力尤为强大，可靠性大为提高。使这套系统具备易用性和实用性。本次设计的基于PPI通信的三路抢答器具备了任务要求功能，能够运用在各种竞赛的场合，由于PLC的成本问题，本次设计的抢答器优异

6、的抗干扰能力和出众的稳定性适合应用在可靠性要求极高的场合，例如军工航天等场合。为人们的日常生活带来了方便，更为社会创造了价值。关键词：抢答器；PLC；PPI通信目录 第1章 绪论1第2章 方案论证32.1 系统分析32.2 I/O分析32.3 确定方案4第3章 硬件设计53.1 主机和模块选型53.2 连接及地址分配53.3 I/O分配73.4 外部接线图8第4章 程序设计114.1 流程图114.2 梯形图12第5章 调试或仿真21第6章 总结24参考文献25第1章 绪论我国科技迅速发展，而电子行业这个新兴产业的发展更是日新月异，在很多行业和竞争场合都要求公正的快速裁决，例如体育竞技、证券、

7、股票交易，以及各种智力竞赛等。在现在的社会中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法来引起观众和参与者的极大地兴趣，在各种各样的竞赛中，往往有几组或多组选手参加，这时主持人针对某个问题提问时，选手们都要经过竞赛抢答器来进行抢答。竞赛抢答器是用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多的特点，造成每路的成本偏高，而现代电子技

8、术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计成数字化全集成电路的数字抢答器是现代电子技术发展的要求。现在，常见的抢答器设计方案有3种：用继电器设计、用数字电路设计、用单片机设计。利用继电器或接触器的常闭触点互锁的原理可以很容易的做成抢答器。但由于受到继电器触点数目的限制往往只能构成四路以内的抢答器，不能满足参赛队数的要求。并且利用继电器设计的抢答器，体积庞大。利用数字电路中的优先编码器、锁存器、译码器、计数器、定时器和七段式数码管显示器可以很容易组建出抢答器，但是，运用的元件很多，故障点也就会随之增加，可靠性大打折扣。用单片机设计的抢答器具有电路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高的

9、特点，是一种经济、实用的比赛所用抢答器，但是它不具备通信能力，如果要求通信，再加上通信部分，整个电路会庞大不少，整个系统的稳定性和可靠性将大大降低。本次设计另辟蹊径，采用功能更加强大，性能更加稳定的PLC（Programmable Logic Controller，意为可编程序逻辑控制器）。它功能更强，性能更高，编程语言多样化，抗干扰能力尤为强大，可靠性大为提高。在本设计中，PLC拥有继电器一样的开关量互锁组建抢答器的优点，同时它优秀的可拓展能力也克服了触点数目的缺陷，它内部资源丰富，兼具单片机运算的优势，又能进行通信，且可以多台PLC互相通信，集运算、处理、显示等功能与一身，外部只需将开关、

10、按钮、指示灯和显示单元的七段式数码管显示器接上即可组成稳定、可靠的多路抢答器。在本设计中，PLC担当的是核心地位，此次采用了四台PLC组建基于PPI通信的多路抢答器，其中一台PLC作为主站，其他三台PLC作为从站，主站读取其他三台从站的信息，同时将抢答开始等信号写入从站。主站供主持人操作，从站供各参赛队进行抢答等操作，所有一切信息的读取与处理、输出均为PLC控制，其他器件仅为辅助作用。用到了平时所学的PPI通信，触点的自锁与互锁，定时，计数和送显示等知识点，加深了印象，巩固了所学到的知识。第2章 方案论证2.1 系统分析经过分析，参赛的A，B，C 3人的桌上各有一个抢答按钮，并用3盏信号灯来显

11、示他们的抢答信号，还设有两位七段式LED数码管显示器实时显示各组积分情况。主持人通过控制台上的选择开关控制比赛的进行，控制台面板上有选择开关SF0，开始抢答按钮SF1，加分按钮SF2，减分按钮SF3，还有一个抢答计时指示灯L1。要求：1、比赛开始或宣布下一个题目之前，主持人要拨动一次开关，使所有指示灯复位；2、为了控制抢答时间，抢答按钮在15秒内按下有效，超过15秒则无效；3、当主持人公布题目后，并按下开始抢答按钮，这时控制台上的抢答计时指示灯亮。自此抢答有效，当15秒到而无人抢答时，计时指示灯灭；4、最先按下按钮的抢答者对应的指示灯亮，与此同时，应禁止另外两个抢答者灯亮；5、若回答正确，其积

