PLC抢答器完结版本.docx
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PLC抢答器完结版本
菏泽学院蒋震机电工程学院
菏泽学院本科生课程设计（论文）任务书
设计（论文）题目儿童教授对决赛抢答器
院、系专业蒋震机电工程学院自动化学生姓名门学明学号201017165
指导教师姓名侯建华职称副教授
设计（论文）的主要内容（技术指标）与要求：
主要内容：
抢答器是在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观的判断出抢答者的机器。
要求：
1.调研，查阅资料，分析比较，确定方案；
2.对硬件系统的设计，并完成外部接线；
3.对软件系统的设计，并完成调试；
4.编写设计说明书。
进度安排：
第1天调研，收集资料（书籍和案例），撰写开题报告；
第2天总体方案设计；
第3天系统的调试（包括测试）和修改；
第4天整理并撰写毕业设计说明书，完成初稿；
第5天经老师审阅后修改毕课程设计说明书；
院、系意见：
年月日
注：
1.任务书由指导老师填写.2.任务书必须在第七学期第13周前下达给学生
课程设计任务书……………………………………………………………………1
儿童、教授对决赛抢答器…………………………………………………………2
摘要…………………………………………………………………………………2
关键词………………………………………………………………………………2
Children，ProfessorfinalsResponde…………………………………………………2
ABSTRACT…………………………………………………………………………2
Keywords……………………………………………………………………………2
1课程设计目的………………………………………………………………………3
1.1课程设计使用的仪器和器件…………………………………………………3
1.1.1定时器………………………………………………………………………4
1.1.2三极管………………………………………………………………………5
1.2PLC的简介……………………………………………………………………
1.3PLC的特点………………………………………………………………………
2课程设计方法和内容………………………………………………………………7
2.1封锁电路………………………………………………………………………7
2.2定时电路………………………………………………………………………9
2.3报警电路……………………………………………………………………10
2.4.程序源代码………………………………………………………………13
3儿童、教授对决赛抢答器总电路图…………………………………………
4系统功能调试…………………………………………………………………
5参考文献……………………………………………………………………16
儿童、教授对决赛抢答器
自动化专业学生门学明
指导教师侯建华
摘要：
抢答器是在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观的判断出抢答者的机器。
通过抢答者所处位置的指示灯显示、语音提醒、数字显示、警示显示等手段筛选出抢答违规者或一个抢答成功者。
此设计一个抢答器，在抢答比赛中，儿童二人参赛且其中任一人按钮可抢得，学生一人组队。
教授二人参加比赛且二人同时按钮才能抢得。
主持人宣布开始后方可按抢答按钮。
主持人台设复位按钮，抢得及违例由各分台灯指示。
有人抢得时有幸运彩球转动，违例时有警报声。
关键词：
封锁电路定时电路三极管
Children，ProfessorfinalsResponder
StudentmajoringinAutomationmajormenxueming
Tutorhoujianhua
ABSTRACT：
Responderisaknowledgecontest,sportsandentertainmentactivities（Responderactivities）inanaccurate,fairandintuitivedeterminetheanswerinthosemachines.Answerbylocationthroughthelightsdisplay,voicereminders,digitaldisplay,warningdisplayandotherillegalmeanstofilterouttheanswerorananswerwinner.Thedesignofaresponderresponder,inthegame,childrentwocontestantsandanybuttoncanhaveateamofpeople,students.Professortwopeopletoparticipateinthecompetitionandthetwopeopleatthesametimebuttontograb.Themoderatorannouncedbeforebytheanswerbutton.Thehostsetresetbutton,grabandviolationbythelampindicator.Somepeoplehavealuckyballrotation,violationwhenthesirens
Keywords：
BlockingcircuitTimingcircuitTransistor
方案设计与论证
抢答器的基本工作原理：
1、当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上并伴有响声。
2、此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。
3、然后主持人就按下计时开关，选手开始作答，作答的时间少于60秒，以倒数的方式进行，而且通过显示屏把时间显示出来。
4、当选手作答仅剩10秒时，开始通过喇叭响来做提示。
如果到了显示“00”时，计时器不再进行倒数而停留在“00”状态。
5、此时选手仍没有作答成功，则主持人会对该选手进行减分处理，如果在“00”之前作答成功则加分，分数也是通过计分器显示出来。
6、之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。
原理框架图（图1）
主持人
选手抢答
声音提示
记分器
控制电路
定时电路
显示时间
封锁电路
编码器
台号显示
图1.原理框架图
