一種基于單片機(jī)的小型可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院 陳新欣 鄧錦熾

一種基于單片機(jī)的小型可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院 陳新欣 鄧錦熾

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種小型可編程控制器，其核心控制器采用51單片機(jī)，整體可編程控制器系統(tǒng)包括：電源模塊、輸入/輸出模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊等，使得可編程控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊化、開放化。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠兼容多種不同類別的控制器，開放化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使用戶根據(jù)實(shí)際需要參與可編程控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；可編程控制器；開放化；模塊化

1.引言

目前，國內(nèi)外研發(fā)的可編程控制器，主要有兩種實(shí)現(xiàn)方案：

傳統(tǒng)可編程控制器：硬件電路部分由中央處理器、外圍電路、接口電路構(gòu)成。由于各個(gè)公司的可編程控制器產(chǎn)品的軟、硬件結(jié)構(gòu)體系是封閉的，其他系統(tǒng)的連接應(yīng)用就比較難。

現(xiàn)代可編程控制器［1］：硬件電路仍用中央處理器、外圍電路、接口電路的結(jié)構(gòu)，各個(gè)接口均采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的更為方便的被其他系統(tǒng)接受，大大增強(qiáng)了可編程控制器的開放性能。

高性能單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為研發(fā)可編程控制器的硬件電路創(chuàng)造了可能性。本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的、低成本的、模塊化的、開放的小型可編程控制器，選用STC89C51作為該可編程控制器的CPU，可實(shí)現(xiàn)邏輯輸入、輸出、通信等功能。

2.基于單片機(jī)的可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可編程控制器本質(zhì)上是一種專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，主要由中央處理器、輸入/輸出接口、存儲(chǔ)器等部分組成［2］。開放化的可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開放化可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 可編程控制器系統(tǒng)框圖

由圖1可知，本系統(tǒng)采用模塊化、開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要結(jié)構(gòu)為計(jì)算機(jī)、輸入/輸出接口、可編程控制器軟件包［3］。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以由不同內(nèi)核處理器開發(fā)的可編程控制器和其他種類可編程控制器組成。相應(yīng)內(nèi)核的可編程控制器被劃分為主處理模塊和各種功能模塊，這些控制設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接采用星形連接，選用這種結(jié)構(gòu)的好處是系統(tǒng)對(duì)用戶具有極大的開放性，系統(tǒng)可以兼容各種不同類型內(nèi)核的控制器，用戶也可以開發(fā)自己的可編程控制器加入到系統(tǒng)中，只要上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)兼容這種內(nèi)核的處理器就可以。

在本文中只對(duì)51內(nèi)核的可編程控制器展開設(shè)計(jì)，并開發(fā)如下方案：硬件部分選用高性能51內(nèi)核單片機(jī)STC89C51展開模塊化設(shè)計(jì)，將可編程控制器的結(jié)構(gòu)簡化為輸入/輸出模塊和各種功能模塊，并在其中廣泛采用濾波、隔離電路，降低成本的同時(shí)提高了硬件的穩(wěn)定性和抗干擾性。系統(tǒng)電路主要包括51單片機(jī)STC89C51RC、電源電路、時(shí)鐘復(fù)位電路、RS-232通信接口電路、USB通信接口電路、開關(guān)量輸入電路、繼電器輸出電路、晶體管輸出電路等。本文設(shè)計(jì)的可編程控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)部分關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

可編程控制器供電電源屬于多電源系統(tǒng)，其中涉及多種電源，有24V、5V、3.3V直流電源；220V、110V單相交流電源。其中，24V電源供開關(guān)量輸入電路、繼電器及晶體管輸出電路使用；5V電源供51單片機(jī)STC89C51和串口通訊芯片使用；3.3V電源供USB通信模塊的USB通信接口芯片PDIUSBD12使用；220V及110V交流電壓供外部交流負(fù)載使用。圖3所示為可編程控制器的電源電路圖。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)圖

3.2 開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入電路功能為采集現(xiàn)場各種傳感器、開關(guān)等的狀態(tài)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行處理。本文共設(shè)計(jì)了14路直流開光量輸入電路，其中一路開關(guān)量輸入電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直流開關(guān)量輸入電路

3.3 開關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸出電路是可編程控制器與工業(yè)現(xiàn)場連接的輸出媒介，可編程控制器通過該電路向外部執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。開關(guān)量輸出電路通常有晶體管輸出電路和繼電器輸出電路。本文中的開關(guān)量輸出電路采用了8路晶體管輸出和8路繼電器輸出。

3.3.1 晶體管輸出電路

晶體管輸出電路用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，它的工作頻率比繼電器高，輸出電流比繼電器小，而且一般需要設(shè)置保護(hù)電路，適用于對(duì)響應(yīng)時(shí)間及工作頻率要求比較高的場合。其中一路晶體管輸出電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 晶體管輸出電路

圖6 繼電器輸出電路

圖7 串行通信接口電路

3.3.2 繼電器輸出電路

繼電器適用于對(duì)工作頻率和動(dòng)作時(shí)間要求不高的場合，既可用于交流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，也可用于直流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。其中一路繼電器輸出電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.4 串行通信接口電路

可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間，可編程控制器與可編程控制器之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交換，是通過通信的方式實(shí)現(xiàn)的［4］。本文的設(shè)計(jì)中，為便于可編程控制器與上位機(jī)或其它設(shè)備之間的通信，設(shè)計(jì)了串行通信接口，如圖7所示。

4.結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)的僅是可編程控制器的一個(gè)雛形，基于51單片機(jī)內(nèi)核的可編程控制器模塊的硬件功能以及其它類型的可編程控制器有待進(jìn)一步開發(fā)，以形成一個(gè)開放性的、全面的系統(tǒng)?？删幊炭刂破鳟a(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，環(huán)境惡劣［5］，所以其抗干擾能力就顯得異常重要，在未來要進(jìn)一步完善硬件電路的設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

［1］楊錦尊.可編程控制器的特點(diǎn)及其發(fā)展動(dòng)向［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，（14）∶1-2.

［2］陳立定，吳玉香，蘇開才.電氣控制與可編程控制器［M］.廣州∶華南理工大學(xué)出版社，2003.

［3］藏國杰.可編程人機(jī)交互系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.浙江大學(xué)碩士論文，2006.

［4］謝敏.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2008，2-20.

［5］李濤.可編程控制器的干擾源分析及抗干擾措施［J］.山西冶金，2007.5∶42-43.