基于AT89C51單片機的微型可編程控制器

　　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(jìn)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(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(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。可以用行程開關(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機進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(dāng)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：

　　(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(biāo)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。