【正文】 臺 PC機(jī)、一塊用戶電路板和一條專用下載線及其配套軟件，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)行仿真實驗，并且兼容 AT89C51/C52 和 MCS51(803 8051)單片機(jī)。 雙 數(shù)據(jù)指針 DPTR， 可使程序運(yùn)行速度更快。在單芯片上， AT89S52有 著 在線系統(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 。制造技術(shù) 采 用 了 Atmel公司非易失性高密度存儲器 技術(shù) ，引腳和指令 可 與工業(yè) 單片機(jī) 80C51產(chǎn)品完全兼容 [13]。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]。光電耦合器由包括發(fā)光二極管 (LED)、光檢測器以及其他輸入和輸 出編解碼電路組成 [10]。本設(shè)計已采用了這種方法，使用光電耦合器把輸入輸出接口同 CPU隔離開來。工業(yè)現(xiàn)場中，電磁干擾是較為嚴(yán)重的，因此為了實現(xiàn)良好的抗干擾 性能必須把 I/O 接口和 CPU 從物理上隔離開來，以防止干擾信號的串入。 該芯片采用 MAXMIM公司生產(chǎn)的 +5V供電系統(tǒng)，多通道 RS232驅(qū)動器 /接收器的 MAX232芯片性價比高，是把計算機(jī)的串行口 RS232信號電平（ 10V,+10V） 轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的 TTL信號電平（ 0， +5V） 主要特征如下：單電源 5V操作， 低功率接收模式，掉電模式， 滿足所有 EIA/TIA232E和 規(guī)格， 多路驅(qū)動器和接收器， 3態(tài)驅(qū)動器和接收器輸出， 16引腳 DIP/SO封裝 其工作原理： MAX232 系列驅(qū)動器 /接收器專為 EIA/TIA232E 以及 設(shè)計，適合電池供電系統(tǒng)。 MAX232芯片是美信公司專門為電腦的 RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 , 供電 使用 +5v單電源。利用該接口，可實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。 綜上所述，采用與 MCS51兼容的 AT89S52單片機(jī)滿足 本畢業(yè) 設(shè)計 所需單片機(jī)的 要求。 當(dāng)單片機(jī)處于 空閑模式 時 ， 將 停止 CPU工作，定時器 /計數(shù)器、 RAM、串口 中斷 可以 允許繼續(xù)工作。 基于 以上 因素 ： 由于 系統(tǒng)的實時性要求不高，因 此 運(yùn)算速度 不 需 要 很快， 而 且系統(tǒng) 的 規(guī)模不大， 若要 對 I/O口的數(shù)量可以要求進(jìn)一步降低 ，可 采用分時復(fù)用的方式使用總線 。 (14) 抗干擾性能 的好壞 。 (12) 是否 支持 單片機(jī)匯編語言。 (10) 燒錄器 的 價格 ， 能否 ISP（在線系統(tǒng)編程）。 (8) 供貨渠道 是否 暢通。 (6) 功耗 大小 。 (4) 封裝 ： DIP（雙列直插） ,PLCC（ PLCC有對應(yīng) 的 插座）還是貼片。 例如雙指針 、 雙串口 、 擴(kuò)展 RAM、 RTC（實時時鐘）、 CAN接口、 EEPROM、 I2C接口、 SPI接口、 USB的 接口 類型 、 看門狗 。 例如速度 、 程序存儲器容量 、 I/O引腳數(shù)量 等。 單片機(jī) 在多年的發(fā)展歷程中，形成了多系列、多型號 、 多公司 的局面 ，這 使得 在 對單片機(jī)選型上有了較大的空間 ， 因而， 選擇一個合適的單片機(jī)有時真的不太容易 ， 要考慮的方面太多。 系統(tǒng) 總體 框圖 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用 AT89S52單片機(jī)為主控芯片，通過單片機(jī)數(shù)據(jù)地址總線及 I/O端口， 復(fù)位電路模塊 、 晶振電路 模塊、 電源模塊、 串口通信模塊 及輸入輸出光電隔離 模塊 等外圍電路 ，從而 實現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)計功能。