基于PLC控制的四路搶答器設計摘要本文描述了一款用三菱FX3U-48M可編程控制器設計的四路搶答器的系統構成、設計思路和功能。此搶答系統除了有基本搶答功能之外，還有計時、計算得分、亮燈提提示以及蜂鳴提醒功能。程序中設定答題時間，在主持人未按下開始搶答按鈕之前，選手不可搶答，若搶答則會犯規蜂鳴，反之，則符合規則。選手搶到后亮燈提醒，主持人開始計時，到達指定時間后開始倒計時同時超時指示燈閃爍提醒，答題時間結束蜂鳴器報警提醒，按照比賽內容和規則判斷答題是否正確以及得分。若在主持人按下搶答按鈕之前，有選手搶答，則蜂鳴器報警，顯示器顯示該選手犯規。關鍵詞：觸摸屏；四路搶答器；設計；計時；計分；蜂鳴

目錄TOC\o"1-3"\h\u215881緒論 緒論1.1研究背景及意義搶答器是一個可以準確、直觀、公正的檢測出首位搶答選手的只能電子裝備，是各類競賽中的必需品，可以提高比賽的效率和公平性。大量參與知識競賽、文娛活動等活動中。搶答器的性能和款式也各有不同，為了精準迅速看出哪位或那隊選手在主持人發出搶答信號后，誰第一按下搶答按鈕，需要設計一個穩定精準的搶答控制系統。多種比賽在搶答過程中，以往的搶答設備一般使用基本的數字電路實現，往往體積大、線體裝配難度大而且經費支出多。依靠新興技術的發展，準確性高、反擾亂性好、配置完整、占地面積小、適用性強且用存儲邏輯代替接線邏輯的PLC技術已經深入到各個領域。搶答器只用在特定比賽場合，使用率較低，長期存儲可能會使搶答器內部電子元件損壞，為了避免反復采購導致的成本提高，本文設計了基于三菱PLC及觸摸屏的多功能搶答器。該系統的控制主體是三菱PLC，此搶答系統有四路輸出、四路輸入、限時搶答、得分統計和犯規警報功能。在本文設計的搶答控制系統中，四個參賽人員各有一個對應的搶答按鈕并且每個搶答按鈕配有一個指示燈，用來快速判斷哪位選手搶到答題資格。主持人有一個開始按鈕、一個計時按鈕、兩個復位按鈕、一個正確按鈕和一個錯誤按鈕，其中兩個復位按鈕分別用來結束一輪搶答和結束當前比賽。數顯界面相應的顯示搶到界面和答題界面，同時定時器開始計時，答題時間結束后判斷結果是否正確，若正確INC導通積分；若在主持人發出搶答信號之前開始搶答，數顯界面顯示搶到選手犯規，蜂鳴器報警；四位選手中一位合規搶到后對應搶答燈亮，同時通過程序自鎖并與其它選手互鎖，其它選手不能作答，整個過程可以精確到毫秒，答題時間結束蜂鳴提示且數顯界面顯示結果。復位按鈕被主持人按下后，此輪數據清零，下一輪搶答開始。1.2PLC與觸摸屏發展現狀PLC應用在工業領域占比越來越大，其產品結構和技術也隨之優化，性能趨近全面改進，但是價格確是趨近常理化。PLC有兩個方面的產品結構的發展。一種是，重點發展性價比更高、速度更快的超小型和小型PLC。另一方面，為了滿足單機和小型控制的需要，大容量、高速度、性能全面的大型PLC的發展必不可少。工業自動化行業各控制系統的要求越來越多，最近幾年，PLC制造商陸續研發了很多模塊及新元件，像控制溫度模塊、智能I/O模塊以及為檢查PLC外部錯誤所開發的智能模塊等，均有功能的提高、應用范圍的擴大提高和可靠性的提高。PLC編輯軟件發展的趨勢是各種程序語言的共存以及合作。各大制造商一邊將編程工具和硬件設備朝著各方向增強，朝著MAP發展，PLC的輸入輸出模塊，編程語言、通信協議、編程工具以及基本部件等各方面都逐漸趨近標準規范。機械設備和工作人員之間的溝通紐帶就是人機界面，使用者可選擇所需要的各種數據類型、程序監測和適應多工能顯示屏的變化。根據飛速發展的機械設備，人機界面可以清楚指引和通知工作者設備當前狀況，操作越來越方便，操作上的失誤也隨之減少，使機械設備更容易被新員工掌握。此外，因為高性能和小型化的控制面板，整套設備的附加價值也有所提高。觸摸屏的面世，因為它功能強大又簡單，又適用各種工業環境和生活中十分引人注目，稱得上是21世紀自動化領域革新的領軍產物。