【文章內(nèi)容簡介】 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。 （ 4）優(yōu)異的性能價格比 單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率 ,單片機(jī)已開始使用 RISC 流水線和DSP 等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破 64KB 的限制 ,有的已可達(dá)到 1MB 和 16MB,片內(nèi)的 ROM 容量可達(dá) 62MB,RAM 容量則可達(dá) ,因而銷量極大 ,各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉 ,其性能價格比極高。 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。 （ 1）在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用 單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng) ,自適應(yīng)控制系統(tǒng) ,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如 ,工業(yè)上的鍋爐控制 ,電機(jī)控制 ,車輛檢測系統(tǒng) ,水閘自動控制 ,數(shù)控機(jī)床及軍事上的雷達(dá) ,導(dǎo)彈系統(tǒng)等。 （ 2） 在智能化儀器儀表中的應(yīng)用 （ 3） 單片機(jī)應(yīng)用于儀器儀表設(shè)備中促使儀器儀表向數(shù)字化 ,智能化 ,多功能化和綜合化等方向發(fā)展。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長期以來測量儀表中的誤差修正 ,線性化的處理等難題迎刃而解。 （ 3）在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化 ,控制走向智能化 ,構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。 （ 4）在智能接口中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ,特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)中采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制管理 ,單片機(jī)與主機(jī)并行工作 ,可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如 ,在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 ,用單片機(jī)對模 /數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度 ,還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波 ,誤差修正 ,線性化處理等。 （ 5）在人類生活中的應(yīng)用 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 59 頁 單片機(jī)由于其價格低廉 ,體積小巧 ,被廣泛應(yīng)用在人類生活的諸多場合 ,如洗衣機(jī) ,電冰箱 ,空調(diào)器 ,電飯煲 ,視聽音響設(shè)備 ,大屏幕顯示系統(tǒng) ,電子玩具 ,信用卡 ,樓宇防盜系統(tǒng)等 .單片機(jī)將使人類的生活更加方便舒適 ,豐富多彩。 本課題的任務(wù)和要求 單片機(jī)主要用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、實(shí)時控制、儀器儀表、通信和家用電 器等各個領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的綜合性應(yīng)用，在不同應(yīng)用場合其技術(shù)要求各不相同，因此設(shè)計(jì)方法和研制的步驟不完全一樣。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指 MCU、存儲器、 I/O接口和外設(shè)等物理器件的有機(jī)組合。軟件是指系統(tǒng)監(jiān)控程序的總稱。在開發(fā)的過程中，它們的設(shè)計(jì)不能完全分開，二者需要互相配合、不斷調(diào)整才能組成高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。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)試等幾個階段，它們有時交叉進(jìn)行。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) （ 1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首 先應(yīng)根據(jù)對系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等確定合理的、具體的功能和技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性、以及成本等進(jìn)行綜合考慮，以盡量合理并符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然后根據(jù)市場上各種單片機(jī)的貨源情況和單片機(jī)的性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的機(jī)型。接下來要根據(jù)系統(tǒng)中可能遇到的傳感器、模擬電路、 I/O 接口、存儲器和顯示器等器件和設(shè)備進(jìn)行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中某些功能用硬件和軟件都能實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮研制周期和成本等因素具體 劃分軟硬件功能。 （ 2）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)任務(wù) 硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體要求，在所選的 MCU 和各個元器件型號的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，做一些必要的不見實(shí)驗(yàn)。在硬件設(shè)計(jì)中，需要考慮系統(tǒng)總線的負(fù)載能力、系統(tǒng)擴(kuò)展時的片選方式、模擬電路的速度和精度等，如需擴(kuò)展存儲器則盡量用一片完成，這樣既降低了成本，又減小了線路板的面積，同時提高了系統(tǒng)的可靠性。 （ 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 共 59 頁 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)。與系統(tǒng)機(jī)上操作系統(tǒng)支持下的純軟件不同，單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是在裸機(jī)的條件下進(jìn)行的，而且 隨應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不同。在軟件中一般需考慮以下幾個方面： 1） 根據(jù)要求確定軟件的具體任務(wù)細(xì)節(jié)，然后確定合理的軟件結(jié)構(gòu)。一般系統(tǒng)軟件的主程序和若干個子程序及中斷服務(wù)程序組成，詳細(xì)劃分主程序、子程序和中斷服務(wù)程序的具體任務(wù)，確定各個中斷的優(yōu)先級。主程序是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)的程序，不停地順序查詢各種軟件標(biāo)志，以完成對事務(wù)的處理。在子程序和中斷服務(wù)程序中，要考慮現(xiàn)場的保護(hù)和恢復(fù)，以及它們和主程序之間的信息交換方法。 2） 程序的結(jié)構(gòu)用模塊化結(jié)構(gòu)，即把監(jiān)控程序分解為若干個功能相對獨(dú)立的較小的程序模塊分別設(shè)計(jì)，以便于調(diào)試。具 體設(shè)計(jì)時可采用自底向上或自頂向下的方法。 3） 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時，先根據(jù)問題的定義描述出各個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)流程圖用匯編語言進(jìn)行具體程序的編寫。 4） 在程序設(shè)計(jì)完成后，利用相應(yīng)的開發(fā)工具和軟件進(jìn)行程序的匯編，生成程序的機(jī)器碼。 （ 4）系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù) 在系統(tǒng)樣機(jī)的組裝和軟件設(shè)計(jì)完成以后，就進(jìn)入系統(tǒng)的調(diào)試階段。應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法是相同的，但具體細(xì)節(jié)與采用的開發(fā)系統(tǒng)（即仿真器）及選用的單片機(jī)型號有關(guān)。調(diào)試的過程就是軟硬件的查錯過程，分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 STC12C5A60S2 是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)。指令代碼完全與 8051 兼容，內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。兩路 PWM,8 路高速十位 A/D 轉(zhuǎn)換，通用的 I/O 口為 44 個， 內(nèi)置看門狗程序?？梢酝瓿梢韵氯蝿?wù)： 定時器兩組 、 計(jì)數(shù)器兩組：由于完全兼容 8051 單片機(jī) ，共有 4 個十六定時器，兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時 /計(jì)數(shù)器， 16 位定時 /計(jì)數(shù) T0 與 T1。再加上兩路 PCA 模塊可以實(shí)現(xiàn)定時計(jì)數(shù)功能。 溫度檢測口： 十位精度 ADC,共八路 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 59 頁 模擬量檢測口： A/D 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 ADC，共 8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每 秒鐘 25 萬次 )。 PWM 脈寬調(diào)制口： 、 都可以作為脈寬調(diào)制輸出口。 強(qiáng)制復(fù)位口： 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 （外部晶振 12M 以下時復(fù)位腳可以連接 1k歐接地） 。 中斷控制口： 外部中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模 塊 ?， Power Down 模式可由外部中斷喚醒 ?，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/, CCP0/(也可通過寄存器設(shè)置到 ), CCP1/(也可通過寄存器設(shè)置到 )。 高速脈沖輸出口： 、 可以作為高速脈沖輸出口。 系統(tǒng)解決的問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)。首先要熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)的使用方法；精確分析并設(shè)計(jì)出該控制系統(tǒng)的全部工作流程圖，確定輸入、輸出的名稱功能；設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件并在畫出 PCB圖，實(shí)現(xiàn)全部功能，完成設(shè)計(jì)并撰寫畢業(yè)論文。 