1、 基于單片機(jī)的plc工控模塊的研究設(shè)計(jì)綜述可編程序控制器是在繼電器控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制裝置。它是將微型計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)及通信技術(shù)融為一體，應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域的一種高可靠控制器。隨著現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的日益提高及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程序控制器已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要支柱，plc 裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本裝置。作為邏輯控制的控制器，它以其高可靠性,邏輯功能強(qiáng)大、體積小，可在線修程序，易于與計(jì)算機(jī)接口，能對(duì)模擬量進(jìn)行控制等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。目前，無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，還是自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

2、；無(wú)論是新建工程項(xiàng)目，還是舊設(shè)備的技術(shù)改造，都可以看到plc 的身影。作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，30 多年來(lái)，plc 從無(wú)到有，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備簡(jiǎn)單控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。可編程控制器已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備長(zhǎng)期以來(lái)，plc始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非常可靠的控制應(yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要。另一方面，plc還必須依靠其他新技

3、術(shù)來(lái)面對(duì)市場(chǎng)份額逐漸縮小所帶來(lái)的沖擊，尤其是工業(yè)pc所帶來(lái)的沖擊。plc需要解決的問(wèn)題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開(kāi)放性和價(jià)格。 與此同時(shí)，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制器以各種各樣的形式滲透到人們的生產(chǎn)、生活、科研等各個(gè)領(lǐng)域，為人類(lèi)帶來(lái)了滲透到各個(gè)領(lǐng)域的“智能”。 單片機(jī)是整個(gè)智能控制器的核心，檢測(cè)和控制電路是單片機(jī)的外圍設(shè)備，單片機(jī)通過(guò)接口發(fā)出各種控制信息給檢測(cè)電路，以規(guī)定功能、啟動(dòng)測(cè)量、改變工作方式等。當(dāng)檢測(cè)電路完成一次測(cè)量后，單片機(jī)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的加工、計(jì)算、變換等處理，最后以各種方式輸出，例如輸出給繼電器、輸出給系統(tǒng)的主控制器等。利用單片機(jī)的生產(chǎn)plc工控模塊，可以解決plc工業(yè)控制上

4、的幾大問(wèn)題。第一，解決了plc的開(kāi)放性的難題，plc 缺點(diǎn)之一就是它的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開(kāi)放的，如專(zhuān)用總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、i/o 模塊更互不通用，幾乎各公司的plc 均互不兼容，同時(shí)，每一個(gè)plc的生產(chǎn)廠家都有自己的plc控制編寫(xiě)語(yǔ)言，這讓可以科研人員在處理不同廠家的plc控制器時(shí)都頭痛不已，但是利用單片機(jī)生產(chǎn)的plc工控板則不會(huì)遇到此類(lèi)問(wèn)題，由于大部分科研人員都已熟練掌握了c語(yǔ)言、vb等編程語(yǔ)言，不存在修改編寫(xiě)程序的障礙，因此，可以順利的調(diào)試下位機(jī)使其達(dá)到自己的控制要求，第二，解決了plc價(jià)格昂貴的問(wèn)題，一些科研項(xiàng)目的建設(shè)完全沒(méi)有必要采用plc、dcs等動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)元的控制

5、系統(tǒng)作為一次性的試驗(yàn)投入，在一些小的控制項(xiàng)目，完全可以用基于單片機(jī)的plc工控模塊來(lái)代替，而且花費(fèi)只是幾百元左右。基于單片機(jī)的plc控制器能執(zhí)行邏輯控制、順序控制、定時(shí)、記數(shù)等操作指令.與標(biāo)準(zhǔn)plc的不同點(diǎn)是它屬于較直視操作的plc，一般plc在編程時(shí)常以號(hào)碼代替，單片機(jī)plc工控板則以c語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程方式導(dǎo)。單片機(jī)plc工控板功能強(qiáng)大，可取代復(fù)雜的繼電器組合，也可作為plc市場(chǎng)的另一種選擇，還可頂替plc控制不是非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，非常適合于作小型控制（如機(jī)床、樓宇控制、小型機(jī)械、廣告霓虹燈等），不但減省了產(chǎn)品的空間也控制了產(chǎn)品的成本。此次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的plc工控模塊

