一種基于單片機的小型可編程控制器的硬件設計

廣東理工學院 陳新欣 鄧錦熾

一種基于單片機的小型可編程控制器的硬件設計

廣東理工學院 陳新欣 鄧錦熾

【摘要】本文設計了一種小型可編程控制器，其核心控制器采用51單片機，整體可編程控制器系統包括：電源模塊、輸入/輸出模塊、人機交互模塊、通信模塊等，使得可編程控制器的系統結構實現模塊化、開放化。本系統結構能夠兼容多種不同類別的控制器，開放化的結構設計可以使用戶根據實際需要參與可編程控制器系統的設計。

【關鍵詞】單片機；可編程控制器；開放化；模塊化

1.引言

目前，國內外研發的可編程控制器，主要有兩種實現方案：

傳統可編程控制器：硬件電路部分由中央處理器、外圍電路、接口電路構成。由于各個公司的可編程控制器產品的軟、硬件結構體系是封閉的，其他系統的連接應用就比較難。

現代可編程控制器［1］：硬件電路仍用中央處理器、外圍電路、接口電路的結構，各個接口均采用標準設計，使系統的更為方便的被其他系統接受，大大增強了可編程控制器的開放性能。

高性能單片機技術的發展，為研發可編程控制器的硬件電路創造了可能性。本文設計一種基于單片機的、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，可實現邏輯輸入、輸出、通信等功能。

2.基于單片機的可編程控制器系統結構

可編程控制器本質上是一種專門用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，主要由中央處理器、輸入/輸出接口、存儲器等部分組成［2］。開放化的可編程控制器系統結構如圖1所示。

圖1 開放化可編程控制器系統結構圖

圖2 可編程控制器系統框圖

由圖1可知，本系統采用模塊化、開放性的系統結構設計，其主要結構為計算機、輸入/輸出接口、可編程控制器軟件包［3］。硬件系統結構可以由不同內核處理器開發的可編程控制器和其他種類可編程控制器組成。相應內核的可編程控制器被劃分為主處理模塊和各種功能模塊，這些控制設備與計算機的連接采用星形連接，選用這種結構的好處是系統對用戶具有極大的開放性，系統可以兼容各種不同類型內核的控制器，用戶也可以開發自己的可編程控制器加入到系統中，只要上位機開發平臺兼容這種內核的處理器就可以。

在本文中只對51內核的可編程控制器展開設計，并開發如下方案：硬件部分選用高性能51內核單片機STC89C51展開模塊化設計，將可編程控制器的結構簡化為輸入/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，降低成本的同時提高了硬件的穩定性和抗干擾性。系統電路主要包括51單片機STC89C51RC、電源電路、時鐘復位電路、RS-232通信接口電路、USB通信接口電路、開關量輸入電路、繼電器輸出電路、晶體管輸出電路等。本文設計的可編程控制器硬件電路結構框圖如圖2所示。

3.系統部分關鍵電路設計

3.1 電源電路

可編程控制器供電電源屬于多電源系統，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 電源電路設計圖

3.2 開關量輸入電路設計

開關量輸入電路功能為采集現場各種傳感器、開關等的狀態信號，并將其轉換成標準的邏輯電平信號，送到單片機進行處理。本文共設計了14路直流開光量輸入電路，其中一路開關量輸入電路結構如圖4所示。

圖4 直流開關量輸入電路

3.3 開關量輸出電路設計

開關量輸出電路是可編程控制器與工業現場連接的輸出媒介，可編程控制器通過該電路向外部執行部件輸出相應的控制信號用以驅動執行機構。開關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動直流負載，它的工作頻率比繼電器高，輸出電流比繼電器小，而且一般需要設置保護電路，適用于對響應時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構如圖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

繼電器適用于對工作頻率和動作時間要求不高的場合，既可用于交流負載的驅動，也可用于直流負載的驅動。其中一路繼電器輸出電路結構如圖6所示。

3.4 串行通信接口電路

可編程控制器與計算機之間，可編程控制器與可編程控制器之間要進行數據和信息的交換，是通過通信的方式實現的［4］。本文的設計中，為便于可編程控制器與上位機或其它設備之間的通信，設計了串行通信接口，如圖7所示。

4.結束語

本文實現的僅是可編程控制器的一個雛形，基于51單片機內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一步開發，以形成一個開放性的、全面的系統。可編程控制器產品應用于工業控制領域，環境惡劣［5］，所以其抗干擾能力就顯得異常重要，在未來要進一步完善硬件電路的設計，以提高系統的抗干擾能力。

參考文獻

［1］楊錦尊.可編程控制器的特點及其發展動向［J］.現代電子技術，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∶華南理工大學出版社，2003.

［3］藏國杰.可編程人機交互系統的研究和開發［D］.浙江大學碩士論文，2006.

［4］謝敏.單片機應用技術［M］.北京∶機械工業出版社，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.