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基于P L C的智能抢答器设计 顾桂梅 基于P L C 的智能抢答器设计 顾桂 梅 兰州交通大学 自 动化与电气工程学院 甘肃兰州， 7 3 0 0 7 0 摘 要传统抢答器 多采用模拟 电路或者数字 电路 ，随着功能的增多，存在 电路设计复杂，故障率高，显示方 式简单或者没有 ， 系统扩展困难等缺 点。 本设计利用可编程控制器制作抢答器 ， 使得系统抗干扰能力强， 运行稳定 可靠。 程序设计中， 采用 自锁与互锁相结合来实现选手 的抢答过程 ， 利用 P L C的位组合元件及 同步化处理 实现数码 管显示， 可解决P L C控制系统显示 中存在的占用输出点数多、 执行时间长等一些实际 问题 。 对系统进行现场模拟调 试 ， 调试 结果表 明系统运行稳定，数字 显示清 晰，无 闪烁现象 。 关键 词 P L C ；智能抢答器；设计 Ab s t r a c t T h et r a d i t i o n a l r e s po n d e r su s el a r g e l y a n a l o g c i r c u i t so rd i g i t a l c i r c u i ts．wi t hthei n c r e a s ei nf u n c t i o n a l i t y ， i t h a s s o me s h o c o mi n g s ， s u c h a s the c ir c u i t d e s i g n c o mp l e x i t y ， hig h f a i l u r e r a t e ， s i mp l e o r n o d i s p l a y ， e x p a n s i o n d i f fic u l t ， and S O o n ． Th e p a p e r d e s i g n sthe r e s p o n d e rb a s e do nthep r o g r a mma b l e c o n t r o R e rwh i c hh a s ap o we r f u l a b i l i t y a g a i n s t i n t e r f e r e n c ean dma k e sthe s y s t e m s t a b l e and r e l i a b l e o perati o n ． I n the p r o g r a m d e s i g n ， i t u s e s s e l f - l o c k i n g an d i n t e rlo c k i n g t o a c hie v e the an s we r i n g p r o c e s s ， u s i n g b i t c o mb i n a t i o n c o mpo n e n t s and s y n c h r o n i z a ti o n p r o c e s s i n g t o r e a l i z e LED’ S dis p l a y ．Th e s e s o l u ti o n s s o l v e s o me p rac ti c a l p r o b l e ms ， s u c h as t o oma n yo u t p u t st a k e nu p ， t o omu c hti met a k e nb yp e r f o n anc e ， and S Oo n ． Th r o u g ho n - s i t e s i mu l a ti o no fth e s y s tem， th e r e s ults s h o w tha t t h i s s y s t e m i s s t a b l e ，a n dfi g u r e s a l e s h o wn c l e a r l yan df li c k e r - f r e ep h e n o me n o n ． Ke ywo r d s P LC； Re s p o n d e r； De s i gn 中图分类号T P 3 9 1 ． 