基于C8051F的PLC實訓模擬器的研發

唐岳富

椒江職業中等專業學校 浙江臺州 318000

基于C8051F的PLC實訓模擬器的研發

唐岳富

椒江職業中等專業學校 浙江臺州 318000

介紹以SOC型單片機C8051F020為核心，LED單元板為顯示單元的PLC實訓模擬器的研發。通過硬件電路設計和匯編語言平臺的軟件設計，實現PLC實訓模擬器的集成化、動態化和自動化。

模擬器；單片機；接口電路；匯編語言

目前教儀企業為職業學校提供的PLC實訓設備都是多個實訓模擬單元的組合式設備。各實訓單元畫出PLC被控對象的圖案，但不能模擬動作過程；用開關或按鈕模擬行程開關和各種傳感器的信號，但無法實現信號的自動產生。

將LED顯示及驅動技術和C8051F單片機技術相結合，可將幾十個實訓模塊集成其中，實現PLC被控對象動作過程的模擬，并實現行程開關和各種傳感器信號的自動產生。

1 模擬器概述

采用SOC型8位單片機C8051F020對PLC的控制對象進行模擬。通過選擇模塊號對集成其中的模塊進行選擇使用。通過單片機對其輸出端口的控制自動產生各種限位開關、位置傳感器等信號。采用64點×64點的LED顯示屏作為單片機的顯示裝置，通過單片機對顯示數據的不斷刷新動態模擬運動過程。輸入輸出端口采用光耦隔離，對核心部件C8051F020進行保護。將PLC、單片機、LED顯示屏、小鍵盤及電源進行一體化設計，使模擬器具有體積小、能耗低、功能強、性價比高的特點。

2 模擬器硬件設計

2.1 模擬器的硬件構成

模擬器的硬件主要由單片機、LED顯示屏、鍵盤、PLC、輸入/輸出接口電路和電源6部分構成，如圖1所示。單片機與LED顯示屏、鍵盤、PLC通過輸入/輸出接口電路實現通信與控制，輸入/輸出接口電路的設計是硬件設計的重點。

2.2 模擬器的硬件選型

PLC在目前教學中的主流機型之一是三菱的FX2N系列，并考慮到繼電器輸出型能適應交直流2種電源且不易損壞，選用三菱FX2N-32MR。

圖1 模擬器硬件構成框圖

LED顯示屏既要滿足顯示的需要，又要兼顧單片機的速度和Flash存儲器的容量，選用2塊08接口的Φ3室內紅綠雙基色單元板，可實現3種顏色的顯示，具有64點×64點像素，一屏顯示數據為1 KB，規格為128 mm×256 mm，大小適宜。

8位單片機通過輸入/輸出端口實現與PLC、LED顯示屏、鍵盤的聯系，與PLC聯系需2個8 bit輸入端口和2個8 bit輸出端口，與LED顯示屏聯系需2個8 bit輸出端口，與鍵盤聯系至少需1個8 bit輸出端口，共計至少7個端口。每個模塊的程序容量1～2 KB，數據容量至少1 KB，20個模塊的總容量在32 KB以上。單片機選擇具有P0～P7共8個8 bit輸入/輸出端和64 KB Flash的C8051F020。C8051F020最高速度可達25 MIPS，完全能滿足LED 60屏/秒以上的刷新要求。

電源模塊根據容量和電壓值直接選用通用的開關電源S-50-5（單電壓輸出50 W/5 V），單片機的電源由ASM1117實現＋5 V到＋3.3 V的轉換來提供。

2.3 輸出接口電路設計

根據C8051F020輸入/輸出端口的特點，低端口（P0～P3）可進行位操作，配置為輸出端口，只能字操作的高端口（P4～P7）配置為輸入端口，以方便編程。

與LED單元板連接的端口按照LED單元板的08接口標準進行設計。即1-GND，2-A，3-GND，4-B，5-GND，6-C，7-EN，8-D，9-R1，10-G1，11-R2，12-G2，13-GND，14-RCK，15-GND，16-SCK。將上下兩屏的紅、綠數據合并為8位數據總線，其他信號端合并為8位端口兼作控制總線和地址總線，實現串并行混合傳輸。

與PLC輸入連接的輸出接口電路，采用光耦TLP521-4進行光電隔離，對C8051F020的輸出端口進行保護。為了FX2N-32MR的輸入類型相匹配，將輸出接口電路設計為NPN型。圖2為輸出接口電路的局部原理圖。

