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)計思路,、系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)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(yīng)用的實例,。
可編程控制器PC(Programmable Controller),，為與個人計算機(jī)PC(Personal Computer)相區(qū)別，可簡稱為PLC,。它是按照成熟而有效的繼電控制概念和設(shè)計思想,，用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)I/O的實時檢測和控制，可靠性高,，編程簡單,、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)相對緊張的情況下，我們自己動手,，以AT89C51單片機(jī)為核心,，設(shè)計并研制了LD型微型PLC，應(yīng)用于繼電控制實驗,，取得了良好的效果,。
用單片機(jī)構(gòu)成的PLC，實際上就是一個單片機(jī)測控系統(tǒng),。用這樣一個程序控制的計算機(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，而計算機(jī)程序控制中,，各被控電器之間在時間上是串行關(guān)系,，二者顯然不協(xié)調(diào)。若簡單地像一般單片機(jī)測控系統(tǒng)一樣,，對梯形圖各程序行依次實時采集輸入端子狀態(tài),，進(jìn)行處理后實時輸出，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,，從而完成一個程序執(zhí)行周期,。如此往復(fù)，自動進(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。另外,，單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時間是μs級,，執(zhí)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(rèn)為在一個掃描周期內(nèi)輸入端子的狀態(tài)是不變的,，而對其狀態(tài)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,。
系統(tǒng)硬件配置以AT89C51(以下簡稱51)單片機(jī)為核心,，如圖１所示。該單片機(jī)有4 KB閃存,，不必擴(kuò)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(jīng)光耦隔離后連到相應(yīng)的輸入端子X07~X00，X14~X10,?？梢杂眯谐涕_關(guān)、液位開關(guān),、霍耳開關(guān)和手動按鈕等進(jìn)行輸入,。開關(guān)接通時，相應(yīng)引腳為"0",，取反后存入輸入緩沖區(qū),。
P1.7~1.0共8個引腳用于輸出控制：P1.i為"0"時，相應(yīng)的PNP管導(dǎo)通,，繼電器Ji線圈通電,，其觸點Y5i接通，可驅(qū)動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,，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,，并存入程序存儲器；另一方面,，在運(yùn)行狀態(tài)時,，可將I/O口的狀態(tài)和處理結(jié)果實時地發(fā)送給上位機(jī)。
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(jiān)控功能的E2PROM,，有512字節(jié)，每字節(jié)可擦寫10萬次，數(shù)據(jù)可保存100年,。上電時自動提供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)折點時，自動提供復(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,，該芯片是性價比極好的組合芯片。
軟件設(shè)計分為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匯編語言編寫,，我們稱之為PLC編譯軟件。本機(jī)中我們自己設(shè)計了一套TD型PLC的梯形圖匯編語言指令系統(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。用它們來描述繼電器梯形圖,，即設(shè)計梯形圖匯編程序,。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E2PROM兩個模塊。此時，須將面版上的手動開關(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，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地址開始,，依次讀取E2PROM中的字節(jié)內(nèi)容，先讀出操作碼,，對其分析后轉(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,，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，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說明,。
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(guān)：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(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SAL雖已接通，但電機(jī)不動作,；y50＝"1",，表示電機(jī)正在抽水，水位上升,，此時SAL接通,，電機(jī)通電，繼續(xù)抽水,，直到高水位,。