6、，要求有信號(hào)輸入8個(gè)口（光電隔離），8個(gè)輸出口（6組繼電器2組雙向可控硅），定時(shí)器2組，計(jì)數(shù)器2個(gè)，溫度檢測(cè)口1個(gè)，模擬量檢測(cè)口1個(gè)，pwm脈寬調(diào)制口1個(gè)，強(qiáng)制復(fù)位口1個(gè)，中斷控制口1個(gè)，高速脈沖輸出口2個(gè)，具有輸入輸出狀態(tài)指示。單片機(jī)plc工控板特點(diǎn)是：從小系統(tǒng)做起盡量精而小、容易上手,、施工簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境要求不高，；電源僅需使用一般整流濾波電源既可,范圍在9v-32v，使用感性負(fù)載,如繼電器或是電磁閥(油壓或是氣壓)動(dòng)作電流在0.35a以內(nèi)的，僅需使用”一般電阻”既可隨意從既有電源取用電源.(可參考i/o說(shuō)明)，可帶電拔插,不會(huì)損壞,方便省工，以一片單片機(jī)為核心，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用、易用、可

7、靠的單片機(jī)的工控硬件平臺(tái)。滿足哪些具有單片機(jī)基礎(chǔ)的工控技術(shù)人員使用，適用于哪些輸入輸點(diǎn)數(shù)小的控制場(chǎng)合，在小的應(yīng)用場(chǎng)合完全可以代替小型的plc，同時(shí)也具有plc的一樣的靈活。關(guān)鍵詞單片機(jī)；plc；工業(yè)控制based on the mcu plc control module research and designsummary the programmable controller in the control relay is generated based on a new type of industrial control devices.it is a miniature comput

8、er, automation technology and communication technology com., applied to the industrial control field of a high reliable controller.with the development of modern social production development and technical progress, modern industrial production automation level increasing and the rapid development o

9、f microelectronic technology, programmable logic controller has become the important pillar of contemporary industrial production automation, plc device has become the basic unit of automation system.as the logic control of the controller, with its high reliability, strong logic functions, small siz

10、e, can be on-line repair procedures, easy to interface with the computer, can for analog control system has been widely used in various industrial production automation control field.at present, whether it is from the introduction of automated production lines, or its own production design of the au

11、tomatic control system; whether it is new or old project, the technical reformation of equipment, can see the figure of plc.as general industrial control computer, for over 30 years, plc from scratch, to achieve the industrial control field of logical connection to the storage logical leap; its func

12、tion from weak to strong, realizes the digital control logic to control the progress of its application fields; from small to large, the realization of a single simple equipment control to do motion control, process control and distributed control and other the task span.the programmable controller

13、has become the mainstream of control equipment in industrial control field long-term since, plc has always been in the field of industrial automation control of the main battlefield, for various automation control equipment provides a very reliable control application.the main reason, lies in its ab

14、ility to provide automatic control application to provide safe and reliable and relatively perfect solution, suitable to the current industrial business needs for automation.on the other hand, plc also must rely on other new technology to face the market share gradually reduce the impact, especially

15、 the impact of industrial pc.plc needs to solve the problem still is the adoption of new technology, open system and price. at the same time, the single-chip microcomputer as the core controller formed by various form penetrated into peoples production, life, scientific research and other fields, fo

16、r the human has penetrated into all fields of the intelligent.scm is the intelligent core of the controller, a detection and control circuit is a single chip peripheral equipment, through the single-chip interface sends control information to the detection circuit, to required function, start, chang

17、e the way of work measurement.when the detection circuit to complete a measurement, single-chip read measured data, the necessary processing, calculation, transform processing, the last in a variety of ways, such as output, output to the relay output to the system main controller.the use of single-c

18、hip production plc industrial control module, can solve the plc industrial control on several major problems.first, to solve the problem of plc open, plc defect is one of the soft, hardware structure of the system is a closed rather than open, such as a dedicated bus, communication networks and prot

19、ocols, i/o module are not common, almost every company plc are incompatible with each other, at the same time, every plc manufacturer have their own plc control language, which allows researchers to deal with different manufacturers plc controller are headache, but the use of single-chip plc product

20、ion control board is not encountered such problems, because the majority of scientific research personnel have to master the c language, vb programming language, there is no modification program barriers, therefore, can be successfully debug machine so as to achieve its own control requirements, sec

21、ond, to resolve the plc expensive problem, some research projects need not using plc, dcs tens of thousands or even hundreds of thousands of yuan at the control system as a disposable test inputs, in some small control program, can be used based on the mcu plc control module to replace, but spent on

22、ly a few hundred yuan.based on single chip plc controller can implement logical control, sequence control, timing, counting operation instruction and standard plc different is that it belongs to a direct operation of the plc, the general plc in programming from time to time to number instead, scm pl

