程民利

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，陜西西安710014）

可編程控制器實訓(xùn)臺是基于三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程控制器FX1N-40MT研發(fā)的，不同的實訓(xùn)項目采用了尺寸相同，功能不同的掛件，為了提供具有不同專業(yè)特色的實訓(xùn)項目，使實訓(xùn)項目既豐富多彩，又結(jié)合實際，設(shè)計開發(fā)搶答器實訓(xùn)模塊。

1 搶答器功能描述

搶答器可供8名參賽選手使用，主持人按下開始按鈕SB1，指示燈L1亮，表明競賽開始；主持人按清零按鈕SB2或無人搶答時，搶答顯示為0；參賽選手按下?lián)尨鸢粹oJ1～J8后，LED數(shù)碼管顯示搶答成功選手的編號；主持人按下置數(shù)按鈕SB5，倒計時計數(shù)器置數(shù)（設(shè)定答題時間）；主持人宣布答題開始的同時按下倒計時開始按鈕SB3，選手開始答題，同時開始倒計時；選手回答正確且未超時，才能得分，否則，不能得分；答題超時，揚聲器鳴叫，提醒主持人及選手答題超時；主持人按清零按鈕SB2，可清除聲光報警，開始新一輪搶答；主持人按下停止按鈕SB4，所有顯示熄滅，競賽結(jié)束。

2 設(shè)計方案及可編程控制器的地址分配

依搶答器的功能要求，提出兩種設(shè)計方案分別如圖1中（a），（b）所示。

圖1（a）所示方案的特點是：編碼，譯碼，計數(shù)等功能都通過編程實現(xiàn)，而硬件電路比較簡單，只有指示燈、顯示搶答結(jié)果和倒計時的三個數(shù)碼管及超時報警電路。該方案共需13個輸入點（I），23個輸出點（O），而FX1N-40MT僅有24點輸入，16點輸出[1-3]，顯然，輸出點不夠，因此，圖1（a）所示方案不可行。

圖1 設(shè)計方案Fig.1 Design project

圖1（b）所示方案[4]的特點是：程序主要完成8線—3線編碼功能，顯示譯碼、計數(shù)、顯示等功能通過硬件設(shè)計實現(xiàn)，以此方式節(jié)省I/O點。該方案共需13個輸入點和8個輸出點，解決了方案1（a）中輸出點不夠的問題。

在設(shè)計中考慮到搶答器模塊的尺寸應(yīng)和其他已有功能模塊的尺寸相同，硬件電路應(yīng)盡量簡單。因此，圖1（b）所示方案中，計數(shù)器所需的時鐘信號和超時語音報警信號并未通過硬件電路產(chǎn)生，而是利用可編程控制器的可編程元件特殊輔助繼電器M8013和M8011編程實現(xiàn)，使硬件電路大大簡化。因此采用圖1（b）所示方案作為搶答器的設(shè)計方案切實可行。

可編程控制器的輸入、輸出地址分配如表1所示。

表1 地址分配Tab.1 Assignment of address

3 電路設(shè)計

3.1 輸入電路設(shè)計

J1～J8為8個搶答按鈕，分別連接在可編程控制器FX1N-40MT的輸入點X10～X17與地之間[1]，SB1、SB2、SB3、SB4、SB5為啟動、清零、答題開始、停止、置數(shù)按鈕，分別連接在可編程控制器FX1N-40MT的輸入點的X1、X2、X3、X4、X5與地之間，共用去13個輸入點。

3.2 搶答結(jié)果顯示電路設(shè)計

圖2為搶答結(jié)果顯示電路[5-7]，顯示0～8九個數(shù)字。無人搶答時顯示數(shù)字0，搶答結(jié)束后顯示搶答成功的參賽選手編號。圖3中的I01～I(xiàn)04分連接在可編程控制器FX1N-40MT的輸出點Y10～Y13，當(dāng)不同搶答鍵被按下，Y10～Y13的輸出結(jié)果如表2所示。由于可編程控制器FX1N-40MT輸出電路的特點[1-3]，Y10～Y13按位取反后才能得到0～8九個數(shù)字的BCD碼，因此Y10～Y13的輸出經(jīng)上拉電阻和反相器4069后完成了按位取反，得到搶答選手編號對應(yīng)的BCD碼，經(jīng)CD4511譯碼后，數(shù)碼管顯示選手編號。

