基于单片机的PLC设计与实现毕业设计论文.docx
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基于单片机的PLC设计与实现毕业设计论文
1引言
1.1课题研究的目的和意义
基于单片机的PLC设计与实现课题的研究是依据应用开发中的实际要求提出来的。
当我们设计机电一体化产品或从事自动化装置设计时，常常会遇到要求设计出成本极低，同时能完成较为复杂的逻辑控制的控制器的问题。
可编程序控制器以其可靠性能高、编程简单易学、维护方便等优点而广泛应用于工业控制中;单片机具备功能多、结构紧凑、价格便宜等特点,在工业控制中也得到了广泛的应用。
PLC和单片机有机地结合,就可实现单片机与PLC之间优势互补,在工业控制中可发挥更大的作用[1]，不仅可大大简化单片机系统的研制时间，实现复杂的逻辑控制，性能得到保障，效益也就有保证。
PLC的突出优点是可靠性高、接口类型丰富、能适应各种复杂恶劣的工业环境，另外PLC采用面向过程的编程语言，编程简单直观，易学易懂，使用灵活方便，工程技术人员经过短期学习即能上手。
同时也有不少缺点：
有限的内存，编程优化调试比较困难；产品多为进口，价格昂贵；针对性比较差。
特别是当控制不太复杂的逻辑功能，控制量不太大，控制要求不高同时环境条件尚佳时，它的优势就不能完全发挥出来，而且会提高系统的成本。
鉴此，根据可编程序控制器的实现原理和工作方式，设计小型的PLC控制系统有很大的实际意义。
本论文借鉴PLC的实现方式和运行原理，利用性价比比较高的AT89S52单片机设计了了一种小型PLC。
1.2课题研究背景
近些年来,随着社会的迅速发展,科技的快速进步,可编程控制器（PLC）技术的发展显得异常迅猛,PLC技术在国内外已经广泛的应用于钢铁业、石油业、化工业、电力业、建材业、机械设计制造业、汽车业、轻纺业、交通运输业、环保业等诸多领域[2]。
目前PLC市场主要有美系、欧系、日系三大产系，200多家公司生产制造，其中都是三大产系为主的公司，我国的PLC的研究与生产比较晚，但是通过引进国外先进技术，消化并吸收，近年来，我国的PLC市场发展的很快，市场前景被十分看好。
但是，国内的PLC仍然处于发展阶段，依然存在很多问题，与那些发达国家相比，我国PLC的应用仍较为局限化，而那些应用PLC的企业，主要是一些国有大型企业，在其它中小型企业中的应用比例比较低。
PLC技术主要靠引进，自主知识产权缺乏，与发达国家相比，技术水平落后5年左右，国产化率低很难满足国内市场需求。
目前，我国是世界上经济发展比较快的国家之一，市场上新设备的控制需求、传统设备的技术升级、换代对PLC的需求越来越大。
另外随着工业设备不断地更新和发展，对PLC要求也越来越高，在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，研制出具有自主知识产权，更满足现代化工业用途的PLC。
1.3本课题主要研究内容
该课题是以单片机为主控元件，根据PLC的接口特性，利用适当的外围器件，设计一种PLC原理样机。
该课题需要了解单片机的工作原理、有关外围接口芯片的工作机理；电源电路设计、模拟数字电路处理；软件程序设计等知识。
设计具体内容分为以下几个方面：
（1）系统硬件电路设计以及单片机选型；
（2）系统软件设计；
（3）上位机软件设计以及上位机与下位机通信设计。
2系统总体设计方案
2.1PLC简介
2.1.1PLC基本特点
在可编程控制器（PLC）诞生之前，继电器控制在工业控制领域中占主导地位。
这种由继电器构成的控制系统存在着明显的缺点：
体积庞大、耗电多、可靠性能差、寿命短、运行速度慢等，尤其是很难适应生产工艺系统多变性。
与继电器控制相比，可编程控制器具有以下一些特点[3][4]：
（1）抗干扰能力强，可靠性高。
可编程控制器主要是为工业控制而设计的，在其设计及制造的过程中采取了多层次抗干扰的措施，使其能在恶劣的工业环境下正常工作。
而且，在PLC中由电子线路来完成继电器大量的开关动作，由程序来代替继电器之间的连线，与继电器相比，PLC大大的提高了使用寿命和可靠性，平均的无故障时间甚至可达几十万个小时。
（2）编程语言简单易学，容易掌握，便于普及。
PLC设备面向用户，考虑到现场技术工作人员的特点，编程语言一般比较形象直观且容易掌握。
目前，大部分的PLC仍然采用继电器控制形式的梯形图方式编程，梯形图语言编程元件的符号和表达方式接近继电器控制电路原理，不需要专业的计算机知识，只需要具有一定的电工知识和工艺知识的人员在较短的时间内都可以学会。
（3）通用性强，控制程序可变。
不同的对象用同一个可编程控制器控制时，只需输入、输出模块发生改变，编制的控制程序不同即可，不需要类似继电器的固体电子器件和大量繁冗复杂的硬件接线电路。
（4）接口功能强，适应面广。
现代的PLC不仅拥有计时、计数、顺序控制、逻辑运算等一系列的功能，而且具有数字量和模拟量的功率驱动、记录显示、通信、输入输出、自检、人机对话等功能，不仅可以控制一个生产过程，还可以控制一条生产线甚至小到一台生产机器。
