1 引言
用Atmel89c2051來仿真PLC的控制，能集單片機控制和PLC控制的優點。單片機控制作為嵌入式系統的核心技術，具有高可靠性和高性價比，而且小巧靈瓏、成本低廉；PLC控制中的梯形圖編程與繼電接觸控制電原理圖相似，簡單易學，深受電氣技術人員的歡迎。筆者設計了以89C2051單片機為主控芯片的硬件線路，以此仿真板為硬件平臺，允許用戶先按梯形圖對控制對象編程，這對繼電接觸控制技術較為熟悉的電氣技術人員來說提供了方便。由于仿真板本身是一個不帶編譯程序的仿真PLC的單片機應用系統，所以，先要將梯形圖轉化為MCS51匯編指令程序。然后，用51系列仿真器，對轉化后的匯編源程序進行編輯、編譯，直至輸出Intel HEX文件，并將此十六進制文件的內容寫入到89C2051芯片中。最后，將固化好的89C2051芯片插入其仿真板座子上，就能成功地進行預定的PLC的仿真控制了。
該仿真電路板價格低廉，使得使用者無需購買上千元的PLC，就能進行仿真PLC的控制。因此，它又十分適合做成專用的功能電路模塊而開發成產品，還特別適合于教師在講述PLC控制時的演示實驗。同時，只要修改89C2051芯片中的程序，就能改變仿真板的控制功能，所以仿真板又是“柔性”的。
2 ATMEL89C2051單片機仿真PLC電路原理
2.1 仿真電路板的電路原理分析
ATMEL89C2051是20引腳的與8051兼容的8位高性能單片機。它內部含有2K字節閃速存儲器，正是閃存的特點，使得ATMEL89系列單片機具有讀寫容易、價格低、功耗低和掉電信息不丟等優點。這也就是筆者在硬件結構上首先想到了用ATMEL89C2051作為PLC仿真控制電路的主控芯片。圖1給出了用89C2051單片機仿真PLC簡化后的電路原理。圖1左下部分是仿真電路板的輸入電路，由SB1～SB5、R3～R7和作為輸入口的P3組成，5個開關的狀態分別輸入到P3口的P3.2～P3.5和P3.7。例如SB1和R3相連端是與引腳P3.2相連的，SB1未按下時，由于下拉電阻R3接地，輸入到P3.2的是低電平；當SB1按下時，5V電壓就通過開關SB1加到了P3.2，輸入到P3.2的是高電平。這里只用了P3口的5條口線，留下的P3.0和P3.1還可以接2個開關，可以參照圖1進行擴充。
圖1中C2、C3和CR1晶體振蕩器與單片機內部振蕩器組成的振蕩電路構成了時鐘電路。C1、R2構成了上電復位電路。SB6按鍵按下后，將引起按鍵復位。
下面來分析圖1右邊部分電路，右邊部分是仿真電路板的輸出電路，P1口是作為輸出口來使用的。P1.0的輸出電路由R8、R9、R13、發光二極管D1、三極管T1和微型繼電器KM1組成。R8是 P1.0的拉升電阻，又同R9一起給三極管T1提供偏置電流。P1.0輸出信號經過三極管T1反相放大，去驅動繼電器，再由繼電器去驅動執行機構。當P1.0輸出低電平時，三極管T1截止，T1的集電極為高電平，發光二極管不亮，繼電器KM1也不得電。反之，當P1.0輸出高電平時，三極管T1飽和導通，T1的集電極為低電平，發光二極管點亮，繼電器KM1也得電。可見發光二極管的狀態與繼電器的通斷狀態是一致的，所以可以將發光二極管作為反映輸出機構狀態的指示。P1.1的輸出電路由R10～R12、發光二極管D2、三極管T2和微型繼電器KM2組成，其工作原理的分析也是一樣的。不過圖1中只用了P1.0和P1.1兩個口線，留下的P1.2～P1.7還可以接6個輸出驅動電路，如果需要的話，可以參照圖1進行擴充。
2.2 仿真電路板與被仿真PLC的輸入/輸出端口之間的對應關系
