摘 要：介紹用AT89C51單片機(jī)構(gòu)成微型可編程控制器PLC的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì)方法，最后給出此微型可編程控制器在水塔水位控制中應(yīng)用的實(shí)例。
可編程控制器PC(Programmable Controller)，為與個(gè)人計(jì)算機(jī)PC(Personal Computer)相區(qū)別，可簡(jiǎn)稱為PLC。它是按照成熟而有效的繼電控制概念和設(shè)計(jì)思想，用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，可靠性高，編程簡(jiǎn)單、易學(xué)，因此，得到廣泛應(yīng)用。
將PLC技術(shù)引進(jìn)電工學(xué)、電力拖動(dòng)課程，是課程建設(shè)現(xiàn)代化的重要措施。在教學(xué)經(jīng)費(fèi)相對(duì)緊張的情況下，我們自己動(dòng)手，以AT89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)并研制了LD型微型PLC，應(yīng)用于繼電控制實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。
用單片機(jī)構(gòu)成的PLC，實(shí)際上就是一個(gè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。用這樣一個(gè)程序控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去執(zhí)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(guān)系，而計(jì)算機(jī)程序控制中，各被控電器之間在時(shí)間上是串行關(guān)系，二者顯然不協(xié)調(diào)。若簡(jiǎn)單地像一般單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)一樣，對(duì)梯形圖各程序行依次實(shí)時(shí)采集輸入端子狀態(tài)，進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)輸出，是達(dá)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(tài)，并將其存入輸入緩沖區(qū)。然后，按梯形圖程序行的邏輯關(guān)系，從輸入緩沖區(qū)讀取相應(yīng)輸入端子狀態(tài)，處理后將待輸出的結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)。最后,待梯形圖程序行全部執(zhí)行完畢，一次性將輸出緩沖區(qū)的值輸出到相應(yīng)的輸出端子，從而完成一個(gè)程序執(zhí)行周期。如此往復(fù)，自動(dòng)進(jìn)行下一輪的采集輸入端子狀態(tài)……。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(guān)系協(xié)調(diào)了起來(lái)。另外，單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時(shí)間是μs級(jí)，執(zhí)行一個(gè)掃描周期的時(shí)間為幾ms乃至幾十ms。相對(duì)于電器的動(dòng)作時(shí)間而言，掃描周期是短暫的，可以認(rèn)為在一個(gè)掃描周期內(nèi)輸入端子的狀態(tài)是不變的，而對(duì)其狀態(tài)變化的采集和處理也是實(shí)時(shí)的，從而滿足了實(shí)時(shí)控制的要求。
系統(tǒng)硬件配置以AT89C51(以下簡(jiǎn)稱51)單片機(jī)為核心，如圖１所示。該單片機(jī)有4 KB閃存，不必?cái)U(kuò)展程序存儲(chǔ)器，其4個(gè)I/O口共32個(gè)I/O引腳，都可供用戶使用，其中P0.7~0.0，P2.4~2.0共13個(gè)腳經(jīng)光耦隔離后連到相應(yīng)的輸入端子X(jué)07~X00，X14~X10。可以用行程開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)、霍耳開(kāi)關(guān)和手動(dòng)按鈕等進(jìn)行輸入。開(kāi)關(guān)接通時(shí)，相應(yīng)引腳為"0"，取反后存入輸入緩沖區(qū)。
P1.7~1.0共8個(gè)引腳用于輸出控制：P1.i為"0"時(shí)，相應(yīng)的PNP管導(dǎo)通，繼電器Ji線圈通電，其觸點(diǎn)Y5i接通，可驅(qū)動(dòng)220 V/3 A的負(fù)載。
為了與PC機(jī)進(jìn)行通信，系統(tǒng)擴(kuò)展了RS-232C接口電路。51單片機(jī)的RXD和TXD信號(hào)經(jīng)RS-232C電平變換后接至9芯插座。由此可與PC機(jī)進(jìn)行串行通信。一方面，在編程狀態(tài)時(shí)，可接收PC機(jī)上梯形圖匯編程序編譯結(jié)果的OBJ指令代碼，并存入程序存儲(chǔ)器；另一方面，在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可將I/O口的狀態(tài)和處理結(jié)果實(shí)時(shí)地發(fā)送給上位機(jī)。
程序存儲(chǔ)器選用有SPI接口的X25045芯片。這是帶可編程看門狗和電源監(jiān)控功能的E2PROM，有512字節(jié)，每字節(jié)可擦寫(xiě)10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)可保存100年。上電時(shí)自動(dòng)提供200 ms高電平復(fù)位脈沖；有三種可編程看門狗周期；電源欠壓，VCC降到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)提供復(fù)位脈沖。E2PROM采用三線總線的串行外設(shè)接口SPI，既節(jié)省了I/O口線和電路板空間，又降低了系統(tǒng)成本。因此，該芯片是性價(jià)比極好的組合芯片。
軟件設(shè)計(jì)分為PC機(jī)梯形圖匯編程序編譯軟件和51單片機(jī)軟件兩部分。前者用IBM-PC匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，我們稱之為PLC編譯軟件。本機(jī)中我們自己設(shè)計(jì)了一套TD型PLC的梯形圖匯編語(yǔ)言指令系統(tǒng)，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(lái)描述繼電器梯形圖，即設(shè)計(jì)梯形圖匯編程序。用全屏幕編輯軟件將其輸入到PC機(jī)，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(biāo)程序文件(OBJ文件)，并經(jīng)串行通信口發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)將其寫(xiě)入E2PROM。
51單片機(jī)軟件由編程軟件和運(yùn)行軟件組成。編程軟件主要有串行通信和寫(xiě)E2PROM兩個(gè)模塊。此時(shí)，須將面版上的手動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置P2.7="0"，單片機(jī)即處于編程狀態(tài)。當(dāng)P2.7＝"1"時(shí)，單片機(jī)即處于運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)的程序主要有：
(1)輸入端子采集模塊
該模塊兩次采集P0口和P1口狀態(tài)，結(jié)果全同時(shí)為有效，即將其存入輸入緩沖區(qū)，否則重新采集。用軟件濾波的方法，提高了抗干擾能力。
(2)指令分析模塊
該模塊從000H地址開(kāi)始，依次讀取E2PROM中的字節(jié)內(nèi)容，先讀出操作碼，對(duì)其分析后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序；接著讀操作數(shù)，供處理程序操作，從而完成一條梯形圖匯編指令的執(zhí)行。然后再讀取下一條指令的操作碼……。遇到OUT指令時(shí)，將待輸出的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的輸出緩沖區(qū)。
(3)輸出模塊
當(dāng)CPU從E2PROM中讀到END指令的二進(jìn)制代碼時(shí)，表示一次掃描周期結(jié)束，即將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容一次性輸出到P1口，從而完成輸出端子的刷新。
該P(yáng)LC的應(yīng)用可以用水塔水位控制的例子來(lái)說(shuō)明。
圖2(a)是硬件接線圖，SB1/SB2是啟動(dòng)/停止按鈕；SAC是水池液位開(kāi)關(guān)：水浸到時(shí)接通，無(wú)水時(shí)斷開(kāi)；SAH、SAL分別是水塔的高低液位開(kāi)關(guān)；M是水泵電機(jī)。
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(diǎn)y50作為水位上升或下降的標(biāo)志：y50＝"0"，表示電機(jī)已停，水位下降，此時(shí)SAL雖已接通，但電機(jī)不動(dòng)作；y50＝"1"，表示電機(jī)正在抽水，水位上升，此時(shí)SAL接通，電機(jī)通電，繼續(xù)抽水，直到高水位。