【正文】 52單片機(jī)主控模塊 復(fù)位電路 串口轉(zhuǎn)換 PC串口 晶振電路 輸入 光電隔離 電源 光電隔離 輸出 硬件 的選型 主控模塊 的選型 單片機(jī)作為主控模塊， 其選型尤為重要 。 I/O 接口的數(shù)量是衡量 CPU 性能的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。 (3) 集中 輸出： 執(zhí)行完畢全部的 用戶(hù)程序 后 ， 向輸出鎖存寄存器傳送 輸出映像寄存器的狀態(tài) ，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)功率放大電路 、 隔離電路 等外部電路， 將 PLC的控制信號(hào) 向外輸出 [8]。 PLC 工作原理 PLC 的工作原理如圖 22所示 ， 主要分 為以下三部分 [9]： 圖 22 PLC工作原理 (1) 集中采集 輸入： 執(zhí)行 程序 前， 向 輸入映像寄存器中讀入 可編程控制器輸入端子的 全部 狀態(tài)?？删幊炭刂破?存在 一個(gè) CPU模塊 微處理器 存儲(chǔ)器 編程模塊 輸入模塊 外部設(shè)備 輸出模塊 外部設(shè)備 電 源 模 塊 重要 特點(diǎn) ： 所有的輸入輸出信號(hào)全部都經(jīng)過(guò)隔離，無(wú)論任何輸入輸出 的形式 最終都是經(jīng)過(guò)光電耦合 器 接 口或繼電器將信號(hào)輸入 /送出 [8]。 (2) 輸入 /輸出模塊：輸入 /輸出模塊是 連接 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 與可編程控制器 的 接口。 在 PLC的控制系統(tǒng)中采用軟件來(lái)代替 繼電器 的 控制系統(tǒng)中大量的 時(shí) 間繼電器、 中 間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件 ，所以 大大的減少了控制柜 的 設(shè)計(jì) 、 安裝 的 接線(xiàn)工作量，同時(shí)， PLC的 用戶(hù)程序 模塊 可以在實(shí)驗(yàn)室 內(nèi) 模擬調(diào)試， 大大 減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 的 工作量 [5]。 (5) 維護(hù)方便、體積小、重量輕。 (3) 通用性強(qiáng)，控制程序可變。而且，在 PLC 中由電子線(xiàn)路來(lái)完成繼電器大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，由程序來(lái)代替繼電器之間的連線(xiàn)，與繼電器相比， PLC 大大的提高了使用壽命和可靠性，平均的無(wú)故障時(shí)間甚至可達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)小時(shí)。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 基本特點(diǎn) 在可編程控制器 (PLC)誕生之前，繼電器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。 另外隨著工業(yè)設(shè)備不斷地更新和發(fā)展，對(duì) PLC 要求也越來(lái)越高， 在這樣的形勢(shì)下，我國(guó)可以抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 更滿(mǎn)足現(xiàn)代化工業(yè)用途的 PLC。目前 PLC 市場(chǎng)主要有美系、歐系、日系三大產(chǎn)系， 200 多家公司生產(chǎn)制造，其中都是三大產(chǎn)系為主的公司，我國(guó)的 PLC的研究與生產(chǎn)比較晚，但是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，消化并吸收，近年來(lái)，我國(guó) 的 PLC市場(chǎng)發(fā)展 的 很快，市場(chǎng)前景 被 十分看好。特別是當(dāng) 控制不太復(fù)雜 的 邏輯 功能， 控制量不 太 大，控制要求不高 同時(shí) 環(huán)境條件尚 佳 時(shí)，它的優(yōu)勢(shì) 就 不能完全發(fā)揮出來(lái)，而且會(huì)提高系統(tǒng)的成本。單片機(jī)具備功能多 、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格 便宜 等特點(diǎn) ,在工業(yè)控制中也得到了廣泛的應(yīng)用。 1 引言 課題 研究 的目的 和意義 基于單片機(jī)的 PLC 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 課題的研究 是 依據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的實(shí)際 要 求 提出來(lái)的。 PLC 和單片機(jī)有機(jī)地結(jié)合 ,就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PLC 之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) ,在工業(yè)控制中可發(fā)揮更大的作用 [1]，不僅 可大大簡(jiǎn)化單 片機(jī)系統(tǒng)的研制時(shí)間， 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制， 性能得到保障，效益也就有保證 。 