用單片機制作PLC(多路故障報警系統)附源碼+梯形圖+仿真+論文

ID:418906 · 發表于 2018-11-5 08:30

簡易可編程控制器PLC的單片機實現的全部設計資料包：

電路原理圖如下：

2.3 用單片機實現PLC的總體設計

本次設計用AT89C52單片機設計了一個4輸入4輸出的簡單PLC。

該PLC含有10個定時器和10個計數器，每個定時器的最長定時時間為3276.75秒，每個計數器的最大計數值為65535。

該PLC的輸入方式為直流開關量，輸入電壓為24V。

輸出采用繼電器輸出方式，采用匯科繼電器HK4100F-24V-SHG，該繼電器是小型、小功率繼電器，觸點形式是常開型，額定電壓為DC24V，直流電阻為1Ω，吸合電流為2A，釋放電流也為2A，線圈功率為4W，額定工作頻率為5Hz。

為了提高系統的抗干擾能力，輸入輸出電路中都使用了光電耦合器。光電耦合器采用TLP521-1。

該PLC具有與計算通訊能力，可以在計算機上下載程序。

設計的PLC總體外觀圖如圖2.15所示。

圖2.15 PLC總體設計的外觀圖

圖2.15中，輸入端口X0、X1、X2和X3分別于單片機的P0.0、P0.1、P0.2和P0.3通過輸入電路相連接。輸出端口口Y0、Y1、Y2和Y3分別于單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3通過輸出電路相連接。+24V是輸入電源，電源與輸入端口間可以接開關等開關量輸入裝置。輸出端口和yCOM端之間接用戶的控制電路，可以是簡單的LED燈，也可以是直流電機、交流電機。用戶控制電路中的電源可以是直流也可以是交流。

根據輸入端口的狀態，單片機運行梯形圖程序（已轉換成單片機可執行的語言），控制輸出端口的狀態。對于用戶而言，只需要知道圖2.15中的10個外接的端口，至于輸入輸出電路以及單片機與這些電路的連接，用戶無需了解。這樣便實現了一個用單片機制作的簡單PLC。

第3章系統硬件設計
3.1 硬件設計總述

硬件設計主要是設計外圍電路，特別是設計I/O接口。系統硬件設計如圖3.1所示。本次設計的硬件部分這要有五個部分：輸入電路、輸出電路、振蕩和復位電路、電源轉換電路、串口通信電路。由于本次設計比較簡單，只有四個輸入和四個輸出，沒有拓展內存。

圖3.1 硬件設計圖

3.2 單片機最小系統

PLC控制系統的主要功能是實現各種邏輯和過程控制，因此硬件對輸入輸出接口有相當高的要求。CPU 是PLC 的核心，起神經中樞的作用，CPU 的運行速度和內存容量是PLC的重要參數，決定著PLC 的工作速度、I/O 數量及軟件容量等，因此也限制著控制規模。用單片機實現PLC，其CPU實際上就是單片機，因此選用合適的單片機對于最終實現的PLC的功能影響很大。[8]

本次設計使用的單片機是AT89C52。AT89C52 是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元，功能強大AT89C52 單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。AT89C52單片機為制作PLC應用提供了靈活且低成本的方案。其最小系統設計如圖3.2所示。

圖3.2 單片機最小系統

3.2.1 振蕩電路

單片機系統里都有晶振，結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執行都需要單片機晶振提供的時鐘頻率。

圖3.3 振蕩電路圖

單片機晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。本設計使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。

3.2.2 復位電路

復位操作是單片機的初始化，其作用是時CPU和系統其他部件都處于一個確定的初始狀態，系統從這個狀態開始工作。單片機有復位信號引腳RST，用于從外界引入復位信號。單片機的復位電路比較簡單，如圖3.4所示，RESET接單片機RST引腳。在單片機調試或程序運行時，若遇到死機、死循環或程序“跑飛”等情況，按下復位鍵S1，單片機就將重新啟動。完成復位操作共需24個狀態周期。復位結束后，單片機從地址0000H開始執行程序。[9]

圖3.4 復位電路

圖3.4中，RESET接單片機RST引腳。按鍵S1按下后，復位端接高電平，實現電路復位。單片機在RST端加一個正脈沖即可實現復位，在系統上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個正脈沖。

3.3 電源設計

如第二章中所述，PLC等數字系統工作時，需要三種電源：一是輸入信號電源；二是內部元器件工作電源；三是負載工作電源。電源模塊在整個系統中起十分重要的作用，如果系統沒有一個良好的、可靠的電源系統，它是無法正常工作的，因此電源的設計和制造十分重要。[8]

