PLC控制的抢答器

1、济源职业技术学院1 济源职业技术学院毕业设计题目模拟 plc抢答器系别机电工程系专业机电一体化班级机电 0908 姓名郭亚伟学号 09010833 指导教师菅毅日期 2011年 07 月济源职业技术学院2 设计任务书设计题目：模拟 plc抢答器设计要求：1. 主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。2. 用数码管显示，正常抢答后，显示抢到的队号，如果有人犯规发出短暂的警报。3. 如果规定时间内没有抢答，则说明该题超时作废，用0 闪烁表示。4. 复位键用于恢复犯规或超时状态。设计进度：第一周：确定题目，收集材料。第二周：了解 plc抢答器的作用、组成及原理，为下步制定方案做好

2、基础；第三周：按照上一阶段工作所得的知识完成具体的方案设计规程；第四周：根据具体方案和设计要求，选择所用硬件设施和软件设备；第五周：根据要求控制电路及论文的撰写，打电子稿；第六周：经老师检查后修改毕业论文；第七周：打印论文，完成毕业设计；第八周：进行论文答辩。指导教师（签名）：济源职业技术学院3 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

3、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

4、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济源职业技术学院4 目录1 绪论 , 5 1.1 plc的由来及发展史,6 1.2 plc 的基本结构,7 1.3 plc 的工作原理,8 2 选题及目的 , 9 2.1 题目选择 ,9 2.2 设计目的 ,9 3 功能介绍 ,10 3.1 主要功能介绍,10 3.2 扩展功能介绍, 10 4总体方案设计 ,11 5 抢答器编程 ,12 5.1 选定输入、输出设备,12 5.2 控制梯形图,13 5.3 工作过程,13 5.4 程序指令,145.5 外部接线图,14 6 单元模块设计 ,15

5、 6.1 抢答电路模块,15 6.2 定时电路模块,18 6.3 控制电路,23 7组装和调试 ,26 致谢,27参考文献,28济源职业技术学院5 1 绪论 plc 的由来及发展史plc早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器 (programmable logical controller)简称 pc或 plc ，是 60 年代末发明的工业控制器件， 是美国数字公司(dec ) 为美国通用公司(gm)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，plc软硬件水平与规模也发生了质与量的变化， 其控制技术也朝着智能化方

6、向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代plc已经成为真正的工业控制设备。虽然 plc 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，plc 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1早期的plc （60 年代末 70 年代中期）早期的 plc一般称为可编程逻辑控制器。这时的plc 多少有点继电器控制装置的替代物的含义， 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。 它在硬件上以准计算机的形式出现，在i/o 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器

7、。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上， 采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的plc 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中plc 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2中期的plc （70 年代中期 80 年代中后期）在 70 年代微处理器的出现使plc 发生了巨大的变化。美国， 日本， 德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为plc 的中央处理单元（cpu ）。这样，使plc 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据

8、处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 i/o 模块、 各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使plc 得应用范围得以扩大。3近期的plc （80 年代中后期至今）济源职业技术学院6 进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的plc 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高plc 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得plc 软、硬件功能发生了巨大变化。济源职业技术学院7 pl

9、c的基本结构plc与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了i/o 功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行i o变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场 。1. 输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。cpu可以读其值，但不可以写或进行修改。2. 输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了plc在下一个时间段的输出值, 而程序循环执行开始时的输出寄存器的值 , 表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,cpu 可以读其值 , 并作为条件参加控制, 还可以修改其值, 而中间的

10、变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3. 存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，plc要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，i/o 寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。4. cpu单元cpu单元控制着i o 寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是plc的大脑。5. 其它接口单元其它接口单元用于提供plc与其它设备和模块进行连接通信的物理条件

11、济源职业技术学院8 1. 3 plc的工作原理一. 扫描技术当 plc投入运行后， 其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、 用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的 cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。( 一) 输入采样阶段在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，

12、才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。( 二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形图 ) 。在扫描每一条梯形图时， 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o 映象区或系统ram 存储区内的状

13、态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图， 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反， 排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即i/o 指令则可以直接存取i/o 点。即使用i/o 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o 模块取值， 输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。( 三) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照 i/o 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应

14、的外设。这时，才是 plc的真正输出。济源职业技术学院9 2 设计选目及目的2. 1设计选题设计选题 ：plc 控制的抢答器的设计设计功能要求：1. 主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。2. 用数码管显示， 正常抢答后， 显示抢到的队号， 如果有人犯规发出短暂的警报。3. 如果规定时间内没有抢答，则说明该题超时作废，用0 闪烁表示。4. 复位键用于恢复犯规或超时状态。2. 2 设计目的通过这次课程设计，灵活运用模拟电子技术和数字电子技术理论知识，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。济源职业技术学院10 3 功能介绍3

15、. 1 主要功能介绍1. 抢答器最多可供 4 名选手参赛， 编号为 14号，各队分别用一个按钮 （分别为 s0s3 ）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s0s3实现。 4.有抢答信号输入 （开关 s0s3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。

16、3. 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。济源职业技术学院11 4 总体方案设计模块如图 1 所示为总体方框图。 其工作原理为： 接通电源后， 主持人将开关

17、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 1 抢答按钮优 先 编 码电路锁存器译码电 路显示电 路主持人 控制开关控制电路秒脉冲 产生电路定时电路译码电路显示电 路济源职业技术学院12 5 抢答器编程5. 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pb12 00

18、01 抢答按钮pb21 0002抢答按钮pb22 0003 抢答按钮pb31 0004 抢答按钮pb32 0005 抢答按钮pb41 0006 抢答按钮pb42 0007 复位按钮pb5 0008 选择开关sw1 0009 限时开关sw2 0010 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 0508 系统软件设计 13济源职业技术学院13 5. 2控制梯形图系统控制梯

19、形图如图2 所示。图 2 5. 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， 10 s 定时器 tim00 启动；（4）如果 0500 ，0501，0502 和 0503 在 10 s 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

20、10 s 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；济源职业技术学院14 （6）抢答成功后，主持人闭合限时开关sw2 使0010 闭合后，2 min 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。5. 4 程序指令如下表5 5 外部接线图如下图济源职业技术学院15 6 单元模块设计6. 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

21、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。一优先编码器 74ls148 74ls148为 8线3 线优先编码器，表4 为其真值表，图 3 为其管脚图。i0i1i2i3i4i5i6i7sy1y2ye xys9761415101112131234574ls148y01234567874ls148161514131211109i4i5i6i7s(e)y2y1gndvccysye xi3i2i1i0y0(a)(b )图 3济源职业技术学院16 表 4 74ls148 8 线3 线二进

22、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 4 可知，在 8 个输入端均无低电平输入信号和只有输入0 端（

23、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 4 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

24、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。济源职业技术学院17 二锁存器 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4 所示。

25、图 4 抢答器参考电路如图5 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 q 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

26、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。济源职业技术学院18 图 5 6 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济源职业技术学院19 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

27、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。一计数器 74ls192图 6 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

28、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 6 济源职业技术学院20 二译码器 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7：图 7三555定时器555定时器的内部电路框图如图 8 所示：济源职业技术学院21 图 8 555 定时器外引脚排图如图 9 所示：济源职业技术学院22 图 9555定时器

29、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

30、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 。四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10所示. 济源职业技术学院23 图 10 6. 3 控制电路控制电路包括时序控制和报警两个电路。一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; 济源职业技术学院24 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

31、止工作。根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图 11 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， a1，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，

32、a0，封锁 cp 信号，定时器处于保持工作状态； 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 11 二报警电路由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图11 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。济源职业技术学院25 图 11济源职业技术学院26 7 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，