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 2 0 4 - 0 0 5 6 - 0 3 0 引 言 抢答器 作为开展 智力竞赛 活动必不可 少 的设备 ， 广 泛应用于学校 、企事业 工会组织、俱乐部等单位 ，为组织 举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答使用 。而可 编程控制器是一种新型 的通用 自动化控制装置 ， 具有控制 功能 强 ， 可靠性 高 ， 使用 灵活方便 ，易于扩 展等优点 。 将 可编程 控制器 应用于抢 答器 ， 必会使得竞赛 真正达 到公 正 、公平 、公 开 。 本文以西门子S 7 3 0 O P L C 作为控制系统对抢答器进行 设计 。该抢答器 集选手抢答 ，抢答成功 ， 违 规显示 ，声光 报警等功能于一身。 在数码显示方面 ， 为 了提高 P L C系统 的可靠性， 减少P L C控制系统的造价， 利用 P L C的位组合元 件进行数码显示及同步化处理实现数码管的导通。程序设 计思路简单，容易理解，大大减少了PLC的输出点数⋯ 。 1 控制要求 该系统 能够根据参赛者的情 况，自动设定答题时间； 能够用声光信号表 示竞赛状态 ， 调节赛场气氛；能够用数 码管实时显示参赛者 的得 分情 况。 具体控制要 求如 下 1 竞赛开始时， 主持人接通启动／停止按钮，指示灯 l 亮， 数码管初始化为 2 0 本设计中， 设定共有2 0道题 目， 根据 具体情 况， 也可 自行设计 。 2 当主持人按下开始抢答按钮后，如果在 l O秒 内无 人抢答， 赛场的音响发出持续 1 ． 5 秒 的声音 ， 指示灯2亮 ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 5 作者 简介 顾桂梅 1 9 7 0 一 ， 女，辽宁兴 城人， 硕 士， 副教授， 主 要研究旁向为智 能计算，电力 系统故障诊 断。 5 6 、 表示抢答 器 自动撤销此次抢答信 号。 3 当主持人按下开始抢答按钮后， 如果在 1 O秒内有 人抢答 ， 则最先按 下按钮 的信号有效，相应的抢答桌上 的 抢答 按钮 灯亮 ，赛场 的音响发 出短促 音。 4当主持人确认抢答有效后， 按下答题计时按钮 ， 抢答 桌上 的抢答灯 灭， 计时开始， 计时时间到 ， 赛场 的音 响发 出持续 3秒的长音 ， 抢答桌上抢答灯再次亮 。 5 如果抢答者在规定 的时间内正确 回答问题， 主持 人按下加分按钮，为抢答者加分， 每次加 1分。同时抢答桌 上 的指示灯快速闪烁 3秒。 ． 6如果抢答者在规定的时间不能正确 回答问题 ， 主 持人按下减分按钮，为抢答者减分 ， 每次减 1分 。 7选手答题完毕后，由主持人按 下复位按钮 ， 系统 开始下一轮抢答 。 8 本组竞赛完毕后 ， 由主持人按下系统总复位按钮 ， 清 零得分结果 ，系统 进行下一组抢答 。 2 硬件设计 2 ． 1 I ／ 0 地址分 配 根据系统要 求和所需 要的硬件 ，在 控制方 式选 择上 需要 1 0个按钮来完成相应的信 号输入 ， 5个信号指示灯 、1 个赛场音响及数码管显示电路 其 中包括 6个位选通信号 和 7个段选通信号 来完成系统的信号显示。由此可得， 系 统需要数字量输入 l 0点， 数字量输出l 9点。 综合考虑到系 统的性价 比和系统的可扩展性 ， 输入、 输出点留出一定 的 富裕量， 选择s 7 3 0 0系列的C P U 3 1 4， 电源模块选择P S 3 0 7， 再加上数字量输入模块 s M 3 2 1及输出模块 S M3 2 2就可以满 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表2 0 1 2 年第 4期 总第 1 6 2期 足要求 。