摘 要：介紹用AT89C51單片機構成微型可編程控制器PLC的設計思路、系統硬件配置和軟件設計方法，最后給出此微型可編程控制器在水塔水位控制中應用的實例。
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關鍵詞：PLC 單片機 掃描 控制
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可編程控制器PC(Programmable Controller)，為與個人計算機PC(Personal Computer)相區別，可簡稱為PLC。它是按照成熟而有效的繼電控制概念和設計思想，用先進的單片機技術來實現I/O的實時檢測和控制，可靠性高，編程簡單、易學，因此，得到廣泛應用。
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將PLC技術引進電工學、電力拖動課程，是課程建設現代化的重要措施。在教學經費相對緊張的情況下，我們自己動手，以AT89C51單片機為核心，設計并研制了LD型微型PLC，應用于繼電控制實驗，取得了良好的效果。
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用單片機構成的PLC，實際上就是一個單片機測控系統。用這樣一個程序控制的計算機系統去執行繼電控制的梯形圖程序，由于繼電控制梯形圖中各被控電器之間是并行關系，而計算機程序控制中，各被控電器之間在時間上是串行關系，二者顯然不協調。若簡單地像一般單片機測控系統一樣，對梯形圖各程序行依次實時采集輸入端子狀態，進行處理后實時輸出，是達不到控制目的的。為此，必須采用一次性采集全部輸入端子狀態，并將其存入輸入緩沖區。然后，按梯形圖程序行的邏輯關系，從輸入緩沖區讀取相應輸入端子狀態，處理后將待輸出的結果存入輸出緩沖區。最后,待梯形圖程序行全部執行完畢，一次性將輸出緩沖區的值輸出到相應的輸出端子，從而完成一個程序執行周期。如此往復，自動進行下一輪的采集輸入端子狀態……。這種工作方式即稱為掃描方式，它將串行程序工作和電器并行工作兩種關系協調了起來。另外，單片機執行一條指令的時間是μs級，執行一個掃描周期的時間為幾ms乃至幾十ms。相對于電器的動作時間而言，掃描周期是短暫的，可以認為在一個掃描周期內輸入端子的狀態是不變的，而對其狀態變化的采集和處理也是實時的，從而滿足了實時控制的要求。
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系統硬件配置以AT89C51(以下簡稱51)單片機為核心，如圖１所示。該單片機有4 KB閃存，不必擴展程序存儲器，其4個I/O口共32個I/O引腳，都可供用戶使用，其中P0.7~0.0，P2.4~2.0共13個腳經光耦隔離后連到相應的輸入端子X07~X00，X14~X10。可以用行程開關、液位開關、霍耳開關和手動按鈕等進行輸入。開關接通時，相應引腳為"0"，取反后存入輸入緩沖區。
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P1.7~1.0共8個引腳用于輸出控制：P1.i為"0"時，相應的PNP管導通，繼電器Ji線圈通電，其觸點Y5i接通，可驅動220 V/3 A的負載。
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為了與PC機進行通信，系統擴展了RS-232C接口電路。51單片機的RXD和TXD信號經RS-232C電平變換后接至9芯插座。由此可與PC機進行串行通信。一方面，在編程狀態時，可接收PC機上梯形圖匯編程序編譯結果的OBJ指令代碼，并存入程序存儲器；另一方面，在運行狀態時，可將I/O口的狀態和處理結果實時地發送給上位機。
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程序存儲器選用有SPI接口的X25045芯片。這是帶可編程看門狗和電源監控功能的E2PROM，有512字節，每字節可擦寫10萬次，數據可保存100年。上電時自動提供200 ms高電平復位脈沖；有三種可編程看門狗周期；電源欠壓，VCC降到轉折點時，自動提供復位脈沖。E2PROM采用三線總線的串行外設接口SPI，既節省了I/O口線和電路板空間，又降低了系統成本。因此，該芯片是性價比極好的組合芯片。
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軟件設計分為PC機梯形圖匯編程序編譯軟件和51單片機軟件兩部分。前者用IBM-PC匯編語言編寫，我們稱之為PLC編譯軟件。本機中我們自己設計了一套TD型PLC的梯形圖匯編語言指令系統，有LD/LDI、AN/ANI、OR/ORI、TM/TMI、CN/CNI、MA/MAI、OUT、JP/JE和END等16條基本指令和X00~07、X10~14、Y00~07、CN0~1、TM00~07、MA00~07、10~17等器件。用它們來描述繼電器梯形圖，即設計梯形圖匯編程序。用全屏幕編輯軟件將其輸入到PC機，即建立了源程序文件。然后用PLC編譯軟件將其編譯成PLC目標程序文件(OBJ文件)，并經串行通信口發送到單片機，由單片機將其寫入E2PROM。
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51單片機軟件由編程軟件和運行軟件組成。編程軟件主要有串行通信和寫E2PROM兩個模塊。此時，須將面版上的手動開關設置P2.7="0"，單片機即處于編程狀態。當P2.7＝"1"時，單片機即處于運行狀態。運行狀態的程序主要有：
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(1)輸入端子采集模塊
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該模塊兩次采集P0口和P1口狀態，結果全同時為有效，即將其存入輸入緩沖區，否則重新采集。用軟件濾波的方法，提高了抗干擾能力。
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(2)指令分析模塊
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該模塊從000H地址開始，依次讀取E2PROM中的字節內容，先讀出操作碼，對其分析后轉向相應的處理程序；接著讀操作數，供處理程序操作，從而完成一條梯形圖匯編指令的執行。然后再讀取下一條指令的操作碼……。遇到OUT指令時，將待輸出的數據存入相應的輸出緩沖區。
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(3)輸出模塊
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當CPU從E2PROM中讀到END指令的二進制代碼時，表示一次掃描周期結束，即將輸出緩沖區的內容一次性輸出到P1口，從而完成輸出端子的刷新。
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該PLC的應用可以用水塔水位控制的例子來說明。
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圖2(a)是硬件接線圖，SB1/SB2是啟動/停止按鈕；SAC是水池液位開關：水浸到時接通，無水時斷開；SAH、SAL分別是水塔的高低液位開關；M是水泵電機。
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圖2(b)是繼電器梯形圖，圖2(c)是繼電器匯編程序，即TD型PLC源程序。其中y50是PLC輸出端子，我們將它的軟件觸點y50作為水位上升或下降的標志：y50＝"0"，表示電機已停，水位下降，此時SAL雖已接通，但電機不動作；y50＝"1"，表示電機正在抽水，水位上升，此時SAL接通，電機通電，繼續抽水，直到高水位。
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| 參考文獻 |
１ 朱善君，等. 可編程序控制系統原理、應用、維護. 北京：清華大學出版社
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２ 王福瑞. 單片微機測控系統設計大全. 北京：北京航空航天大學出版社，1998
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本文摘自《單片機與嵌入式系統應用》2002 |
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