圖2 搶答結(jié)果顯示電路Fig.2 Circuit of displaying the serial number of player

表2 Y13～Y10輸出結(jié)果Tab.2 Output of Y13～Y10

3.3 答題倒計時電路

答題倒計時電路用來限定選手的答題時間，電路如圖3所示。答題倒計時電路利用兩片4510組成兩位減法計數(shù)器[8]，計數(shù)結(jié)果經(jīng)兩片CD4511譯碼，由兩位數(shù)碼管顯示，倒計時范圍為99～0。圖中初值設(shè)定為30，由于計數(shù)器時鐘信號為可編程控制器FX1N-40MT的輸出點Y1送來的秒脈沖，因此答題時間為30 s。為使答題時間設(shè)置可編程，可將4510的數(shù)據(jù)輸入端P0～P4用撥碼器控制[9]（可編程元件計數(shù)器C0的初值也要隨著修改，才能完成答題時間設(shè)置的可編程）。減法計數(shù)器4510所需的置數(shù)脈沖由PLC的輸出點Y2提供。

圖3 倒計時電路Fig.3 Countdown circuit

3.4 超時聲光報警

答題時間到，超時聲光報警器報警。由于可編程控制器FX1N-40MT輸出電路的特點，報警器信號由FX1N-40MT的輸出點Y3提供，經(jīng)上拉電阻和開關(guān)電路后驅(qū)動發(fā)光二極管和蜂鳴器，為完成聲光報警。圖4中的I01與Y3連接。

圖4 超時語音報警電路Fig.4 Voice alert circuit of timeout

4 軟件設(shè)計

功能圖是用于描述順序控制系統(tǒng)的圖形說明語言，依據(jù)搶答器的功能要求，基于以上設(shè)計的硬件電路，可得系統(tǒng)順序控制功能圖如圖5所示[1-3]。

5 結(jié)論

圖5 系統(tǒng)順序功能圖Fig.5 Sequence diagram of system

可編程控制器FX1N-40MT的I/O=24/16，I/O點有限，為了實現(xiàn)搶答器功能，在設(shè)計中采取了硬件電路與軟件編程相結(jié)合的設(shè)計方案，節(jié)約了I/O點，同時結(jié)合實際應(yīng)用考慮到硬件電路不能過于復(fù)雜，計數(shù)器的時鐘信號和超時聲光報警信號利用可編程控制器的特殊輔助繼電器M8013控制輸出點Y1輸出秒脈沖，利用特殊輔助繼電器M8011控制輸出點Y3輸出100 Hz的音頻信號，利用計數(shù)器C0中斷輸出脈沖，搶答器具有搶答顯示、答題倒計時及答題超時聲光報警功能，分辨力小于15 ms[4]。

[1]廖常初.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

[2]高勤.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]阮友德.電氣控制與PLC實訓(xùn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]從洪濤.電子設(shè)計自動化-Multisim在電子電路與單片機(jī)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5]黃繼昌.電子元器件應(yīng)用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[6]姜威.實用電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[7]National semiconductor.CD4511BM/CD4511BC BCD-to-7SegmentLatch/Decoder/Driver Datasheet[EB/OL].（1998）[2010-12-26].http://www.datasheetarchive.com/pdfdatasheets/Datasheets-22/DSA-423216.html

[8]TEXASINSTRMENTS.CMOSPresettableUP/DOWN Counters CD4510B.CD4516B Types[EB/OL].（2003）[2010-12-26].http://cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/26904/TI/CD4510.html

[9]沙占友.數(shù)字化測量技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.