【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不齊，很大一部分還是國(guó)外篩選出來(lái)的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性也很大，批量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過(guò)篩選配對(duì)等技術(shù)處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很好的一致性和高可靠性，因?yàn)槿我辉膮?shù)偏離設(shè)計(jì)要求都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，單片機(jī)的所有器件均不是工業(yè)級(jí)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國(guó)內(nèi)的電源一般都很差，加上壓片機(jī)的變頻調(diào)速對(duì)電源的干擾很大，因此，更可能引起單片機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定 [11][12]。 單片機(jī)的可擴(kuò)展性：由于單片機(jī)的線 路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計(jì)的，所以要增加一個(gè)功能就要重新設(shè)計(jì)線路，而且對(duì)應(yīng)的程序都要重新設(shè)計(jì)。這樣對(duì)于增加功能的開(kāi)發(fā)成本和周期都會(huì)增加 [11]。 單片機(jī)的可維護(hù)性：一旦單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡(jiǎn)單的方法是更換整個(gè)系統(tǒng)，這樣維修成本增加了 [12]。 操作：現(xiàn)在國(guó)內(nèi)單片機(jī)系統(tǒng)的操作均采用自設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥碼開(kāi)關(guān)， 顯示用 LED，整個(gè)面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計(jì)時(shí)往往一鍵多用，操作人員很難脫開(kāi)說(shuō)明書(shū)操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說(shuō)明書(shū)方 能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說(shuō)明書(shū)指示排除故障，這樣排除故障的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)?？傊@樣的人機(jī)對(duì)話不夠友善。 特點(diǎn)：不可靠，價(jià)格便宜。 可編程控制器（ PLC）： 所謂 PLC系統(tǒng)就是采用目前市場(chǎng)上各大工業(yè)控制廠家生產(chǎn)的可編程控制器，根據(jù)要求選用不同的模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序以達(dá)到所設(shè)計(jì)的功能。這種形式目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛 [10]。 PLC的可靠性：進(jìn)口 PLC采用的 CPU都是生產(chǎn)廠家專門(mén)設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)專用處理器，其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購(gòu)買的，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格挑選的工業(yè)級(jí)元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng) 驗(yàn)而特別設(shè)計(jì)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。 PLC的可擴(kuò)展性： 要增加一個(gè)功能只要增加相應(yīng)的模塊和修正對(duì)應(yīng)的程序，而PLC的編程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這樣對(duì)于開(kāi)發(fā)周期會(huì)縮短。 PLC的可維護(hù)性： PLC本身有很強(qiáng)的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設(shè)計(jì)不合理引起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡(jiǎn)單。 操作： PLC的操作采用觸摸式操作終端，人機(jī)界面，全屏顯示，上面設(shè)計(jì)了很詳盡的操作指南，即使第一次使用，也能根據(jù)提示順利操作，這就降低了對(duì)操作人員的要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，畫(huà)面自動(dòng)切換到故障提示畫(huà)面，提示故障原因和排除方法。甚至可以顯示故障在機(jī)器上的位置，維修人員可以根據(jù)提示很快排除故障。 特點(diǎn)：價(jià)格與前二種控制器相比略貴，可靠性好，操作簡(jiǎn)單。 綜合以上的分析和比較，最終決定采用 PLC。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 控制特點(diǎn)分析 知識(shí)競(jìng)賽搶答器通過(guò) PLC進(jìn)行按控制要求編程，其主要的輸入就是通過(guò)裁判員和參賽選手的按鈕，然后將信號(hào)傳遞給信息分析中心（ PLC）， PLC將根據(jù)信號(hào)作出相應(yīng)的響應(yīng)。知識(shí)競(jìng)賽搶答器有六個(gè)輸入信號(hào)（即六個(gè)按鈕），九個(gè)輸出信號(hào)（即五個(gè)臺(tái)燈信號(hào)、一個(gè)音響信號(hào)、三個(gè)數(shù)碼管輸出信號(hào)）。