12、分器加10分，若回答错误，其积分器减10分；没有得到抢答权的参赛组不能得到加分；6、LED显示器同步显示各组得分情况。最后各参赛组以积分多少论胜负。2.2 I/O分析由分析可知，四台PLC均只涉及到数字量I/O，并未涉及模拟量输入输出。对于主持人所在的主站，数字量输入（DI）有4路，分别是选择开关SF0，开始抢答按钮SF1，加分按钮SF2和减分按钮SF3。数字量输出（DO）有一路：抢答计时指示灯（L1）。对于A组参赛队所在的从站A则有数字量输入（DI）一路：抢答开关K1。数字量输出（DO）17路：抢答指示灯LA，显示单元DA（16路）。对于B组参赛队所在的从站B则有数字量输入（DI）一路：抢答

13、开关K2。数字量输出（DO）17路：抢答指示灯LB，显示单元DB（16路）。对于C组参赛队所在的从站C则有数字量输入（DI）一路：抢答开关K3。数字量输出（DO）17路：抢答指示灯LC，显示单元DC（16路）。2.3 确定方案根据系统分析和I/O分析，本次选用4台PLC，一台作为PPI通信的主站，另外三台作为PPI通信的从站，主、从站之间通过通信电缆连接，进行点对点通信。主站负责抢答开始与停止，以及对各组回答正确后加分及回答错误后减分，主站还要读取是哪个从站先按下了抢答灯，从而对另外两组进行互锁，使其他后两组的操作不起作用。从站通过主站写入的数据进行相应的操作，同时还要显示本组实时的积分数值。

14、又因为按钮的额定工作电压是交流220V，考虑到PLC主机的安全，在此采用交流继电器作为隔离来保护PLC主机，避免在意外情况下造成主机烧毁。接线时，继电器线圈通过按钮和交流220V电源连接，继电器触点接在直流24V电源上，通过按钮的动作来控制线圈得电与失电，从而进行开关量信号的输入。考虑到晶体管的动作频率比继电器的动作频率更快，且具备无触点、无火花、动作频率快的优点，更加安全，稳定，故PLC主机均选用晶体管输出型。第3章 硬件设计3.1 主机和模块选型本次设计需要用到PLC，S7-200型PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，它是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、

15、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比，故本次设计将采用这一系列的PLC来实现。因为主机的输入输出点数较少，故考虑到成本问题，应选用自身带有I/O点数较少和使用广泛的的CPU型号。经过初期的市场调研，结合本系统的需求以及各方面的综合因素考虑，计划选用4台SIEMENS公司的S7-200系列CPU224型PLC。它具备14路数字量输入和10路数字量输出端口，因从站还需要显示两位数的实时积分值，所以从站的I/O点数不够，故还需拓展输出拓展模块，选用的是3个8点DC的EM222模块即可解决问题。

16、3.2 模块连接及地址分配由于从站主机I/O点数为14入/10出，与要求的1入/17出还有差距，故需拓展一个8点DC的EM222。其中EM222通过用于连接拓展电缆或EM进行连接，连接图如图3.1所示。因为还涉及到I/O点数编址，根据S7-200系统拓展对输入/输出地址空间的分配规则现编址如表3.1所示。模块1EM222DO8主机CPU224DI14/DO10图3.1 模块连接方式 表3.1 各模块编址主机I/O模块1 I/O输入输出输出I0.0Q0.0Q2.0I0.1Q0.1Q2.1I0.2Q0.2Q2.2I0.3Q0.3Q2.3I0.4Q0.4Q2.4I0.5Q0.5Q2.5I0.6Q0.