首先要明確圖1仿真電路與被仿真PLC的輸入/輸出端口之間的對應關系。從圖1可以看出，89C2051的P3口對應為PLC的輸入口， P1口對應為PLC的輸出口。表1中按端口順序給出了一種對應關系，P3.0～P3.5依次對應的是X000～X005，P3.7對應的是X007；P1.0～P1.7依次對應的是Y000～Y007。必須指出表1給出的僅僅是一種對應關系，完全可以按照實際的輸入/輸出情況進行對應，如也可以將P3.7對應為X000，等等。
3 仿真板的編程思路
3. 1 梯形圖與MCS51匯編指令間的一一對應關系
能否把FX2系列PLC的梯形圖轉化為51匯編指令程序呢？筆者想到了89C2051具有布爾代數指令,特別是其中的位操作的邏輯指令，可以用這些位操作邏輯指令來替換FX2系列PLC的梯形圖中的對應的基本邏輯指令。例如，可以用MCS－51的位與指令來替換PLC的接點串聯指令，可以用MCS－51的位或指令來替換PLC的接點并聯指令。下面將在仿真PLC控制中經常用到的可以替換的指令用表2列出。
從表2知道，MCS51匯編指令與PLC的助記符指令間的確存在著對應關系的，可以用51單片機的ANL C，BIT指令來代替PLC的AND指令，用ORL C，BIT指令來代替OR指令，用MOV指令來代替LD、OUT指令，用51單片機的跳轉指令LJMP/AJMP來模擬PLC循環掃描描，等等。由于PLC的梯形圖與其助詞符指令之間也是一一對應的，如常開接點的串聯對應AND指令，常開接點的并聯對應OR指令，這樣，就可以用等效替換的方法將梯形圖轉化為51匯編指令程序了。替換中最常用的方法是：接點串聯使用與指令，接點并聯使用或指令，具體如何轉換將在下面的編程實例中詳細說明。
3. 2 編程實例
圖2為兩臺電機順序控制的PLC控制梯形圖。控制功能如下，當按下X002按鈕后，使Y000得電而驅動泵電機動作，同時使下一梯級中的常開Y000閉合，從而使得再按X004，Y001才會得電而驅動主電機動作；否則，未按X002按鈕，而先按X004按鈕時，主電機將不會動作。按X003按鈕后，只有主電機停止，而按X001按鈕后，兩電機才會同時停止。現在要求改用仿真板來實現兩臺電機順序控制。
改用仿真板的編程思路是，首先要確定仿真板與被仿真PLC的輸入/輸出端口之間的對應關系，可按照實際的輸入/輸出情況進行對應，其中輸出端口之間的對應關系如表1所示，而輸入端口之間的對應關系如表3所示。對圖2中的梯形圖按照上述確定的輸入/輸出對應關系進行替換，就可以得到用仿真板的兩臺電機順序控制的梯形圖如圖3所示。
接著，可以用等效替換的方法將梯形圖轉換為51匯編指令程序了。例如對于圖3梯形圖中的第一個梯級就可以按表2 MCS－51位操作指令與FX2系列PLC的基本指令對應關系進行轉換，接點串聯使用與指令，接點并聯使用或指令。
按此方法對圖3的梯形圖進行轉換，得到仿真板兩臺電機順序控制的MCS51匯編指令程序如下：
接著，就可以用51系列仿真器（如萬利MedWin），對轉化后的匯編源程序進行編輯、編譯，直至最后輸出Intel HEX文件。將此十六進制文件的內容用編程器（如煒煌的WH－200B）寫入到89C2051芯片中。最后，將固化好的89C2051芯片插入其仿真板座子上，就能成功地進行預定的兩臺電機順序控制了。
4 總結
用本文所述的用AtmelAT89C2051仿真PLC控制方法，已經成功做成專用的功能電路模塊，如控制電機運行的星形－三角形減壓起動電路模塊，電機順序起動運行電路模塊，廣告燈控制電路模塊等等。由于該仿真電路板小巧靈瓏、價格低廉，也十分適合教師在講述PLC應用時，無需購買上千元的PLC，就能在多媒體教室演示仿真PLC的控制實驗，較為生動地講授學習梯形圖編程。此外，仿真電路板整合了MCS－51單片機控制和PLC控制兩門技術，還被成功用于本市首期維修電工高級技師培訓的單片機和PLC應會項目和考核項目。