1.2.1國外PLC與觸摸屏發展現狀自從PLC出現，歷經過往40多年的發展，歐美工業發達國家的重要產業之一就是PLC。品種越多，制造商越多，銷售額也越大。隨之出現的情況就是價格下降。觸摸屏靈活準確的觸摸控制,只要參數正確,則PLC會執行對應的指令,例如開始與結束命令、計時命令、INC命令以及警報和指示燈等。歐美和日本的觸摸屏技術發展早已成體系，如歐美MicroTouch等企業都有超過十五年的歷史，日本三菱觸摸屏也早已占領市場超過二十年。1.2.2國內PLC與觸摸屏發展現狀近幾年，國內各個行業PLC的應用越來越多，發展趨勢較好。根據資料統計，2我國2020年的PLC市場占資有130億元。當中有51.2%的大型PLC，48.80%的小型PLC。估計我國2021的PLC市場規模會達到143億元，2022年可能會達到166億元。中國的“工業4.0”時代的到來和工控標準的提高，PLC在中國呈持續發展，也在像環保和新能源一樣的新型行業有所突破。通過現有數據推算出中國PLC行業市場容量在2020年為125億元，有9.65%的比例上漲，PLC市場規模在以后自動化升級和智能制造的領導下，會繼續上升。國內正在縮小小型PLC的差距。像能成熟生產的微型plc的全志（蘭州）、信捷（無錫），有些國產plC的技術能支撐現場總線和對應編程軟件。但國內廠家多數只是剛剛起步，距離大量生產、經營市場化以及品牌的創建還還有很大的空白。1.3PLC與觸摸屏發展趨勢隨著PLC技術不斷的改進,觸摸屏與此同時也會不斷的更新,會朝著一個更方便、更廣泛的,更智能化的方向發展。同時會成為人們未來生活中不可缺少的部分。未來觸摸屏和PLC的發展不止依據產品自身的發展,還依據于和別的管理設備和控制系統的集成程度。而且PLC與觸摸屏之間的通信會更加緊密,它們之間的應用會涉及的更廣、更遠。PLC與觸摸屏技術的提高必將推動工業化的發展,而且會越來越體現它們的重要性。1.4本文研究目標和主要內容本文研究目標是基于三菱PLC及觸摸屏技術編寫四路搶答器程序，使其可以方便應用于各類競賽場景。所編寫的搶答器程序擁有四路輸入和四路輸出、搶到亮燈提示、犯規提示、超時蜂鳴及亮燈提醒、選手得分統計及多次搶答功能。設計的觸摸屏界面可使選手清晰的看到自己是否搶到、是否犯規、答題時間以及得分。2搶答器控制系統總體設計2.1系統設計原則通過分析各類競賽場合的規則特點和要求，以及該系統的可實施性，總結出該系統設計是應滿足以下原則：（1）可靠性：在競賽中搶答控制系統應保持長期穩定的工作狀態，設計系統時應考慮到PLC和通訊模塊工作的穩定性，此外還要保證無線傳輸數據的準確性和抗干擾性。（2）實用性：搶答器系統的應用對象是參與競賽的比賽人員和主持人員，為了使搶答過程及結果準確可靠，觸摸屏界面的設計應簡潔、清楚、操作方便。（3）經濟性:該系統主要應用在各種搶答競賽中，目的是使整個搶答過程透明化，精準化，所以應選擇經濟的硬件配置與設計方案，以降低損耗成本。2.2系統工作原理及設計方案2.2.1系統工作原理四路搶答器系統的工作原理如下：系統上電后，若主持者發出搶答信號，表示四位參賽人員可即刻搶答，選手搶到后提示燈亮、其它選手不可在搶答、顯示器顯示搶答選手號，開始計時后顯示作答界面。時間過半開始倒計時提醒，答題時間結束后蜂鳴報警提醒，數據信息轉存寄存器中，判斷結果后INC工作。若主持者為發出開始搶答信號，參賽人員已發出搶答信號，則顯示器顯示犯規同時蜂鳴器報警提醒且輔助繼電器不工作，按具體比賽規則判罰；按下復位按鈕可結束當前一輪搶答，按下總復位按鈕可結束此輪比賽，數據清空。2.2.2系統設計方案該設計是采用三菱FX系列PLC與觸摸屏相結合所設計的用于各種競賽場合的四路多功能搶答器系統，它具有線路簡單、裝配成本低、實用方便及功能完善等特點，是一種操作簡單、準確度高的比賽專用搶答器。