试分析4人抢答器的电路结构及其工作原理

电路中，电源电路由电源变压器T、整流二极管VD1 - VD4、滤波电容器C和电源开关SO组成；施密特触发器由时基集成电路IC和电阻器R1组成；触发控制电路由抢答按钮S1一S4和晶闸管VT1一VT4、发光二极管VLl一VL4组成。

交流220V电压经T降压、VD1 -- VD4整流和C滤波后，、产生9V直流电压（vcc），经SO供给施密特触发器和触发控制电路。

接通 9V工作电源后，晶闸管VT1 - VT4因门极（控制极）无触发脉冲而处于截止状态，IC的2脚和6脚（通过R1接地）为低电平，3脚输出高电平，V L5发光，VL1一V L4不发光，蜂鸣器HA也不响，此时抢答器处于等待状态。

抢答开始后，若S1一S4中某按钮被先按下，则IC的3脚输出的高电平经该按钮加在该路晶闸管的门极上，使该晶闸管受触发而导通，其阳极上的发光二极管点亮；同时，使IC的2脚和6脚变为高电平，施密特触发器翻转，IC的3脚由高电平变为低电平，V L5熄灭，蜂鸣器HA发出蜂鸣声。

例如，S2被先按下时，V T2受触发而导通，VL2点亮，VL5熄灭，HA发声，表明第2路抢答者抢答成功。此时再按其他按钮无效。随后主持人按动一下电源开关SO（兼复位按钮），施密特触发器断电后复位，VT2截止，V L2熄灭，IC的3脚又输出高电平，HA婷止发声，VL5点亮，开始下一轮抢答。

该电路为四路抢答器，制作时可根据实际需要随意增减。

元器件选择

R1和R2选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器。

C选用耐压值为16V的铝电解电容器。

VD1一V D4均选用I N4007型整流二极管；V D5一VD8均选用I N4148型硅开关二极管。

VL1一VL5均选用Φ8mm或Φ12 mm的高亮度发光二极管，VLl一V L4选红色，V L5选绿色。

VT1 - VT4选用MCR100一或MCR100-8, BT169型晶lte1管。

IC选用NE555型时基集成电路。

S1一S4均选用动合（常开）型按钮；SO选用动断（常闭）型按钮。

T选用3一5VA、二次电压为9V的电源变压器。（希望能对你有参考价值谢谢！）

设计题目：四路抢答器的PLC控制

设计要求

竞赛者若要回答主持人所提问题时，必须先按下桌上的抢答按钮（SB1—SB4）。

绿色指示灯亮后，须等主持人按下复位按钮SB5后，指示灯才熄灭；

如果竞赛者在主持人打开 SA1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；

如果在主持人打开SA1 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；

在竞赛者抢答成功后应限定一定的时间回答问题，根据题目难易可设定时间（如2 min）；

当主持人打开SA2开关后计时开始，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。

设计任务

画出该抢答系统示意图（A2）

画出PLC的I/O接线图（A2）

画出梯形图（A2）

说明工作原理。

编写30000字左右的设计说明书。

参考资料

黄净主编，《电器及PLC控制技术》，机械工业出版社，2002

廖常初主编，《FX系列PLC编程及应用》，机械工业出版社，2006

扬长能、林小峰主编，《可编程序控制器例题习题及实验指导》，重庆大学出版社，2001

前言

在电气控制系统中，控制装置主要有两类：一类是传统的由继电器构成的控制系统；另一类是以微处理器为基础的可编程控制器。但由于可编程控制器具有可靠性高、通用性强、程序设计简单及便于安装调试等优点。它在工业中的各个领域中得到了广泛的应用。

可编程控制器的机型较多，但其基本结构和工作原理相同，基本指令、控制功能和编程方法类似。本设计书以PLC控制的四路抢答器为例，主要介绍了可编程控制器的基础知识、基本结构、指令系统、程序设计、控制系统等知识。本设计书结合了大量的图形，使设计一目了然。最后给出了主要的流程图、梯形图、详细注释及助记符语言等。

本设计书参考了众多可编程序控制器教学用书，结合自己所掌握的知识，并在韩金玲教师的认真帮助下完成。在此真诚的衷心的感谢韩金玲教师的帮助。

由于本人水平有限，错误和不妥之处再所难免，敬请各位老师批评指正。

编者

2008

目录

毕业设计任务书（1）

一、前言（2）

二、可编程控制器的特点及基本（3）

1、 PLC的特点（2）

2、PLC的基本结构 （5

3、PLC的基本功能（）

PLC的特点

可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，，具有通用性强、控制功能强，可靠性高，使用灵活方便、使用方便、适应面广、抗干扰能力强、编程简单等特点。易于扩展等优点而应用越来越广泛。

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：

1 可靠性高，抗干扰能力强

工业生产对控制设备的可靠性要求：

①平均故障间隔时间长

②故障修复时间（平均修复时间）短

任何电子设备产生的故障，通常为两种：

①偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

②永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

为了满足PLC“专为在工业环境下应用设计”的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施：

·硬件措施：

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

① 屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

② 滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

③ 电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

④ 隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

⑤ 采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

·软件措施：

有极强的自检及保护功能。

①故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。

②信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何 *** 作，以防存储信息被冲掉。

③设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

④加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

⑤对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。

PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。

2 通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4编程简单，容易掌握

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量23kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。

PLC的基本结构

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：

接受 驱动

现场信号 受控元件

一、CPU的构成

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，

与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。

二、I/O模块：

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

三、电源模块：

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

四、底板或机架：

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

五、PLC 的外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。

存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

六、PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。

上学地 时候学过这个 现在不是很熟 不过你应该会用FPGA模拟单片机吧 我记得我们学校有一次实验就是用FPGA模拟的单片机做实验 你首先用FPGA模拟出一个单片机系统 然后写段单片机程序不就搞定下面的所用功能了 哈哈 你们老师也不会说你偷懒的