由上可知 PLC共有六個(gè)輸入點(diǎn)，九個(gè)輸出點(diǎn)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖 31所示： PLC機(jī)型的選擇步驟與原則 隨著 PLC技術(shù)的發(fā)展， PLC產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。不同型號(hào)的 PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選用 PLC，對(duì)于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。 PLC的選擇主要應(yīng)從 PLC的機(jī)型、容量、 I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 PLC機(jī)型的選擇 PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： ⑴ 合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC的每一個(gè) I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC的功能擴(kuò)展靈活方便，在 I/O點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 ⑵ 安裝方式的選擇 PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程 I/O式以及多 臺(tái) PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。 PLC SB0 SB5 SB1 SB2 SB3 SB4 顯示器 參賽隊(duì)號(hào)碼 計(jì)數(shù)器的個(gè)位 計(jì)數(shù)器的十位 1號(hào)臺(tái)燈 2號(hào)臺(tái)燈 3號(hào)臺(tái)燈 4號(hào)臺(tái)燈 蜂鳴器 圖 31 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程 I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程 I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程 I/O可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程 I/O電源；多臺(tái) PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊模塊。 ⑶ 相應(yīng)的功能要求 一般小型 (低檔 )PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開(kāi)關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。 對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn) PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 PLC。但是中、高檔 PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。 ⑷ 響應(yīng)速度要求 PLC是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮 PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速 I/O處理功能的 PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC等。 ⑸ 系統(tǒng)可靠性的要求 對(duì)于一般系統(tǒng) PLC的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 ⑹ 機(jī)型盡量統(tǒng)一 一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到 PLC的機(jī)型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問(wèn)題： ①機(jī)型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理。 ②機(jī)型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。 ③機(jī)型統(tǒng)一，其外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易 于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。 綜上所述，基于以上思想，選用日本三菱公司 FX48MR系列的 PLC作為控制主機(jī)。 流程圖 當(dāng)裁判按下開(kāi)始按鈕時(shí)，四個(gè)參賽對(duì)處于搶答狀態(tài)，假如是一號(hào)參賽隊(duì)先搶到題目， PLC先判斷搶答是否成功，若成功，則進(jìn)行下一部看是否在規(guī)定的搶答時(shí)間內(nèi)答題，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，則答題結(jié)束；若超時(shí)，則提示主持人；如果搶答沒(méi)有成功，則判斷是否搶答犯規(guī)，若法規(guī)，某法規(guī)臺(tái)燈亮，總臺(tái)燈亮出指令。 PLC與七段 LED顯示器連接設(shè)計(jì) LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及主要特性 ⑴ LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，亦稱半導(dǎo)體數(shù)碼管。將條狀發(fā)光二極管按照共陰極（負(fù)極）或共陽(yáng)極（正極）的方法連接，組成 “ 8”字，再把發(fā)光二極管另一電極作筆段電極，就構(gòu)成了 LED 數(shù)碼管。若按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光，就能顯示從 0～ 9 的一系列數(shù)字。