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AT89C51单片机控制的微型可编程控制器
[正文]:摘 要：介绍用at89c51单片机构成微型可编程控制器plc的设计思路、系统硬件配置和软件设计方法，最后给出此微型可编程控制器在水塔水位控制中应用的实例。
关键词：plc 单片机 扫描 控制 可编程控制器pc（programmable controller），为与个人计算机pc(personal computer)相区别，可简称为plc。
它是按照成熟而有效的继电控制概念和设计思想，用先进的单片机技术来实现i/o的实时检测和控制，可靠性高，编程简单、易学，因此，得到广泛应用。
将plc技术引进电工学、电力拖动课程，是课程建设现代化的重要措施。
在教学经费相对紧张的情况下，我们自己动手，以at89c51单片机为核心，设计并研制了ld型微型plc，应用于继电控制实验，取得了良好的效果。
用单片机构成的plc，实际上就是一个单片机测控系统。
用这样一个程序控制的计算机系统去执行继电控制的梯形图程序，由于继电控制梯形图中各被控电器之间是并行关系，而计算机程序控制中，各被控电器之间在时间上是串行关系，二者显然不协调。
若简单地像一般单片机测控系统一样，对梯形图各程序行依次实时采集输入端子状态，进行处理后实时输出，是达不到控制目的的。
为此，必须采用一次性采集全部输入端子状态，并将其存入输入缓冲区。
然后，按梯形图程序行的逻辑关系，从输入缓冲区读取相应输入端子状态，处理后将待输出的结果存入输出缓冲区。
最后,待梯形图程序行全部执行完毕，一次性将输出缓冲区的值输出到相应的输出端子，从而完成一个程序执行周期。
如此往复，自动进行下一轮的采集输入端子状态……。
这种工作方式即称为扫描方式，它将串行程序工作和电器并行工作两种关系协调了起来。
另外，单片机执行一条指令的时间是μs级，执行一个扫描周期的时间为几ms乃至几十ms。
相对于电器的动作时间而言，扫描周期是短暂的，可以认为在一个扫描周期内输入端子的状态是不变的，而对其状态变化的采集和处理也是实时的，从而满足了实时控制的要求。
系统硬件配置以at89c51（以下简称51）单片机为核心，如图１所示。
该单片机有4 kb闪存，不必扩展程序存储器，其4个i/o口共32个i/o引脚，都可供用户使用，其中p0.7~0.0，p2.4~2.0共13个脚经光耦隔离后连到相应的输入端子x07~x00，x14~x10。
可以用行程开关、液位开关、霍耳开关和手动按钮等进行输入。
开关接通时，相应引脚为"0"，取反后存入输入缓冲区。
p1.7~1.0共8个引脚用于输出控制：p1.i为"0"时，相应的pnp管导通，继电器ji线圈通电，其触点y5i接通，可驱动220 v/3 a的负载。
为了与pc机进行通信，系统扩展了rs-232c接口电路。
51单片机的rxd和txd信号经rs-232c电平变换后接至9芯插座。
由此可与pc机进行串行通信。
一方面，在编程状态时，可接收pc机上梯形图汇编程序编译结果的obj指令代码，并存入程序存储器；另一方面，在运行状态时，可将i/o口的状态和处理结果实时地发送给上位机。
程序存储器选用有spi接口的x25045芯片。
这是带可编程看门狗和电源监控功能的e2prom，有512字节，每字节可擦写10万次，数据可保存100年。
上电时自动提供200 ms高电平复位脉冲；有三种可编程看门狗周期；电源欠压，vcc降到转折点时，自动提供复位脉冲。
e2prom采用三线总线的串行外设接口spi，既节省了i/o口线和电路板空间，又降低了系统成本。
因此，该芯片是性价比极好的组合芯片。
软件设计分为pc机梯形图汇编程序编译软件和51单片机软件两部分。
前者用ibm-pc汇编语言编写，我们称之为plc编译软件。
本机中我们自己设计了一套td型plc的梯形图汇编语言指令系统，有ld/ldi、an/ani、or/ori、tm/tmi、cn/cni、ma/mai、out、jp/je和end等16条基本指令和x00~07、x10~14、y00~07、cn0~1、tm00~07、ma00~07、10~17等器件。
用它们来描述继电器梯形图，即设计梯形图汇编程序。
用全屏幕编辑软件将其输入到pc机，即建立了源程序文件。
然后用plc编译软件将其编译成plc目标程序文件（obj文件），并经串行通信口发送到单片机，由单片机将其写入e2prom。
51单片机软件由编程软件和运行软件组成。
编程软件主要有串行通信和写e2prom两个模块。
此时，须将面版上的手动开关设置p2.7="0"，单片机即处于编程状态。
当p2.7＝"1"时，单片机即处于运行状态。
运行状态的程序主要有： （1）输入端子采集模块 该模块两次采集p0口和p1口状态，结果全同时为有效，即将其存入输入缓冲区，否则重新采集。
用软件滤波的方法，提高了抗干扰能力。
（2）指令分析模块 该模块从000h地址开始，依次读取e2prom中的字节内容，先读出操作码，对其分析后转向相应的处理程序；接着读操作数，供处理程序操作，从而完成一条梯形图汇编指令的执行。
然后再读取下一条指令的操作码……。
遇到out指令时，将待输出的数据存入相应的输出缓冲区。
（3）输出模块 当cpu从e2prom中读到end指令的二进制代码时，表示一次扫描周期结束，即将输出缓冲区的内容一次性输出到p1口，从而完成输出端子的刷新。
该plc的应用可以用水塔水位控制的例子来说明。
图2(a)是硬件接线图，sb1/sb2是启动/停止按钮；sac是水池液位开关：水浸到时接通，无水时断开；sah、sal分别是水塔的高低液位开关；m是水泵电机。
图2(b)是继电器梯形图，图2(c)是继电器汇编程序，即td型plc源程序。
其中y50是plc输出端子，我们将它的软件触点y50作为水位上升或下降的标志：y50＝"0"，表示电机已停，水位下降，此时sal虽已接通，但电机不动作；y50＝"1"，表示电机正在抽水，水位上升，此时sal接通，电机通电，继续抽水，直到高水位。
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