負載工作電源是用來驅動PLC 輸出設備（負載）和提供輸入信號的，又稱用戶電源。用戶電源的容量由輸出設備和PLC 的輸入電路決定。由于本系統中的I/O 電路都有濾波、隔離功能，所以外部電源對PLC 的性能影響不大。用戶電源不屬于本次設計中的內容。

為了減小設計的復雜性，電源模塊為系統運行提供內部工作電源，同時為輸入信號提供電源。本設計中的電源設計采用獨立的DC24V—DC5V電壓轉換模塊。輸入信號是開關量輸入，輸入電壓是24V，電源模塊將輸入信號的24V電壓轉換成供單片機工作的5V電壓。為了減小電源的數量，在選用繼電器時選用了24V的直流繼電器。電源模塊的電路如圖3.5所示。

DC24V—DC5V電壓轉換模塊NMA2405S。NMA系列是獨立的直流/直流轉換器，開關噪聲小，組建電源系統非常簡單方便。

圖3.5 電源電路

3.4 輸入電路

PLC為了提高系統的抗干擾能力，在輸入電路部分有各種抗干擾設計。本設計的輸入電路也仿照PLC，在信號輸入到單片機前進行了濾波處理，采用光電耦合將輸入電源與系統電源隔開。圖3.6是輸入電路邏輯意義上的示意圖，圖中的INPUT是一個子電路圖，里面包含四個相同的輸入電路，實際的電路如3.7所示，圖3.7中只畫出了一路輸入，其他輸入電路與之相同。圖3.6中D1、D2、D3、D4是輸入狀態指示燈。X0、X1、X2、X3是四個輸入端，通過按鈕與輸入電源24V的負極相連接，按鍵按下，相應的LED就會亮。IN0、IN1、IN2、IN3接單片機的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3。

圖3.6 輸入電路總圖

本設計的輸入為開關量輸入。輸入電路接收工業現場輸入設備的開關信號，將信號轉換為PLC內部單片機可接受的低電壓信號，實現PLC內外信號的電氣隔離。本設計的輸入信號選用直流輸入方式，該方式延時時間較短，還可以直接與光電開關等電子輸入設備連接。開關量輸入模塊的輸入信號電壓等級選擇24V，適用于傳輸距離較近的場合。為了提高系統的可靠性，需要考慮輸入門檻電流的高低，門檻電流越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，文中設計保證信號為真時電流在5到7mA。考慮到控制電路的抗干擾性能，減少設備之間的干擾，開關量輸入電路的隔離采用光電耦合器。[8]

圖3.7 輸入電路

圖3.6與圖2.2在本質上一樣的，是對圖2.2的具體化。圖3.4中，X0是PLC的一個輸入端。D1用于指示該輸入點的開關狀態。輸入信號與單片機之間用光電耦合器TLP521-1隔開。R2是限流電阻，同時與電容C1構成濾波電路，去處高頻干擾。估算輸入電流約為：（24-2）/4.7=4.7mA，光電耦合器的一次側驅動電流一般在4.5mA 以上，滿足設計要求。R3和C1構成延時電路，一次回路中輸入信號有延時。IN0連接單片機的輸入端口P0.0。在輸入端X0與電源端接入用戶輸入電路，如圖2.2，用戶電路中都會設置開關，如果開關閉合，光電耦合器的發光二極管所在的回路導通，光電耦合器的發光二極管發光，光電耦合器的三極管導通，IN0為高電平，D1發光，表示該輸入點已經導通。

3.5 輸出電路

輸出電路用于將單片機內部的低電壓信號轉換成驅動外部輸出設備的開關信號，并且實現PLC內外信號的電氣隔離。本設計的輸出電路為繼電器輸出方式，這樣可以驅動交流負載，也可以驅動直流負載，使用的電壓大小范圍較寬，同時承受順勢過電壓和過電流的能力較強。與晶閘管輸出和晶體管輸出相比，唯一的缺點是觸電元件動作較慢，壽命較短，不適用于頻繁通斷的場合。輸出電路的輸出電流驅動能力必須大于PLC外接設備的額定電流，因此需要根據輸出設備的電流大小來確定輸出電路的輸出電流。[8]

圖3.8 輸出電路總圖

圖3.8是輸出電路邏輯意義上的示意圖，圖中的OUTPUT是一個子電路圖，里面包含四個相同的輸出電路，實際的電路如3.9所示，圖3.9中只畫出了一路輸出，其他輸出電路與之相同。圖3.8中OUT0、OUT1、OUT2、OUT3接單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3。D5、D6、D7、D8是輸出狀態指示燈。Y0、Y1、Y2、Y3四個輸出端，用戶電路接在輸出端和yCOM之間。