本系統(tǒng)的設(shè)計定位是：應(yīng)用于控制量較小，控制要求不高的控制場合的微型可編程控制器，故本系統(tǒng)設(shè)置了 8個輸入點和 8個輸出點，這種設(shè)計完全可以滿足該工況的 需要。 它能實現(xiàn) PLC 輸入、掃描、輸出的工作特 性 ， 輸入輸出用光電耦合器隔離防止信號干擾 。 輸 入接口 輸入映像寄存器 用戶程序掃描 輸出映像寄存器 輸出鎖存器 輸出接口 由此可見， PLC 是以掃描方式工作的：首先讀輸入回路繼電器狀態(tài) (I/O),把它們存入專用的輸入映象存貯器區(qū)域中，然后執(zhí)行用戶程序，臨時中間結(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 程序后，統(tǒng)一用輸出映像寄存器存貯器中的值去寫各輸出端口，使輸出狀態(tài)改變，輸出結(jié)果后再從頭開始循環(huán)執(zhí)行 。對 于 每個元件而言，隨著執(zhí)行 逐條的 程序 ， 不改變 元件映像寄存器的內(nèi)容 ，其中 輸出映像寄存器的內(nèi)容決定 了 輸出寄存器的內(nèi)部觸點的動作。程序執(zhí)行 的過程 中，即使 改變了 輸入狀態(tài)，輸入映像寄存器 中 的內(nèi)容 也不會發(fā)生變化 ， 直到下一 個 掃描周期的輸入處理階段 ，這些變化 才會 被 讀入。 (4) 電源模塊： 提供 可編程控制器 能夠正常工作 的 直流電源。 (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)試用戶程序， 還 可以在線 對 可編程控制器的 當(dāng)前 工作情況 進(jìn)行監(jiān)視 [8]。 向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號則由 輸出模塊來 負(fù)責(zé) 。輸入模塊 主要 用來采集 和接收 現(xiàn)場設(shè)備的輸入信號，包括選擇開關(guān) 、按鈕 等開關(guān)量 的 輸入信號 以及 測速發(fā)電機(jī) 、 電位器 等連續(xù)變化的模擬量輸入信號。存儲器 則主要用于存儲系統(tǒng) 的 工作區(qū)間及 監(jiān)控程序， 來 生成用戶 的 環(huán)境，其容量 的 大小取決于系統(tǒng)程序的質(zhì)量及 系統(tǒng)的工作能力 [8]。 PLC 基本結(jié)構(gòu) 一個 PLC 系統(tǒng)本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機(jī)，其基本組成如圖 21 所示，主要包括 了 以下幾個部分 [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 存儲器 和 微處理器 兩部分組成 [8]。 (6) 大大 減少 了 設(shè)計和施工的工作量。 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，是一種用來實現(xiàn)機(jī)電一體化理想的控制設(shè)備?，F(xiàn)代的 PLC 不僅擁有計時、計數(shù)、順序控制、邏輯運(yùn)算等一系列的功能，而且具有數(shù)字量和模擬量的功率驅(qū)動、記錄顯示、通信、輸入輸出、自檢、人機(jī)對話等功能，不僅可以控制一個生產(chǎn)過程，還可以控制一條生產(chǎn)線甚至小到一臺生產(chǎn)機(jī)器。不同的對象用同一個可編程控制器控制時，只需輸入、輸出模塊發(fā)生改變，編制的控制程序不同即可，不需要類似繼電器的固體電子器件和大量繁冗復(fù)雜的硬件接線電路。目前，大部分的 PLC仍然采用繼電器控制形式的梯形圖方式編程，梯形圖語言編程元件的符號和表達(dá)方式接近繼電器控制電路原理，不需要專業(yè)的計算機(jī)知識，只需要具有一定的電工知識和工藝知識的人員 在較短的時間內(nèi)都可以學(xué)會。 (2) 編程語言簡單易學(xué)，容易掌握，便于普及。可編程控制器主要是為工業(yè)控制而設(shè)計的，在其設(shè)計及制造的過程中采取了多層次抗干擾的措施，使其能在惡 劣的工業(yè)環(huán)境下正常工作。