23、c control board by c language and assembly language programming guide.singlechip plc control board is powerful, can replace the complicated relay combination, but also can be used as plc market is another option, but also can replace the plc control is not very complex motion process, very suitable

24、for small control (such as machine tools, building control, small machinery, advertising neon lights), not only saves the product the space also control the cost of the product. this design task is to design a plc based on single chip processor control module, signal input requirements have 8 mouth

25、(photoelectric isolation), 8 output ports (6 relay 2 groups of two-way silicon controlled rectifier), 2 groups of 2 timer, counter, temperature detecting port 1, imitate quantity examination mouth 1, pwm pulse width modulation of mouth 1, a forced reset port 1, interrupt control port 1, high speed p

26、ulse output port 2, with input and output status indication.singlechip plc control board is characterized by: from start to finish and small system, easy to use, simple, construction, environmental requirements is not high, only the use of general rectifier; power supply power supply filtering can,

27、in the range of 9v-32v, the use of inductive load, such as a relay or solenoid valve (hydraulic or pneumatic) action current in 0.35a or less, only the use of general resistance can move from both power and power. (see i/o), can be charged and, without damage, convenient and labor, to a single chip

28、as the core, to construct a simple, practical, easy to use, reliable single-chip computer hardware platform.meet which has microcontroller based control technology, which applies to input points of small control occasions, in small applications can completely replace the small plc, also has the same

29、 flexible plc.keywords single chip microcomputer;plc; industrial control1 緒論1.1選題背景近年來(lái)自動(dòng)化控制領(lǐng)域日新月異，諸如plc、dcs、pac等控制系統(tǒng)層出不窮，但是諸如此類(lèi)的控制系統(tǒng)的應(yīng)用需要相對(duì)昂貴的成本，一方面為了方便客戶使用，控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家極力推行自己的編程語(yǔ)言，而在科研領(lǐng)域，大部分科研人員都已熟練掌握了c語(yǔ)言、vb等編程語(yǔ)言，一些科研項(xiàng)目的建設(shè)完全沒(méi)有必要采用plc、dcs等動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)元的控制系統(tǒng)作為一次性的試驗(yàn)投入。因此完全可以開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制采集系統(tǒng)，成本不足千元，并且可以滿足相

30、當(dāng)一部分工業(yè)控制采集系統(tǒng)的需要1.1.1 選題目的工業(yè)控制目前是大有可為的領(lǐng)域之一。在各種各樣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觀察一下，幾乎沒(méi)有什么地方看不到工業(yè)自動(dòng)化控制的設(shè)備。在這些設(shè)備中，往往大量應(yīng)用plc，從編程的角度來(lái)看，這些plc所要完成的功能非常簡(jiǎn)單，如果用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，那是輕而易舉的。如果一定要做一個(gè)明確的說(shuō)明的話，可以這么說(shuō)：可能只要幾十個(gè)字節(jié)的程序量就能完成那些plc所要完成的功能。如果你了解這臺(tái)機(jī)器的工作流程或者你就是這樣一臺(tái)機(jī)器的操作者，又略懂一些單片機(jī)，那么這樣的程序完全可以寫(xiě)出來(lái)。可是，那里沒(méi)有用到單片機(jī)，而是用的plc，為什么呢？關(guān)鍵在于可靠性！工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的苛刻要求，不要說(shuō)是初學(xué)者

31、，就是富有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者，往往也覺(jué)得頭痛。一臺(tái)設(shè)備數(shù)十萬(wàn)或更貴，設(shè)計(jì)者當(dāng)然不愿意承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)去用單片機(jī)控制板，而是寧愿先用貴一些的plc。但plc畢竟是昂貴的，如果有把握用單片機(jī)控制板來(lái)替代，肯定會(huì)有市場(chǎng)，這在一定程度上會(huì)大大減少研究經(jīng)費(fèi)。單片機(jī)工業(yè)控制板就是為這樣的應(yīng)用而度身定做的本次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是學(xué)習(xí)和運(yùn)用單片機(jī)的c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，通過(guò)現(xiàn)有焊接已有器件，實(shí)現(xiàn)利用單片機(jī)stc12c5a60s2對(duì)繼電器的控制，并且可以通過(guò)接受收外接鍵盤(pán)輸入而在輸出端輸出不同信號(hào)。可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)以及對(duì)模擬量的檢測(cè)等多項(xiàng)功能。本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備在成本交低廉的前提下完成，使用的都是廉價(jià)的器件，主要是使用單片機(jī)stc12c

