基于AT89C51單片機(jī)的PLC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)——自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)

江吳芳 陸志強(qiáng)

（廣州市輕工高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510220）

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

近年來隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，PLC控制的自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣，其技術(shù)性能不斷提高和完善，特別在集成化、智能化等方面，越來越突出。一臺(tái)大型的自動(dòng)化設(shè)備，需要控制的可編程控制器的數(shù)量也隨著提升，在設(shè)備調(diào)試過程中，經(jīng)常需要轉(zhuǎn)換編程端口，操作繁瑣且對(duì)設(shè)備造成一定程度的損壞。以我校自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備為例，由于實(shí)訓(xùn)過程中經(jīng)常拔插，可編程序控制器的接口、編程電纜的接口損壞嚴(yán)重，該設(shè)計(jì)正好解決此問題，可以快速更換通訊接口，操作簡(jiǎn)單，且不損壞設(shè)備，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)、品牌的PLC通訊端口的轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)PLC接口轉(zhuǎn)換器的硬件電路圖，并使用相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的仿真、調(diào)試。實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)與5臺(tái)可編程序控制器的通訊傳輸；

（2）同步顯示5個(gè)通信通道的工作指示；

（3）設(shè)計(jì)繼電器的電流放大電路，驅(qū)動(dòng)相電壓位5V、相電流位為0.4A的繼電器工作；

（4）系統(tǒng)應(yīng)具有啟動(dòng)停止功能。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，可以劃分為控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、通訊接口模塊及電源電路五大部分，如圖1為PLC接口轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)圖。

圖1 PLC接口轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以AT89C51單片機(jī)芯片為核心控制系統(tǒng)，不斷對(duì)鍵盤信號(hào)進(jìn)行掃描，產(chǎn)生中斷信號(hào)，控制系統(tǒng)對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，并禁止輸出響應(yīng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器，連通鍵盤對(duì)應(yīng)的通訊通道同步發(fā)出指示信號(hào)，顯示該通道現(xiàn)在處于工作狀態(tài)。與此同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)禁止響應(yīng)中斷，在通訊傳輸完成之前，其他通道的信號(hào)選擇不予響應(yīng)。

1）主控部分：本系統(tǒng)的控制功能并不復(fù)雜，Atmel公司的AT89C51系列單片機(jī)芯片能夠滿足，且價(jià)格便宜，體積小，功耗低，編程靈活，硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，因此用它作為中央控制器。

2）驅(qū)動(dòng)模塊：由于通過繼電器來控制通訊信號(hào)線的接通與斷開，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較小，無法驅(qū)動(dòng)繼電器控制電路。如果通過功率放大電路來實(shí)現(xiàn)，電路制作較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，甚至需要多級(jí)放大，運(yùn)行狀態(tài)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。于是驅(qū)動(dòng)模塊采用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN輸出端為高電平，繼電器得電吸合，且芯片自身功耗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可靠性穩(wěn)定性高，體積小，電路簡(jiǎn)單，使用更加方便。

3）鍵盤模塊：鍵盤按鈕包括檔位按鈕和停止按鈕，由于在傳輸過程中不允許更換通道，采用74LS08與門芯片，對(duì)不同檔位之前的信號(hào)起到互鎖的作用。一旦選定通道，必須按下停止按鈕，才能夠重新選擇通道。

4）顯示模塊：LED指示燈與繼電器線圈并聯(lián)，同步指示繼電器的工作狀態(tài)，方便操作系統(tǒng)時(shí)，能夠清晰指示工作通道。

5）通訊模塊：由于本系統(tǒng)沒有更改通訊傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，只是對(duì)于通信信號(hào)線進(jìn)行控制，通過繼電器控制信號(hào)的接通與斷開，該通訊模塊主要是RS232通訊接口，預(yù)備擴(kuò)展的通訊接口有RS485、USB等通訊接口。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)鍵位掃描、消除抖動(dòng)、按鍵互鎖、外部中斷響應(yīng)、信號(hào)指示燈顯示等功能，程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.3 電路調(diào)試

基于理論知識(shí)層面設(shè)計(jì)出PLC接口轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，從本質(zhì)上是理論的分析，需要進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性和穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際電路制作之前，先進(jìn)行電路的仿真驗(yàn)證，測(cè)試系統(tǒng)的可行性，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否需要改進(jìn)或者存在什么不足之處，以便更好的實(shí)現(xiàn)功能。

圖3 硬件電路圖

1）系統(tǒng)仿真調(diào)試

對(duì)于單片機(jī)硬件電路和軟件編程的仿真調(diào)試，Proteus提供了2種方法：一種是總體執(zhí)行效果，一種是對(duì)軟件的分步調(diào)試以監(jiān)控具體的執(zhí)行情況。

系統(tǒng)仿真調(diào)試過程如下：（1）打開proteus仿真軟件，調(diào)用元器，繪制硬件電路圖，具體電路如圖3所示；（2）將編寫好的程序加載到電路圖中，并編譯仿真調(diào)試。打開調(diào)試軟件，采用單步調(diào)試和斷點(diǎn)調(diào)試的方法，監(jiān)控電路運(yùn)行效果，功能是否與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求一致，調(diào)試過程如圖4所示。

圖4 軟件調(diào)試

2）硬件電路調(diào)試

系統(tǒng)通過軟件仿真成功，進(jìn)入實(shí)物制作與調(diào)試階段。調(diào)試步驟如下：

（1）上電前電路檢查，包括電源的連接、對(duì)芯片的焊接方向、引腳是否短路和斷路進(jìn)行檢查，在確認(rèn)焊接沒有任何問題的情況下才能通電。

（2）上電檢查：在確認(rèn)電路沒有焊接錯(cuò)誤的情況下，進(jìn)行上電檢查，判斷電路是否存在異常，如芯片發(fā)熱。

（3）電路通電無異常情況下，檢查各部分電路的工作電壓是否正常，同時(shí)檢查單片機(jī)的晶振電路，確定晶振是否起振，以保證電路能夠正常工作。

（4）按住復(fù)位鍵，確保單片機(jī)保持在復(fù)位狀態(tài)，測(cè)量各引腳的電平狀況，可判斷單片機(jī)是否正常工作。

（5）單片機(jī)正常工作情況下，燒錄程序，進(jìn)行實(shí)際電路調(diào)試。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51為核心控制器，通過鍵盤電路實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通訊傳輸信號(hào)線的選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)在拔插傳輸線的情況下計(jì)算機(jī)可與多臺(tái)可編程控制器進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)還預(yù)留端口，用于其他通訊接口的擴(kuò)展，如USB、RS485等通訊接口。將該轉(zhuǎn)換器在自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備上試運(yùn)行，狀況良好。市面上的通訊電纜線是簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)線和電源線并接在一起，只能適用于軟件能夠識(shí)別不同序列號(hào)的CPU，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同可編程序控制器的數(shù)據(jù)鏈接。但由于某些品牌的可編程序控制器的編程軟件沒有這個(gè)識(shí)別功能，故目前市面上的轉(zhuǎn)接器只能針對(duì)某一品牌使用，不具有通用性。由于采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，本系統(tǒng)是通過對(duì)信號(hào)線進(jìn)行控制，不涉及編程軟件問題，因此本轉(zhuǎn)接器能夠適用不同品牌的可編程序控制器的數(shù)據(jù)鏈接。

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