搶答體系包含硬件和軟件兩個部分，硬件部分主要由三菱PLC編程控制器（FX3U-48M）、三菱觸摸屏GOT1000、LED顯示器、蜂鳴器、LED提示燈、定時器、數據寄存器、六個搶答按鈕已經相配合的電路配線組成；軟件系統包括用GXWords2編寫主題程序、計時程序、INC程序已經報警程序，用GTDesigner3設計觸摸控制界面排版。采用GXWords2和GTDesigner3進行程序設計配合GTSimulator3可聯合模擬運行，檢驗程序是否能達到預期效果。該系統以三菱PLC可編程控制器為核心，以編程軟件和基本電路為輔，所需元器件均可在編程軟件內模擬實現，下圖為該系統的系統控制框圖。圖2-1PLC系統控制框圖2.3數據寫入及通訊過程當梯形圖寫好之后，需要將程序與電腦通訊才能正常運行。通訊過程如下：①把電腦和PLC通過專用的編程電纜線連接。每個品牌有不同的通訊端口引腳，制造商生產的各個品牌的編程電纜線并不通用。所以在選用電纜線時，一定要型號匹配，下圖是2-2為三菱FX系列PLC編程電纜線，型號為USB-SC09-FX圖2-2三菱FX系列PLC編程電纜線②打開設備管理器，查看端口，如下圖2-3所示：圖2-3查看端口電腦和PLC通訊好后，在設備管理器的頁面下會出現COM口。本文的搶答系統用的是COM3,此外，電纜線插入不同的USB口會生成不同的COM口。如果當前COM口連接不成功，需點擊鼠標右鍵，更新驅動，直到顯示正常。③打開GXWork2軟件，進行如下圖2-4操作，點開導航欄里的連接目標，設置好端口。點擊“通訊測試”后彈出已成功連接對話框，說明測試連接成功。④單擊提示欄上的“在線”選擇下面的PLC寫入或PLC讀取。(先點擊參數+程序，后點擊執行，就能把程序下載進PLC。讀取的過程也是一樣。)如下圖2-4圖所示：圖2-4PLC寫入執行成功后顯示下圖，點擊關閉即可。注：1.PLC只有在通電情況下才能傳輸數據2.檢查工程選擇正確的PLC型號3.所有外接線插緊實3系統硬件設計3.1PLC的兩種結構及組成大體上，PLC包含兩種開放式總線結構，一種是模塊式一種是箱體式，兩者的結構不同但元器件相同，在該系統中我們選用的是模塊式PLC。模塊式PLC下有I/O模塊、CPU模塊、儲存、送電模塊、支撐板或框架，幾個模塊裝配完成后就構成長方體樣式。PLC的基本結構框圖如圖3-1所示：圖3-1PLC的基本結構框圖3.2系統硬件設計方案3.2.1系統硬件組成本文的硬件的控制組成主要由MitsubishiGroupFX3U-48M微型可編程控制器、MitsubishiGroupFX3U-M485BD通訊接口模塊和MitsubishiGroupGOT1000觸摸屏等組成，可以實現系統的人機交互功能。硬件系統的核心控制部分是三菱可編程控制器，通過仿真方式寫入或讀取來控制搶答過程正常運行。系統硬件的電氣原理圖3-2所示:圖3-2系統硬件控制框圖上位機與下位機FX3U-48M之間通過專用的編程電纜線并設置統一端口連接?？删幊炭刂破鞣胖迷谏衔粰C左側，通訊接口模塊與可編程控制器以及上位機通訊成功后開始PLC寫入，模擬量特殊功能模塊可與可編程控制器直接連接。由三菱GOT1000觸摸屏和GXWorks2軟件的監控狀態實時顯示搶答系統的運行狀態。PLC可編程控制器程序成功寫入后，在寄存器設置斷電保存的情況下，即使電路斷電或者電池短時間失電，已經寫入的程序不會丟失，得電后可正常使用。3.2.2硬件的I/O分配針對搶答規則和搶答系統的控制方案，了解搶答系統一共需要7個輸入和14個輸出，詳細的I/O地址分配如表1所示，表1中的SB為按鈕，M為輔助繼電器，Y為輸出繼電器。表1硬件I/O分配表123.3模塊選型及配置3.3.1可編程控制器模塊該系統選用的是深圳市聚川自動化設備有限公司生產的三菱PLCFX3U-48M可編程控制器，其儲存器可以編制程序，用來完成系統中的定時、積分和順序控制等功能。