32、5a60s2，性能指數(shù)都不是很高，通過(guò)該課題的設(shè)計(jì)掌握以stc12c5a60s2為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)掌握設(shè)計(jì)單片機(jī)工業(yè)控制板的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程；培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的基本知識(shí)、基本理論和基本技能的能力，學(xué)習(xí)解決一般工程技術(shù)和有關(guān)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的基本方法，完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合訓(xùn)練。1.1.2 本課題的研究現(xiàn)狀隨著工業(yè)控制自動(dòng)化的普遍應(yīng)用，plc控制器的使用量逐年增大。進(jìn)口plc模塊功能強(qiáng)大，基本滿足了各種需求。但其價(jià)格也相當(dāng)昂貴。在一些小型化大量化應(yīng)用場(chǎng)合一款廉價(jià)實(shí)用的plc模塊具有很高的實(shí)用價(jià)值。單片機(jī)工業(yè)控制板就是為這樣的應(yīng)用而度身定做的。不過(guò)，在工作

33、現(xiàn)場(chǎng)中我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)很難發(fā)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)單片機(jī)設(shè)備的蹤影，尤其是介入控制部分的，幾乎都是國(guó)外的產(chǎn)品一統(tǒng)天下。在解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重、單片機(jī)系統(tǒng)工作不可靠的問(wèn)題上國(guó)內(nèi)有了一些經(jīng)驗(yàn)，所做的一些產(chǎn)品、系統(tǒng)都能可靠地運(yùn)行于各種工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。要能夠做好工控產(chǎn)品，關(guān)鍵是對(duì)控制對(duì)象的理解，同樣，工業(yè)品的抗干擾處理也是如此。單片機(jī)用于工業(yè)設(shè)備控制的條件已成熟，具體有這樣的一些表現(xiàn)：1 單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具日益成熟目前，手提電腦的價(jià)格已日漸平民化，二手手提電腦的價(jià)格更低，因此，將手提電腦帶到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已不再是奢望。優(yōu)秀的單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件如keil的出現(xiàn)使得 “軟件仿真寫(xiě)片驗(yàn)證”成為一種重要的開(kāi)發(fā)方式。2單片機(jī)的新特性也為其工業(yè)

34、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用創(chuàng)造了條件目前，單片機(jī)的品種不斷增加，新的單片機(jī)加入了很多新特性，如內(nèi)部ram、flash、rom的增加等，為高級(jí)語(yǔ)言的普遍使用創(chuàng)造了條件；幾乎都有isp（在線編程）的功能，便于采用“軟件仿真寫(xiě)片驗(yàn)證”的開(kāi)發(fā)方式，一條下載線即可解決問(wèn)題；采用sst單片機(jī)更可實(shí)現(xiàn)在板仿真功能。 3 一線工人素質(zhì)不斷提高很多一線工人有中職、中專(zhuān)、大專(zhuān)甚至本科學(xué)歷，計(jì)算機(jī)的操作不成問(wèn)題，有一些在學(xué)校中就學(xué)過(guò)一至二門(mén)的高級(jí)語(yǔ)言，甚至就學(xué)過(guò)c語(yǔ)言，因此，在掌握單片機(jī)的初步知識(shí)后，學(xué)習(xí)c語(yǔ)言編程不成為障礙。4實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的普及也使得單片機(jī)開(kāi)發(fā)更容易近年來(lái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（rtos）逐漸普及，加之單片機(jī)硬件價(jià)格的下降

35、，使用操作系統(tǒng)編程不再是夢(mèng)想。由于操作系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)專(zhuān)家編寫(xiě)，并經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證，因此，其性能是完全可以得到保證的，借助于操作系統(tǒng)編程，可使程序更易寫(xiě)，并能得到更高的可靠性。以下舉一個(gè)例子，看一看使用操作系統(tǒng)編程是如何的方便目前歐洲、美國(guó)的很多工業(yè)品都是很小的公司（也許就一、兩個(gè)人）做的，每家公司只做一樣，但是在行業(yè)里做得最好。中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)落后美國(guó)、歐洲1020年1.2 單片機(jī)的介紹單片機(jī)又稱(chēng)微控制器，或稱(chēng)嵌入式控制器。而現(xiàn)在的智能家電無(wú)一例外是采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以家用電器是單片機(jī)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。它是家用電器實(shí)現(xiàn)智能化的心臟和大腦。由于家用電器體積小，故要求其控制器體積更小以便能嵌入其