鑒此，根據(jù)可編程序控制器的實(shí)現(xiàn) 原理和 工作 方式 ，設(shè)計(jì)小型的 PLC 控制系統(tǒng)有 很 大的實(shí)際意義。但是，國(guó)內(nèi) 的 PLC 仍然處于發(fā)展階段， 依然 存在很多問(wèn)題，與 那些 發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó) PLC 的應(yīng)用 仍 較為局限化，而 那些 應(yīng)用 PLC 的企業(yè)，主要是 一些 國(guó)有大型企業(yè)， 在 其它中小型企業(yè) 中的 應(yīng)用比例 比較 低。 本課題主要研究?jī)?nèi)容 該課題是以單片機(jī)為主控元件，根據(jù) PLC 的接口特性，利用適當(dāng)?shù)耐鈬骷?，設(shè)計(jì)一種 PLC原理樣機(jī)。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在著明顯的缺點(diǎn)：體積龐大、耗電多、可靠性能差、壽命短、運(yùn)行速度慢等，尤其是很難適應(yīng)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)多變性。 (2) 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，容易掌握，便于普及。不同的對(duì)象用同一個(gè)可編程控制器控制時(shí)，只需輸入、輸出模塊發(fā)生改變，編制的控制程序不同即可，不需要類(lèi)似繼電器的固體電子器件和大量繁冗復(fù)雜的硬件接線(xiàn)電路。 PLC是將微電子技 術(shù)運(yùn)用到工業(yè)設(shè)備上的產(chǎn)品，它的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，便于在設(shè)備內(nèi)部安裝，是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化理想的控制設(shè)備。 PLC 基本結(jié)構(gòu) 一個(gè) PLC 系統(tǒng)本質(zhì)上是一臺(tái)用于控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，其基本組成如圖 21 所示，主要包括 了 以下幾個(gè)部分 [6， 7]： 圖 21 可編程控制器系統(tǒng)的基本組成 (1) CPU 模塊： CPU模塊是可編程控制器的核心模塊， 主要 是 由 存儲(chǔ)器 和 微處理器 兩部分組成 [8]。輸入模塊 主要 用來(lái)采集 和接收 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入信號(hào)，包括選擇開(kāi)關(guān) 、按鈕 等開(kāi)關(guān)量 的 輸入信號(hào) 以及 測(cè)速發(fā)電機(jī) 、 電位器 等連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。 (3) 編程設(shè)備： 在 可編程控制器中 ， 編程設(shè)備 是最重要的外圍設(shè)備 ，利用它 既 可以編輯、修改、檢查、調(diào)試用戶(hù)程序， 還 可以在線(xiàn) 對(duì) 可編程控制器的 當(dāng)前 工作情況 進(jìn)行監(jiān)視 [8]。程序執(zhí)行 的過(guò)程 中，即使 改變了 輸入狀態(tài)，輸入映像寄存器 中 的內(nèi)容 也不會(huì)發(fā)生變化 ， 直到下一 個(gè) 掃描周期的輸入處理階段 ，這些變化 才會(huì) 被 讀入。 輸 入接口 輸入映像寄存器 用戶(hù)程序掃描 輸出映像寄存器 輸出鎖存器 輸出接口 由此可見(jiàn)， PLC 是以?huà)呙璺绞焦ぷ鞯模菏紫茸x輸入回路繼電器狀態(tài) (I/O),把它們存入專(zhuān)用的輸入映象存貯器區(qū)域中，然后執(zhí)行用戶(hù)程序，臨時(shí)中間結(jié)果存放在輔助繼電器存貯區(qū)中，運(yùn)算出的輸出繼電器值存入輸出映象存貯器區(qū) 域中，執(zhí)行完用戶(hù) 程序后，統(tǒng)一用輸出映像寄存器存貯器中的值去寫(xiě)各輸出端口，使輸出狀態(tài)改變，輸出結(jié)果后再?gòu)念^開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行 。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位是：應(yīng)用于控制量較小，控制要求不高的控制場(chǎng)合的微型可編程控制器，故本系統(tǒng)設(shè)置了 8個(gè)輸入點(diǎn)和 8個(gè)輸出點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)完全可以滿(mǎn)足該工況的 需要。 單片機(jī) 在多年的發(fā)展歷程中，形成了多系列、多型號(hào) 、 多公司 的局面 ，這 使得 在 對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間 ， 因而， 選擇一個(gè)合適的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易 ， 要考慮的方面太多。 例如雙指針 、 雙串口 、 擴(kuò)展 RAM、 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 CAN接口、 EEPROM、 I2C接口、 SPI接口、 USB的 接口 類(lèi)型 、 看門(mén)狗 。 (6) 功耗 大小 。 (10) 燒錄器 的 價(jià)格 ， 能否 ISP（在線(xiàn)系統(tǒng)編程）。 (14) 抗干擾性能 的好壞 。 當(dāng)單片機(jī)處于 空閑模式 時(shí) ， 將 停止 CPU工作，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 RAM、串口 中斷 可以 允許繼續(xù)工作。利用該接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。 該芯片采用 MAXMIM公司生產(chǎn)的 +5V供電系統(tǒng)，多通道 RS232驅(qū)動(dòng)器 /接收器的 MAX232芯片性?xún)r(jià)比高，是把計(jì)算機(jī)的串行口 RS232信號(hào)電平（ 10V,+10V） 轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的 TTL信號(hào)電平（ 0， +5V） 主要特征如下：?jiǎn)坞娫?5V操作， 低功率接收模式，掉電模式， 滿(mǎn)足所有 EIA/TIA232E和 規(guī)格， 多路驅(qū)動(dòng)器和接收器， 3態(tài)驅(qū)動(dòng)器和接收器輸出， 16引腳 DIP/SO封裝 其工作原理： MAX232 系列驅(qū)動(dòng)器 /接收器專(zhuān)為 EIA/TIA232E 以及 設(shè)計(jì)，適合電池供電系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)已采用了這種方法，使用光電耦合器把輸入輸出接口同 CPU隔離開(kāi)來(lái)。這就完成了電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入 、 輸出隔離的作用 [11]。在單芯片上， AT89S52有 著 在線(xiàn)系統(tǒng)可編程 Flash和靈巧的8 位 CPU， 提供 有效 且 靈活 度高 的解決方 法 ， 成為 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng) 的最佳選擇 。 相較于 Atmel 公司的前代產(chǎn)品 AT89C51/C52， AT89S 系列單片機(jī)芯片上有 ISP 可編程接口，具有從 PC 機(jī)下載目標(biāo)程序到用戶(hù)板的功能，學(xué)習(xí)者只需一臺(tái) PC機(jī)、一塊用戶(hù)電路板和一條專(zhuān)用下載線(xiàn)及其配套軟件，即可在 PC機(jī)中編譯程序，然后利用下載軟件下載目標(biāo)程序，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并且兼容 AT89C51/C52 和 MCS51(803 8051)單片機(jī)。當(dāng)訪問(wèn) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 和 外部程序 時(shí)， 把 P0口 當(dāng)做 低 8位 的 地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用 [16]。 P1口：一個(gè) 8位雙向 I/O口 ， 內(nèi)部 提供 上拉電阻 ， 其 輸出緩沖器 可以 驅(qū)動(dòng) 的 TTL的邏輯電平 為 4個(gè) [18]。 P2口：一個(gè) 8位雙向 I/O口， 內(nèi)部 提 供 上拉電阻 ， 其 輸出緩沖器 可以 驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯電平 [16]。 在 讀 出地址“ 1” 時(shí)，利用內(nèi)部上拉 電阻的 優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 用作 輸入 口 時(shí)， 由于外部下拉為低電平 而內(nèi)部上拉 ， P3口將輸出電流（ ILL） 。當(dāng) 晶振 工作 復(fù)位器件 時(shí)， RST引腳 持續(xù) 2個(gè)機(jī)器周期以上高電平將 使 單片機(jī)復(fù)位 [21]。 然而要 注意的是： 每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE脈沖 [24]。 PSEN—— 表示程序存儲(chǔ)啟用信號(hào) 。 為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應(yīng)該接 Vcc,內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令則 由 CPU執(zhí)行。 AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 用最少的元器件建立并能使單片機(jī)正常工作的電路，稱(chēng)為單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖，要使單片機(jī)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，完整單片機(jī)最基本的工作要求，考慮到系統(tǒng)無(wú)需精確地定時(shí)功能，且為了方便串口通信波特率的計(jì)算，采用 統(tǒng)時(shí)鐘。 由 1 1 1 14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道 構(gòu)成 第二部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道 。