基于PLC的打地鼠游戏设计.doc

一、 绪 论

1.1 课程设计的意义
电气控制技术是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，该课程不但有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此除安排上完理论课时外， 还安排了三周的课程设计
1.2 课程设计的目的
(1)综合运用PLC课程和其它选修课程的理论和知识，掌握PLC设计的一般方法，树立正确的设计思想，培养分析问题和解决实际问题的能力；
(2)学会从控制系统功能的要求出发，合理的选择外围设备，制定设计方案，编写控制程序。
(3)学习使用技术手册，掌握查阅专业资料的相关方法。
1.3 PLC可编程逻辑控制器的定义
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
1.4 PLC的基本结构
PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图1.1所示。

图1.1 PLC的基本结构
如图1.1，PLC的基本结构有电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路，此外还有功能模块、通信模块。
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内。
b、中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
c、存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
d、输入输出接口电路
(1)现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
(2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
1.5 PLC的编程语言
在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，梯形图程序设计语言的特点是： 
(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； 
(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；
(3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待； 
(4)与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。
1.6 三菱PLC- FX2N系列的特点
三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
特点： 系统配置即固定又灵活；-编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。

三菱PLC- FX2N

二、 系统方案设计及确定
2.1 打地鼠游戏
成品中有一个4×4的发光二极管阵列和开关阵列，并且开关和对应位置的发光二极管在逻辑上对应。游戏时，发光二极管阵列中的一个会闪烁一下，然后给出一定时间（根据级别不同时间也不同）让游戏者将对应的开关按下，如果按对则加分，按错或没有在规定的时间内按下按键均不加分但也不扣分；如果前10次按对的次数不超过7次，那么游戏将自动返回到开始状态，重新开始；如果得分超过了20分，游戏将自动升级，灯闪烁的间隔会减小，意为难度增大。七段数码管用以显示所得分数。此游戏与传统的打地鼠游戏不同：传统的打地鼠游戏每次出现不止一个地鼠，规定在地鼠出现的时间内（并且在这段时间内地鼠会一直显示）如果游戏者按对按键才会得分。而我们的就不一样，我们设计的游戏一次只有一个地鼠出现，并且只是闪烁一下而已，需要游戏者凭记忆记住那个地鼠的位置，然后给出一定的时间让游戏者按开关按键，如果按对才能得分。所以说，传统的打地鼠游戏只是锻炼了反应时间，而我们的打地鼠游戏既锻炼了反应时间，又锻炼了短期记忆能力。
2.2 功能要求
游戏时，发光二极管阵列中的灯会亮，然后给出一定时间（根据级别不同时间也不同）让游戏者将对应的开关按下，如果按对则加分，按错或没有在规定的时间内按下按键均不加分但也不扣分；如果得分超过了10分，游戏将自动升级，灯闪的间隔会减小，意为难度增大。七段数码管用以显示所得分数。（灯的出现可以是一个或者是多个，可以是按一定次序出现或随机出现，灯亮的时间自己定，根据作者熟练程度选择方案）

2.3 系统方案说明
本次设计基于PLC的打地鼠游戏，本文的课题源于风靡的打地鼠游戏。PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。
三、系统硬件设计
该系统输入为按钮，输出包括发光二极管、七段数码管。由于此次实习是设计控制系统，所以没有实物，结合实验室现有的硬件：模拟实验板，再合理分配输入输出端子，连接按钮。
四、系统软件设计
4.1系统流程图
PLC进入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按扭，选择难度（初级和中级），灯随机点亮，结合相对应的开关按钮，在自动（系统设置时间）灯熄灭前，按下对应的按钮进行熄灭，在一轮游戏结束时数码管显示当前所得分数。

4.1.1 工艺流程分析
初始状态

启动

选择难度

二极管亮

按下对应按钮熄灭灯

回合结束

计分

数码管显示分数
是否继续

停 机

4.2 输入输出地址及接线

五、系统调试
5.1 硬件调试
硬件线路连的好不好，直接关系到整个系统的成败。仔细看电源极性有没有接反，是否接地，看有没有逻辑性错误，主要包括错线、开路、短路。检查接线是否牢固。
5.2 软件调试
在FX2N环境里实现系统软件调试，首先在端口选择上选择FX2N/，然后画好梯形图。仔细检查梯形图后方可进行软件调试。
(1)在线工作:该软件与PLC连接在一起，称为在线工作，否则称为离线工作。
(2)传送：将程序、扩展指令等下载到PLC。
(3)操作模式：PLC工作模式为编程、调试、监视和运行四种。程序传送成功后选择运行，这样PLC就能按程序工作了，调节PLC输入，观察对应的输出是不是想要的结果。
5.3 调试结果（部分）

初级挑战

中级挑战

六、总结
通过这次设计实践，学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。了解了PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。

七、参考文献
[1]韩顺杰,蔡长青.电气控制技术[M].北京:北京大学出版社,2010
[2]杨亚萍,陈北莉.电气控制与PLC[M].北京:化学工业出版社,2009
[3]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].第二版.北京:化学工业出版社,2008 [4]钟肇新,范建东.可编程控制器原理及应用.[M].广州:华南理工大学出版社,2003
[5]史宜巧.PLC技术及应用项目教程. 北京:机械工业出版社,2009.1

八、附录
梯形图