Dice Lottery

Transcript

從 PLC 到電子電路之探討 投稿類別：工程技術類 篇名： 擲骰子 從PLC到電子電路之探討 作者： 林鼎淵。臺北市立大安高級工業職業學校。電機二甲 宋立贏。臺北市立大安高級工業職業學校。電機二甲 指導老師： 黃啟銘老師 第 1 頁 從 PLC 到電子電路之探討 壹●前言 每逢過年團聚，親朋好友們都會來個擲骰子的餘興節目，骰子自然成為家 家必備的娛樂用品。在看到擲骰子的過程中，促使我們想利用實習課所學，來設 計電子骰子。因此，我們便利用實習課上的可程式控制器 PLC 利用外加燈泡的 方式，在麵包板上，設計出一顆電子骰子。這顆骰子使用七顆 LED 燈泡，透過 編碼，再用控制時間的程式碼來產生亂數。 此外，我們想透過其他的方法，來製作可以投出六個點的骰子。經過搜索，我們 知道有現成套裝樂透電子骰子。經組合後的骰子，玩起來更具趣味性。這時，又 激起我們的好奇心，想探索電子骰子的原理，以及探討電路板上各顆 IC 的功能(正 文 2)。接著透過數位邏輯課所學的概念來做延伸，綜合比較骰子在 PLC 和電子 電路設計上的差異。 貳●正文 一、PLC操作 (一) PLC的介紹：PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、 抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控 制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法 取代的。 (二)PLC的用途：可程式控制器如【圖一】可以用來取代一般以傳統繼 電器為主的工業配線控制電路，簡單的如馬達正反轉控 制、自動順序控制等較複雜的有交通號誌、自動化生產 線、停車鐵塔、自動倉庫儲系統等控制(謝進發，2008） 都可以使用可程式控制器來控制。 圖一、PLC 機器 第 2 頁 從 PLC 到電子電路之探討 (三)PLC 程式設計 1、由 PLC 課本之各種介紹，並閱讀其他可程式控制器之週邊相關資 料後，利用資料暫存器(D)的應用：「FX2 提供了大量的記憶體區 來作為暫存器，讓使用者可以暫存資料。」(謝進發，2008）我們 以 MOV 指令輸入，再用 RORP 的特殊程式來製造亂數。利用「ROL 可以把指定的元件 16 位元的內容往左旋轉 n 位元，ROL 的旋轉包 括進位旗標；而 P 為指定左旋轉的元件編號；K 為旋轉的位元數」， (雙象貿易股份有限公司編譯，2007) 我們將骰子的點數列出來， 並將燈號的位置與骰子的六個點數對應，所設計出的燈號如【表一】 L1 L5 L2 L4 L6 L3 L7 圖二、燈號位置圖 表一、控骰亮滅圖表 點數 燈號 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 由表一的顯示出（L1、L7）、（L2、L6）、（L3、L5）是一組，因為當 L1 亮的 時候，L7 一定亮，L3 與 L5 和 L6 與 L2 關係也是如此，所以我們便將視為同一 個輸出。 L4 L2、L6 L1、L7 L3、L5 第 3 頁 S1 S2 S3 S4 從 PLC 到電子電路之探討 圖三、燈號控制 表二、真值表 骰子點數 2 2 4 3 5 6 1 3 2 2 4 3 5 6 1 3 HEX 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 H9595 H2020 HF8F8 H3E3E 控制按鍵 D1 D2 D3 D4 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 以上是我們的編碼，我們利用數位邏輯 16 進位的概念來進行骰 子六個點數個別的編碼，在編碼完成後我們便開始設計電路與思 考程式碼 表三、 PLC 設計階梯圖 第 4 頁 從 PLC 到電子電路之探討 2、在設計程式的過程中，原本應該要用七個點來控制，但因過於 繁瑣，所以我們將骰子設成四個點 S1、S2、S3、S4，因為七個燈 只需四個點就可控制。接著利用數位邏輯所學的觀念，1 代表燈亮， 0 代表不亮，依此設計出上表的結果。