方案一、对照上面原理框架图，各个主要的部分选用对应功能的芯片进行设计，如果在仿真时没能找到相应的芯片则用相近的。
比如在选手抢答时的输入用74148优先编码器进行编码让一个输入有效，并用七段显示译码器显示出台号。
方案二、对照框架图，选用各种逻辑站以及相关的逻辑函数进行设计，编号进直接把锁存器的输出转化8421BCD码，并通过逻辑函数表达式的方式输入到显示译码器中让其显示出来。
通过比较可以得出方案一更可行，理由在于芯片组上集成的功能要强大些，且用的元器件的数目会相对少一些这样会更美观而且不容易出错。
1课程设计目的
一、设计内容与要求
设计抢答器，在某抢答比赛，儿童二人参赛且其中任一人按钮可抢得，学生一人组队。
教授二人参加比赛且二人同时按钮才能抢得。
主持人宣布开始后方可按抢答按钮。
主持人台设复位按钮，抢得及违例由各分台灯指示。
有人抢得时有幸运彩球转动，违例时有警报声。
本设计为四人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，并用声、光指示；
主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。
主持人宣布抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；
1.1课程设计使用的仪器和器件
1.1.1定时器555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJTT的状态。
图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。
因此在正常工作时，应将其接高电平。
图1.1555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表1.1555功能表
输入
输出
阀值输入（VI1）
R
出发输入（VI2）
S
复位（Rd）
输出（Vo）
放电管T
×
×
0
0
导通
<2/3Vcc
1
<1/3Vcc
0
1
1
截止
>2/3Vcc
0
>1/3Vcc
1
1
0
导通
<2/3Vcc
1
>1/3Vcc
1
1
不变
不变
1.1.2三极管
在这次设计的用于竞赛的抢答器，电路图时很简单，组成器件应该说都是数电和模电中很常见的。
关于模电中用到的器件主要是三极管、发光二极管以及电容等。
在模电中主要学习了三极管的放大功能和开关作用，而在这次设计的电路中，主要是运用了三极管的开关作用。
图5.1NPN三极管
三极管的三种工作状态：
1当
、
、
β
三极管正向导通，此时工作在放大状态；2当
、
、
>
/β时，三极管工作在保和区；3当
、
时，三极管工作在截止区。
其中三极管的开关作用就是利用了它的2、3两点性质。
而这次主要用到的器件都是来自数电中，比如：
触发器、逻辑门、译码器、数码管以及555定时器等。
而在使用中各个器件也不是独立工作。
图5.2JK触发器管
JK出触发器如图功能有：
⑴主从JK触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能；
⑵主从JK触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生；
⑶不存在约束条件，但存在一次变化现象。
⑷产生一次变化的原因是因为在CP=1期间，主触发器一直在接收数据，但主触发器在某些条件下（Q=0，CP=1期间J端出现正跳沿干扰或Q=1，CP=1期间K端出现正跳沿干扰），不能完全随输入信号的变化而发生相应的变化，以至影响从触发器状态与输入信号的不对应。
此次用3个JK触发器主要是构成三位二进制倒计时器计数器，其中前一个JK触发器的Qn端接下一个JK触发器CP端。
CLR接主持人控制端。
图5.3555定时器
集成555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路,因集成电路内部含有3个5千欧电阻而得名,在控制、定时、检测、放声、报警等方面有着广泛的应用。
而这次是将555够成一个多谐振荡器。
图5.4D触发器
D触发器如图，其功能有：
⑴D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器。
⑵D触发器属于脉冲触发方式。
⑶D触发器不存在约束条件和一次变化现象，抗干扰性能强，工作速度快。
而这次正是利用了的以上功能来构成一个简单的抢答器。
综上所述可知在本次设计的电路中，RS边沿D触发器有四个，其作用是用来锁存非最先抢答者的抢答信号。
而三个JK触发器则是构成了一个减法计数器且和555定时器一起使用，形成一个倒计时器，555是为JK触发器定时提供提够脉冲，使JK触发器工作。
4511译码器将JK触发器输出的信号转换成能够在数码管上显示的有效信号。
还有就是74190可逆计数器，主要是用来计算选手得分情况
1.2PLC的简介
PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。
它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形式一体，易于拓展其功能的原则设计。
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC的成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
1.3PLC的特点
⑴抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。
而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。
⑵控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。
当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。
同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。
⑶编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。
⑷功能完善，扩展能力强PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。
PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。
PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。
他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。
⑸PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。
又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。
而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。
PLC控制系统的工作状态状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。
⑹结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。
2课程设计方法和内容
2.1封锁电路
封锁电路的主要功能是分辨选手按键的先后，并能把第一个抢答者的编号锁存起来，并使其他选手的按键操作无效。
实现该电路的功能的主要芯片是74175（图1为功能表，图2为逻辑功能图，图3为锁存器电路）
表2.1
图2.1
工作原理：
当主持人控制开关处于“清零”位置时该电路清零即当RD接低电平时，
，
，
，
全为低电平，各显示灯均熄灭，即此时封锁器电路不工作，当主持人将开关拨到“开始”后即RD为高电平时，此时锁存器处于工作状态，即抢答器电路处于等待工作状态。
这时当有选手将按键按下时（如按下SW2）。
此时
=1，由D触发器的功能可知，此时
=1，
=0。
当
=0时，
经过与非门变为1再经过非门变为0，再和4个选手组成的或门逻辑器再与，选手就可以通过开关来抢答，而且只有一次输入变化，因此CP只接收到一次的电平变化，因此那就后就保持了第一次的输出所以就封锁了CP的输入，此时74175不再工作，从而实现了封锁其他选手的作答。
只有在第一个人答完以后，由主持人操作清零开关使抢答器电路复位，才能进行下一的抢答。
2.2.定时电路
节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。
如图2.2。
定时9秒，把74LS192
对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。
计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路555提供。
当复位开关按下时，给74ls192一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。
当有选手抢答或借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。
再按复位键时，再一次倒计时。
图2.2定时电路
2.3报警电路
由74ls121和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLEVIRTUAL（后文简称A1）来代替仿真，如图2.3所示。
其中A1的脉冲输入端是由复位信号和Q非的与信号和借位信号与在一起来提供的。
当其中一个信号为低电平时，使得A1得到一个下降沿脉冲，从而使A1的Q端输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会响一秒。
反之，电路停振，蜂鸣器不响。
图2.3报警电路
3儿童、教授对决赛抢答器总电路图
4.系统功能调试
这次设计的抢答器电路图简单，很多芯片的逻辑功能也都很清楚所以在调试时可以前判断该电路会是怎样的结果，对于这个抢答器,它涉及的大多都是数字电路的问题.所需要调试的值并不多.首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确,还得仔细地看一下所用器件的型号是不是我们要的那种,在确保连接无误的情况下.那就能将整个电路进行防真了。
按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。
当连接好所有电路后，我们小组几个人一起，让一个人当主持人，另外几个当选手进行试验。
首先主持人断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,该选手的指示灯闪烁，并且扬声器也鸣叫提示其他选手停止抢答，但该选手回答玩主持人的问题后，主持人宣布他回答是否正确，正确或错误就用计分器相应给他加（减）分。
另外也测试了当主持人合拢抢答开关时，看能否抢答。
结果和预测的一样是不能抢答的。
本次实验所用的仿真软件为ISIS,由于ISIS比较简单易懂,比较适合初学者使用,但ISIS存在仿真元件不齐的问题.所以在仿真过程中会遇到一些找不到元件的问题,这就需要我们寻找其他的相同功能的元器件进行替代.这是我们在用ISIS中应该最注意的问题.总之在用ISIS仿真中我们多多少少会遇到一些问题,我们应当尽量去解决这些问题,得到我们所需要的仿真效果.
此抢答器设计是按要求一步一步完成的，因此主要功能有三个：
⑴抢答器的抢答功能，它能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者信息
用声、光指示。
⑵具有倒计时功能，这样可以加强现场气氛，增加紧迫感。
若预定时间无，
倒计时器的显示为0，并且指示灯亮起，提示选手不能抢答。
⑶还具有计分功能，即统计选手得分情况。
5结论与心得
本次课程设计对于我的课题的要求基本上实现了。
这次课程设计时间有点匆忙，虽然大部分的功能都实现了，但是还是会存在不完美的地方，实在是时间有点紧，没办法做长时间的修改。
设计进行地比较成功，对常用的芯片无论是从功能上，还是构造上都在了更深的了解，更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了仿真的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。
也学了一个新的软件，这也是很重要的。
反正这次课程设计收获也不少，但是如果时间能够再充分一点，我相信自己能够做得更好。
6参考文献
[1]《数字电子技术基本教程》[M]阎石清华大学出版社
[2].《电路与电子技术实验》[DB]电工电子实验中心
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