（5）维护方便、体积小、重量轻。
PLC是将微电子技术运用到工业设备上的产品，它的结构紧凑，体积小，质量轻，便于在设备内部安装，是一种用来实现机电一体化理想的控制设备。
目前，大部分的PLC控制系统仍采用模块化的结构，接线比较少，出现故障的时候，只需要更换出现故障的模块，维护非常方便。
（6）大大减少了设计和施工的工作量。
在PLC的控制系统中采用软件来代替继电器的控制系统中大量的时间继电器、中间继电器、计数器等器件，所以大大的减少了控制柜的设计、安装的接线工作量，同时，PLC的用户程序模块可以在实验室内模拟调试，大大减少了现场调试的工作量[5]。
2.1.2PLC基本结构
一个PLC系统本质上是一台用于控制的专用计算机，其基本组成如图2-1所示，主要包括了以下几个部分[6，7]：
CPU模块
微处理器
存储器
编程模块
输入模块
外部设备
输出模块
外部设备
电源模块
图2-1可编程控制器系统的基本组成
（1）CPU模块：
CPU模块是可编程控制器的核心模块，主要是由存储器和微处理器两部分组成[8]。
整个可编程控制器的工作主要由微处理器控制，大概可以分为两个部分：
一部分主要对系统进行一系列管理，如计数刷新、查错、自诊断等等，另一部分则根据用户程序指令执行输入、输出、程序解释、执行等一系列的操作。
存储器则主要用于存储系统的工作区间及监控程序，来生成用户的环境，其容量的大小取决于系统程序的质量及系统的工作能力[8]。
（2）输入/输出模块：
输入/输出模块是连接现场设备与可编程控制器的接口。
输入模块主要用来采集和接收现场设备的输入信号，包括选择开关、按钮等开关量的输入信号以及测速发电机、电位器等连续变化的模拟量输入信号。
预先在某个电流或电压范围内限定模拟量输入信号，将这个信号由模拟量输入模块转换成CPU能够处理的数字信号。
向各执行机构输出控制信号则由输出模块来负责。
可编程控制器存在一个重要特点：
所有的输入输出信号全部都经过隔离，无论任何输入输出的形式最终都是经过光电耦合器接口或继电器将信号输入/送出[8]。
（3）编程设备：
在可编程控制器中，编程设备是最重要的外围设备，利用它既可以编辑、修改、检查、调试用户程序，还可以在线对可编程控制器的当前工作情况进行监视[8]。
编程器分很多种层次，性能、价格有很大的差别，最简单的不足千元，最贵的编程器可以达到十多万元[8]。
（4）电源模块：
提供可编程控制器能够正常工作的直流电源。
2.1.3PLC工作原理
PLC的工作原理如图2-2所示，主要分为以下三部分[9]：
输入接口
输入映像寄存器
用户程序扫描
输出映像寄存器
输出锁存器
输出接口
图2-2PLC工作原理
（1）集中采集输入：
执行程序前，向输入映像寄存器中读入可编程控制器输入端子的全部状态。
程序执行的过程中，即使改变了输入状态，输入映像寄存器中的内容也不会发生变化，直到下一个扫描周期的输入处理阶段，这些变化才会被读入。
（2）程序处理：
在PLC执行程序时，程序指令逐条依次执行，从输入映像寄存器和其它软元件的映像寄存器中读出用户程序中相关元件的状态，按照程序指令来进行逻辑运算，再在相应的映像寄存器中写入结果。
对于每个元件而言，随着执行逐条的程序，不改变元件映像寄存器的内容，其中输出映像寄存器的内容决定了输出寄存器的内部触点的动作。
（3）集中输出：
执行完毕全部的用户程序后，向输出锁存寄存器传送输出映像寄存器的状态，通过驱动功率放大电路、隔离电路等外部电路，将PLC的控制信号向外输出[8]。
由此可见，PLC是以扫描方式工作的：
首先读输入回路继电器状态（I/O）,把它们存入专用的输入映象存贮器区域中，然后执行用户程序，临时中间结果存放在辅助继电器存贮区中，运算出的输出继电器值存入输出映象存贮器区域中，执行完用户程序后，统一用输出映像寄存器存贮器中的值去写各输出端口，使输出状态改变，输出结果后再从头开始循环执行。
2.2系统设计要求
该课题是以单片机为主控元件，根据PLC的接口特性，利用适当的外围器件，设计一种PLC原理样机。
它能实现PLC输入、扫描、输出的工作特性，输入输出用光电耦合器隔离防止信号干扰。
I/O接口的数量是衡量CPU性能的主要标准之一。
本系统的设计定位是：
应用于控制量较小，控制要求不高的控制场合的微型可编程控制器，故本系统设置了8个输入点和8个输出点，这种设计完全可以满足该工况的需要。
可通过上位机软件，与单片机进行实时通信，从PC机接收指令，并按照指令运行程序，同时可以向PC机反馈设备运行时记录的数据，并能够将数据保存。
2.3系统总体框图
根据系统的设计要求，采用AT89S52单片机为主控芯片，通过单片机数据地址总线及I/O端口，复位电路模块、晶振电路模块、电源模块、串口通信模块及输入输出光电隔离模块等外围电路，从而实现系统所需的设计功能。
系统总体方案框图如图2-3所示：
AT89S52单片机主控模块
复位电路
串口转换