同熒光數(shù)碼管（ VFD）、輝光數(shù)碼管（ NRT）相比，它具有：體積小、功耗低、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)、亮度高、單色性好、發(fā)光響應(yīng)的時(shí)間短，能與 TTL、 CMOS 電路兼容等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已廣泛用作數(shù)字化儀表、數(shù)控裝置、家用電器中的數(shù)顯器件。 常見(jiàn) LED 數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 314所示。圖 314屬于共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，圖320采用共陰極結(jié)構(gòu)。分別表示公共陽(yáng)極和公共陰極。 a～ g 是 7 個(gè)筆段電極， DP 為小數(shù)點(diǎn)。另有一種字高為 mm 的超小型 LED 數(shù)碼管，管腳從左右兩排引出，小數(shù)點(diǎn)則是獨(dú)立的。 圖 32 常見(jiàn) LED數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) ⑵ LED數(shù)碼管的主要特性 ①工作電壓 ～ 5V，一般為 ～ ，工作電流 5～ 10mA，高亮度管可在低電壓和小電流（ 1mA左右）條件下工作。 ②單色性好，亮度高、高頻特性優(yōu)良，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間非常短，通常小于 。 好，工作溫度范圍為 30～ +80℃，使用壽命可達(dá) 5M小時(shí)以上。 ③ LED數(shù)碼管每筆畫(huà)工作電流 I在 5～ 10 mA 之間，若電流過(guò)大會(huì)損壞數(shù)碼管，因此必須加限流電阻，其阻可按下式計(jì)算 R=（ V0V1） /I 其中 V0為加在 LED兩端上的電壓， V1為 LED數(shù)碼管每筆劃壓降（約為 2V）。 PLC與七段數(shù)碼管方案選擇 PLC (可編程控制器 ) 具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)以及運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。PLC 的梯形圖語(yǔ)言清晰直觀、可讀性強(qiáng)， 易于掌握。在工業(yè)控制中， PLC作為面向控制對(duì)象的下位機(jī)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。但對(duì)于一般的中小型的專用設(shè)備，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)會(huì)使成本大大提高，同時(shí)不便于在操作現(xiàn)場(chǎng)直接讀取或輸入數(shù)據(jù) .在顯示數(shù)據(jù)較少時(shí)，采用 PLC 控制 LED直接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，可以降低成本，使得數(shù)據(jù)顯示直觀。而當(dāng)欲顯示的數(shù)據(jù)較多時(shí)， PLC 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，會(huì)使得所需 PLC 輸出點(diǎn)數(shù)大大增加，同時(shí)由于 PLC 梯形圖的局限性，abcdefg1 2 5431 09876g f bae d D Pc++● D PОООООООО+aD PgfedcbООООООООaD Pgfedcb( a ) ( c )( b )會(huì)使得顯示程序的編制變得非常復(fù)雜，這不僅增大了程序編制的難度，而且增加了程序的執(zhí)行時(shí)間，從而大大地降低了顯示速度。 在應(yīng)用可編程序 控制器 (PLC)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，除要求 PLC完成指定的控制功 能外，往往還要求附帶有輸出顯示，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，以利于操作者監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。 PLC通過(guò)輸出模塊外接顯示電路，一般要求少占用輸出點(diǎn)數(shù)、外接電路簡(jiǎn)單、輸出顯示速度盡可能快。 OMRON公司推出的 CQM1型 PLC指令中設(shè)置了 7段輸出顯示指令 7SEG(2)，該指令有 4位和 8位兩種方式，輸出 8位數(shù)時(shí)要占用13 個(gè)輸出點(diǎn)，若要求輸出顯示 5 位數(shù)時(shí)，需選用 8位方式，占用 13個(gè)輸出點(diǎn)。 PLC輸出模塊接 LED數(shù)碼管顯示的方法已應(yīng)用在一實(shí)際 CQM1型 PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)中。 PLC 驅(qū)動(dòng)的顯示電路配合 PLC 程序，可以實(shí)現(xiàn)如下的指標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示 [7]: ⑴ 在僅占用 PLC16點(diǎn)輸出的情況下，顯示的 LED可多達(dá) 128 個(gè)。 ⑵ 所有的顯示單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換。 ⑶ 所有的顯示單元與 PLC之間的連線完全相同，硬件連線簡(jiǎn)單。 ⑷ 采用靜態(tài)顯示方式，顯示沒(méi)有閃爍感。 ⑸ 每一位 LED數(shù)據(jù)更新顯示僅需 2個(gè) PLC 掃描周期。 ⑹ 在沒(méi)有新數(shù)據(jù)顯示時(shí)，程序進(jìn)行循環(huán)顯示，使顯示電路的抗干擾能力增強(qiáng)。 由上述可知，結(jié)合本次設(shè)計(jì)，由于輸入輸出點(diǎn)并不是很多，采用 PLC 控制 LED 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示方案，可以大大降低設(shè)計(jì)成本。 PLC與七段數(shù)碼管直接連接阻值計(jì)算 根據(jù) LED數(shù)碼管每筆畫(huà)工作電流 I在 5～ 10 mA 之間，若電流過(guò)大會(huì)損壞數(shù)碼管，