基于PLC的六路抢答器设计

程 磊，刘清平，邹清源

（1.黄淮学院 电子科学与工程系，河南 驻马店 463000；2.江西电力职业技术学院，南昌 330032）

抢答器在文体娱乐活动和竞赛中具有广泛的应用，其具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示等多种功能.抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器.电子抢答器一般由单片机以及外围电路组成，电脑抢答器一般由电脑和相应软件及辅助设备组成.笔者采用日本立石公司（OMRON）生产的PLC作为核心控制器，完成了六路抢答器系统的设计.

1 设计要求

（1）该抢答器可为6组选手提供按钮进行抢答，选手若要回答主持人所提问题时，须抢先按下各自的抢答按钮.

（2）使用八段数码管显示器显示提前抢答和获得答题权选手的组号，并在选手答题的最后十秒进行倒计时.

（3）在主持人宣布开始抢答并按下开始抢答按钮后，在T0时间内，6组选手可以按按钮抢答.若有选手抢答，指示灯L1亮，驱动音效电路①发出声响，并且在八段数码管显示器上显示出抢答成功的选手的组号.此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效.若主持人未按下开始抢答按钮，就有选手按下按钮抢答，则指示灯L2亮，音效电路②发出声响，并且在八段数码管显示器上显示出提前抢答选手的组号，抢答无效.

（4）在主持人按下开始抢答按钮后的T0时间内，无人应答，指示灯L3亮，表示抢答者均放弃该题.

（5）选手抢答成功后，主持人按下开始答题按钮，启动计时器，选手在设定的时间T1内回答问题有效.在答题时间T1的最后十秒，由八段数码管显示器显示秒数，进行倒计时；当八段数码管显示器显示0时，音效电路③发出声响，选手停止回答问题，该轮抢答结束.若选手提前回答完问题，主持人可按下复位按钮，再进行下一个问题的抢答.

（6）主持人按下复位按钮后，八段数码管显示器和所有指示灯熄灭，音效电路复位.

（7）按钮应全部是自恢复按钮（也可部分使用自保持按钮）.

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

本系统的主控制器采用日本立石公司（OMRON）生产的CPM1A-40CDR-A型PLC.该PLC为可编程控制器的CPU单元，提供24个输入点和16个输出点，继电器输出方式,备有可扩充其I/O点数的扩展单元，最多可扩展至100个I/O点；还可连接特殊扩展单元，用于特殊控制[1].编程时，外设端口可以直接连接手持编程器，也可通过RS232C或RS422通信适配器与配有相应编程软件的上位计算机连接，可进行程序的编程、在线运行、编译和调试.

2.2 输入输出端子分配

CPM1A-40CDR-A提供24个输入点和16个输出点，本系统需要9个输入点，13个输出点，具体分配如表1所示.

2.3 硬件外部接线图

本系统的主控制器采用CPM1A-40CDR-A.输入部分为九个输入控制按钮，输出部分为三个音效电路、三个指示灯及八段数码管显示器.系统的硬件外部接线图如图1所示.

表1 输入输出端子分配表

3 软件设计

图1 硬件外部接线图

虽然PLC已获得了广泛应用，但是到目前为止，还没有一种让各个生产厂家的PLC互相兼容的编程语言，指令系统也是各个生产厂家各成体系，有所差异[2].本系统的软件采用的编程语言有梯形图和语句表.在上位机上通过CX-Programmer编程软件，可以进行系统软件的开发、调试、编译、在线运行.另外，通过手持式编程器进行程序的编写和修改.

3.1 工作过程分析

3.1.1 选手获得答题权的实现

由于系统中使用自恢复按钮，其自身不具有自锁功能，所以借用PLC的内部继电器完成抢答意愿的记忆.每轮抢答开始前，主持人首先通过复位按钮SB0（00000）实现电路复位.同时，八段数码管显示器和所有指示灯熄灭，音效电路复位.在提问之后,主持人宣布抢答开始并按下开始抢答按钮SW1（00007）后，最先按下抢答按钮的选手所对应的内部继电器最先带电并自锁.同时，此内部继电器的常闭触点串接在其他选手所对应的内部继电器线圈所在路径中，该触点失电断开，其他选手所对应的内部继电器线圈不能得电，形成互锁.进而准确地判别出最先按下按钮选手.此时，指示灯L1亮，音效电路①发出声响，并且在八段数码管显示器上显示出成功抢答的选手的组号.

3.1.2 选手提前抢答的判别

假如在主持人按下开始抢答按钮SW1（00007）发布抢答开始命令之前，就有选手提前按下抢答按钮，指示灯L2亮，音效电路②发出声响，警示有人提前抢答，并且在八段数码管显示器上显示出提前抢答选手的组号，抢答无效.直至主持人按下复位按钮SB0（00000），才能进入下一轮抢答.

3.1.3 选手组号的显示

当有选手成功获取问题抢答权或提前抢答时，八段数码管显示器中对应的管子发光，显示出选手的组号.当答题时间还剩10s时，利用相应的内部继电器首先将显示选手的组号清除，然后利用SFT的移位功能驱动八段数码管显示器中对应的位段发光，将八段数码管显示器演变为倒数计时器.

3.1.4 无人抢答的判别

假如在主持人按下开始抢答按钮SW1（00007）T0时间（本系统预设15秒）后，仍无选手按下抢答按钮，则相应的定时器T0触点状态发生翻转，输出高电平信号，使指示灯L3亮，数码显示器无显示，表示选手均放弃该题.直至主持人按下复位按钮SB0（00000），方可进入下一轮抢答.

3.1.5 倒数计时环节

当有选手获得问题的抢答权后，主持人即可按下开始答题按钮SW2（00008），选手开始答题.同时，定时器T1开始计时，当距离答题结束还剩10s时，定时器指令、SFT指令与专用内部继电器等配合，使八段数码管显示器变为倒数计时器，以秒为单位倒计时.当倒数计时器显示0时，答题时间到，此时音效电路③发出声响，选手答题结束.当主持人按下复位按钮SB0(00000)后，进入下一轮抢答.

3.2 梯形图程序

在PLC的编程中，最主要的编程语言是梯形图.梯形图是PLC程序的一种简便易懂的表达形式，它源于继电器控制系统的电气原理图[3].本系统程序的控制部分主要包括选手获得答题权的判别、选手提前抢答的判别、放弃抢答的判别和答题时间结束提示等[4].控制部分的梯形图程序如图2所示.

本系统中，使用八段数码管显示器显示提前抢答和获得答题权选手的组号，其梯形图程序如图3所示.

3.3 指令语句表

本系统控制部分的语句表程序如表2所示.

图2 控制部分的梯形图

4 结束语

该设计总体电路简单，易于制作，编程简单，容易理解掌握，且工作稳定可靠.另外，可以根据不同的需要，通过修改程序实现功能的扩展.

图3 选手组号显示梯形图

表2 控制部分的语句表

[1]戴一平.可编程控制器技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2009：25-34.

[2]陶维利，岳秋琴.机床电气与PLC[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：62-66.

[3]弭洪涛，孙铁军.PLC应用技术[M].北京：中国电力出版社，2007：74-75.

[4]夏江涛.八路抢答器的PLC程序设计[J].安阳工学院学报，2007，（2）：32-34.