17、6Q2.6I0.7Q0.7Q2.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5又因三组从站皆为CPU224拓展一个8点DC的EM222，故其他两组的连接和地址分配与上述连接与地址分配相同。3.3 I/O分配根据之前的I/O分析，对于主持人所在的主站，数字量输入（DI）有4路，分别是选择开关SF0，开始抢答按钮SF1，加分按钮SF2和减分按钮SF3。数字量输出（DO）有一路：抢答计时指示灯（L1）。考虑到I/O点的冗余配置和利于安装、调试等原则，将开关的接线端子与接线端子之间间隔几个端子，I0.0和I0.6之间间隔着I0.1I0.5的5个输入端子，用于以实现选择开关SF0输入

18、端子坏掉以后方便更换。其他端子之间的间隔也是出于同样的考虑而分配。并且将指示灯统一定在Q1.0，Q1.1作为其备份端子，在调试的时候便于接线和记忆。故主站的I/O分配表如表3.2所示。表3.2 主站I/O分配序号地址设备名称及作用1I0.0选择开关SF02I0.6开始抢答SF13I1.1加分按钮SF24I1.5减分按钮SF35Q1.0抢答计时指示灯L1对于参赛队x所在的从站x则有数字量输入（DI）一路：抢答开关Kx。数字量输出（DO）17路：抢答指示灯Lx，显示单元Dx（16路）。为便于区别三组从站，将A组抢答开关接在I0.1，B组的接在I0.2，C组的接在I0.3，这样利于提高接线的准确性和

19、调试时的便捷度。又由CPU224的I/O点数分布知道，因为QB1只有Q1.0和Q1.1可用，故将抢答指示灯随主站定于Q1.0，Q1.1作为其备份端子。还差16路数字量输出，可以将QB0和QB2作为显示输出端子，用QB0显示积分值的十位数，QB2则用于显示积分值的个位。故各从站I/O分配表如下表3.3表3.5所示。表3.3 从站A I/O分配序号地址设备名称及作用1I0.1A组抢答开关K12Q1.0A组抢答灯LA3QB0A组显示器十位4QB2A组显示器个位表3.4从站B I/O分配序号地址设备名称及作用1I0.2B组抢答开关K22Q1.0B组抢答灯LB3QB0B组显示器十位4QB2B组显示器个位

20、表3.5从站C I/O分配序号地址设备名称及作用1I0.3C组抢答开关K32Q1.0C组抢答灯LC3QB0C组显示器十位4QB2C组显示器个位3.4 外部接线图经过前文方案确定的分析，主站的接线图如图3.2所示。图3.2 主站硬件接线图在图3.2中，SF0作为选择开关，比赛开始或宣布下一个题目之前，主持人要按动一次该按钮开关，使所有指示灯复位。SF1作为抢答开始按钮，当主持人公布题目后，并按下开始抢答按钮，这时控制台上的抢答计时指示灯L1亮。自此抢答有效，当15秒到而无人抢答时，计时指示灯L1灭。SF2为加分按钮，SF3为减分按钮，正在答题的参赛组的积分值变化程序会自动与加分按钮SF2和减分按

21、钮SF3相联系，回答正确后，主持人按下加分按钮，该组积分值增加十分，反之，则按下减分按钮，积分值减少十分，其他未获得答题权的组不会发生任何变化。同理，各参赛组所在的从站硬件接线图如图3.3图3.5所示。图3.3 从站A硬件接线图图3.3中，按钮K1为A组的抢答开关，按下按钮K1后，继电器线圈得电，触点闭合，数字量输入端子Q0.1得电，如果A组先于其他参赛组按下抢答按钮，则A组抢答指示灯LA亮起，两位七段式LED数码管显示器，分别接在CPU224的QB0和QB2上，分别将A组积分值的十位和个位显示出来。其他两组B组和C组原理同A组相同。其硬件接线图如下图3.4和图3.5所示。图3.4 从站B硬件

22、接线图图3.5 从站C硬件接线图第4章 程序设计4.1 流程图 在主持人按下抢答按钮，同时计时器开始计时。如在15秒倒计时结束前没有选手抢答，则复位进行下轮抢答；如果有选手抢答，则相应的指示灯亮起。然后选手对主持人提出的问题进行回答。接下来主持人对选手回答的答案进行判断从而选择对选手加分或是减分。最后主持人按下复位键，进行下一轮抢答。流程图如图4.1所示。NYNY开 始有无选手抢答？倒计时结束指示灯有没有答对？选手答题答题结束主持人下令抢答 15秒倒计时开始加10分减10分图4.1 程序流程图4.2 梯形图由分析可知，主站置于主持人所操作的主持台，它读取各从站的抢答状态，让三组参赛队之间形成互