圖3.9 輸入電路

圖3.9與圖2.6在本質上一樣的，是對圖2.6的具體化。5V電源為PLC 的內部電源，24V 電源為開關量輸出電源，兩個電源是隔離的。圖3.7中，Y0是PLC的一個輸出端。D1用于指示該輸出點的開關狀態。輸出信號與單片機之間也用光電耦合器TLP521-1隔開。R1是限流電阻。D2用以防止繼電器開斷時的反向電流。D3是一個齊納穩壓管，是Q1基極和發射極之間電壓穩定。OUT0連接單片機的輸出端口P1.0。采用匯科繼電器HK4100F-24V-SHG，該繼電器是小型、小功率繼電器，觸點形式是常開型，額定電壓為DC24V，直流電阻為1Ω，吸合電流為2A，釋放電流也為2A，線圈功率為4W，額定工作頻率為5Hz。

當OUT0 接口端輸出低電平時，經光電耦合器使驅動晶體管Q1導通，繼電器K1得電吸合，同時D1發光。當OUT0接口輸出高電平，經光電耦合器使Q1 截止，K1釋放，D1熄滅。

3.6 串口通信電路

本設計上位機程序下載時采用RS-232C通信接口技術，RS-232C是常用的點對點串行通信技術，采用單端信號傳輸方式，將PC 機和單片機連接至一起，實現梯形圖目標代碼的下載。通訊電路如圖3.10所示。

圖3.10中主要用到了芯片MAX232，該芯片是由美國德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。單片機使用的是TTL電平(+5V為高電平，低電平為0V)，而計算機的串口為RS-232C電平，其中高電平為-12V，低電平為+12V，RS-232C電平為負邏輯電平。MAX232 就是用來進行電平轉換的。該器件包含兩個驅動器、兩個接收器。它的的9、10、11、12 引腳是TTL 電平端，用來連接單片機；7、8、13、14引腳是接PC機的。

圖3.10 串口通信電路

在圖3.10中，D9、D10兩個發光二極管用來指示此時是否有通信正在進行。串口通信的數據傳輸過程如下：MAX232的10腳T2IN接單片機TXD端P3.1，TTL電平從單片機的TXD端發出，經過MAX232轉換為RS-232電平后從MAX232的7腳T2OUT發出，再連接到系統板上的串口座的第2腳RXD，至此計算機端接收到數據。PC機發送數據時從PC機串口座上的第3腳TXD端發出數據，再逆向流向單片機的RXD端P3.0接收數據。

第4章系統軟件設計
4.1 系統程序結構

一個完整的PLC系統程序流程圖如圖4.1所示，該圖是對圖2.8的簡化。本設計的軟件部分主要是模仿PLC的循環工作。輸入采樣程序和輸出程序對任何應用程序都是一樣的，這部分屬于系統程序，但梯形圖處理處理程序需要針對不同的應用編寫不同的程序。

圖4.1 系統程序流程圖

本設計的編程語言用了C語言和匯編語言兩種。匯編語言的執行效率要比C語言高，但可讀性比較差。C語言編程簡潔，可讀性好，但C語言會占用更多的內存資源。

C語言程序含有六個文件：“IO.h”、“timer_counter.h”、“main.c”、“functions.c”、“timer_counter.c”和“process.c”。頭文件“IO.h”是對輸入輸出端口以及輸入輸出端口映像寄存器的聲明。頭文件“timer_counter.h”是定時器和計數器的聲明，定時器和計數器的定義在C文件“timer_counter.c”中。C文件“main.c”是系統的主程序。C文件“functions.c”中是初始化程序、輸入程序、輸出程序等的具體實現。C文件“process.c”是用戶編寫不同控制程序的文件，該文件中內容需要用戶根據梯形圖程序來填寫，其他五個文件不需要用戶關心，用戶只需要了解一些接口即可。這種設計使用戶只要關注如何將梯形圖程序轉換成C語言，而這種轉換往往相對比較簡單。

匯編語言程序只有一個文件，含有三個個部分：預定義部分，系統函數部分和用戶程序部分。預定義部分是對輸入輸出端口以及輸入輸出端口映像寄存器的定義，還包括計數器和定時器的定義。系統程序部分包括主函數，輸入/輸出函數，定時器程序個計數器程序。用戶程序是供用戶根據梯形圖程序填寫的部分。