36、結(jié)構(gòu)之中。而家用電器品種多，功能差異也大，所以又要求其控制器有靈活的控制功能。單片機(jī)以微小的體積和編程的靈活性而產(chǎn)生多種控制功能，完全可以滿足家用電器的需求。單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài),面向控制對(duì)象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域.從此,計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會(huì)。1.2.1 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征是將組成計(jì)算機(jī)的基本部件集成在一塊晶體芯片上,構(gòu)成一臺(tái)功能獨(dú)特的,完整的單片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它具有如下特點(diǎn)：（1）高集成度,高可靠

37、性單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上,集成度很高,體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,內(nèi)部布線很短,其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的cpu。單片機(jī)程序指令,常數(shù)及表格等固化在rom中不易破壞,許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi),故可靠性高。（2）控制功能強(qiáng) 為了滿足對(duì)對(duì)象的控制要求,單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力,i/o口的邏輯操作及位處理能力,非常適用于專(zhuān)門(mén)的控制功能。（3）低電壓,低功耗 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng),許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8v3.6v,而工作電流僅為數(shù)百微安。（4）優(yōu)異的性能價(jià)格比單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率,單片機(jī)已開(kāi)始

38、使用risc流水線和dsp等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64kb的限制,有的已可達(dá)到1mb和16mb,片內(nèi)的rom容量可達(dá)62mb,ram容量則可達(dá)2mb.由于單片機(jī)的廣泛使用,因而銷(xiāo)量極大,各大公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更使其價(jià)格十分低廉,其性能價(jià)格比極高。1.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用范圍由于單片機(jī)功能的飛速發(fā)展,它的應(yīng)用范圍日益廣泛,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域.小到玩具,信用卡,大到航天器,機(jī)器人,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,過(guò)程控制,模糊控制等智能系統(tǒng)到人類(lèi)的日常生活,到處都離不開(kāi)單片機(jī).其主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下。（1）在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng),自適應(yīng)控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如,工業(yè)

39、上的鍋爐控制,電機(jī)控制,車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng),水閘自動(dòng)控制,數(shù)控機(jī)床及軍事上的雷達(dá),導(dǎo)彈系統(tǒng)等。（2） 在智能化儀器儀表中的應(yīng)用（3） 單片機(jī)應(yīng)用于儀器儀表設(shè)備中促使儀器儀表向數(shù)字化,智能化,多功能化和綜合化等方向發(fā)展。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x表中的誤差修正,線性化的處理等難題迎刃而解。（3）在機(jī)電一體化中的應(yīng)用單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,控制走向智能化,構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。（4）在智能接口中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),特別是較大型的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制管理,單片機(jī)與主機(jī)并行工作,可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如,在大型數(shù)據(jù)采集

40、系統(tǒng)中,用單片機(jī)對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度,還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波,誤差修正,線性化處理等。（5）在人類(lèi)生活中的應(yīng)用單片機(jī)由于其價(jià)格低廉,體積小巧,被廣泛應(yīng)用在人類(lèi)生活的諸多場(chǎng)合,如洗衣機(jī),電冰箱,空調(diào)器,電飯煲,視聽(tīng)音響設(shè)備,大屏幕顯示系統(tǒng),電子玩具,信用卡,樓宇防盜系統(tǒng)等.單片機(jī)將使人類(lèi)的生活更加方便舒適,豐富多彩。1.3 本課題的任務(wù)和要求單片機(jī)主要用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的綜合性應(yīng)用，在不同應(yīng)用場(chǎng)合其技術(shù)要求各不相同，因此設(shè)計(jì)方法和研制的步驟不完全一樣。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指mcu

41、、存儲(chǔ)器、i/o接口和外設(shè)等物理器件的有機(jī)組合。軟件是指系統(tǒng)監(jiān)控程序的總稱(chēng)。在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，它們的設(shè)計(jì)不能完全分開(kāi)，二者需要互相配合、不斷調(diào)整才能組成高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)階段，它們有時(shí)交叉進(jìn)行。1.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)（1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等確定合理的、具體的功能和技術(shù)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性、以及成本等進(jìn)行綜合考慮，以盡量合理并符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然后根據(jù)市場(chǎng)上各種單片機(jī)的貨源情況和單片機(jī)的性能及開(kāi)發(fā)工具等因素選擇合適的機(jī)型。接下來(lái)要根據(jù)系統(tǒng)

