基于單片機與PLC聯合控制實驗平臺的設計

摘要：為提高學生對單片機技術和PLC技術應用能力的培養效果，單片機與PLC聯合控制實驗平臺被引入課程教學過程進行教學實踐研究。文章通過將該系統融入實際工程項目，學生能更加直觀地感受到單片機技術和PLC技術之間存在緊密聯系，實現二者之間的有效融合以及相互促進作用，同時讓學生在完成相關任務后，進一步鞏固所學的知識內容，并且提升其綜合素質水平。此外，教師也可利用網絡資源共享等方式，幫助學生拓展自身的視野范圍，促使其全面提高自身的專業知識儲備量及技能操作能力，促進其未來工作崗位適應性發展。

關鍵詞：單片機；PLC；聯合控制

中圖分類號：TP368.1-4；TP273-4

文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國科學技術水平的提高以及社會經濟的發展，國家對人才的需求越來越大。高校中，學生所學知識多是理論性較強的學科知識，并且多數需要進行大量實踐操作才能得到有效提升。為滿足現代化教學要求，教師可以通過利用單片機來實現自動化教學、智能化管理等功能，進而達到培養高素質應用型技術人才的目標。但目前大多數學校采用的仍然是以講授法和灌輸式教學方式為主的傳統教育模式，這種方式不僅不利于調動學生學習的積極主動性，同時還會導致課堂教學效率低下，無法充分體現出當前大學生們扎實的基礎知識素養，更加難以適應未來社會企業對復合型技能人才需求的變化趨勢。針對這一問題，建議從實際情況出發，將單片機與PLC相結合起來，使得整個教學過程變得更加靈活多樣，讓學生能夠根據自己的興趣愛好選擇合適的內容，從而提高學生的綜合能力水平。另外，在教學過程當中還應注重對學生創新思維能力的培養以及動手能力的鍛煉，從根本上提高學生的專業技能，最終促使其成為一名優秀的“雙師型教師”，為我國經濟建設和科學技術的發展做出應有的貢獻。隨著信息化時代的到來，這種新型的教學方式也得到進一步的完善，不僅可以有效提升教學質量，促進教育事業健康有序地發展，同時還可以幫助廣大青年學子樹立正確的人生觀和價值觀，進而實現自身價值，真正意義上滿足國家和人民的需要。本文以單片機與PLC聯合控制實驗教學平臺的設計為主來進行分析研究。

1 單片機與PLC聯合控制實驗平臺的優勢

（1）硬件結構設計合理。該實驗系統采用模塊化設計理念，將多個功能模塊有機結合組成一個整體，并且各功能模塊之間相互獨立又緊密相連，從而保證整個系統具有較高的靈活性和可擴展性；同時還可以根據實際需求進行擴展升級，以滿足不同領域對計算機控制設備的要求。（2）軟件結構簡單實用、易于操作。（3）擴展接口豐富，便于拓展。本實驗系統提供多種類型的外部設備驅動程序及相應的外圍電路，為后續開發奠定基礎。綜上所述，本文設計的實驗教學平臺不僅有效解決了傳統實驗室中存在的問題，而且也大大提高了教學質量，有利于培養出符合現代社會需要的應用型人才。

2 單片機與PLC聯合控制實驗平臺設計思路

針對傳統教學中存在學生動手實踐能力差等問題，本文提出一種基于嵌入式技術和單片機技術的聯合控制實驗教學方法。本文以智能家居系統為例進行分析說明，并對該系統的硬件電路設計及軟件編程部分做出詳細分析；然后通過Proteus仿真軟件建立一個簡單、穩定、可靠性高的人臉識別系統；最后利用Proteus軟件編寫相應程序實現對系統的控制。在單片機技術應用于自動化控制技術過程中，其主要是將計算機作為核心處理器，借助相關芯片來實現對各種信息數據的采集以及傳輸，從而完成對物體運動軌跡的計算。