4.2 系統主程序

系統主程序是主要是模擬PLC的循環工作方式。主程序中調用了四個函數：initi()是初始化程序，getIn()是輸入采樣程序，process()是用來翻譯梯形圖程序的梯形圖處理程序，getOut()是輸出刷新程序。這四個程序的具體定義見本章的4.3、4.4、4.8和4.5。

主程序如下：

void main()

{

initi();

while(1)

{

getIn();

process();

getOut();

}

匯編程序如下

Main:

ACALL Initi

Loop: ACALL GetIn

LCALL Process

ACALL GetOut

SJMP Loop

匯編語言中的Initi是初始化程序，GetIn是輸入采樣程序，Process是用來翻譯梯形圖程序的梯形圖處理程序，GetOut是輸出刷新程序。這四個程序的具體定義見本章的4.3、4.4、4.8和4.5。

由以上的程序可以發現，用單片機實現PLC的循環掃描過程，在程序上比較容易實現，結構清晰，易于理解。主程序中各個子函數的具體定義見本章以下各節內容。

4.3 初始化程序

初始化程序是在系統進入循環掃描所必須的預處理。本設計的初始化化程序主要完成以下一些工作：輸入、輸出初始化，設置所有定時器的時間基數，定時器初始化、計數器初始化化。C語言程序如下。

void initi()

{

P0=0x00;

P1=0xFF;

TMOD=0x01;

TH0=0x3C;

TL0=0x0B0;

EA=1;

ET0=1;

initi_timer();

initi_counter();

TR0=1;

}

initi_timer()是定時器初始化程序，initi_counter()是計數器初始化程序。如本章開始所述，把這兩個函數定義放在在C文件"process.c"中是為了方便用戶，用戶在編寫用戶處理程序時可能會使用定時器和計數器，這就需要對定時器和計數器進行初始化，把這兩個程序和用戶處理程序放在一個文件中，使用戶只需要關注一個文件，專注于梯形圖程序的轉換。

匯編程序如下：

Initi:

MOV SP, #78H

MOV P0, #00H

MOV P1, #0FFH

MOV TMOD, #01H

MOV TH0, #3CH

MOV TL0, #0B0H

SETB EA

SETB ET0

LCALL Initi_Timer

LCALL Initi_Counter

SETB TR0

RET

Initi_Timer和Initi_Counter分別是定時器初始化程序和計數器初始化程序。

定時器程序和計數器程序見本章的4.6和4.7。

4.4 輸入程序

輸入程序用以檢測四個輸入點的開關狀態。程序首先把四個輸入映像寄存器清零，然后依次檢測四個輸入端口，如果檢測到該輸入端為高電平，則延時10毫秒，主要用于去除按鍵抖動，如果延時10毫秒之后，再次檢測到得該輸入端仍為高電平，則將該輸入點的映像寄存器置1，否則置0。掃描得到的輸入映像寄存器的不同狀態將在用戶程序中使用。In0、In1、In2和In3分別代表單片機的四個輸入端口P0.0、P0.1、P0.2和P0.3。InMap0、InMap1、InMap2和InMap3分別是四個輸入端口的映像存儲器，每個映像存儲器占一位存儲空間。定義映像存儲器實際上也有效地防止了輸入信號的干擾，提高了系統的抗干擾能力。輸入程序如下：

void getIn()

{

InMap0=0;

InMap1=0;

InMap2=0;

InMap3=0;

if(In0)

{

delay10ms();

if(In0)

InMap0=1;

}

if(In1)

{

delay10ms();

if(In1)

InMap1=1;

}

if(In2)

{

delay10ms();

if(In2)

InMap2=1;

}

if(In3)

{

delay10ms();

if(In3)

InMap3=1;

}

匯編程序如下：

GetIn:

CLR InMap0

CLR InMap1

CLR InMap2

CLR InMap3

JNB In0, CHK1

LCALL KT10MS

JNB In0, CHK1

SETB InMap0

CHK1: JNB In1, CHK2

LCALL KT10MS

JNB In1, CHK2

SETB InMap1

CHK2: JNB In2, CHK3

LCALL KT10MS

JNB In2, CHK3

SETB InMap2

CHK3: JNB In3, EndCHK

LCALL KT10MS

JNB In3, EndCHK

SETB InMap3

EndCHK:RET

4.5 輸出程序

輸出程序比較簡單，在每個掃描周期，都需要把輸出映像寄存器的值賦給輸出端，即所謂的輸出刷新。Out0、Out1、Out2和Out3分別代表單片機的四個輸出端口P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。OutMap0、OutMap1、OutMap2和OutMap3分別是四個輸出端口的映像存儲器，每個映像存儲器占一位存儲空間。輸出程序如下：

void getOut()

