四路抢答器的plc控制线路的设计.docx

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四路抢答器的plc控制线路的设计

机电传动控制课程设计

设计题目：

四路抢答器PLC控制电路的设计

学校：

梧州学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

08机械2班

姓名：

学号：

指导老师：

年月日

摘要

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。

现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。

而实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。

目前市场上已有的各种各样的智力竞赛抢答器绝大多数是早期设计的，只具有抢答锁定功能的一个电路，以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品，这部分抢答器已相当成熟。

现在的抢答器具有倒计时、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、按键发光等多种功能。

但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单（有的甚至没有显示电路），无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。

本设计要求就是利用PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用PLC本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。

关键词:

可编程控制器抢答器PLC模拟电路数字电路

第一章设计选题及目的

1.1设计选题

设计选题：

四路抢答器的PLC控制电路的设计。

控制要求：

（1）竞赛者若要回答主持人所提问题时，须抢先按下桌上的抢答按钮；

（2）绿色指示灯亮后，须等主持人按下复位按钮PB5后，指示灯才熄灭；

（3）如果如果竞赛者在主持人打开SW1开关10s内抢先按下按钮，电磁线圈将使彩球摇动，以示竞赛者得到一次幸运的机会；

（4）如果在主持人打开SW1开关10s内无人抢答，则必须有声音警示，同时红色指示灯亮，以示竞赛者放弃该题；

（5）在竞赛者抢答成功之后，应限定一定时间回答问题，根据题目难易可设定时间；

（6）当主持人打开SW2开关之后计时开始，如果竞赛者在回答问题时超出设定时限，则红色指示灯亮并伴有声音提示，竞赛者停止回答问题。

1.2设计目的

通过这次课程设计，灵活运用《机电传动控制》理论知识，在实践中实现巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想。

第二章功能介绍

2.1主要功能介绍

（1）抢答器最多可供4名选手参赛，编号为1~4号，各队分别用一个按钮（分别为S0~S3）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，直到主持人清零。

（3）开关S作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，当开关S松开后则允许抢答。

输入抢答信号由抢答按钮开关S0~S3实现。

（4）有抢答信号输入（开关S0~S3中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。

此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。

2.2扩展功能介绍

（1）抢答器具有定时抢答的功能，抢答的时间由主持人设定。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。

（2）参加选手在未开始抢答时按下抢答键，则犯规，发出报警声。

（3）参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（4）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，发出短暂的报警声，时间显示器上显示为0。

第三章总体方案设计模块

图3-1为总体方框图。

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”，抢答器工作。

定时器倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答器完成优先判断、编号锁存、编号显示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

图3-1控制流程图

第四章PLC抢答器编程

4.1选定输入、输出设备

　　输入设备　　　　输入端子号

   抢答按钮　PB11　0000

   抢答按钮　PB120001

   抢答按钮　PB210002

   抢答按钮　PB310004

   抢答按钮　PB320005

   抢答按钮　PB410006

   抢答按钮　PB420007

   复位按钮　PB50008

   选择开关　SW10009

   限时开关　SW20010　　

输出设备　　　输出端子号

   绿色指示灯L1输出 0500

   绿色指示灯L2输出 0501

   绿色指示灯L3输出 0502

   绿色指示灯L4输出 0503

   红色指示灯L5输出 0504

   红色指示灯L6输出 0505

   电磁开关SOL输出  0506

　　回答限时声音输出 0507

4.2控制梯形图

  系统控制梯形图如图4-1所示。

图4-1控制梯形图

4.3工作过程

（1）由于0500使用他的自身触点（常开触点），在0000或0001闭合后仍保持在ON状态（自锁）。

同时，将其常闭触点串入其他各回路中，在0500接通后，他的常闭触点打开，切断其他抢答回路（互锁）；

（2）0501，0502和0503以同样方式动作，自锁继电器在复位按钮PB5再次动作时将清零；

　　（3）机会选择开关SW1使0009闭合后，10s定时器TIM00启动；

　　（4）如果0500，0501，0502和0503在10s定时器TM00动作之前任何一个闭合，则0506变为ON以示抢答成功，同时切断10s计时显示输出回路，否则输出声音提示，以示竞赛者放弃该题；

　　（5）常开触点0009断开后，自锁继电器和定时器TIM00将清零；

   （6）抢答成功后，主持人闭合限时开关SW2使

；

0010闭合后，2min定时器TIM01启动，时间到0505和0508闭合，红灯亮并有声音提示停止回答；

　　（7）常开触点0010断开后，定时器TIM01清零，为下一轮抢答做好准备。

4.4程序指令表

如下表:

表4-1程序指令表

4.5外部接线图

如图4-2:

图4-2外部接线图

第五章单元模块设计

5.1抢答器电路模块

该电路主要完成两个功能：

（1）分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；

（2）禁止其他选手按键，其按键操作无效。

电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。

1.优先编码器74LS148

74LS148为8线－3线优先编码器，表5-1为其真值表，图5-1为其管脚图。

图5-1管脚图

表5-174LS1488线—3线二进制编码器真值表

74LS148工作原理如下：

该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。

此外，电路还设置了输入使能端ST，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。

当ST=0时，编码器工作；而当ST=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。

这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。

当ST=0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。

表明编码器处于工作状态，否则为1。

由表5-1可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，Y2Y1Y0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时Y2Y1Y0=111为非编码输出；GS＝0时，Y2Y1Y0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。

Ys只有在ST为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的ST连接，以便组成更多输入端的优先编码器。

从表5-1不难看出，输入优先级别的次序为7，6，……，0。

输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。

例如5为0，且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理

。

2.锁存器74LS279

在74LS279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。

另外，作为稍微变化74LS279的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为2输入NAND门电路使用，复位输入例如1管脚固定为”L”时其输入为”H”，所以可构成将2管脚和3管脚作为输入，输出为4管脚，此变换如图5-2所示。

图5-2锁存器74LS279

抢答器参考电路如图5-3所示，其工作过程：

开关S置于"清除"端时，RS触发器的端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的＝0，使之处于工作状态。

当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S3），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=100,经译码显示为"4"。

此外，1Q＝1，使74LS148＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。

当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为１Q＝1，74LS148＝1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。

如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。

图5-3抢答器参考电路图

5.2定时电路模块

该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。

一块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。

74LS192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据情况设定时间。

共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制74LS48，使0闪烁，同时以后选手抢答无效。

1.计数器74LS192图

74LS192具有下述功能：

（1）异步清零：

CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000；

（2）异步置数：

CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0；

（3）保持：

CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态；

（4）加计数：

CR=0,LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数；

（5）减计数：

CR=0,LD=1，CPU=1，CPD=CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数；

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

CO为进位输出：

1001状态后负脉冲输出。

BO为借位输出：

0000状态后负脉冲输出。

图5-4计数器74LS192图

2.译码器74LS48

74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。

74LS48引脚排列示意图5-5：

图5-574LS48引脚排列示意图

3.555定时器

555定时器的内部电路框图如图5-6所示：

图5-6555定时器的内部电路框图

555定时器外引脚排图如图5-7所示：

图5-7定时器外引脚排图

555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为1，C2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

4.定时电路

设定一次抢答的时间，通过定时电路对计数器进行时间预置，定时电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，电路如图5-8所示：

图5-8定时电路图

5.3控制电路

控制电路包括时序控制和报警两个电路。

1.时序控制电路

时序控制电路需具有以下几个功能：

（1）主持人闭合开关,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;

（2）参赛者按键时,抢答电路和计时电路停止工作;

（3）抢答时间到,无人抢答,扬声器发声,同时抢答电路和计时电路停止工作。

根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5-9所示。

图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。

图11的工作原理是：

主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图4.1.3中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。

同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能1的要求。

当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持状态。

工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能2的要求。

当定时时间到时，则"定时到信号"为0，使74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。

同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能3的要求。

图5-9时序控制电路图

2.报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图5-10所示。

其中555和R1、R2、C1等组成可控多谐振荡器，其输出信号由3脚输出经三极管推动扬声器。

图5-10报警电路图

第六章组装和调试

在试验箱上按各个单元电路分别组装抢答器、定时译码显示电路、控制电路和报警电路。

然后按照以下步骤进行调试：

（1）组装调试抢答器电路，并使之能正常工作；

（2）组装调试定时电路。

输入1Hz的时钟信号，观察电路能否进行倒计时，注意倒计时到零，电路能否输出低电平有效的信号；

（3）组装调试报警电路和控制电路，并使之能正常工作；

（4）整机联调，注意各单元电路之间的时序配合关系。

然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

参考文献

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北京航空航天出版社，2003.

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[7]路林吉,王坚，江龙康.可编程控制器原理及应用.清华大学出版社，2002.

[8]齐从谦,王士兰.PLC技术及应用.机械工业出版社，2000.8.

[9]陈宇.可编程控制器基础及编程技巧.华南理工大学出版社，2000.1.

致谢

经过几周的忙碌和工作，本次设计终于完成了，感谢黄老师的辛勤栽培，指导我们学习了《机电传动控制》的基础知识，恩亲难忘，心中永久铭记。

感谢我们组员的帮助和配合，这次设计才得以顺利完成。

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）