42、中可能遇到的傳感器、模擬電路、i/o接口、存儲(chǔ)器和顯示器等器件和設(shè)備進(jìn)行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中某些功能用硬件和軟件都能實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮研制周期和成本等因素具體劃分軟硬件功能。（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)任務(wù)硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體要求，在所選的mcu和各個(gè)元器件型號(hào)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，做一些必要的不見(jiàn)實(shí)驗(yàn)。在硬件設(shè)計(jì)中，需要考慮系統(tǒng)總線的負(fù)載能力、系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)的片選方式、模擬電路的速度和精度等，如需擴(kuò)展存儲(chǔ)器則盡量用一片完成，這樣既降低了成本，又減小了線路板的面積，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

43、任務(wù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本而且工作量較大的任務(wù)。與系統(tǒng)機(jī)上操作系統(tǒng)支持下的純軟件不同，單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是在裸機(jī)的條件下進(jìn)行的，而且隨應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不同。在軟件中一般需考慮以下幾個(gè)方面：1） 根據(jù)要求確定軟件的具體任務(wù)細(xì)節(jié)，然后確定合理的軟件結(jié)構(gòu)。一般系統(tǒng)軟件的主程序和若干個(gè)子程序及中斷服務(wù)程序組成，詳細(xì)劃分主程序、子程序和中斷服務(wù)程序的具體任務(wù)，確定各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)。主程序是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)的程序，不停地順序查詢各種軟件標(biāo)志，以完成對(duì)事務(wù)的處理。在子程序和中斷服務(wù)程序中，要考慮現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)，以及它們和主程序之間的信息交換方法。2） 程序的結(jié)構(gòu)用模塊化結(jié)構(gòu)，即把監(jiān)

44、控程序分解為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的較小的程序模塊分別設(shè)計(jì)，以便于調(diào)試。具體設(shè)計(jì)時(shí)可采用自底向上或自頂向下的方法。3） 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)問(wèn)題的定義描述出各個(gè)輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即建立數(shù)學(xué)模型，然后繪制流程圖，再根據(jù)流程圖用匯編語(yǔ)言進(jìn)行具體程序的編寫(xiě)。4） 在程序設(shè)計(jì)完成后，利用相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具和軟件進(jìn)行程序的匯編，生成程序的機(jī)器碼。（4）系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)在系統(tǒng)樣機(jī)的組裝和軟件設(shè)計(jì)完成以后，就進(jìn)入系統(tǒng)的調(diào)試階段。應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法是相同的，但具體細(xì)節(jié)與采用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（即仿真器）及選用的單片機(jī)型號(hào)有關(guān)。調(diào)試的過(guò)程就是軟硬件的查錯(cuò)過(guò)程，分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。1.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

45、要求stc12c5a60s2是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全與8051兼容，內(nèi)部集成max810專(zhuān)用復(fù)位電路。兩路pwm,8路高速十位a/d轉(zhuǎn)換，通用的i/o口為44個(gè)，內(nèi)置看門(mén)狗程序。可以完成以下任務(wù)：1、定時(shí)器兩組、計(jì)數(shù)器兩組：由于完全兼容8051單片機(jī)，共有4個(gè)十六定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)t0與t1。再加上兩路pca模塊可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)功能。2、溫度檢測(cè)口：十位精度adc,共八路。3、模擬量檢測(cè)口：a/d轉(zhuǎn)換, 10位精度adc，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250k/s(每秒鐘25萬(wàn)次)。4、pw

46、m脈寬調(diào)制口：p1.3、p1.4都可以作為脈寬調(diào)制輸出口。5、強(qiáng)制復(fù)位口：內(nèi)部集成max810專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶振12m以下時(shí)復(fù)位腳可以連接1k歐接地）。6、中斷控制口：外部中斷i/o口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的pca模 塊，power down模式可由外部中斷喚醒，int0/p3.2,int1/p3.3,t0/p3.4, t1/p3.5, rxd/p3.0, ccp0/p1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到p4.2), ccp1/p1.4(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到p4.3)。7、高速脈沖輸出口：p4.2、p4.3可以作為高速脈沖輸出口。1.4 系統(tǒng)解決的問(wèn)題和擬采用