{

Out0=~OutMap0;

Out1=~OutMap1;

Out2=~OutMap2;

Out3=~OutMap3;

}

匯編程序如下：

GetOut:

MOV C, OutMap0

CPL C

MOV Out0, C

MOV C, OutMap1

CPL C

MOV Out1, C

MOV C, OutMap2

CPL C

MOV Out2, C

MOV C, OutMap3

CPL C

MOV Out3, C

RET

特別要注意的是，本設計在輸出時是低電平表示輸出有效（見圖3.9），是負邏輯，為了在梯形圖處理程序中減小用戶的負擔，在梯形圖處理程序中使用易于理解的正邏輯，只在輸出時對所有的映像寄存器取反，但是這里的取反并不是讓映像存儲器里的值取反，這樣會破壞用戶編寫的程序，而是將映像存儲器相反的值賦給相應的輸出端。

4.6 定時器程序

PLC中的定時器代表延時繼電器的功能，通常可以有多個，考慮到單片機內存資源有限，本設計中定義了10個定時器。定時器需要一個統一的時鐘，用單片機片內的T0來作統一的時鐘。T0每0.05秒中斷一次，T0的設置在初始化程序中。因此定時器程序包兩個部分，一個是定時中斷服務程序，另一個是定時器邏輯指令程序。

4.6.1 定時器的定義

定時器有四個部分組成：定時器邏輯位，初始值，定時器計數器，觸發啟動標志。定時器如果用C語言的結構體定義比較容易理解。定時器的結構體定義如下。

struct tim

{

Bit DT; //定時器邏輯位（溢出標志）

unsigned int K; //初值

unsigned int TC; //定時器計數器

Bit ST; //觸發啟動標志

} timer[10];

定時器的計數器占兩個字節，最大值是65535，由于每中斷一次，計數器加1，因此定時器的最長定時時間為3276.75秒。

4.6.2定時中斷服務程序

定時中斷服務程序的流程圖如4.2所示。

圖4.2 中斷服務程序流程圖[10]

根據流程圖，寫出C程序如下。

void interT0() interrupt 1

{

unsigned char i;

TR0=0;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

for(i=0;i<10;i++)

{

if(timer[ i].ST)

timer.TC++;

}

TR0=1;

}

匯編程序如下：

IT0Int: CLR TR0

PUSH PSW

PUSH ACC

MOV TH0, #3CH

MOV TL0, #0B0H

JNB ST0, Next1

INC TC0_L

MOV A , TC0_L

JNZ Next1

INC TC0_H

Next1: JNB ST1, Next2

INC TC1_L

MOV A , TC1_L

JNZ Next2

INC TC1_H

Next2: JNB ST2, Next3

INC TC2_H

MOV A , TC2_L

JNZ Next3

INC TC2_L

Next3: JNB ST3, Next4

INC TC3_L

MOV A , TC3_L

JNZ Next4

INC TC3_H

Next4: JNB ST4, Next5

INC TC4_L

MOV A , TC4_L

JNZ Next5

INC TC4_H

Next5: JNB ST5, Next6

INC TC5_L

MOV A , TC5_L

JNZ Next6

INC TC5_H

Next6: JNB ST6, Next7

INC TC6_L

MOV A , TC6_L

JNZ Next7

INC TC6_H

Next7: JNB ST7, Next8

INC TC7_L

MOV A , TC7_L

JNZ Next8

INC TC7_H

Next8: JNB ST8, Next9

INC TC8_L

MOV A , TC8_L

JNZ Next9

INC TC8_H

Next9: JNB ST9, EndInt

INC TC9_L

MOV A , TC9_L

JNZ EndInt

INC TC9_H

EndInt: POP ACC

POP PSW

SETB TR0

RETI

4.6.3定時器邏輯指令程序

定時器邏輯指令程序中需要注意觸發啟動標志何時打開。流程圖如圖4.3所示。

圖4.2 定時器程序流程圖[10]

根據以上的流程圖寫出的C語言程序如下。

void time(unsigned char n,bit in)

{

if(in)

{

if(timer[n].ST)

{

if(timer[n].TC==timer[n].K)

{

timer[n].DT=1;

timer[n].ST=0;

timer[n].TC=0;

}

else

{

if(timer[n].DT!=1)

timer[n].ST=1;

}

else

{

timer[n].DT=0;

timer[n].ST=0;

timer[n].TC=0;

