【正文】 of the main battlefield, for various automation control equipment provides a very reliable control main reason, lies in its ability to provide automatic control application to provide safe and reliable and relatively perfect solution, suitable to the current industrial business needs for the other hand, PLC also must rely on other new 基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) IV technology to face the market share gradually reduce the impact, especially the impact of industrial needs to solve the problem still is the adoption of new technology, open system and price. At the same time, the singlechip microputer as the core controller formed by various form perated into people39。 Industrial control 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 59 頁(yè) 1 緒論 選題背景 近年來(lái)自動(dòng)化控制領(lǐng)域日新月異，諸如 PLC、 DCS、 PAC 等控制系統(tǒng)層出不窮，但是諸如此類的控制系統(tǒng)的應(yīng)用需要相對(duì)昂貴的成本，一方面為了方便客戶使用，控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家極力推行自己的編程語(yǔ)言，而在科研領(lǐng)域，大部分科研人員都已熟練掌握了 C語(yǔ)言、 VB 等編程語(yǔ)言，一些科研項(xiàng)目的建設(shè)完全沒(méi)有必要采用 PLC、 DCS 等動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)元的控制系統(tǒng)作為一次性的試驗(yàn)投入。如果一定要做一個(gè)明確的說(shuō)明的話，可以這么說(shuō)：可能只要幾十個(gè)字節(jié)的程序量就能完成那些 PLC 所要完成的功能。但 PLC 畢竟是昂貴的，如果有把握用單片機(jī)控制板來(lái)替代，肯定會(huì)有市場(chǎng)， 這在一定程度上會(huì)大大減少研究經(jīng)費(fèi)。 本課題的研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)控制自動(dòng)化的普遍應(yīng)用， PLC 控制器的使用量逐年增大。 單片機(jī)工業(yè)控制板就是為這樣的應(yīng)用而度身定做的。 單片機(jī)用于工業(yè)設(shè)備控制的條件已成熟，具體有這樣的一些表現(xiàn)： 1． 單片機(jī)開發(fā)工具日益成熟 目前，手提電腦的價(jià)格已日漸平民化，二手手提電腦的價(jià)格更低，因此，將手提電腦帶到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已不再是奢望。 4．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的普及也使得單 片機(jī)開發(fā)更容易 近年來(lái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）逐漸普及，加之單片機(jī)硬件價(jià)格的下降，使用操作系統(tǒng)編程不再是夢(mèng)想。而現(xiàn)在的智能家電無(wú)一例外是采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以家用電器是單片機(jī)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。單片機(jī)以微小的體積和編程的靈活性而產(chǎn)生多種控制功能，完全可以滿足家用電器的需求。單片機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它具有如下特點(diǎn)： （ 1）高集成度 ,高可靠性 單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上 ,集成度很高 ,體積自然也是最小的。 （ 3）低電壓 ,低功耗 基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 59 頁(yè) 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng) ,許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為 ～ ,而工作電流僅為數(shù)百微安。 單片機(jī)的應(yīng)用范圍 由于單片機(jī)功能的飛速發(fā)展 ,它的應(yīng)用范圍日益廣泛 ,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域 .小到玩具 ,信用卡 ,大到航天器 ,機(jī)器人 ,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 ,過(guò)程控制 ,模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活 ,到處都離不開單片機(jī) .其主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x表中的誤差修正 ,線性化的處理等難題迎刃而解。例如 ,在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 ,用單片機(jī)對(duì)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度 ,還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)階段，它們有時(shí)交叉進(jìn)行。最后確定硬件和軟件的功能劃分。 （ 3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù) 基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 59 頁(yè) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本而且工作量較大的任務(wù)。主程序是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)的程序，不停地順序查詢各種軟件標(biāo)志，以完成對(duì)事務(wù)的處理。 3） 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)問(wèn)題的定義描述出各個(gè)輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即建立數(shù)學(xué)模型，然后繪制流程圖，再根據(jù)流程圖用匯編語(yǔ)言進(jìn)行具體程序的編寫。調(diào)試的過(guò)程就是軟硬件的查錯(cuò)過(guò)程，分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。可以完成以下任務(wù)： 定時(shí)器兩組 、 計(jì)數(shù)器兩組：由于完全兼容 8051 單片機(jī) ，共有 4 個(gè)十六定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù) T0 與 T1。 PWM 脈寬調(diào)制口： 、 都可以作為脈寬調(diào)制輸出口。 系統(tǒng)解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段 本課題主要是研究基于單片機(jī)的 PLC工業(yè)控制軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的軟件可運(yùn)行于 Windows XP 環(huán)境下，硬件電路設(shè)計(jì)具有典型性。 3.定時(shí)器 2組。 測(cè)口 1 個(gè)。 速脈沖輸出口 2 個(gè)。 PLC工控板共有八路輸入，八路輸出，具有輸入對(duì)輸出一對(duì)一控制，第一次按下開關(guān)，繼電器吸合，再次按下繼電器斷開。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S，即 25 萬(wàn)次 /秒 ),針對(duì)電機(jī)控制， 強(qiáng) 干擾場(chǎng)合 ，單片機(jī)引腳圖如圖 31 所示 XTAL1XTAL2RSTALE 12345678910111213XTAL214XTAL115GND16171819202122232425NA/26ALE2728EX_LVD/293031323334353637VCC38394041424344STC12C5A60S2 圖 31 單片機(jī) STC12C5A60S2 基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 59 頁(yè) 各個(gè)引腳功能說(shuō)明如下： ~ : P0 : P0 口既可作為輸入 /輸出口，也可作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。 ：標(biāo)準(zhǔn) I/O 口， ADC 輸入通道外部信號(hào)捕獲 (頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用 )、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出 ： 標(biāo)準(zhǔn) I/O 口， ADC 輸入通道外部信號(hào)捕獲 (頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用 )、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出 ：標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT1[5] ， ADC 輸入通道， SPI 同步串行接口的主出從入 (主器件的輸出和從器件的輸入 ) ：標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT1[6] ， ADC 輸入通道 6 ， SPI 同步串行接口的主入從出 (主器件的輸入和從器件的輸出 ) ：標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT1[7] ADC 輸入通道 7 SPI 同步串行接口的時(shí)鐘信號(hào) ~ ： Port2: P2 口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入 /輸出口，也可作為高8 位地址總線使用 (A8 ~ A15)。 XTAL2： 內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振的另一端。上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將 8路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 I/O口使用。逐 次 比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。模擬通道的選擇控制由 ADC 控制寄存器 ADC_CONTR 中的 CHS2 ~ CHS0 確定。 中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)是為使 CPU 具有對(duì)外界緊急事件的處理能力而設(shè)置的。高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷，反之，低優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求不可以打斷高優(yōu)先級(jí)及同優(yōu)先級(jí)的中斷。當(dāng) PCA 時(shí)鐘源是 SYSclk/2 時(shí)，輸出脈沖的頻率 F 為： f = SYSclk / ( 4CCAPnL ) 其中， SYSclk 為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 PWM 模式的結(jié)構(gòu)華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 共 59 頁(yè) 如 圖 34 所示 圖 34 脈寬調(diào)節(jié)模式 由于所有模塊共用僅有的 PCA 定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新 PWM。對(duì)每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (T0 和 T1)，在特殊功能寄存器基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 59 頁(yè) TMOD 中都有一控制位 — C/T來(lái)選擇 T0 或 T1 為定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器。當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)模式時(shí)，對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)不分頻。具有如下特性：與 400KHz I2C 總線兼容， 到 伏工作電壓范圍，低功耗 CMOS 技術(shù)寫保護(hù)功能，當(dāng) WP 為高電平時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)，頁(yè)寫緩沖器自定時(shí)擦寫周期， 1,000,000 編程 /擦除周期，可保存數(shù)據(jù) 100 年， 8 腳 DIP、 SOIC 或 TSSOP 封裝，溫度范圍包括商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)。 SCL:串行時(shí)鐘 為 24C08 串行時(shí)鐘輸入管腳，用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘。 主器件通過(guò)發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程 然后發(fā)送它所要尋址的從器件的地址 8 位從器件地址的高 4 位固定為 1010 ,接下來(lái)的 3 位 A2 A1 A0 為器件的地址位用來(lái)定義哪個(gè)器件以及器件的哪個(gè)部分被主器件訪問(wèn)，從器件 8 位地址的最低位作為讀寫控制位 1 表示對(duì)從器件進(jìn)行讀操作 ,0 表示對(duì)從器件進(jìn)行寫操作在主器件 。 開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫在內(nèi)部擦寫過(guò)程中 24c08不再應(yīng)答主器件的任何請(qǐng)求 。接收到 P+1 字節(jié)數(shù)據(jù)和主器件發(fā)送的停止信號(hào)后 24C08 啟動(dòng)內(nèi)部寫周期將數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)區(qū)所，有接收的數(shù)據(jù)在一個(gè)寫周期內(nèi)寫入 24C08。在24C08 應(yīng)答之后主器件重新發(fā)送起始信號(hào)和從器件地址，此時(shí) R/W 位置 1 ， 24C08 響應(yīng)并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。 當(dāng)主器件不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)而發(fā)送停止位時(shí)結(jié)束此操作 。LM2576 穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能。使用方便。還包括外部的關(guān)斷電路，特征有 50uA 的待機(jī)電流。 GND： 電路地 。 外圍元件的選擇 1） 輸入電容 CIN： 要選低 ESR 的鋁或鉭電容 作為旁路電容 ,防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓。千萬(wàn)不要選用瓷片電容 ,會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲干擾！ Nichicon 的鋁電解電容不錯(cuò)。若電容值太大 ,反而會(huì)在某些情況（負(fù)載開路、輸入端斷開）對(duì)器件造成損害。 MAX232 MAX232 簡(jiǎn)介 max232 是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片。 主要特點(diǎn) 單 5V 電源工作 LinBiCM 。 第二部分是 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換 通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9插頭； DB9插頭的 RS232數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT輸出。 九針串口方框圖 九針串口方框圖如圖 39 所示 基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 59 頁(yè) 圖 39 串口方框圖 九針串口管腳介紹 針腳 功能 針腳 功能 1 載波檢測(cè) (DCD) 6 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 (DSR) 2 接受數(shù)據(jù) (RXD) 7 請(qǐng)求發(fā)送 (RTS) 3 發(fā)出數(shù)據(jù) (TXD) 8 清除發(fā)送 (CTS) 4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR) 9 振鈴指示 (RI) 5 信號(hào)地線 (SG) 串口的 電氣 特性 ?RS232 串口通信最 遠(yuǎn) 50 英尺 ?? ?RS232 可以做到雙向傳輸，全雙工通訊， 最高傳輸速率 20kbps。 停止位：用于表示單位包的最后一位，典型的值為 和 2。用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有 偶個(gè)或奇數(shù)個(gè)邏輯最高位 本章小結(jié) 本章介紹了在此次設(shè)計(jì)的所用的幾種芯片，了解他們的性能，可以對(duì)后面的電路設(shè)計(jì)有很大幫助 4． 1 單片機(jī)系統(tǒng)電路 復(fù)位電路 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)內(nèi)部集成了 MAX810 專用復(fù)位電路。 看門狗允許位 , 當(dāng)設(shè)置為 “1 ” 時(shí)，看門狗