PC串口
晶振电路
输入
光电隔离
电源
光电隔离
输出
图2-3系统总体框图
2.4硬件的选型
2.4.1主控模块的选型
单片机作为主控模块，其选型尤为重要。
单片机在多年的发展历程中，形成了多系列、多型号、多公司的局面，这使得在对单片机选型上有了较大的空间，因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。
大致总结出以下几点：
（1）单片机的基本参数。
例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。
（2）单片机的增强功能。
例如双指针、双串口、扩展RAM、RTC（实时时钟）、CAN接口、EEPROM、I2C接口、SPI接口、USB的接口类型、看门狗。
（3）Flash和OTP（一次性可编程）相比，哪个更方便。
（4）封装：
DIP（双列直插）,PLCC（PLCC有对应的插座）还是贴片。
（5）工作温度的范围（是工业机还是商业机）。
（6）功耗大小。
（7）工作电压的范围。
（8）供货渠道是否畅通。
（9）价格范围。
（10）烧录器的价格，能否ISP（在线系统编程）。
（11）仿真器。
（12）是否支持单片机汇编语言。
（13）资料尽量详细丰富且完善。
（14）抗干扰性能的好坏。
（15）综合考虑和其他外设芯片放在一起是否使用方便。
基于以上因素：
由于系统的实时性要求不高，因此运算速度不需要很快，而且系统的规模不大，若要对I/O口的数量可以要求进一步降低，可采用分时复用的方式使用总线。
使用4路8位I/O接口即可满足设计要求；系统不需要扩展外部存储器对数据进行存储，数据的存储量为32KB已达到要求，因此采用16位或准16位地址总线的单片机即可满足设计需要；由于处于实验阶段，采用DIP（双列直插）封装的芯片比较方便，不考虑实际工业控制中对外界环境的具体要求；系统供电采用DC9V，且对功耗没有具体要求，芯片供电使用DC5V，便于设计系统外围电路；芯片支持ISP可节省仿真器的投入。
当单片机处于空闲模式时，将停止CPU工作，定时器/计数器、RAM、串口中断可以允许继续工作。
而处于掉电保护模式时，将RAM中的内容保存，冻结晶振，停止单片机所有工作，直到硬件复位或下一个中断才能结束这种状态。
综上所述，采用与MCS-51兼容的AT89S52单片机满足本毕业设计所需单片机的要求。
2.4.2通信模块的选型
AT89S52单片机内部有一个全双工异步串行I/O接口，占用P3.0和P3.1两个引脚。
利用该接口，可实现系统与上位机的通信。
不同设备间串口通信的过程中，需要采用相同的的接口标准才能通信。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,供电使用+5v单电源。
可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。
该芯片采用MAXMIM公司生产的+5V供电系统，多通道RS-232驱动器/接收器的MAX232芯片性价比高，是把计算机的串行口RS-232信号电平（-10V,+10V）转换为单片机所用到的TTL信号电平（0，+5V）主要特征如下：
1、单电源5V操作，2、低功率接收模式，掉电模式，3、满足所有EIA/TIA-232E和V.28规格，4、多路驱动器和接收器，5、3态驱动器和接收器输出，6、16引脚DIP/SO封装
其工作原理：
MAX232系列驱动器/接收器专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，适合电池供电系统。
2.4.3光电耦合器的选型
PLC工作于工业控制现场，而工业控制现场往往环境恶劣，存在着电磁、噪声、振动等各种干扰，因此PLC要正常工作必须具备良好的抗干扰性能。
工业现场中，电磁干扰是较为严重的，因此为了实现良好的抗干扰性能必须把I/O接口和CPU从物理上隔离开来，以防止干扰信号的串入。
PLC产品为了实现接口电路与CPU的隔离通常采用光电耦合器隔离的方法。
本设计已采用了这种方法，使用光电耦合器把输入输出接口同CPU隔离开来。
在一些需要通过绝缘层传送信息但却不允许物理电气接触的场合，通常需要一些隔离器件，依照信号经过绝缘层传送方式的不同，有几种型态的隔离器可以选择，其中较为普遍的就是通过光的方式传送，这类隔离器件就称为光电耦合器（Optocoupler）[10]。
光电耦合器由包括发光二极管（LED）、光检测器以及其他输入和输出编解码电路组成[10]。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使它发出一定波长的光，由光探测器接收后产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用[11]。
本次电路的设计中选用TLP521-4型号的光电耦合器：
表2.1TLP521-4光电耦合器参数
品牌/商标
