基于FX1N_40MT的搶答器電路設(shè)計(jì)

摘要：基于三菱FX1N_40MT可編程控制器設(shè)計(jì)搶答器模塊，使可編程控制器實(shí)訓(xùn)臺(tái)功能更強(qiáng)，能完成豐富多彩且具有不同專業(yè)特色的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。針對(duì)FX1N_40MT的輸出點(diǎn)不夠，采用軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案節(jié)省I／O點(diǎn)；針對(duì)模塊電路體積的尺寸要求，采用FX1N_40MT的可編程元件特殊輔助繼電器M8013編程為倒計(jì)時(shí)電路提供秒時(shí)鐘信號(hào)、利用特殊輔助繼電器M8011編程為超時(shí)語音報(bào)警電路提供100 Hz的輸入信號(hào)簡化硬件電路以減小模塊體積；采用順序控制編程方法編寫搶答器的指令表程序。電路具有搶答選手編號(hào)顯示功能、搶答倒計(jì)時(shí)功能和答題超時(shí)語音聲光報(bào)警功能，答題時(shí)間可在0～99 s范圍內(nèi)設(shè)置，搶答器具有小于15 ms分辨率。
關(guān)鍵詞：FX1N_40MT；可編程控制器；搶答器；顯示電路；指令表程序

    可編程控制器實(shí)訓(xùn)臺(tái)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(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目既豐富多彩，又結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)開發(fā)搶答器實(shí)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(shí)，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(hào)；主持人按下置數(shù)按鈕SB5，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器置數(shù)(設(shè)定答題時(shí)間)；主持人宣布答題開始的同時(shí)按下倒計(jì)時(shí)開始按鈕SB3，選手開始答題，同時(shí)開始倒計(jì)時(shí)；選手回答正確且未超時(shí)，才能得分，否則，不能得分；答題超時(shí)，揚(yáng)聲器鳴叫，提醒主持人及選手答題超時(shí)；主持人按清零按鈕SB2，可清除聲光報(bào)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(jì)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(jì)方案分別如圖1中(a)，(b)所示。

    圖1(a)所示方案的特點(diǎn)是：編碼，譯碼，計(jì)數(shù)等功能都通過編程實(shí)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(jì)時(shí)的三個(gè)數(shù)碼管及超時(shí)報(bào)警電路。該方案共需13個(gè)輸入點(diǎn)(I)，23個(gè)輸出點(diǎn)(O)，而FX1N_40MT僅有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，顯然，輸出點(diǎn)不夠，因此，圖1(a)所示方案不可行。
    圖1(b)所示方案的特點(diǎn)是：程序主要完成8線-3線編碼功能，顯示譯碼、計(jì)數(shù)、顯示等功能通過硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以此方式節(jié)省I／O點(diǎn)。該方案共需13個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，解決了方案1(a)中輸出點(diǎn)不夠的問題。
    在設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器所需的時(shí)鐘信號(hào)和超時(shí)語音報(bào)警信號(hào)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(shí)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(jì)方案切實(shí)可行。
    可編程控制器的輸入、輸出地址分配如表1所示。

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3 電路設(shè)計(jì)
3．1 輸入電路設(shè)計(jì)
    J1～J8為8個(gè)搶答按鈕，分別連接在可編程控制器FX1N_40MT的輸入點(diǎn)X10～X17與地之間，SB1、SB2、SB3、SB4、SB5為啟動(dòng)、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(diǎn)的X1、X2、X3、X4、X5與地之間，共用去13個(gè)輸入點(diǎn)。
3．2 搶答結(jié)果顯示電路設(shè)計(jì)
    圖2為搶答結(jié)果顯示電路，顯示0～8九個(gè)數(shù)字。無人搶答時(shí)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(hào)。圖3中的101～104分連接在可編程控制器FX1N_40MT的輸出點(diǎn)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(diǎn)，Y10～Y13按位取反后才能得到0～8九個(gè)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(hào)對(duì)應(yīng)的BCD碼，經(jīng)CD4511譯碼后，數(shù)碼管顯示選手編號(hào)。

3．3 答題飼計(jì)時(shí)電路
    答題倒計(jì)時(shí)電路用來限定選手的答題時(shí)間，電路如圖3所示。答題倒計(jì)時(shí)電路利用兩片4510組成兩位減法計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)兩片CD45 11譯碼，由兩位數(shù)碼管顯示，倒計(jì)時(shí)范圍為99～0。圖中初值設(shè)定為30，由于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)為可編程控制器FX1N_40MT的輸出點(diǎn)Y1送來的秒脈沖，因此答題時(shí)間為30s。為使答題時(shí)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(可編程元件計(jì)數(shù)器C0的初值也要隨著修改，才能完成答題時(shí)間設(shè)置的可編程)。減法計(jì)數(shù)器4510所需的置數(shù)脈沖由PLE的輸出點(diǎn)Y2提供。

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3．4 超時(shí)聲光報(bào)警
    答題時(shí)間到，超時(shí)聲光報(bào)警器報(bào)警。由于可編程控制器FX1N_40MT輸出電路的特點(diǎn)，報(bào)警器信號(hào)由FX1N_40MT的輸出點(diǎn)Y3提供，經(jīng)上拉電阻和開關(guān)電路后驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器，為完成聲光報(bào)警。圖4中的I01與Y3連接。

4 軟件設(shè)計(jì)
    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(jì)的硬件電路，可得系統(tǒng)順序控制功能圖如圖5所示。

5 結(jié)論
    可編程控制器FX1N_40MT的I／O=24／16，I／O點(diǎn)有限，為了實(shí)現(xiàn)搶答器功能，在設(shè)計(jì)中采取了硬件電路與軟件編程相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了I／O點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用考慮到硬件電路不能過于復(fù)雜，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)和超時(shí)聲光報(bào)警信號(hào)利用可編程控制器的特殊輔助繼電器M8013控制輸出點(diǎn)Y1輸出秒脈沖，利用特殊輔助繼電器M8011控制輸出點(diǎn)Y3輸出100 Hz的音頻信號(hào)，利用計(jì)數(shù)器C0中斷輸出脈沖，搶答器具有搶答顯示、答題倒計(jì)時(shí)及答題超時(shí)聲光報(bào)警功能，分辨力小于15ms。