23、锁，并通过写指令使位于主站的加减分按钮来为相应的从站进行加减分操作。故主站梯形图如图所示：各从站的主机位于各参赛组的抢答台，它通过主站的PLC主机读指令和写指令来与主站点对点通信，实时的将各从站状态送进主站，并将主站写入的指令实时的进行运算，最终将各参赛组的积分值显示在七段式LED数码管上。从站A梯形图如下：从站B梯形图如下：从站C梯形图如下：第5章 系统模拟调试进过系统分析，器件选型，I/O分配，梯形图编程，最后进行实际调试，在本次调试时，由于考虑到积分值的个位是不变的，变化的是十位数，因此本次调试未使用EM222联机调试，只用了从机的QB0显示各从站积分值的十位数。由于主持人这里无需显示，

24、故主站这儿只有四个按钮和一个抢答指示灯。由于实验台上的直接是24V直流，故交流继电器的隔离电路也无需在加，故主站最后的线路图和调结果如图5.1所示。图5.1 主站调试图图5.2 从站A调试图图5.3 从站B调试图图5.4 从站C调试图在各从站中，交流继电器的隔离电路也无需再加，只需一个按钮输入和一个指示灯输出及七段式LED数码管输出，在调试时，我们对三组的积分值都进行了加分和减分操作，均可以实现设计要求的功能。为了显示出区别，在这里对A组和B组进行了加分，对C组进行了减分，以展现三组的差异。各从站的现场调试图如图5.2、图5.3和图5.4所示。经现场调试，本次程序设计和硬件连接均能实现任务的指

25、标要求。第6章 总结本抢答器系统设计虽然是针对四路参赛选手设计的，但通过原理分析可知，它完全适用于多于四路选手的抢答场合，对程序和外围电路稍加改动，或者在系统程序中加入分支，还可以将抢答器转变为呼叫器，用在医院、宾馆、工厂的车间中等多种场合。这次课程设计的抢答器具备通信能力，各从站能与主站进行通信；它还具有显示单元，能将各参赛队的积分值进行实时显示，并且将工作在交流电源下的按钮与PLC主机进行了隔离，更加安全。它功能更强，性能更高，编程语言多样化，抗干扰能力尤为强大，可靠性大为提高。同时它优秀的可拓展能力也克服了触点数目的缺陷，它内部资源丰富，兼具单片机运算的优势，又能进行通信，且可以多台PL

26、C互相通信，集运算、处理、显示等功能与一身。当然，它也有缺点，它采用4台CPU224型PLC组成，还有3个EM222，整个系统的造价会非常昂贵，这是要求稳定性所造成的必然结果。这次课程设计虽然凝聚着自己的汗水，但却不是单个人智慧的结晶，没有老师的指引和帮助，没有同学的帮助和支持，这次课程设计肯定会大打折扣。在设计的过程中学到了很多实践中才能学到的知识，并且把上课中学到的器件选型、模块拓展、自锁与互锁、定时计数、显示和PPI通信等知识深化了印象，体会的更加透彻。我也因此对PLC有了进一步的认识，为将来的应用和工作打下坚实的基础。编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第

27、25页 共30页参考文献1 梅丽凤，郑海英.电气控制与PLC应用技术.北京：机械工业出版社，2011.12：227-2462 杨后川，张瑞.西门子S7-200 PLC应用100例.北京：电子工业出版社，2009.4：265-2673 王兆义.可编程控制器教程.北京：机械工业出版社，2005.1：14-184 王丹利.可编程序控制器原理及应用.西安：西北工业大学出版社，2001：23-245 郑玉平.可编程控制器.北京：北京航空航天大学出版社，1995：436 程磊,刘清平,邹清源.基于PLC的六路抢答器设计.常熟理工学院学报（自然科学版）2011年（第2期）2011.2第 25 页 共 30 页