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在著明顯的缺點：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。 設(shè)計具體內(nèi)容分為以下幾個方面： (1) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計以及單片機(jī)選型； (2) 系統(tǒng)軟件設(shè)計； (3) 上 位機(jī)軟件設(shè)計以及上位機(jī)與下位機(jī)通信設(shè)計。 本課題主要研究內(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)計一種 PLC原理樣機(jī)。 目前，我國是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展 比較 快的國家 之一 ，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備 的 技術(shù)升級、換代對 PLC的需求越來越大。但是，國內(nèi) 的 PLC 仍然處于發(fā)展階段， 依然 存在很多問題，與 那些 發(fā)達(dá)國家相比，我國 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。 課題 研究背景 近 些 年來 ,隨著社會的 迅速 發(fā)展 ,科技的 快速 進(jìn)步 ,可編程控制器 (PLC)技術(shù)的發(fā)展 顯得 異常迅猛 ,PLC 技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于鋼鐵 業(yè) 、石油 業(yè) 、化工 業(yè) 、電力業(yè) 、建材 業(yè) 、機(jī)械 設(shè)計 制造 業(yè) 、汽車 業(yè) 、輕紡 業(yè) 、交通運(yùn)輸 業(yè) 、環(huán)保 業(yè) 等諸多領(lǐng)域 [2]。 鑒此，根據(jù)可編程序控制器的實現(xiàn) 原理和 工作 方式 ，設(shè)計小型的 PLC 控制系統(tǒng)有 很 大的實際意義。 同時 也 有 不少缺點：有限 的 內(nèi)存 ，編程優(yōu)化調(diào)試 比較 困難；產(chǎn)品多為進(jìn)口，價格昂貴；針對性比較差。 PLC 和單片機(jī)有機(jī)地結(jié)合 ,就可實現(xiàn)單片機(jī)與 PLC 之間優(yōu)勢互補(bǔ) ,在工業(yè)控制中可發(fā)揮更大的作用 [1]，不僅 可大大簡化單 片機(jī)系統(tǒng)的研制時間， 實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制， 性能得到保障，效益也就有保證 ?？删幊绦蚩刂破饕云?可靠性 能 高 、 編程簡單 易學(xué) 、維護(hù)方便等優(yōu)點 而 廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中 。 1 引言 課題 研究 的目的 和意義 基于單片機(jī)的 PLC 設(shè)計與實現(xiàn) 課題的研究 是 依據(jù)應(yīng)用開發(fā)中的實際 要 求 提出來的。當(dāng)我們設(shè)計機(jī)電一體化產(chǎn)品或從事自動化裝置設(shè)計時，常常會遇到要求設(shè)計出成本極低，同時能完成較為復(fù)雜的邏輯控制的控制器的問題。單片機(jī)具備功能多 、結(jié)構(gòu)緊湊、價格 便宜 等特點 ,在工業(yè)控制中也得到了廣泛的應(yīng)用。 PLC 的突出優(yōu)點 是可靠性 高、 接口 類型豐富、能適應(yīng)各種復(fù)雜 惡劣 的工業(yè)環(huán)境 ，另外 PLC 采用面向過程的編程語言， 編程簡單直觀，易學(xué)易懂，使用靈活方便，工程技術(shù)人員經(jīng)過短期學(xué)習(xí)即能上手。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 環(huán)境條件尚 佳 時，它的優(yōu)勢 就 不能完全發(fā)揮出來，而且會提高系統(tǒng)的成本。 