但是有個小瑕疵，就是二點 跟三點各會出現兩種（見上表）不同的狀況，導致出現的頻率會增 加，產生了不公平的情況。但是考慮亮左邊或亮右邊時，八種情況 出現的機率是一樣的。 表四、PLC 材料表 項目 使用零件規格 數量 1 排阻 1 2 LED 7 3 書寫器 1 4 PLC 可程式控制器 5 單芯線 1 1捆 3、PLC 的呈現：在尚未外接 LED 燈時，當按鈕按下後，PLC 機器上 的燈號呈現亂數閃爍後停止，詳細影片請連結至【You Tube】網 站。網址：http://www.youtube.com/watch?v=K2zD1ZjcQHs 當 PLC 機器外接 LED 燈後，閃爍的圖形如下【圖四】所示。 圖四、PLC 機器外接 LED 燈圖 二、電子電路板上的 IC 及元件 (一)關於 IC7490 1、IC7490之介紹：如【圖五】之IC7490，是一個除十的非同步計數 第 5 頁 從 PLC 到電子電路之探討 器。內部包含兩組計數器，「如果計時脈波加到A 輸入端，由QA輸出為除二記數器，如果計時脈波 加到B點輸入端，由QDQcQB輸出為除五計數器」。 (註四)R0（1）與R0（2）為清除輸入，當R0（1）= R0 （2）=1時，輸出QDQCQBQA=0000；而R9（1）與R9 （2）為預設輸入，當R9（1）= R9（2）=1時，輸出 QDQCQBQA=1001。R0與R9具有較高的優先權，即R0 （1）= R0（2）=R9（1）= R9（2）=1時，輸出 QDQCQBQA=0000。 圖五、IC7490 構造圖 2、IC7490之原理：「7490集極電路計數到達它的輸入脈衝的數量。 脈衝的數量計數，由9決定出現在集極電路的四個 pin的二進制形式」。（http://www.play-hookey.com/ digital/experiments/rtl_astable.html）當第十脈衝到 達輸入時，二進制產品被重新設置到零(0000)，並 且唯一脈衝出現於另一個積的引線。因此為十脈衝 有一脈衝在這個pin外面。7490除輸入的頻率為 十。如果脈衝被運用於輸入第二7490那麼這條第二 條集成電路將計數從第一條集成電路的脈衝。它在 100脈衝以後將給一脈衝被供應了於第一條集極電 路。 (二)多諧振盪器 1、多諧振盪器的介紹：根據多諧震盪器的定義，將主動元件工作於 非線性區域內，「讓兩個放大元件交替工作 於飽和與截止區，使得他的輸出造成極為嚴 第 6 頁 從 PLC 到電子電路之探討 重的失真，致使輸出波形中富含諧波」 。(陳 清良，2007) 2、非穩態多諧振盪器（astable multivibrator） 圖六、非穩態多諧振盪器簡圖 如上【圖六】所示，非穩態的多諧振動器擴大轉換雙穩態多諧振盪 器電路的一個單穩態的版本修改。現在，兩支晶體管通過電容器互 相結合。晶體管隨時關掉不可能無限地保持；它的基極將變成正 偏，再往 5 伏特的電容器充電。接著，將晶體管打開，關閉另一個。 經過測試，當 Q1OFF，Q2 時 ON，則 C2 的左端在－5 伏特；當 C2 通過往＋5 伏特的 R2 充電使消極電壓減少。然而，過了一段時間， C2 充電後提供正向偏壓對 Q1 基極，Q1 打開，並且在 Q1 集極電壓 的 5 伏特下通過對 Q2 基極的 C1 被結合，反應時間大約 1 秒。 (三)電子骰子的呈現 1、電路原理：本電路【圖七】 「利用一個非穩態多諧振盪器產生方波 去觸發計數器，當 S1(START)鍵按住時方波會開始觸發 IC 7490 重複計數」 。(睿意科技股份有限公司)IC 7490 是 一個十進制的計數器，因為我們只需要六個不同的隨意 數字來計數，所以在這裡是將計數器改變為 0~5 的六進 制計數器。改變的方法為將 7490 的 R0(1)；R0(2)接到 QB；QC 會為高電位，始 7490 輸出為 0，使 7490 重複 在 0~5 之間計數，再利用 7400 組合成邏輯閘，使計數 器 0~5 對應骰子的 1~6 點數排列。 