系统具体输入输出地址分配表如表 1所 示。 表1 输入输出地址分配表 输 入端 c l 输 出端 I J 端 【 l 信 号 说 明 端 倍 垮 啦喇 地址 躬称 地址 名称 I 40 S B 系缝 启动 80 HLl j } ； 指 】 I 4 ． 1 S 舯 l』 } 始 抢替 8l HA 音响 H 2 S B l 卜 轮艇甑 li 2 H ￡ 2 信峙指示灯 1 4 3 S H 2 替题 时 ．3 I 1 j A 绷抢替指示龆 14 4 S m A 组抢祷 8 4 t l l B 组艳替指求灯 l 4 5 S 戳 B 组抢 祷 o8 HI _ 5 ‘ 纽抢 祷 指 永灯 I 4 6 S B 5 c组抢替 8 6 8 段 6 个I E D 数码错 1 4 7 S B 6 下 量 Il 复他 - Q 9 4 g 段 的8 段 g 戳 I 5 O S 丑 加 分 o9 ． 5 oMl A 粗 个 位 公拱端 【 5I S B s 减 分 096 Coh 纽 位公 捉端 7 Co B B { _ I J 个 协 公j 端 O1 00 C0M4 B 习 l 十何 登， 端 O J 0 ． I C 0 M5 c 绑 个他蛰其端 o 2 C 0M6 c组 证 公 端 2 ． 2 七段 数码显 示 L E D数码管的驱动方式，可以分为静态式和动态式两 类。 静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由P L C的一 个输出 口进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单， 显示亮 度高， 缺 点是 占用输出 口多， 则将增加硬件 电路的复杂性 及系统 的费用 。 动 态驱动 是将 所有数码 管 的段选 线并联在 一起 ，由 位选线控制是哪一位数码管有效。 选亮数码管采用动态扫 描显示 。 所谓动态扫描显示 即轮流向各位数码 管送 出字形 码和相应 的位选 ，利用发光 管的余辉和 人眼视觉暂 留作 用， 使人的感觉好像各位数码管 同时都在显示。 动态显示 的亮度会 比静态显示弱一些 ， 所 以在选择 限流电阻时应略 小于静态显示 电路 中限流 电阻的阻值 。 在本设计中每组 使用两个数码管分别显示十位与个位 ， 三组参赛选手共六 个数码管 。 数码管显示采用动态驱动 ，节省 了大量的输出 点， 而且功耗更低 。 具体 P L C外部接线 图如图 l所示。 图i P L C 处理及接线图 3 软件设计 3 ． 1 抢答控制程序 3 ． 1 ． 1 开始复位程序 在 比赛开始时 ， 主持人按下开始抢答按钮 S B 0， 选手 才能正常抢答 ， 同时接通答题 定时器 1进行计时。 回答完 毕时，主持人按下复位按钮 S B 1，电路复位 ， 所有指示灯 灭 ，音效 电路复位 。 3 ． 1 ． 2 选手抢答程序 抢答 时采用 自复式按钮进 行抢答 ，由于其 自身不 具 有记忆功能，因此利用 P L C的 内部继 电器完成其记忆 。 操 作人员按下开始抢答按钮 s B 0后，若A组的人按下抢答按 钮S B 3 后， H L 3 线圈得 电并 刍 锁则A 组抢答信号灯亮， A组的 人进行答题， B组、 C组的抢答过程 同A组相 同。为了保证 第一个人按下抢答按钮的信号有效，我们在每个抢答回路 中串入了其他两个人抢答信号线圈的常闭触 点进行互锁， 进 而准确地判别 出最先按 下按钮选 手。 3 ． 1 ． 3 答题限时程序 在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮 ，接通定时 器2 该时间设定为一分钟 ，为选手答题计时 。 若在规定 时间 ， 未能正确 回答题 目， 计 时时间到 ， 相应继电器常开 触头闭合 ， 则系统接通赛场音响及抢答者对应组别的指示 灯 ， 进行 声光报警 。 3 ．1 ． 4 无人抢答程序 在主 持人按下开始 抢 磐按钮 ，计时时间 本系统设定 计时1 0 S 到后， 仍无选手进行抢答 ， 赛场音响发出1 ． 