本 論 文借鑒 PLC的實現(xiàn) 方式 和運(yùn)行原理，利用性價比比較高的 AT89S52單片機(jī)設(shè)計了了一種小型 PLC。目前 PLC 市場主要有美系、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，我國的 PLC的研究與生產(chǎn)比較晚，但是通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，消化并吸收，近年來，我國 的 PLC市場發(fā)展 的 很快，市場前景 被 十分看好。 PLC 技術(shù)主要靠引進(jìn)，自主知識產(chǎn)權(quán)缺乏，與發(fā)達(dá)國家 相比，技術(shù)水平落后 5年左右，國產(chǎn)化率 低很難滿足國內(nèi)市場需求。 另外隨著工業(yè)設(shè)備不斷地更新和發(fā)展，對 PLC 要求也越來越高， 在這樣的形勢下，我國可以抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)， 更滿足現(xiàn)代化工業(yè)用途的 PLC。該課題需要了解單片機(jī)的工作原理、有關(guān)外圍接口芯片的工作機(jī)理；電源電路設(shè)計、模擬數(shù)字電路處理；軟件程序設(shè)計等知識 。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 PLC 簡介 PLC 基本特點 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。與繼電器控制相比，可編程控制器具有以下一些特點 [3][4]： (1) 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。而且，在 PLC 中由電子線路來完成繼電器大量的開關(guān)動作，由程序來代替繼電器之間的連線，與繼電器相比， PLC 大大的提高了使用壽命和可靠性，平均的無故障時間甚至可達(dá)幾十萬個小時。 PLC 設(shè)備面向用戶，考慮到現(xiàn)場技術(shù)工作人員的特點，編程語言一般比較形象直觀且容易掌握。 (3) 通用性強(qiáng)，控制程序可變。 (4) 接口功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣。 (5) 維護(hù)方便、體積小、重量輕。目前，大部分的 PLC控制系統(tǒng)仍采用模塊化的結(jié)構(gòu)，接線比較少，出現(xiàn)故障的時候，只需要更換出現(xiàn)故障的模塊，維護(hù)非常方便。 在 PLC的控制系統(tǒng)中采用軟件來代替 繼電器 的 控制系統(tǒng)中大量的 時 間繼電器、 中 間繼電器、計數(shù)器等器件 ，所以 大大的減少了控制柜 的 設(shè)計 、 安裝 的 接線工作量，同時， PLC的 用戶程序 模塊 可以在實驗室 內(nèi) 模擬調(diào)試， 大大 減少了現(xiàn)場調(diào)試 的 工作量 [5]。 整個可編程控制器的工作主要由 微處理器 控制 ， 大概 可 以 分為兩 個部分：一部分 主要 對系統(tǒng)進(jìn)行 一系列 管理，如 計數(shù)刷新、 查錯、 自診斷 等 等 ，另一部分 則 根據(jù) 用 戶程序 指令 執(zhí)行輸入、輸出、程序解釋 、 執(zhí)行等 一 系列的 操作。 (2) 輸入 /輸出模塊：輸入 /輸出模塊是 連接 現(xiàn)場設(shè)備 與可編程控制器 的 接口。預(yù)先在某個 電流 或 電壓 范圍內(nèi) 限定模擬量輸入信號 ， 將這個信號由模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠處理的數(shù)字信號 ?？删幊炭刂破?存在 一個 CPU模塊 微處理器 存儲器 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 ： 所有的輸入輸出信號全部都經(jīng)過隔離，無論任何輸入輸出 的形式 最終都是經(jīng)過光電耦合 器 接 口或繼電器將信號輸入 /送出 [8]。編程器 分 很多 種 層次 ，性能 、價格 有很大的 差別 ，最簡單的不足千元，最貴的 編程器 可以達(dá)到 十 多萬元 [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