如圖3-3所示的可編程控制實驗臺就是采用的FX3U-48M，是以FX3U-48M的順序邏輯控制、控制計時、控制電機步進、處理系統數據、模數的轉換和聯網通訊技術為基礎的三菱PLC實驗臺，使用者可在上位機上用GXWorks2軟件編寫紅綠燈、自動售賣機和搶答器等程序然后與FX3U-48M完成通訊和PLC寫入，便可在看到程序控制效果。也可以把相應實驗模塊與實驗臺的輸入及輸出端口用線路連接，可直觀的在模塊上控制實驗程序運行，程序運行效果也更加直觀明了。圖3-3可編程控制實驗臺3.3.2通訊適配器選型本系統選用的是三菱公司的FX3U-232-BD通訊適配器，適用的PLC有FX1N、FX3U、FX2NC和FX3UC-1PS-5V?？梢酝ㄟ^雙相、單相50KHZ硬件計數器高速輸入FX3U-232-BD，在雙相計數中，可以設定幾種倍增模式，也可以連差動輸出型的編碼器。3.4觸摸屏模塊選型及仿真該系統選用的是三菱GOT1000,通過GXDesigner3來控制，是由MitsubishiGroup所開發的設計觸摸屏控制界面的仿真APP，含有GTSimulator3，能配合三菱FX系列的觸摸屏軟件使用。GTDesigner3為使用者提供了GOT機種設置、GOT環境設置、連接機器設置、觸發動作、時間動作等多種功能，還未用戶提供了數據檢查、模擬器、文件轉換等各種工具，幫助用戶對三菱觸摸屏的編輯操作。在該系統中主要用來進行觸摸界面設計,同時與GXWorks2聯合仿真。仿真界面如3-4兩張圖所示：圖3-4-1聯合仿真界面圖3-4-2聯合仿真界面在PLC模擬仿且觸摸屏窗口畫面設置好后，在指示欄中找到模擬器并啟動，彈出小窗口選擇正確的GTSimulator機種后啟動即可。在比賽中，選手搶答是否法規、超時、得分以及結果判定都可以通過觸摸屏監控查看。4搶答器控制系統軟件設計4.1軟件基礎4.1.1編程語言的特點PLC的程序語言和計算機編程語言相比較而言，比較特別，PLC編程語言和一般的高級語言和匯編語言不同。其設計不僅要求要容易編寫，而且方便后期調試。到現在為止，所有PLC廠家的產品都不能通用編程語言。就像本文采用的MitsubishiGroup的FX3U，有自己特有的編寫方式，所有類型的PLC，它們的匯編語言皆含有的幾種特點是：指令形式形結構、常數變量明確、程序結構簡單、軟件生成過程容易和著重調試方法。4.1.2編程語言的形式梯形圖是本文的編程語言，就是用線段把PLC指令連接在一起形成一個導通圖，用以表達其前后順序和PLC指令，比較直觀易懂，梯形圖和電氣接線圖相像。4.1.3編程元件內部編程元件是支持本系統型號的編程語言軟元件，常用叫法分別叫做定電器、繼時器、寄存器等，和真實軟元件不同，通常把它們叫做“軟繼電器”。常用的有：狀態寄存器、數據寄存器、專用輔助繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器、輸入繼電器及輸出繼電器等。4.2軟件總體設計及設計原則4.2.1軟件總體設計軟件總體設計包括PLC控制程序編寫、觸摸屏界面設計及通訊設計。該控制系統有三個設計重點：第一個是實現選手之間的互鎖和自鎖功能，自鎖就是在主持人發出開始搶答信號之后，如有選手首位搶答成功，指示燈亮，放開搶答按鈕也不產生影響；互鎖是指主持人發出搶答信號后有選手搶答，則其他選手不可再搶答，該系統是四人搶答，應實現兩兩互鎖。第二是實現更好的人機交互功能，也就是說通過設備可以更好的控制和監測選手的搶答狀態，在本文中采用結婚觸摸屏的方式實現此功能。第三是實現同步記錄選手得分，一輪比賽結束后可只管看到每位選手的總得分，無需賽后復盤統計，在該搶答器系統中通過INC（和DEC）指令得以實現。控制系統中PLC的主要工作為：搶答系統啟動后，通過PLC程序判斷搶答選手是否違規、超時、得分以及蜂鳴等。