5秒 的报警提 示音 。由于在不同条件下都可以启动赛场音 响， 程序 中将所 有条件 并联 ，并用 不 同的报 警声区别各种 状 态，从而可 以准确 反映赛场情况 。 3 ． 2 数据显示程序 3 ． 2 ． 1 个位数 码显 示 传统 的数据显示有两种方法一是由P L C编制程序进 行译码， 来控制显示a～g各段译码信号实现L E D数码管显 示二是利用译码组合 电路产生各段译码信号实现L E D数 码 管显示 。 前一种方法逻辑译码关系复杂， 后一种方法 译 码电路冗长， 都不利于显示的实现。 现利用P L C的字传输 指令来实现L E D的数码显示， 思路简单， 容易理解 ， 编程便 于实现 。 P L C的输出点Q 8 ． 6～l 9 ． 4分别接7段数码管的a ～g， 要显示数字0 只需要Q 8 ． 6 ～Q 9 ． 3 有输 出信号， 即Q 8 ． 6 ～Q 9 ． 4 输出口中Q 8 ． 6 ～Q 9 ． 3 输出为1 。 若要显示1 ， 则Q 8 ． 7 、 Q 9 ． 0 为1 ， 其它Q 8 ． 6 、 Q 9 ． 1 、 Q 9 ． 2 、 Q 9 ． 3 、 Q 9 ． 4都要为0 ， 即转换 为十六进制0 6 ；要显示2 时， 则Q 8 ． 6 、 Q 8 ． 7 、 Q 9 ． 1 、 Q 9 ． 2 、 Q 9 ． 4为 1 ， Q 8 ． 0 、 Q 9 ． 3要为0， 即转换为十六进制5 B。 依此类推 得十进制数字与 7段显示 电平和显示代码逻辑关系如表 2 所示 。 表2 十进制数字与七段显示电平和显示代码逻辑关系 卜 进 O 8 Q 8 7 o o 9 I 2 3 Q 9 4 十六进制 制数 a 1 }b 1 f c l 州I c J m f g 娃 代码 O l l J l l l 0 3 F l 0 l 1 0 0 0 0 0 6 2 I l 0 】 l O l 5 B 3 l 1 l 1 【 0 l 4 F 4 0 I l 0 O I t 5 l 0 l l 0 t I 6 D 6 1 0 l l l l I 7 L 7 I 1 l O O O O 2 7 S 1 I l I I l l 7 F 9 l J l 1 O l l 6 F 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于P L C的智能抢答器设计 顾桂梅 在 A组个位加减分显示程序中， 个位对应数码管初始 化为 0。 当有加分信号输入时， 字左移指令S H L w移动一 次， 使得M 7 ． 2 得电， 把0 6 用传送指令M O V E 传送到指定的状 态字中， 点亮Q 8 ． 7 lJ O 9 ． 0 ， 从而显示 1 ； 第二个加分信号使 M 7 ． 3 得电， 把5 B 用传送指令M O V E 传送到指定的状态字中， 点亮Q 8 ． 6 、 Q 8 ． 7 、 Q 9 ． 1 、 Q 9 ． 2 、 Q 9 ． 3 、 Q 9 ． 4， 从而显示2 ；依 此类推， M 7 ． 2 --M 6 ． 2 循环得电， A 组个位对应L E D 数码管循 环显示数字0～9。 同理， 当有减分信号输入时， 字右移指令S H R w移动 一 次， 使得M 7 ． 2 ～M 6 ． 2 逆 时针循环得电， A 组个位 L E D 数 码管循环显示 9 ～O。 3 ． 2 ． 2 十位数 码显 示 在十 位加减 分显示程序中，原理与个位加减分类似 。 十位对应数码管初始化为 2， 进位信 号由个位循环左移信 号形成， 从而驱动十位字左移指令 S H L W移动一次， 使得 十位对应 L E D数码管循环显示0～4。同理， 当有退位信号 输入时， 字右移指令S H R W移动一次， 使得十位L E D数码管 循环显示 4 ～0。 3 ．3 选通信号的生成 数码管 显示采用动态 扫描方式 ， 分 时导通六个数 码 管生成选通信号， 就要求对数码管显示进 行同步化处理 。 