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +5v） 屬于 供電 是 第三部分 。由于單片機(jī) I/O口的驅(qū)動(dòng)電流 比 較弱， 達(dá)不到 繼電器吸合電流的 參數(shù)要求，所以 為 使 繼電器 動(dòng)作 ， 需 要采用 三極管驅(qū)動(dòng) 。 圖 37 光隔離輸入 圖 38 光電隔離輸出 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 軟件的設(shè)計(jì)思想是： 編制的助記符指令 被編程 軟件 翻譯為 單片機(jī) 的匯編語(yǔ)言， 通過(guò)文本編輯軟件 ， 用戶(hù)只需建立助記符程序源文件并 將其 存為 .PLC 格式，即可直接運(yùn)行翻譯程序進(jìn)行翻譯，生成 .ASM 格式的文件，再通過(guò)匯編器的編譯后生成目標(biāo)碼 .HEX 文件，最后裝入單片機(jī)。在每個(gè)循環(huán)的開(kāi)始調(diào)用 MOV P2,0FFH 和 MOV 20H,P2 兩條指令讀取輸入口的狀態(tài)，由于系統(tǒng)邏輯運(yùn)算部分設(shè)計(jì)為高電平有效，而輸入狀態(tài)掃描設(shè)計(jì)為低電平有效，所以當(dāng)我們采集輸入點(diǎn)信息并讀入輸入映像區(qū)后，首先要將輸入映像區(qū)的值全部取反，再進(jìn)行邏輯運(yùn)算。翻譯是通過(guò)I/O 映像區(qū)地址表的建立，操作數(shù)字段操作數(shù)類(lèi)型與標(biāo)號(hào)的分離，操作碼字段翻譯，I/O 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位地址的確定等幾個(gè)階段完成的。 具體方法是：先確定 PLC 助記符指令語(yǔ)句與匯編語(yǔ)句組的 對(duì)應(yīng) 關(guān)系，翻譯時(shí)派發(fā)地址即可。 }Iadress。 在翻譯的時(shí)候 ， 映像表中 的 取用地址 由 我們通過(guò)源文件鏈表節(jié)點(diǎn)中的 I/O 點(diǎn) 的 類(lèi)型來(lái)決定，再結(jié)合輸入點(diǎn)號(hào)最終唯一確定一個(gè)位地址 將 作為程序地址。 位尋址指令的特點(diǎn)決定了 在生成目標(biāo)程序的操作數(shù)字段 時(shí) ，邏輯量的暫存 要選取 程序狀態(tài)字 PSW 的最高位Cy。 (3) 需 保 存中 間結(jié)果的語(yǔ)句的翻譯 遇到 成組 串 并聯(lián) 的情況 ，需先將上一組邏輯的結(jié)果存入暫存區(qū)。多數(shù)已經(jīng)得到了目標(biāo)程序也就匯編代碼的操作碼字段和一個(gè)操作數(shù)字段， 剩下一個(gè)位地址字段等待確定。 在邏輯翻譯之前和 邏輯翻譯 之后 將 系統(tǒng)程序分別 導(dǎo)入到輸出鏈表， 而 最后輸出的就是具備了完整 的 控制功能的程序。實(shí)踐證明，用單片機(jī)仿真可編程序控制器是合理可行的。 軟件仿真調(diào)試 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的 PLC 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ，即利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) PLC 的基本功能，由于 PLC 的輸入輸出信號(hào) 由光耦隔離，因此其 抗干擾性 強(qiáng)，所以在本設(shè)計(jì)中 8個(gè)輸入，8個(gè)輸出都由光耦將其與單片機(jī)隔離開(kāi)，而且，為了使仿真效果更加明顯，特地在輸出端繼電器之后接了電動(dòng)機(jī)，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，指定的燈會(huì)亮起，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)將會(huì)工作 。 圖 54 輸入端狀態(tài) 由圖可見(jiàn) ，此時(shí)輸入端 X0、 X X2 接地， X X X X X7 接 24V 電源，因此，對(duì)應(yīng)的 Y0、 Y Y2輸出接的燈不亮， 繼電器不 動(dòng)作， 電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，而 Y YY Y Y7 輸出接的燈應(yīng)該亮， 繼電器吸合 且電動(dòng)機(jī)工作。 總之，通過(guò) 這次的 畢業(yè)設(shè)計(jì) ,筆者 深刻 了解 到要做好一 件 完整的事，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對(duì)待 需 要解決的問(wèn)題，要 有 耐心、要善于運(yùn)用 自己 已有的資源來(lái)充實(shí) 和完善 自己。在 筆者 做論文期間， 得到了王力老師給予的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷 ， 王老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的 工作 精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、敏銳的 專(zhuān)業(yè) 眼光、真誠(chéng)寬厚的待人品德 、耐心細(xì)致的講解 態(tài)度 是 筆者