基于FX1N_40MT的抢答器电路设计

摘要：基于三菱FX1N_40MT可编程控制器设计抢答器模块，使可编程控制器实训台功能更强，能完成丰富多彩且具有不同专业特色的实训项目。针对FX1N_40MT的输出点不够，采用软硬件结合的设计方案节省I／O点；针对模块电路体积的尺寸要求，采用FX1N_40MT的可编程元件特殊辅助继电器M8013编程为倒计时电路提供秒时钟信号、利用特殊辅助继电器M8011编程为超时语音报警电路提供100 Hz的输入信号简化硬件电路以减小模块体积；采用顺序控制编程方法编写抢答器的指令表程序。电路具有抢答选手编号显示功能、抢答倒计时功能和答题超时语音声光报警功能，答题时间可在0～99 s范围内设置，抢答器具有小于15 ms分辨率。
关键词：FX1N_40MT；可编程控制器；抢答器；显示电路；指令表程序

    可编程控制器实训台是基于三菱公司生产的FX系列可编程控制器FX1N_40MT研发的，不同的实训项目采用了尺寸相同，功能不同的挂件，为了提供具有不同专业特色的实训项目，使实训项目既丰富多彩，又结合实际，设计开发抢答器实训模块。

1 抢答器功能描述
    抢答器可供8名参赛选手使用，主持人按下开始按钮SB1，指示灯L1亮，表明竞赛开始；主持人按清零按钮SB2或无人抢答时，抢答显示为0；参赛选手按下抢答按钮J1～J8后，LED数码管显示抢答成功选手的编号；主持人按下置数按钮SB5，倒计时计数器置数(设定答题时间)；主持人宣布答题开始的同时按下倒计时开始按钮SB3，选手开始答题，同时开始倒计时；选手回答正确且未超时，才能得分，否则，不能得分；答题超时，扬声器鸣叫，提醒主持人及选手答题超时；主持人按清零按钮SB2，可清除声光报警，开始新一轮抢答；主持人按下停止按钮SB4，所有显示熄灭，竞赛结束。

2 设计方案及可编程控制器的地址分配
    依抢答器的功能要求，提出两种设计方案分别如图1中(a)，(b)所示。

    图1(a)所示方案的特点是：编码，译码，计数等功能都通过编程实现，而硬件电路比较简单，只有指示灯、显示抢答结果和倒计时的三个数码管及超时报警电路。该方案共需13个输入点(I)，23个输出点(O)，而FX1N_40MT仅有24点输入，16点输出，显然，输出点不够，因此，图1(a)所示方案不可行。
    图1(b)所示方案的特点是：程序主要完成8线-3线编码功能，显示译码、计数、显示等功能通过硬件设计实现，以此方式节省I／O点。该方案共需13个输入点和8个输出点，解决了方案1(a)中输出点不够的问题。
    在设计中考虑到抢答器模块的尺寸应和其他已有功能模块的尺寸相同，硬件电路应尽量简单。因此，图1(b)所示方案中，计数器所需的时钟信号和超时语音报警信号并未通过硬件电路产生，而是利用可编程控制器的可编程元件特殊辅助继电器M8013和M8011编程实现，使硬件电路大大简化。因此采用图1(b)所示方案作为抢答器的设计方案切实可行。
    可编程控制器的输入、输出地址分配如表1所示。

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3 电路设计
3．1 输入电路设计
    J1～J8为8个抢答按钮，分别连接在可编程控制器FX1N_40MT的输入点X10～X17与地之间，SB1、SB2、SB3、SB4、SB5为启动、清零、答题开始、停止、置数按钮，分别连接在可编程控制器FX1N_40MT的输入点的X1、X2、X3、X4、X5与地之间，共用去13个输入点。
3．2 抢答结果显示电路设计
    图2为抢答结果显示电路，显示0～8九个数字。无人抢答时显示数字0，抢答结束后显示抢答成功的参赛选手编号。图3中的101～104分连接在可编程控制器FX1N_40MT的输出点Y10～Y13，当不同抢答键被按下，Y10～Y13的输出结果如表2所示。由于可编程控制器FX1N_40MT输出电路的特点，Y10～Y13按位取反后才能得到0～8九个数字的BCD码，因此Y10～Y13的输出经上拉电阻和反相器4069后完成了按位取反，得到抢答选手编号对应的BCD码，经CD4511译码后，数码管显示选手编号。

3．3 答题饲计时电路
    答题倒计时电路用来限定选手的答题时间，电路如图3所示。答题倒计时电路利用两片4510组成两位减法计数器，计数结果经两片CD45 11译码，由两位数码管显示，倒计时范围为99～0。图中初值设定为30，由于计数器时钟信号为可编程控制器FX1N_40MT的输出点Y1送来的秒脉冲，因此答题时间为30s。为使答题时间设置可编程，可将4510的数据输入端P0～P4用拨码器控制(可编程元件计数器C0的初值也要随着修改，才能完成答题时间设置的可编程)。减法计数器4510所需的置数脉冲由PLE的输出点Y2提供。

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3．4 超时声光报警
    答题时间到，超时声光报警器报警。由于可编程控制器FX1N_40MT输出电路的特点，报警器信号由FX1N_40MT的输出点Y3提供，经上拉电阻和开关电路后驱动发光二极管和蜂鸣器，为完成声光报警。图4中的I01与Y3连接。

4 软件设计
    功能图是用于描述顺序控制系统的图形说明语言，依据抢答器的功能要求，基于以上设计的硬件电路，可得系统顺序控制功能图如图5所示。

5 结论
    可编程控制器FX1N_40MT的I／O=24／16，I／O点有限，为了实现抢答器功能，在设计中采取了硬件电路与软件编程相结合的设计方案，节约了I／O点，同时结合实际应用考虑到硬件电路不能过于复杂，计数器的时钟信号和超时声光报警信号利用可编程控制器的特殊辅助继电器M8013控制输出点Y1输出秒脉冲，利用特殊辅助继电器M8011控制输出点Y3输出100 Hz的音频信号，利用计数器C0中断输出脉冲，抢答器具有抢答显示、答题倒计时及答题超时声光报警功能，分辨力小于15ms。