3 PLC控制系統的硬件設計

3.1 PLC控制系統硬件設計原則

在進行系統硬件設計時須遵循以下4點原則。（1）安全性原則。由于本次實驗需要使用大量傳感器和執行元件等設備來完成對數據信息的收集工作，所以要確保整個系統具有較高的可靠性以及安全性能，才能保證實驗順利進行下去。（2）經濟性原則。在選擇PLC作為主控芯片時要考慮其成本問題，盡量選用價格低廉并且功能齊全的產品，這樣不僅能夠降低生產制造成本，還可以減少不必要的人力投入，從而提高生產率。（3）實用性原則。在進行實驗過程中所用到的所有元器件都應當滿足實際需求，同時還應結合實際情況采取相應措施避免出現故障。（4）模塊化原則。該實驗室所涉及的主要是一個小型計算機控制單元，內部結構上包括電源模塊、輸入輸出接口電路板、模擬量輸出接口電路板，這些電路板通過線束將各個部分連接形成一個完整的整體。因此，為使得各部分之間相互獨立又互不干擾，每一部分電路板都要有一定的靈活性，以便于實現不同類型的應用。

3.2 PLC控制系統硬件設計方案

對于如圖1所示的硬件系統，PLC系統的主要功能模塊包括輸入輸出模塊、模擬量輸出模塊、通信模塊^［1］。實際應用過程中，為保證各部分之間能相互協調配合，應合理設置各模塊之間的參數傳遞關系以及相應的邏輯關系。（1）根據上位機與下位機之間的連接方式來選擇不同類型的I/O點，如P0口為電源開關、P1口為復位按鈕、P2為定時器、P3為計數器等相關設備^［2］。（2）將需要執行的命令通過編程語言寫入寄存器，再由寄存器讀取這些信息，最后經過運算得到最終的結果^［3］。（3）接收到上位機發出的指令后，開始對數據進行處理。首先是判斷是否存在錯誤信息或者異常值，如果發現有誤則立即停止運行；其次是分析出數據的內容及格式，然后利用匯編程序編寫出正確的代碼，接著把這個程序傳送給PLC控制器，這樣就完成了一個完整的數據處理流程，從而實現了數據的有效傳輸。

3.3 PLC控制系統硬件模塊的選型

系統硬件電路設計過程中，要充分考慮實際應用環境和要求，根據不同的需求選擇合適的型號來完成相應的工作任務。比如溫度傳感器主要用來檢測溫度是否處于正常狀態，還可以通過它來實現對設備內部運行情況的監控；而繼電器則是用于接收、發送信號，從而使得整個系統能夠更加穩定地運轉^［4-5］。

3.4 硬件電路設計

該系統的電源部分是24 V DC電源，主要功能是滿足實驗教學的要求。在此基礎上，對各模塊進行合理的配置，以最大限度地發揮各部件的作用，并確保整個系統的穩定、可靠。在該系統中，CPU和I2C總線通信模塊分別從PLC的內存中接收指令，并將其轉換為數字信號后傳送給計算機；模擬量的輸入部分可以由外部的接口將其轉換成對應的模擬值。此外，本試驗臺對溫度的要求高，為保證室內環境的安全和溫度控制效果，須安裝相應的冷卻設備。實際使用中，可以根據用戶的需要，選用熱電偶、電阻等不同的傳感器，并通過計算機程序對其進行處理和分析。

3.5 硬件抗干擾措施

本系統采用雙絞線連接方式進行通信，因此需要對其進行屏蔽和接地處理。在電源電路中，為防止干擾信號進入PLC控制器內部，可以將輸出端的濾波電容設置得較大；同時還要保證輸出信號不會被其他電子設備影響。

4 PLC控制系統的軟件設計

4.1 PLC編程軟件的選擇

在編寫PLC編程時，應先確定其功能需求及硬件的結構特征；依據具體的條件，合理地設定程序所包含的參數；采用STEP6編寫梯形圖形程序，并對各個模塊進行調用，實現各模塊的接口和數據的交換；通過軟件的下載，實現了PLC的全部編程。本文以三菱S7-1200型PLC為主控單元，并設置配套裝置，故選擇S7-200PLC為主控制器。它體積小，可靠性高，安裝和調試方便，而且具有豐富的I/O點，能很好地適應不同的需要。編寫好程序后，要及時連接所需的輸入、輸出信號線路，以保證各功能模塊的正常工作。PLC發出相應的控制命令后，可以從PLC的輸出端直接讀出數據，然后通過內部計時器將脈沖信號送到D/A變換電路，最后得到一個模數或模數，然后由PLC處理器進行處理。

