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1、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
2、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乍为核心部件进行逻辑控制及信号的产 生，用PL冰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2目录第一章设计选题及
3、目的 11.1 设计选题 11.2 设计目的 1第二章功能介绍 22.1 主要功能介绍 22.2 扩展功能介绍 2第三章 总体方案设计模块 3第四章PLC抢答器编程 44.1 选定输入、输出设备 44.3 工作过程 54.4 程序指令表 64.5 外部接线图 7第五章单元模块设计 85.1 抢答器电路模块 85.2 定时电路模块 115.3 控制电路 15第六章组装和调试 18参考文献 19致谢 20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
4、钮 PB5后，指示灯才熄灭；(3)如果如果竞赛者在主持人打开 SW1FF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SW1FF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SW2FF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 周所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实
5、验技术，启发创新思想。1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
6、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002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
7、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PB110000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
8、关SW10009限时开关SW20010输出设备轴出琳 了勺绿色指示灯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050744.2控制梯形图0008 0501 «0£ 0503 x0006 0500 0902 0503/'XQ502图4-1 控制梯形图系统控制梯形图如图4-1所示0000-IH 0001- 1 H 0500T卜0002- 1 h 00030501- 1 H 00044.3 工作过程（1）由于0500使用他的自身
9、触点（常开触点），在 0000或0001闭合后仍 保持在ON状态（自锁）。同时，将其常闭触点申入其他各回路中，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5动作时将清零；(3)机会选择开关SWH£ 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TM03作之前任何一个 闭合，则0506变为ON以示抢答成功，同时切断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
10、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 SWZ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。4.4 程序指令表如下表:表4-1程序指令表地址指全效掘|J也址相争蚊据0000J)(J 0(H)>)027ANI> N< >T 舟OR000002BAN J N( > |05000002OR山ANO NOT050)00AND NOT00080030AND N( > r05020004ANI>
11、 MT05010031t H T0005AN|> N< > 05020032JJ0009ANp NCT0503TIM+)仆0007OUT0500# 01 uo<M)OHLP00020031LDT1MW0009ORANI> N< > r<06- o<n<0501(W36OU fOi5Q40011ANI> NCT000名0037CL 10nG700 2AND NOT03000038ED0000013AIN1> N4 >1小媪9。杖0501001 1AND NOT050300 JOR0502OOL5nu 05()1小国I0
12、R0503001 GLD000-100 1?AMDMOTJ 1MOO0017OR00050043OR0506001A( JR0502001-1AM)0009OU 1 9AND NOT00080045AM* N( )1050000 16LD00100021AND NOT050)0047TIM010022axj>、n'0503Tt 12 W0023our0502004SLDTIM 010024J)00 194)1 "I05050025QR00070050OUTosoa0026(JR0303】KNI)204.5外部接线图如图4-2:oooa0500PB121 .0001050
13、1PK21 JL0002050200030503PB31 1000405040005050500060506tB42-L.000T0607oooe05000009COHW/q 0010Il-conGM80. L1L53图4-2 外部接线图SOCm-k(E-，-Y1D s(NG图1 -5 图X XV _Ys_YEm”YO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，具按键操作无效。电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。
14、1.优先编码器74LS14874LS148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7116215314474 LS14 8 1351261171089表5-1 74LS148 8 线一3线二进制编码器真值表输A输出STIN、弧取叫鹏工叫 I环弓弓无1拜贾菖K,VTFKXKX1 L 11 1011111 1 1 11 1 11001ZH3E3CR»H：O00口10HKMXKH01001010XK3CXK011010010生量3E宜0111 L 1 103CK3CO1 11110 口ai0XK011 1111 1ai0soil1 1111 1 01001111 111
15、1 1 D174LS148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。止匕外，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=O,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
16、，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G41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=11俵示响应输入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 刃匀奋。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
17、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NAND1电路使用，复位输入例如1管脚固定为“ L"时其输入为“ H', 所以可才成将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&qu
18、ot;消除"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"。止匕外，1Q= 1,使74LS14况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1 Q= 1, 74LS14况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。
19、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。主控关能人开s 特制Ko oAllO-I13N-明s-Rt H 亚 TO YEX YST _ 74L5148_ _17 I E M B 12 ii io珊。眄讥r4rTHH10：（OXB5.2 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
20、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输出低电平到时序控制电路，控制问；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，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,Q3Q2Q11QO原态；(4)力口计数：CR=0, LD=1, CPU=CPCPD=1 Q3Q2Q1Q0力口法规律计数；(5)减计数：CR=0, LD=1, CPU=1 CPD= CP Q3Q2
21、Q1Q0减法规律计数;74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPUfe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，异步消除。COttJ进位/&出：1001状态后负脉冲输出。BO为借位/&出：0000状态后负脉冲输出。图5-4 计数器74LS192图2.译码器74LS4874LS48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5-5:3.555定时器A B C DLTEDKBORBIabcdef13 12 TT io15L4图5-5 74LS48引
22、脚排列示意图555定时器的内部电路框图如图5-6所示:8,4图5-6 555 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
23、 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：4LS48YgAs Ai Arn<74IS1925+5V14 9 10| 1| 15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
24、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能够力口至U 74LS192的CPD寸钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时， 则”定时
25、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。足时到共信号1Q 1 A11-rlCuF10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
26、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。RI15KQR5 1KQR2B0KQCl0. luFPR3RL80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
27、部分 的功能，使其满足设计要求。参考文献1张世生等.可编程控制器应用技术.西安电子科技大学出版社，2009.5.2张万忠等.电器与PLC控制技术.化学工业出版社,2002.3高钦和.可编程控制器应用技术与设计.人民邮电出版社，2001.3.4路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社,1999.5.5王永华.现代电气控制及 PLC应用技术.北京：北京航空航天出版社，2003.6陈立定,吴玉香.电气控制与可编程控制器.华南理工大学了版社，2001.2.7路林吉，王坚，71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。