第 7 頁 從 PLC 到電子電路之探討 【圖七】 IC7490 電路圖 2、使用材料如下列【表五】 表五、電子骰子所需材料表（註五） 項目 使用零件規格 數量 1 積電腳座 DIP14Pin 3 2 電池盒 3*4 1 3 蜂鳴器 12NP120 1 4 0.1uF 2 5 7 6 LED 二極體 1N4118 7 0 歐姆 5 8 C1815 3 9 1K 11 10 22K 1 11 100K 2 12 1 13 Tack Switch 6P 開關 SS-22F06G5 14 7400 2 15 7490 1 2 1 3、操作過程：利用 LED 的排列來模擬骰子，當 S1(START)鍵按住時， LED 燈會照骰子從 1~6 點數來變化，同時蜂鳴器也會發出聲音，當 放開 S1(START)鍵時，LED 會停止閃爍，並且停在 1~6 點數其中任 第 8 頁 從 PLC 到電子電路之探討 何一個數字。 4、電子骰子電路圖如【圖八】 圖八、電子骰子電路圖（睿意科技股份有限公司） 5、電子骰子效果呈現如【圖九】 圖七、電子骰子亮燈圖 參●結論 一、 在操作 PLC 與數位電路的過程中，我們發現兩者之間各有便利性 與優缺點，其比較過程如下【表六】 表六、PLC 與數位電路操作之比較表 名稱 PLC 性能 數位電路 組件 內含 Timer、MC、燈等 零件較瑣碎 操作 操作容易 配線費時 第 9 頁 從 PLC 到電子電路之探討 檢查 檢查快速 檢查耗時 功能 可作遠端連線監控 須有晶片輔助 成品 1 到 6 點不平均 1 到 6 點較平均 二、在各操作 500 次的 PLC 與數位電路骰子，其點數出現的次數累積紀錄如 下表【表七】 表七、在各擲 500 次中 PLC 與電子電路骰子出現次數累積表 工具 PLC 電子電路 1 點出現次數 76 次 78 次 2 點出現次數 103 次 90 次 3 點出現次數 129 次 88 次 4 點出現次數 68 次 101 次 5 點出現次數 71 次 81 次 6 點出現次數 53 次 62 次 點數 上表是我們的實驗結果，照理說，六種點數出現的次數應該相近，但由此 表看出，用 PLC 來控制骰子，二點和三點出現的機率會比較高；用電子 電路出現較平均，不過這一切都是機率使然。 三、進階設計與期許 (一) PLC 功能很多，可以用來控制各種馬達需求。經過這次的實驗，我 們很高興可以利用十六進位的編碼與 Timer 控制亂數停止的時間， 以 PLC 來控制電子骰子。但是我們發現有個小瑕疵，就是二點和三 點燈亮的機率會比其他四個燈還高。 (二)後來買了現成電子骰子套件組裝完成，在為研究它的原理，驅使我 們尋找有關電子、數位邏輯書籍及透過網路搜尋，無形中增長了不 少過去所欠缺的專業知識。 (三)為了增加投擲兩骰子的趣味性，想要作出電子骰子比大小的功能， 於是我們又利用數位邏輯電路的比較器概念做延伸，在 ttl 系列當中 找出 7490 這顆 ic(異步計數器)，因為它的速度快、有圖騰形輸出、 工作電壓低，可以作出除二除五除十的電路，來控制骰子的亮滅。 依此設計出兩顆六個燈的骰子作比較：當 A 組燈數較大時亮紅燈， 第 10 頁 從 PLC 到電子電路之探討 B 組燈數較大時亮紅燈，一樣大時亮黃燈，我們更想利用單晶片 8051 來燒製所設計出的邏輯電路，但是因為超出能力範圍，所以有待我 們往後學習更多專業技能，將此製作完成。 肆●引註資料 一、謝進發（2008）。可程式控制實習。台北縣新莊市：台科大圖書股份有限 公司。 二、雙象貿易股份有限公司編譯（2007）。三菱可程式控制器 Q 系列 PLC 基本 指令篇。台北市：雙象貿易股份有限公司。 三、http://www.play-hookey.com/digital/experiments/rtl_astable.html 四、陳清良（2007） 電子學 II 。台北縣：龍騰文化。 五、自睿意科技股份有限公司 http://www.aviosys.com.tw 六、鄒宏基、蘇國和、劉韻意（2000）。數位邏輯。台北市：儒林圖書有限公司。 七、張克正、楊劍華（1986）。數位原理與應用。台北市：超級科技圖書股份有 限公司。 八、王進賢（2003）。VLSI 電路設計。台北縣五股：高立圖書有限公司。 九、http://www3.ee.nihs.tp.edu.tw/plc/01/1-1-main.htm下載 PLC可程式控制器模擬 教學課程。 第 11 頁