随手写的。一如既往，未经过调试，但是ISE114综合无错误

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company:

// Engineer:

//

// Create Date: 21:42:14 07/08/2010

// Design Name:

// Module Name: siluqiangdaqi

// Project Name:

// Target Devices:

// Tool versions:

// Description:

//

// Dependencies:

//

// Revision:

// Revision 001 - File Created

// Additional Comments:

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module siluqiangdaqi(clk,en,Input1,Input2,Input3,Input4,Input5,LED1,LED2,LED3,LED4,LED

);

input clk;

input en;

input Input1,Input2,Input3,Input4,Input5;

output LED1,LED2,LED3,LED4,LED;

reg LED1,LED2,LED3,LED4;

reg[8:0]LED;

reg inputflag;

always@(posedge clk)

begin

if(en==1)

begin

if(Input5==1)

begin

LED1=0;

LED2=0;

LED3=0;

LED4=0;

LED=8'B11111100;

inputflag=0;

end

else

begin

if(inputflag==0)

begin

if(Input1==1)

begin

LED1=1;

LED=8'b011000000;

inputflag=1;

end

else if(Input2==1)

begin

LED2=1;

LED=8'b11011000;

inputflag=1;

end

else if(Input3==1)

begin

LED3=1;

LED=8'b11110010;

inputflag=1;

end

else if(Input4==1)

begin

LED4=1;

LED=8'b01100110;

inputflag=1;

end

end

else

begin

end

end

end

else

begin

LED1=0;

LED2=0;

LED3=0;

LED4=0;

LED=8'B11111100;

inputflag=0;

end

end

endmodule

vvc：设计一个4人参加的智力竞赛抢答计时器

1：当有某一个参赛者下按抢答开关时。相应显示等亮。并伴有声响；且此时抢答器不再接受其他输入信号；

2：电路具有回答问题时间控制功能。要求回答问题小于等于100s（显示0——99s）。时间显示采用倒计时方式。当达到限定时间时。发出声响以示警告

3：有清零复位功能

补充：设计5v稳压电源供给电路

实验四 多路智力抢答器

实验目的

1、熟悉智力竞赛抢答器的工作原理

2、掌握抢答电路、优先编码电路、锁存电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、译码电路、显示电路及报警电路的设计方法

实验任务

基本功能

1、设计一个多路智力竞赛抢答器，同时供 8 个选手参赛，编号分别为 0 到 7 ，每个用一抢答按键。

2、给节目主持人一个控制开关，实现系统清零和抢答的开始。

3、具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，如果有选手按下抢答按键，其编号立即锁存并显示在 LED 上，同时扬声器报警。此外，禁止其他选手再次抢答。选手编号一直保存到主持人清除。

扩展功能

1、具有定时抢答功能，可由主持人设定抢答时间。当抢答开始后，定时器开始倒计时，并显示在 LED 上，同时扬声器发声提醒。

2、选手在规定时间内抢答有效，停止倒计时，并将倒计时时间显示在 LED 上，同时报警。

在规定时间内，无人抢答时，电路报警提醒主持人，次后的抢答按键无效。

实验四 多路智力抢答器

实验原理

1、原理框图：

2、原理简述

定时抢答器的总体框图如上图所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。

定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作： ①优先缎电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人 *** 作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

电路设计

1、抢答部分

a） 电路功能 ：一是将抢答选手的编号识别出并锁存显示到数码管上，二是使其他选手按键无效；三是有人抢答时输出时序控制信号，使计数电路停止工作并报警。

b） 原理图：

c） 与其他电路的接口：

S ： 输入，与主持人总控相接，此处控制数码管的清零；

/ST ： 输入， 74148 的使能控制端（由 7400 输入）；

/YEX ： 输出，报警时序控制（与 74121 相连）；

CTR ： 输出，报警时序控制（与 7400 相连）；

d） 具体原理 ：该部分主要由 74148 优先编码器、锁存器 74279 、译码器 7448 组成和按键、

7 段数码管组成。如图所示，抢答输入端为 74148 的 /I7 到 /I0 脚，当有选手按键时， 74148 的相应的引脚为低电平，电路完成以下动作：

（ 1 ）、 74148 将编码输入到锁存其中，并通过锁存器由 7448 译码后显示到数码管上；

（ 2 ）、 74148 译码输出端 /YEX ＝ 0 ，通过控制时序电路使 74148 的使能端 /ST 为 1 ， 74148 停在译码工作，使以后其他选手的按键无效；

（ 3 ）、时序信号 /YEX=0 ， CTR=1 ，通过控制时序电路使计时电路停止工作，报警电路报警。

2、定时电路

a） 电路功能 ：主要实现抢答倒计时，同时通过输出接口与时序控制电路相接，实现时序控制，当无人抢答且时间到时，报警。

b） 原理图：

c） 与其他电路接口 ：

CLCK ： 输入，计数脉冲，时序控制电路产生， 由 7411 输出；

S ： 输入，主持人总控，此处控制计数器 74192 的预置数；

BO2 ： 输出，倒计时时间到时输出低电平 0 ，与时序电路 74121 相接，控制报警；

d） 具体原理 ：该部分主要由 555 脉冲产生电路、 74192 减法计数电路、 7448 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。两块 74192 实现减法计数，通过译码电路 7448 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。 74192 的预置数控制端实现预置数，当主持人按下控制按键 S 时，实现预置。按键d起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在 LED 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， BO2 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

3、时钟产生和时序控制电路

a） 电路功能 ：为计数电路提供计数脉冲，同时完成主持人控制以及以上各部分的逻辑控制协调，使电路正常工作

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