摘要：介紹用AT89C51單片機構(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,。　
關(guān)鍵詞：PLC　單片機　掃描　控制

　　可編程控制器PC（Programmable Controller）,，為與個人計算機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,，用先進的單片機技術(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)費相對緊張的情況下,，我們自己動手，以AT89C51單片機為核心,，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,。
　　用單片機構(gòu)成的PLC,，實際上就是一個單片機測控系統(tǒng)。用這樣一個程序控制的計算機系統(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(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(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的負載,。
　　為了與PC機進行通信，系統(tǒng)擴展了RS-232C接口電路,。51單片機的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機進行串行通信。一方面,，在編程狀態(tài)時,，可接收PC機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,。
　　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(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,，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(jīng)串行通信口發(fā)送到單片機,，由單片機將其寫入E2PROM,。
　　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(guān)設(shè)置P2.7="0"，單片機即處于編程狀態(tài),。當P2.7＝"1"時,，單片機即處于運行狀態(tài)。運行狀態(tài)的程序主要有：
　?。?）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,。
　?。?）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(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PLC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。
　　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(xù)抽水,，直到高水位,。

參考文獻：
１.朱善君等. 可編程序控制系統(tǒng)原理、應(yīng)用,、維護. 北京：清華大學(xué)出版社
２.王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，1998