同步化处理 的方法很多 ， 在图2中是通过合理安排指令的 先后顺序来 实现 同步 的。 网 蠕 l ，I 蕊f 碍1 图2 选通信信号生成 P L C采用循环周期扫描工作方式， 指令的执行 由上至 下 ，由左 至右 ，前面 的结果将影响后面 ， 前一个周期 的结 果影响下一周期。 P L C逻辑设计同步化就是设法实现 用 脉冲 信号控 制输 出及 内部状态 的转 换 ， 有脉 冲作用 的周 期， 执行指令才有效果；而且在脉冲信 号起作用的这一周 期 中， 前面 指令 的执 行结果 ， 不 改变后 面指令 的执 行条 件 。 图2中， 主持人按下启动按钮 ， 系统上 电， 在第一个扫 描周期， M 2 0 ． 1 置位 ， 成为前一行的指令执行条件 ， 但这时 它的指令 已经执行完毕，故在此脉冲作用期 间，也不会有 什么变化。 依此类推， 第六个脉冲之后， M 2 0 ． 4 置位， M 2 0 ． 5复位， 成为中间继电器M 2 0． 6输出的条件 ， 第七个脉冲到 来， M 2 0． 4复位， 梯形图又回到初始状态。如此反复， 分时 实现六位数据的C O M 端M 2 0 ． O M 2 0 ． 5 轮流接通一个扫描周 期 。 4 现场模拟调试 在 P L C关机状态下， 按照P L C外部接线图正确连接输 入设备和输 出设备。 打开P LC电源， 方式开关置于 s T 0P状 态下， 将程序下载到P L C中， 然后将方式开关置于 R U N状态 下，运行程序 。 按下启动按钮， 系统指示灯 H L 1 亮， 启动整个系统。 抢 答开始时， 数码管初始化为2 0，如图3所示。当主持人按下 开始抢 答按钮 后 ， 在计 时时间 内 ， 有 参赛 队按下抢 答按 钮， 则该组抢答成功 ， 现 以C组抢答成功 为例。 C组在抢答 成功后 ， C组抢答指示灯H L 3亮 ， 同时赛场音响发出短促 音，提示抢答成功 。 具体现场模拟图如 图4所示 。 一 一 图3数码管初始化 图4 c 组抢答成功 参考文 献 [ 1 ] 赵峰， 顾桂梅． 现代电气控制与P L C 应用 [ M ] ． 兰州 兰州 1 大学 出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 韩明武， 刘吉吉． 可编程控制器控制系统的L E D 数码管显示[ J ] ． 佳木斯大学学报， 2 0 0 2 2 1 3 6 ． [ 3 ] 蒲翠萍， 任 杰． 基于P L C 的位组合元件和功能指令方法实现L E D 的数码管显示[ J ] ． 昆明学院学报， 2 0 1 0 ， 3 2 3 9 3 9 6 ． [ 4 】 盛 强． 基于P L C的定尺飞锯P I D 控制系统设计[ J ] ． 四川兵工学 报， 2 0 1 1 6 7 7 7 9 ． 上接第5 5 页 参考 文献 [ 1 ]L e w G o r d o n Q u a l i f y a n A d v a n c e d C o n t r o l P r o j e c t ，C o n t r o l E n g i n e e r i n g[ J ] ． 2 0 0 6 。 2 0 3 3 0 1 3 1 2 ． [ 2 ]薄迎春． O P C技术在催化装置分布式先进控制中的应用 [ J ] ． 化 工 自动化及仪表， 2 0 0 5 6 ． [ 3 ]吴剑强． 先进控制软件集成实时数据平台的分析与设计 [ J ] ． 5 8 计算机应用研究， 2 0 0 4 1 2 ． [ 4 ]彭凯． 生产过程实时监控系统数据平台关键接 口技术的研究 [ J ] ． 数字石油与化工， 2 0 0 7 7 ． [ 5 ]罗 刚． 基于O P C 的先进控制在丁二烯装置中的应用 [ J ] ． 控制工 程 ， 2 0 0 5 ， 1 2 4 ． [ 6 ]李小松， 马利业． 悬挂运动控制系统[ J ] ． 四川兵工学报， 2 0 1 0 ， 3 1 6 1 0 0 1 0 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m