}

程序中的n是定時器的編號，有效值是0到9，in是當前的邏輯運算值。

匯編程序需要對分別寫出每個定時器的邏輯指令程序，但它們都是相同的。下面定時器0為例，寫出匯編程序如下。匯編程序中當前邏輯運算值在位累加器C中。

Tim0: JNC Off0

JNB ST0, Open0

MOV A, TC0_L

CJNE A, K0_L, Exit0

MOV A, TC0_H

CJNE A, K0_H, Exit0

SETB DT0

SJMP Rest0

Open0: JB ST0, Exit0

JB DT0, Exit0

SETB ST0

RET

Off0: CLR DT0

Rest0: CLR ST0

MOV TC0_H, #00H

MOV TC0_L, #00H

Exit0: RET

4.6.4定時器初始化

用戶需要對用到得定時器進行初始化，C語言初始化程序如下。程序中已對初始化的方法做了詳細的說明。

void initi_timer()

{

/*timer[n].K=t/0.05;*/

}

程序中的n是使用的定時器編號（0-9)。t是定時的時間,最長定時時間為3276.75秒。

匯編語言定時器的初始化方法如下。

Initi_Timer: /* MOV Kn_L, #Low

MOV Kn_H, #High*/

RET

程序中Low=t/0.05%256，High=t/0.05/256。

4.7 計數程序

S7-200中的計數器有加計數器、減計數器和加減計數器。本設計的計數器屬于加計數器。S7-200中的計數器如圖4.3所示。當計數器的復位端R斷開，且輸入脈沖CU檢測到輸入信號正跳變時當前值加1，直到達到PV端設定值時，計數器的邏輯位置位。

圖4.3 加計數器

4.7.1 計數器的定義

下面的結構體定義了計數器的結構。

struct ct

{

Bit Cnt; //計數器邏輯位（溢出標志）

unsigned int PV; //初值

unsigned int CT; //計數器

Bit RST; //復位標志

} counter[10];

定義了10個計數器，計數器初始值最大為65535。

4.7.2計數器程序的實現

根據S7-200中的加計數器，計數器的流程圖如圖4.4所示。

圖4.4 計數器程序流程圖

根據以上的流程圖寫出計數器的C語言程序如下。

void count(unsigned char n,bit in)

{

if(!counter[n].RST)

{

if(in)

{

if(!counter[n].Cnt)

counter[n].CT++;

if(counter[n].CT==counter[n].PV)

{

counter[n].Cnt=1;

counter[n].CT=0;

}

else

counter[n].Cnt=0;

}

else

{

counter[n].Cnt=0;

counter[n].CT=0;

}

程序中的n是計數器的編號，有效值是0到9，in是當前的邏輯運算值。

匯編程序需要對分別寫出每個計數器的程序，但它們都是相同的。下面計數器0為例，寫出匯編程序如下。匯編程序中當前邏輯運算值在位累加器C中。

COUNT0: JB RST0,Reset0

JNC CExit0

JB C0, End0

INC C0_L

MOV A , C0_L

JNZ CN0

INC C0_H

CN0: MOV A, C0_L

CJNE A, PV0_L, End0

MOV A, C0_H

CJNE A, PV0_H, End0

SETB C0

MOV C0_L, #0

MOV C0_H, #0

RET

Reset0: MOV C0_L, #0

MOV C0_H, #0

CExit0: CLR C0

End0: RET

4.7.3計數器初始化

用戶需要對用到得計數器進行初始化，計數器的初始化很簡單，C語言初始化程序如下。

void initi_counter()

{

/*counter[n].PV=;*/

}

程序中的n是使用的計數器編號（0-9)。設置計數器初始值,最大值為65535。

匯編語言定時器的初始化方法如下。

Initi_Counter: /* MOV PVn_L, #Low

MOV PVn_H, #High*/

RET

程序中Low=PV%256，High=PV/256。

4.8 梯形圖處理程序

以上的的程序都屬于系統程序，用戶是不需要關心的。只有梯形圖處理程序是用戶需要關注的。梯形圖處理程序需要用戶根據梯形圖程序編寫，因此梯形圖處理程序是不完整的。梯形圖處理程序如下。

void process()

{

//先定義輔助繼電器

//用戶根據梯形圖在此填寫程序

}

匯編程序如下：

Process:

/*用戶根據梯形圖在此填寫程序*/

RET

下面舉一個例子。

現設計一個使用一個按鈕控制電機的啟、停，第一次按動按鈕，電機啟動，第二次按動按鈕，電機停止轉動。梯形圖程序如圖4.2所示。

圖4.2 用戶處理程序舉例

通過第二章的分析可知，把圖4.2轉換成C語言或者匯編語言是很容易的。假設按扭使用X0接口，電機使用Y0接口（見圖2.15）。

在寫匯編語言之前要先定義映像寄存器和輔助寄存器：

M0_0 BIT 26H.1

M0_1 BIT 26H.2

M0_2 BIT 26H.3

寫出的匯編程序如下：

Process: MOV C, InMap0

ANL C, /M0_1

MOV M0_0, C

MOV C, InMap0

MOV M0_1, C

MOV C, M0_0

ANL C, OutMap0

MOV M0_2, C

MOV C, M0_0

ORL C, OutMap0

ANL C, /M0_2

MOV OutMap0, C

RET

如果寫成C語言則更加容易：

void process()

{

bit M0_0,M0_1,M0_2;

M0_0=InMap0&(~M0_1);

M0_1=InMap0;

M0_2=M0_0&OutMap0;

OutMap0=(M0_0|OutMap0)&(~M0_2);

}

第5章基于Proteus的軟件仿真5.1 Proteus仿真軟件簡介

Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件。該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。它運行于Windows操作系統上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。

Proteus ISIS的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖5.1所示。包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。

圖 5.1 Proteus工作界面

該軟件的特點是：

（1）實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。

（2）支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。

（3）提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51等軟件。

（4）具有強大的原理圖繪制功能。

5.2仿真實驗5.2.1 對輸入電路的仿真測試

為了驗證仿真電路的正確性，減小硬件制作的成本，可以用Proteus先進行仿真驗證。在圖5.7中，對輸入電路中的一路進行了仿真。如圖5.2所示，當按鍵沒有按下時，D1不亮，輸入到單片機引腳P0.0的輸入端IN0的電壓為6.96482e-6V，是低電平。

圖 5.2 輸入電路測試1

在圖5.3中，按鍵已經按下，D1發光，IN0端的電壓是4.66026V，是高電平。

模擬情況符合設計的要求。

圖 5.3 輸入電路測試2

在仿真中發現D1的亮度不是很高，是由于輸入回路中電流過小的緣故。D1的導通壓降為2V，最大電流為10mA。

5.2.2 對輸出電路的仿真測試

圖5.3是對輸出電路的仿真測試。在圖5.9中，當開關SW1接地是，直流電動機轉動，穩壓管兩端的電壓穩定在3.20648V。當SW1接高電平時，電動機是不轉動的。從仿真測試中可知，輸出電路是符合設計要求的。

圖 5.4 輸出電路測試

5.2.3 多路故障報警系統仿真

為了驗證設計的正確性，下面通過一個實例用Proteus軟件進行了仿真。

報警是電氣自動控制中不可缺少的重點環節，標志的報警功能應該是聲光報警。本仿真是一個兩路的聲光報警系統。系統的仿真原理圖如圖5.5所示。該系統有四個輸入，三個輸出。圖5.5中的OUTRUT是一個子電路圖，里面含有四個相同的輸出電路，見圖5.6。圖5.5中的D5、D6、D7和D8是輸出狀態指示燈。

圖 5.5 聲光報警控制系統

圖中的SA1和SA2是兩個故障輸入信號。如果SA1或SA2按下，表示故障發生。當故障發生以后，報警燈會閃爍，同時蜂鳴器鳴響。SB1是故障解除按鈕。當操作人員知道故障發生后，按下SB1，蜂鳴器就停止鳴響，報警指示燈從閃爍變為常亮，告訴造作人員哪一路發生了故障。系統還設置了SB2測試按鈕，用于平時檢測報警指示燈和蜂鳴器的好壞。

圖 5.6 仿真輸出電路

報警系統的梯形圖程序如圖5.7所示。

圖 5.7 報警系統梯形圖程序

根據梯形圖寫出C程序如下。

為了方便程序閱讀，先做一些預處理。

#define SA1 InMap0

#define SA2 InMap1

#define SB1 InMap2

#define SB2 InMap3

#define Q0 OutMap0

#define Q1 OutMap1

#define Q2 OutMap2

#define T0 timer[0].DT

#define T1 timer[1].DT

void initi_timer()

{

timer[0].K=2/0.05;

timer[1].K=1/0.05;

}

void process()

{

bit M0,M1;

time(0,(SA1|SA2)&(~T1));

time(1,T0);

Q0=((T0|M0)&SA1)|SB2;

Q1=((T0|M1)&SA2)|SB2;

M0=(SB1|M0)&SA1;

M1=(SB1|M1)&SA2;

Q2=(SA1&(~M0))|(SA2&(~M1))|SB2;