4.2 PLC控制系統的總體結構設計

該實驗臺主要由電源模塊、輸入模塊、輸出模塊和顯示模塊組成。其中，電源模塊為整個系統提供穩定的直流電源；輸入模塊負責接收傳感器信號并進行處理后將其轉換成模擬信號傳輸給PLC控制器。輸出模塊是整個系統的重要組成部分，具有多路開關量輸入輸出等多種功能，同時可以實現對各通道數據的采集以及存儲等功能；此外，本次設計采用STC89C52RCT6作主控芯片，通過串行接口UART與PC機上的SPI通信口相連接。SPI協議可直接讀取數據寄存器地址，從而完成數據通信工作，因此使用定時器計數法能夠加快程序運行速度。

4.3 控制系統的人機交互界面設計

該系統通過對上位機與下位機進行連接，可以實現人機界面之間、操作人員和設備之間的交互功能。具體來說，當上位機和下位機處于同一局域網絡時，可將其作為一個整體使用；而當兩者之間存在網絡隔離時，則需要分別設置相應的參數才能實現人機界面之間及操作人員和設備之間的交互功能。

5 系統硬件調試

對該系統進行硬件的調試發現，系統出現故障時，只需要將相應的數據傳送給上位機就能夠實現對整個程序代碼的修改和完善，并且不會影響到其他設備的正常運行。如果是外部原因導致的問題，需要重新啟動計算機來完成相關操作，會造成一定程度的浪費。

6 單片機與PLC聯合控制實驗平臺應用效果

針對目前高職院校學生動手實踐能力較差的現狀，本文以培養高素質技能型人才為目標，通過對傳統教學模式進行改革和創新，提出一種新型混合式教學模式。首先在理論課中引入PLC編程軟件，并結合課程內容設置相關實訓項目；其次利用單片機與PLC聯合控制技術構建虛擬仿真實驗環境，實現對實驗教學過程的實時監控、數據采集及處理分析等功能。該研究將PLC技術融入單片機控制系統，開發出一套集學習、訓練以及測試于一體的綜合性實驗系統。該實驗平臺能夠使學生更好地掌握PLC基本原理、指令代碼編寫方法以及程序設計技巧等基礎知識，從而有效提升學生的自主學習意識和實際操作水平。同時還可以讓學生提前熟悉各種類型的硬件設備，加深對各類知識點的印象，進而提高學生的專業技能。在計算機網絡工程專業教學改革背景下，為進一步提高課堂教學質量和效率，需要采用多種教學方法來激發學生興趣和積極主動參與度，以達到預期教學目標。單片機是一種廣泛應用于工業生產領域的高性能微型控制器，具有強大的數據處理能力、靈活的I/O接口、豐富的外設資源以及較強的擴展性等特點。

參考文獻

［1］郭穎，劉沛.一種PLC聯合控制小型播種機設計與應用研究［J］.農機化研究，2021（2）：107-109，138.

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［3］王冬梅，王秀玉.采用單片機控制半喂入水稻聯合收割機［J］.農業機械，2007（16）：82-84.

［4］孟惠艷，季術高.用單片機來控制半喂入式水稻聯合收割機喂入深淺調節裝置［J］.農業機械，2001（4）：71.

［5］曾曉安，周桂法.單片機控制的空-電聯合制動控制系統［J］.機車電傳動，1992（3）：18-22，43.

（編輯 李春燕）

Design of experimental platform based on single chip microcomputer and PLC

Zhang Huajun

（Nanjing Branch of Jiangsu United Vocational and Technical College， Nanjing 210019， China）

Abstract： In order to improve the training effect of students’ application ability of single chip microcomputer technology and PLC technology， the experimental platform of single chip microcomputer and PLC joint control is introduced in the course of teaching. In this paper， by integrating the system into the actual engineering project， students can more intuitively feel the close relationship between single chip microcomputer technology and PLC technology， so as to realize the effective integration and mutual promotion between the two. At the same time， students can further consolidate the knowledge content they have learned and improve their comprehensive quality level after completing the relevant tasks. In addition， teachers can also use network resource sharing and other methods to help students expand their scope of vision， prompt them to comprehensively improve their professional knowledge reserves and skills operation ability， and then promote their future job adaptability development.

Key words： single chip microcomputer; PLC; joint control