基于單片機的可編程邏輯控制終端設計研究*

陳永昕，陳洪寶

（1.吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013；2.吉林石化公司有機合成廠電氣車間，吉林 吉林 132000）

智能家居等物聯網應用環境中的基本控制會經常需要開關量控制，比如電燈、水泵、電磁閥控制流體流通和截止的情況。目前，常見的策略是應用嵌入式技術設計制作控制主板，完成網絡通信和開關量甚至模擬量的采集及控制。這對開發者的要求較高，需要具有嵌入式技術基礎，能夠進行高級語言程序編寫，能夠完成通信任務，并同其他控制計算機或者網絡終端進行通信，實現網絡控制。為了降低開發簡單開關量控制系統的技術難度，本設計給出了一種簡易的終端硬件解決方案，其中重點介紹可編程邏輯控制終端的設計實現方案，能夠滿足物聯網技術應用中簡單開關量的控制需求。

1 方案總體設計

可編程邏輯控制終端采用宏晶科技公司生產的增強型51單片機作為控制核心，電路板配有RS232通信接口，由串口傳遞控制信息，實現開關量控制。電路板整體框圖如圖1所示[1]。

軟件編程通過傳統單片機編程軟件進行編寫，可以使用C語言或者匯編語言，但這兩種語言要求技術人員有較好的編程基礎。相對這類代碼語言，PLC編程使用的梯形圖更容易被工程人員接受。本設計方案編程實現途徑計劃采用梯形圖對功能程序進行編寫[2]。

2 硬件系統設計（電路原理圖設計）

2.1 單片機最小系統設計

控制核心選擇STC12C5616AD直插式窄體封裝28腳單片機，時鐘電路晶振采用11.059 2 MHz晶振配合30 pF瓷片電容。電源電路使用LM7805將12 V直流電壓降壓為5 V，對單片機系統供電[3]。具體串行口通信接口電路圖如圖2所示。

2.2 通信接口電路設計

使用MAX232芯片進行通信接口電路設計，將單片機串行口轉為232電平，通過九針串口接口同上位機系統進行連接。具體電路圖如圖3所示。

圖3 RS232通信接口電路

2.3 開關量輸出驅動電路設計

開關量輸出部分電路本方案中采用機械繼電器進行實現，單片機對繼電器的驅動選用ULN2003芯片，該芯片本質上是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN復合晶體管組成，每一對達林頓都串聯一個2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。每個芯片可以支持七路繼電器，在本方案的硬件電路中需要14路繼電器開關量輸出，因此需要兩片ULN2003芯片[4]。具體芯片和單片機連接關系如圖4所示。

圖4 ULN2003芯片與單片機連接關系圖

2.4 開關量輸出及指示電路設計

以第4組繼電器開關量輸出電路為例進行介紹，具體電路圖如圖5所示，圖中K4為機械繼電器，線圈輸入端并聯電路中有一個泄放二極管和一個工作指示發光二極管。繼電器輸出端直接連接四位接線端子，可輸出控制直流或交流0～380 V電壓的通斷任務。

圖5 開關量輸出及指示電路

圖6 完整電路原理圖

2.5 電路圖整體設計

結合上述局部電路設計，按照總體硬件系統框圖機構設計電路圖，整個電路外接口能夠支持14路繼電器開關量輸出，通過RS232串口給入控制命令，可以和PC電腦上位機、組態觸摸屏等多種串口通信設備進行完成控制命令的輸入。在RS232接口上連接無線通信轉換模塊，可以完成無線聯網開關量可控制[5]。

2.6 電路板設計

PCB電路板布局：本設計使用的是Altium designer軟件，在電路圖中添加元件，封裝后導入PCB電路板圖文件，在機械層和禁止布線層繪制電路板邊框，然后將所有元件封裝合理布局到電路板外框中。在PCB繪圖界面中元件封裝布局如圖7所示。

圖7 PCB元件封裝布局

封裝布局時注意元件擺放整齊和周邊相連元件的方向，方便進行布線時線路走向美觀、線路距離短。

電路板布線、覆銅：在布線規則中設定開關量輸出信號線線寬60 mil，其他電路板信號線線寬20 mil，按照雙層布線，在PCB繪圖界面菜單欄執行“Auto Route->All...”，在彈出窗口上點擊右下角Route All按鈕完成自動布線；最后需要在頂層和底層進行覆銅，覆銅和GND網絡連通。覆銅形狀及位置如圖8所示。

圖8 PCB電路板圖繪制效果

圖8頂層和底層覆銅大小及位置要一致，并且電路板兩側的覆銅需要分成兩部分，直流電路部分和交流部分覆銅分開。防止通斷交流信號干擾直流電路。

3 軟件設計

3.1 編程方法

該邏輯控制器程序編寫可采用C語言、匯編語言這類代碼語言，通過單片機開發環境進行程序編寫，但對工程人員編程技術要求較高。本方案中重點介紹的是一種使用PLC梯形圖編寫單片機程序的解決方案[6]。PMW2HEX軟件是一種將三菱PLC梯形圖轉成51單片機HEX文件的工具軟件[7]。該軟件新版本除對基本開關量梯形圖指令有支持外，在串行口通信和ModBus總線協議上都有側重支持，而增加的WIFI模塊功能的支撐，也使得PLC梯形圖編程方法在物聯網終端應用上有了更好的支持。同時，該軟件在STC8、STC15和STC12系列單片機梯形圖編程上都有支撐。

該轉換軟件的應用界面如圖9所示，通過界面上“PLC I/O端口映射”區域進行端口對應設置，單片機的I/O引腳和PLC進行一一對應設置，便于轉換后邏輯輸入輸出關系之間的對應。此處對梯形圖指令的使用不再進行贅述[8]。

圖9 PMW2HEX轉換軟件界面

由于使用三菱PLC兼容指令，對工業組態軟件有了更好的支撐，比如技術人員可以使用MCGS或者組態王這類工業組態軟件完成上位機人機界面程序的編寫或者直接使用工業HMI設計觸控人機界面[9]。

3.2 通信協議設計

有些項目應用環境數據傳輸較為簡單，不需要或者工程師不期望使用較為復雜的工業通信協議，比如工程技術人員自行編寫上位機軟件，為了保障通信控制命令穩定，就需要自行編寫串行口通信數據協議。這里介紹一種簡易通信協議設計方法[10]。

一個協議幀由包頭、地址、數據段、校驗位和包尾5個部分組成。

例如：如表1所示，包頭、地址和包尾都為一個字節的十六進制數，數據段可以根據實際需要定義數據長度，這里電路板上有14路開關量輸出接口，定義14個字節。校驗位是兩字節十六進制數，用于存儲地址、數段所有十六進制數求和。第一個字節存儲求和高八位二進制數，第二個字節用于存儲求和后的第八位二進制數。發送端和接收端根據協議定義，對每次接收的數據幀重新做一次求和，然后同接收道德校驗位進行比較，數值一樣說明接收的數據無誤。

表1 協議幀數據格式

4 結論

通過上述內容介紹，給出了一種可編程邏輯控制終端的簡易實現方案。對于一些簡單開關量控制終端，使用成品PLC來做成本相對較高，使用傳統單片機制作硬件系統開發難度又相對較大，本設計中提供的實現方案既降低了開發難度，又能穩定保障簡單邏輯控制在民用和工業中的應用。本方案中設計硬件終端實物照片如圖10所示。該控制板目前已經用于會議室窗簾和投影幕的開關控制上，實現了會議室投影模式和普通模式的切換功能。

圖10 可編程邏輯控制終端實物圖