其中限流電阻RN3的選擇：

R=(VOH-VF)/IF=(3.3-0.7-1.15)/0.004 Ω=360 Ω。

2.4 輸入接口電路設計

與PLC輸出連接的輸入接口電路，采用光耦TLP521-4進行光電隔離，對C8051F020的輸入端口進行保護。盡管FX2N-32MR的輸出是繼電器，對模擬器的輸入端口類型沒有要求，但考慮到與FX2N-32MT兼容，輸入端口設計成NPN型。圖3為輸入接口電路的局部原理圖。

其中限流電阻RN2的選擇：

鍵盤設計為12位獨立鍵盤。12位鍵名分別是0～9數字鍵、Unit鍵和Enter鍵。其中Unit鍵為模塊選擇鍵，Enter鍵為確認鍵。因硬件資源還有2個8 bit輸入/輸出端口可供鍵盤使用，為了方便軟件設計，不采用矩陣鍵盤方式，采用獨立鍵盤方式。在模塊選擇界面的0～9數字鍵和在各實訓模塊界面的PLC控制按鈕鍵通過輸入/輸出接口電路和軟件實現共享。圖4為鍵盤及接口電路的原理圖。

3 模擬器軟件設計

3.1 軟件設計規劃

模擬器規劃集成20多個實訓模塊，采用匯編語言編程的程序總長度接近64 KB，即使生成代碼效率很高的KEIL公司C51生成的代碼也無法滿足要求，所以只能采用效率最高的匯編語言來編程。

軟件劃分為初始化程序、封面程序、模塊號輸入程序、模塊號無效提示程序、模塊選擇程序、模塊1程序～模塊N程序。圖5為程序總流程圖。

3.2 程序設計——機械手模塊物塊二維運動動態效果的軟件實現

整個程序比較龐大，不能逐一進行討論，但每個模塊的程序設計具有一定的共性，舉一可以反三。各種限位開關、位置傳感器等信號的自動產生，只要對輸出端口的相應位進行SETB操作或CLR操作即可實現（如SETB P3.0或CLR P3.0）。由于運動物體動態效果的實現是軟件設計中的難點并具有代表性，所以僅選取機械手模塊中的物塊二維運動的軟件設計進行討論。

1）模塊簡介。圖6為機械手模塊的界面，機械手能夾住或松開物塊并可上下左右運動，實現將物塊從一處搬運到另一處。物塊被機械手夾住后，隨機械手在顯示平面內作二維運動。

2）程序設計思路。設置片內RAM二個單元分別為X（左右方向）、Y（上下方向）坐標，根據機械手的狀態及位置對物塊坐標進行處理；根據X、Y的坐標計算物塊的地址，計算公式為：地址=原點地址+X坐標×#01H+Y坐標×#40H。刷新物塊所在地址的顯示數據，調用顯示子程序按刷新后的數據進行顯示。

3）程序流程。圖7為機械手模塊物塊運動程序的流程圖。

4）程序清單。

4 結束語

開發成的箱式PLC實訓模擬器如圖8所示。學校采用自主研發的PLC實訓模擬器建設一個擁有25臺模擬器的PLC實驗室，使用過程中穩定性良好。目前已開發集成14個實訓模塊，分別是電機控制模塊、東方明珠之光控制模塊、交通信號燈控制模塊、電梯控制模塊、數碼管控制模塊、搶答器控制模塊、水塔水位控制模塊、多種液體混合控制模塊、機械手控制模塊、傳送帶配料裝車控制模塊、燈墻控制模塊、二維運動控制、加工中心控制模塊、電鍍生產線控制模塊。由于實現各種限位開關、位置傳感器等信號的自動產生，PLC的自動化控制過程更加逼真。同時實現運動過程的動態模擬，PLC自動化控制過程更加形象。

研發過程中發現，由于顯示單元的像素只有64點×64點，難以模擬圓弧軌跡的物體運動的動態效果。PLC的通訊、模擬量控制實訓功能有待在下一版本研發。

[1]張迎新,雷文.C8051F系列SOC單片機原理及應用[M].北京∶國防工業出版社,2005

[2]靳桅,鄔芝權,李騏,劉全.基于51系列單片機的LED顯示屏開發技術[M].北京∶北京航空航天大學出版社,2009

Design of PLC Training Simulator on C8051F020

Tang Yuefu

It introduces the design of the PLC training simulator, which takes SOC MCU C8051F020 as the core and uses LED modules as the display unit. With the design of the hardware circuit and assembly language software，the PLC training simulator can be more integrated, dynamic and automatic.

simulator; microcontroller; interface circuit; assembly language

Author’s address Jiaojiang Secondary Vocational School, Taizhou, Zhejiang, China 318000

TP391.9

B

1671-489X(2011)03-0083-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.083