控制系統軟件設計要求：（1）與硬件系統配合，能夠根據搶答狀態，實現狀態判斷及數據實時更新（2）與控制機組和外部模塊配合，能夠通過可編程控制器和上位機實現控制系統中所有執行元件的監測（3）能夠保證搶答系統以及整體設備正常通訊運行觸摸屏界面設計要求:（1）設計手動控制和自動控制按鈕界面，使參賽人員和主持人能夠方便的使用該搶答設備，同時實現通過觸摸屏可一鍵啟動、復位。（2）設計回答“正確”“錯誤”按鈕，使主持人根部選手實際回答情況進行判斷計分（3）設計犯規和超時提醒，使參賽人員以及主持人通過蜂鳴提示，實時查看哪位選手犯規或超時（4）設計系統得分分信息查看界面，使主持人直觀判斷勝負，使參賽人員可快速復盤4.2.2軟件系統設計原則軟件程序編寫時搶答控制系統的核心，為了保障系統的可靠性和低風險性，系統軟件應遵守以下原則:（1）高效性：選手的搶答動作和作答內容關系到該選手是否符合規則，進而關系到該選手是否得分（2）穩定性：在競賽過程中，軟件設計要在任意時刻保證系統正常運行（3）簡單性：軟件的設計應提高可操作性，使操作者能夠盡快的掌握軟件使用方法。（4）低風險性：除了PLC程序自身的安全設計以外，硬件的安全保護也要具備，軟件設計應具有一定的差錯保護性，能夠對人為的錯誤操作做出提醒，確保系統安全的運行。4.3PLC程序設計本文選用三菱GXWorks2編寫PLC程序，最早進入國內市場的PLC就是三菱，近幾年退出的FX2N高功能整體式小型是FX2的更新產品，在容量特殊功能、網絡功能、容量、網絡功能和速度（0.08μm/指令，比FX2快六倍）等方面有整體的提升。4.3.1開始及復位程序在搶答過程中，主持人控制整場比賽的進度，是參賽選手和評委之間的媒介，采用主控指令實現開始搶答及復位功能，主持人的控制程序梯形圖如4-1一組圖片所示：圖4-1主持人控制程序4.3.2四位選手的搶答程序搶答器的精密性確保四位選手不存在同時搶到的可能，在編寫梯形圖時給四位選手又分別添加了自鎖和互鎖以保證一位選手搶到后其他選手不可再搶答。另外四位選手的搶答過程會判斷選手是否犯規。4.3.3定時器與蜂鳴程序設計根據比賽要求設定定時器時間，每位選手在計時時間內答題，到超時提醒時間指示燈開始閃爍提醒，時間用完蜂鳴提醒并且顯示超時。4.3.4INC積分程序設計INC用來記錄每位選手的得分，INC是加一指令，就是自加一的每次觸發進行加一操作。在該系統中，選手在規定條件正確答題記一分。與INC相對的是DEC指令，是自己減一得每次觸發進行減一操作，在該系統中選手在規定條件下錯誤答題減一分。4.4觸摸屏控制界面設計梯形圖編輯好后可以仿真監視程序運行，但是不能直觀的看出是否能達到所要求的效果。為了直觀的看出程序是否正確可行以及更好的人機交互效果會采用GTDesigner3和GTSimulator3軟件來設計與程序配合使用的操作界面，在本文的搶答器程序中需設計一個基本畫面和若干個窗口畫面。5搶答器控制系統的應用與分析5.1系統功能測試5.1.1系統控制功能測試在具體比賽使用之前系統需要實驗測試通過才能使用，其中控制功能測試是為了測試控制系統軟件以及硬件接線設計的功能性，需要對程序的輸入輸出口和數據寄存與顯示進行全面的調試，以避免系統發生故障。軟件調試階段主要是對三菱編程軟件中的梯形圖進行編寫調試，最后對三菱觸摸屏軟件做可視化操作測試，主要通過按鍵對電路控制測試。5.1.2系統監視功能測試（1）數據傳輸功能對FX3U-48M進行PLC寫入和讀取以及仿真測試，首先，連接目標端口要設置一致然后進行通信測試，參數加程序寫入，控制器與上位機成功連接后進行數據寫入并備份。若無差錯，系統程序正常運行，證明在以太網通訊下PLC和上位機可正常傳輸數據（2）數據讀功能PLC的執行狀態，可通過觸摸屏控制畫面監測到，在觸摸屏控制界面可以看到搶答信息。系統運行過程中，幾號選手搶到答題和得分都有數顯。5.2系統應用分析為測試系統控制是否能夠起到犯規提醒的作用，該系統做了對比測試。一個選手在主持人發出搶答信號后搶答，該選手若搶到就有答題資格；一個選手在主持人發出搶