TOSHIBA
型号/规格
TLP521-4
种类
光电耦合器
波段范围
微波
运转方式
稳频式
激励方式
电激励式
工作物质
自由电子
光路径
内光路
输出形式
光敏器件型
传输信号
OC门型
速度
高速
通道
多通道
输出波长
16（nm）
线宽
20（mm）
3系统硬件设计
3.1AT89S52单片机简介
AT89S52是一种高性能、低功耗的8位微控制器，采用CMOS工艺，在线系统可编程Flash存储器达到8K[12]。
制造技术采用了Atmel公司非易失性高密度存储器技术，引脚和指令可与工业单片机80C51产品完全兼容[13]。
片上Flash允许程序存储器在线系统可编程也适于常规编程器[14]。
在单芯片上，AT89S52有着在线系统可编程Flash和灵巧的8位CPU，提供有效且灵活度高的解决方法，成为众多嵌入式控制应用系统的最佳选择。
AT89S52具有以下标准功能：
8位字长的CPU,8K字节系统内可编程Flash存储器,256字节内部RAM,20多个特殊功能寄存器，四个8位I/O端口、ISP端口，全双工串行口，时钟电路及片内晶振，而且AT89S52的静态逻辑操作可降到0Hz，两种支持的软件，节电模式可以选择[15]；看门狗定时器是一种硬、软件相结合的重要的且常用的抗干扰技术，能监视系统的运行情况，当系统受到干扰使程序“跑飞”时，能使程序退出死循环，并转向出错处理程序。
双数据指针DPTR，可使程序运行速度更快。
此外，还有6向量2级中断结构一个，数据指针两个，16位定时器/计数器三个。
相较于Atmel公司的前代产品AT89C51/C52，AT89S系列单片机芯片上有ISP可编程接口，具有从PC机下载目标程序到用户板的功能，学习者只需一台PC机、一块用户电路板和一条专用下载线及其配套软件，即可在PC机中编译程序，然后利用下载软件下载目标程序，并进行仿真实验，并且兼容AT89C51/C52和MCS-51（8031、8051）单片机。
3.1.1AT89S52单片机的引脚介绍
图3-1AT89S52管脚图
P0口：
一个漏极开路的8位双向I/O口。
当做输出口使用时，每位I/O口可以驱动8个TTL的逻辑电平。
写“1”到P0端口时，输入为被用来作为高阻抗的引脚。
当访问数据存储器和外部程序时，把P0口当做低8位的地址/数据复用[16]。
这种模式状态时，P0由内部提供上拉电阻。
当FLASH编程时，P0口用于指令字节的接收；在程序校验时，用来输出指令字节。
处于程序校验状态时，外部需要上拉电阻[17]。
P1口：
一个8位双向I/O口，内部提供上拉电阻，其输出缓冲器可以驱动的TTL的逻辑电平为4个[18]。
写“1”到P1端口时，内部提供的上拉电阻拉高端口，此时P1端将被当做输入口来使用。
当做输入口使用时，因为内部电阻上拉，外部把引脚下拉为低电平，电流（IIL）将被输出[19]。
此外，P1.0作为定时器/计数器2的外部计数输入端口（P1.0/T2），P1.2作为定时器/计数器2的触发输入端口（P1.1/T2EX），具体如表所示：
表3.1端口引脚第二功能
引脚号
第二功能
P1.0/T2
定时器2的外部脉冲输入脚，时钟输出
P1.1/T2EX
有T2EX功能,外部中断输入的触发脚位
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
当FLASH编程和校验时，P1口用于低8位地址字节的接收[20]。
P2口：
一个8位双向I/O口，内部提供上拉电阻，其输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平[16]。
P2端口写入“1”后，内部提供的上拉电阻拉高端口，此时P1端将被当做输入口来使用。
当做输入口使用时，因为内部电阻上拉，外部把引脚下拉为低电平，电流（IIL）被输出[19]。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在读出地址“1”时，利用内部上拉电阻的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
在FLASH编程和校验时，高8位地址字节和一些控制信号由P2口接收[20]。
P3口：
一个8位带内部上拉电阻的双向I/O口，P3输出缓冲器可以接收输出4个TTL逻辑电平[18]。
对P3端口写“1”时，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
用作输入口时，由于外部下拉为低电平而内部上拉，P3口将输出电流（ILL）。
P3口也会作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示[16]。
表3.2端口引脚第二功能
端口号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
此外，用于FLASH闪存编程和程序校验的一些控制信号也由P3口接收。