47、的研究手段本課題主要是研究基于單片機(jī)的plc工業(yè)控制軟硬件設(shè)計(jì)。首先要熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)的使用方法；精確分析并設(shè)計(jì)出該控制系統(tǒng)的全部工作流程圖，確定輸入、輸出的名稱(chēng)功能；設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件并在畫(huà)出pcb圖，實(shí)現(xiàn)全部功能，完成設(shè)計(jì)并撰寫(xiě)畢業(yè)論文。針對(duì)課題采取以下研究方法及步驟：（1）各種元器件以及芯片的選擇 （2）硬件電路的設(shè)計(jì)（3）用匯編語(yǔ)言完成軟件方面的設(shè)計(jì)（4）結(jié)合電路對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試（5）找出程序中的錯(cuò)誤，改正這些錯(cuò)誤2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)采用stc12c5a60s2其外圍擴(kuò)展系統(tǒng)，軟件方面主要是應(yīng)用c語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序。系統(tǒng)以stc12c5a60s2單片機(jī)為核心，配置相應(yīng)的

48、外設(shè)及接口電路，用c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，組成一個(gè)具有多功能的plc工控板。該系統(tǒng)的軟件可運(yùn)行于windows xp環(huán)境下，硬件電路設(shè)計(jì)具有典型性。同時(shí)，本系統(tǒng)中任何一部分電路模塊均可移植于實(shí)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)具有實(shí)用性。2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求基于單片機(jī)的plc模塊設(shè)計(jì)要求最終完成以下功能設(shè)計(jì)：1.信號(hào)輸入8個(gè)口（光電隔離）。2.8個(gè)輸出口（6組繼電器2組雙向可控硅）。3.定時(shí)器2組。4.計(jì)數(shù)器2個(gè)。5.程序運(yùn)行顯示器1個(gè)。6.溫度檢測(cè)口1個(gè)。7.模擬量檢測(cè)口1個(gè)。8.pwm脈寬調(diào)制口1個(gè)。9.強(qiáng)制復(fù)位口1個(gè)。10.中斷控制口1個(gè)。11.高速脈沖輸出口2個(gè)。具有輸入輸出狀態(tài)指示。2.3 系統(tǒng)的設(shè)

49、計(jì)方案由設(shè)計(jì)要求所要求的工控板具有的功能，可以有以下初步設(shè)計(jì)方案：工控板應(yīng)具備1、具有電源指示；2、六路輸入光電隔離引入信號(hào)； 3、六路輸出光電隔離輸出控制繼電器；4、標(biāo)準(zhǔn)的11.0592m晶振；（便于設(shè)置串口波特率）5、具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位；6、支持at89sxx系列單片機(jī)； 7、帶有掉電存儲(chǔ)功能，芯片24c08； 8、輸入八路具有l(wèi)ed指示；9、輸出八路具有l(wèi)ed指示。；10、六路12v繼電器控制，控制設(shè)備；11、可控制交流220v/10a一下設(shè)備；（最大控制設(shè)備2000w）12、具有串口通信功能(可以上位機(jī)控制)；13、單片機(jī)無(wú)加密，可插拔更換，帶有程序下載口，可隨意更改程序。plc工

50、控板共有八路輸入，八路輸出，具有輸入對(duì)輸出一對(duì)一控制，第一次按下開(kāi)關(guān)，繼電器吸合，再次按下繼電器斷開(kāi)。p3.3、p3.4為定時(shí)/計(jì)數(shù)端口，當(dāng)兩個(gè)端口有信號(hào)輸入時(shí)時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部開(kāi)始定時(shí)/計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所要求的定時(shí)或計(jì)數(shù)值時(shí)，相應(yīng)的繼電器閉合。p3.5為外部中斷口，p0.0，p0.1為模擬量檢測(cè)口，p0.2為pwm脈沖調(diào)制端口，p4.2、p4.3為高速脈沖輸出口，單片機(jī)自帶的rst端為強(qiáng)制復(fù)位端口2.4本章小結(jié)本章介紹了單片機(jī)工控板的選擇方案和元器件的論證，和主要的設(shè)計(jì)思想，以下幾章內(nèi)容都是圍繞這個(gè)思想和方案展開(kāi)的。3 元器件的介紹3.1單片機(jī)系統(tǒng)3.1.1 stc12c5a60s2簡(jiǎn)介stc12c

51、5a60s2/ad/pwm 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)， 是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12 倍。內(nèi)部集成max810專(zhuān)用復(fù)位電路,2路pwm,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s，即25萬(wàn)次/秒),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合，單片機(jī)引腳圖如圖3-1所示 圖3-1 單片機(jī)stc12c5a60s2各個(gè)引腳功能說(shuō)明如下：p0.0 p0.7 : p0 : p0口既可作為輸入/輸出口，也可作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng)p0口作為輸入/輸出口時(shí)，p0是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。當(dāng)p0