}

根據梯形圖寫出匯編程序如下。

M0 BIT 26H.0

M1 BIT 26H.1

SA1 BIT InMap0

SA2 BIT InMap1

SB1 BIT InMap2

SB2 BIT InMap3

Q0 BIT OutMap0

Q1 BIT OutMap1

Q2 BIT OutMap2

Initi_Timer: MOV K0_L, #40

MOV K0_H, #0

MOV K1_L, #20

MOV K1_H, #0

RET

Process: MOV C,SA1

ORL C,SA2

ANL C,/DT1

LCALL Tim0

MOV C,DT0

LCALL Tim1

MOV C,DT0

ORL C,M0

ANL C,SA1

ORL C,SB2

MOV Q0,C

MOV C,DT0

ORL C,M1

ANL C,SA2

ORL C,SB2

MOV Q1,C

MOV C,SB1

ORL C,M0

ANL C,SA1

MOV M0,C

MOV C,SB1

ORL C,M1

ANL C,SA2

MOV M1,C

MOV C,SA1

ANL C,/M0

MOV 26H.2,C

MOV C,SA2

ANL C,/M1

ORL C,26H.2

ORL C,SB2

MOV Q2,C

RET

5.3仿真總結

上述的仿真實驗可以達到預期的效果。說明硬件設計和程序設計是可行的。

仿真中還有一些問題：輸入電路在接單片機時，單片機引腳不能檢測到高電平，因此仿真中做了簡單處理。C程序會出現內存不夠的現象，因此在上面的C程序中沒有包括計數器。

仿真的結果往往比較理想化，因此并不能代表沒有錯誤。由與沒有制作實物，本設計還需要在實踐中檢驗其可靠性。

第6章總結

單片機和PLC都是在工業控制領域有著廣泛應用的工業控制裝置，它們各有各自的特點。

本設計用AT89C52單片機設計了一個4輸入4輸出的簡單PLC。該PLC含有10個定時器和10個計數器，每個定時器的最長定時時間為3276.75秒，每個計數器的最大計數值為65535。該PLC的輸入方式為直流開關量，輸入電壓為24V。輸出采用繼電器輸出方式，繼電器的額定電壓為DC24V，吸合電流為2A，線圈功率為4W。為了提高系統的抗干擾能力，輸入輸出電路中都使用了光電耦合器。該PLC具有與計算通訊能力，可以在計算機上下載程序。

最終完成了原來圖和PCB圖的繪制，也對設計的正確性通過Proteus仿真進行了驗證。

但仿真的結果往往比較理想化，因此并不能代表沒有錯誤。由與沒有制作實物，本設計還需要在實踐中檢驗其可靠性。

在設計時，為了簡化設計，沒有拓展單片機內存，梯形圖程序稍微復雜時，用C語言編寫的程序往往會超出內存空間。本設計在程序中沒有自診斷功能。對一些簡單的控制，在仿真時本設計是可行的。為了能滿足復雜的控制需要，在功能上還可以進行拓展：

增加輸人、輸出接點的數量。
增加不同的輸入方式和輸出方式。
為適應工業環境的要求, 就要有極為可靠的抗干擾措施。

3.加大負載能力, 以滿足工業控制對象的一般需要。

4.增加處理模擬量的能力, 以滿足模擬量的控制濡要。

5.增加通訊能力, 以滿足控制系統網絡的需要。

6.拓展單片機的內存，使制作的PLC能夠運行更加復雜的程序。

7.增加更加豐富的人機接口，比如撥盤預置程序輸入預置值，LCD顯示工作狀態等。

由于軟件的擴充, 掃描時間必然加長, 所以就要提高運行速。由于硬件的擴充, 體積必然增大,因此要有合理的結構。硬件的拓充和功能的增加，又對軟件設計提出了更高的要求，軟件系統要更加合理。

用單片機制作PLC的另外一個研究方向是開發出一種將梯形圖直接轉化成單片機可執行的二進制文件的軟件。這樣用戶只需要根據控制需要，設計出自己的梯形圖程序，然后直接把梯形圖程序通過軟件轉換成二進制文件，用戶不必要寫C語言程序或者匯編程序。這是一個值得研究的課題。

致謝

在畢業論文即將完成之際，我要衷心感謝甘英俊老師在畢業設計期間給予的指導和幫助！甘老師工作繁忙，但依然十分關心我們的畢業設計，每周都抽出時間悉心指導我們。甘老師淵博的知識和嚴謹的工作作風深深地影響了我。

同時也要感謝大學期間所有的任課老師，他們教授的知識是我大學期間獲得的寶貴財富。

附錄A 系統原理圖

B 系統PCB圖

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