RST——复位输入。
当晶振工作复位器件时，RST引脚持续2个机器周期以上高电平将使单片机复位[21]。
ALE/PROG——表示地址锁存器启用的信号。
访问外部程序或数据存储器的时候，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节[22]。
一般在执行程序时，ALE引脚以1/6的系统工作频率输出固定的脉冲信号，因此它可用作对外输出时钟脉冲或者用于定时的目的[23]。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲[24]。
在FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）[23]。
当必要时，可置位特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位来禁止ALE操作，该位置位后，只有MOVX和MOVC指令才能将ALE激活[25]。
此外，该引脚被略微拉高，所以当单片机处于执行外部程序的状态时，ALE禁止位应设置为无效[25]。
PSEN——表示程序存储启用信号。
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器执行指令代码（或数据）时，PSEN在每个机器周期被激活两次，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，PSEN信号将跳过两次[25]，即PSEN将不被激活。
EA/VPP——访问外部程序存储器控制信号，为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA端必须接GND[26]。
需要注意的是：
若加密位LB1被编程，EA端状态在复位时会被内部锁存[27]。
为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc,内部程序存储器的指令则由CPU执行。
FLASH存储器编程时，该引脚加上＋12V的编程允许电源Vpp[28]。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入端及内部时钟工作电路的输入端。
XTAL2：
系统时钟的反相振荡放大器的输出端。
3.1.2AT89S52单片机的最小系统电路
用最少的元器件建立并能使单片机正常工作的电路，称为单片机的最小系统图，要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地定时功能，且为了方便串口通信波特率的计算，采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。
并附加复位电路，组成单片机最小系统。
根据电路设计规范和AT89S52芯片手册，设计晶振电路与复位电路如图3-2：
图3-1复位电路及晶振电路
图中网络标号RST连接单片机RST引脚，具有上电复位与手动复位的功能；XTAL1与XTAL2连接单片机XTAL1和XTAL2引脚，且同时并联两个30pF的匹配电容使晶振起振，从而设计出如下图所示的单片机最小系统图：
图3-3单片机最小系统图
3.2通信单元硬件设计
如图所示，MAX232有16个引脚：
图3-4MAX232引脚
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成第一部分电荷泵电路。
其功能是产生给RS-232提供需要的串口电平的+12v和-12v两个电源[29]。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道构成第二部分数据转换通道。
其中第一数据通道由13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）构成[29]。
第二数据通道由8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）组成。
从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）将TTL/CMOS数据输入，并且转换成，然后从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）将RS-232数据送到电脑DB9插头；相反的，从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）将DB9插头的RS-232数据输入转换成TTL/CMOS数据，然后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）将转换后TTL/CMOS数据的输出[30]。
15脚GND、16脚VCC（+5v）属于供电是第三部分。
图3-
升级会员 