針對課題采取以下研究方法及步驟： （ 1）各種 元器件以及芯片的選擇 （ 2）硬件電路的設(shè)計(jì) （ 3）用匯編語言完成軟件方面的設(shè)計(jì) （ 4）結(jié)合電路對程序進(jìn)行調(diào)試 （ 5）找出程序中的錯誤，改正這些錯誤 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想 本設(shè)計(jì)采用 STC12C5A60S2 其外圍擴(kuò)展系統(tǒng)，軟件方面主要是應(yīng)用 C語言設(shè)計(jì)程序。系統(tǒng)以 STC12C5A60S2 單片機(jī)為核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，用 C 語言開發(fā)，組基于單片機(jī)的 PLC 工控模塊的研究設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 59 頁 成一個具有多功能的 plc 工控板 。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。同時，本系統(tǒng)中任何一部分電路模塊均可移植于實(shí)用開發(fā) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)具有實(shí)用性。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 基于單片機(jī)的 PLC 模塊設(shè)計(jì)要求最終完成以下功能設(shè)計(jì)： 8 個口（光電隔離）。 個輸出口（ 6 組繼電器 2 組雙向可控硅）。 3.定時器 2組。 2 個。 1個。 1 個。 測口 1 個。 脈寬調(diào)制口 1個。 1 個。 1個。 速脈沖輸出口 2 個。具有輸入輸出狀態(tài)指示。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 由設(shè)計(jì)要求所要求 的工控板 具有 的功能，可以有以下初步設(shè)計(jì)方案 ：工控板應(yīng)具備 具有 電源指示 ； 六 路 輸入 光電隔離引入信號 ； 六 路輸出光 電 隔離輸出控制繼電器 ； 標(biāo)準(zhǔn)的 晶振 ； （便于設(shè)置串口波特率） 具有上電復(fù)位和手動復(fù)位 ； 支持 AT89SXX 系列單片機(jī) ； 帶有掉電存儲功能，芯片 24C08； 輸入八路具有 LED 指示 ； 輸出八路具有 LED 指示。 ； 六路 12V繼電器控制，控制設(shè)備 ； 1可控制交流 220V/10A 一下設(shè)備 ； （最大控制設(shè)備 2021W） 1具有串口通信功能 (可以上位機(jī)控制 )； 1單片機(jī)無加密，可插拔更換，帶有程序下載口，可隨意更改程序 。 PLC工控板共有八路輸入，八路輸出，具有輸入對輸出一對一控制，第一次按下開關(guān)，繼電器吸合，再次按下繼電器斷開。 、 為定時 /計(jì)數(shù)端口，當(dāng)兩個端口有信號輸入時時，單片機(jī)內(nèi)部開始定時 /計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所要求的定時或計(jì)數(shù)值時，相應(yīng)的繼電器閉合。 ， ， 為模擬量檢測口， 為 PWM 脈沖調(diào)制端口， 、 為高速脈沖輸出口，單片機(jī)自帶的 RST 端為強(qiáng)制復(fù)位端口 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 59 頁 本章小結(jié) 本章介紹了單片機(jī)工控板 的選擇方案和元器件的論證，和主要的設(shè)計(jì)思想，以下幾章內(nèi)容都是圍繞這 個思想和方案展開的。 3 元器件的介紹 單片機(jī)系統(tǒng) STC12C5A60S2 簡介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)， 是高速 /低功耗 /超 強(qiáng) 抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。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 萬次 /秒 ),針對電機(jī)控制， 強(qiáng) 干擾場合 ，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 共 59 頁 各個引腳功能說明如下： ~ : 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。當(dāng) P0 口作為輸入 /輸出口時， P0是一個 8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。當(dāng) P0 作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時，是低 8 位地址線 [A0~A7]， 數(shù)據(jù)線的 [D0~D7]。 : 標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT1[0] ADC 輸入通道 0 獨(dú)立波特率發(fā)生器的時鐘輸出可通過設(shè)置 WAKE_CLKO[2]位 /BRTCLKO將該管腳配置為 CLKOUT2 :標(biāo)準(zhǔn) I/O 口， ADC 輸入通道。 ：標(biāo)準(zhǔn) I/O 口， ADC 輸入通道外部信號捕獲 (頻率測量或當(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 輸入通道外部信號捕獲 (頻率測量或當(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 同步串行接口的時鐘信號 ~ ： Port2: P2 口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入