52、作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時(shí)，是低8位地址線a0a7，數(shù)據(jù)線的d0d7。p1.0/adc0/clkout2 : 標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port10 adc 輸入通道-0獨(dú)立波特率發(fā)生器的時(shí)鐘輸出可通過(guò)設(shè)置wake_clko2位/brtclko將該管腳配置為clkout2 p1.1/adc1 :標(biāo)準(zhǔn)i/o口，adc輸入通道。p1.2/adc2/eci/rxd2第二串口數(shù)據(jù)接收端pca計(jì)數(shù)器的外部脈沖輸入腳p1.3/adc3/ccp0/txd2 ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口，adc輸入通道外部信號(hào)捕獲(頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出p1.4/adc4/ccp1/ss ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口，adc輸入通

53、道外部信號(hào)捕獲(頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出p1.5/adc5/mosi：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port15 ，adc 輸入通道，spi同步串行接口的主出從入(主器件的輸出和從器件的輸入) p1.6/adc6/miso：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port16 ，adc 輸入通道-6 ，spi同步串行接口的主入從出(主器件的輸入和從器件的輸出) p1.7/adc7/sclk ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port17 adc 輸入通道-7 spi同步串行接口的時(shí)鐘信號(hào)p2.0 p2.7 ：port2: p2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入/輸出口，也可作為高8位地址總線使用(a8 a15)。當(dāng)p2口作為輸

54、入/輸出口時(shí)，p2是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口。p3.0/rxd ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port30 串口1數(shù)據(jù)接收端p3.1/txd ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port31 串口1數(shù)據(jù)發(fā)送端p3.2/int0 ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port32 ，外部中斷0,下降沿中斷或低電平中斷p3.3/int1：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port33 外部中斷1,下降沿中斷或低電平中斷p3.4/t0/int/clkout0 ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port，定時(shí)計(jì)數(shù)外部輸入p3.5/t1/int/clkout1 ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port35 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入定時(shí)器1下降沿中斷定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的時(shí)鐘輸出可通過(guò)設(shè)置wake_clko1位/t1clk

55、o將該管腳配置為clkout1 p3.6/wr：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port36 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖p3.7/rd：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port37 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖p4.0/ss：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port40 spi同步串行接口的從機(jī)選擇信號(hào)p4.1/eci/mos：i標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port41 pca計(jì)數(shù)器的外部脈沖輸入腳spi同步串行接口的主出從入(主器件的輸出和從器件的輸入) p4.2/ccp0/miso ：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port42 外部信號(hào)捕獲(頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出，spi同步串行接口的主入從出(主器件的輸入和從器件的輸出)p4.3/ccp1/sclk：標(biāo)

56、準(zhǔn)i/o口 port43 外部信號(hào)捕獲(頻率測(cè)量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出，spi同步串行接口的時(shí)鐘信號(hào)p4.4/na：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port44 p4.5/ale：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port45 地址鎖存允許p4.6/ex_lvd/rst2：標(biāo)準(zhǔn)i/o口 port46 外部低壓檢測(cè)中斷/比較器p4.7/rst： 復(fù)位腳xtal1：內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器輸入端，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是外部時(shí)鐘源的輸入端。xtal2： 內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振的另一端。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳可浮空，此時(shí)xtal2實(shí)際將xtal1輸入的時(shí)鐘進(jìn)

57、行輸出。vcc ：電源正極3.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)stc12c5a60ad/s2系列帶a/d轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的a/d轉(zhuǎn)換口在p1口(p1.7-p1.0)，有8路10位高速a/d轉(zhuǎn)換器,速度可達(dá)到250khz(25萬(wàn)次/秒)。8路電壓輸入型a/d，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后p1口為弱上拉型i/o口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為a/d轉(zhuǎn)換，不需作為a/d使用的口可繼續(xù)作為i/o口使用。stc12c5a60s2系列單片機(jī)adc(a/d轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示 圖3-2 a/d轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)stc12c5a60s2系列單片機(jī)adc由多路選擇開(kāi)關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位dac、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(adc_res和adc_resl)以及adc_contr構(gòu)成。stc12c5a60s2系列單片機(jī)的adc是逐次比較型adc。逐次比較型adc由一個(gè)比較器和d/a 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過(guò)逐次比較邏輯，從最高位(msb)開(kāi)始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置d/a轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。從上圖可以看出，通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)，將通過(guò)adc07的模擬量輸入送給比較器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(dac)轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過(guò)比較器進(jìn)行比較，將比較結(jié)果保存到逐次