一种基于单片机的小型可编程控制器的硬件设计

广东理工学院 陈新欣 邓锦炽

一种基于单片机的小型可编程控制器的硬件设计

广东理工学院 陈新欣 邓锦炽

【摘要】本文设计了一种小型可编程控制器，其核心控制器采用51单片机，整体可编程控制器系统包括：电源模块、输入/输出模块、人机交互模块、通信模块等，使得可编程控制器的系统结构实现模块化、开放化。本系统结构能够兼容多种不同类别的控制器，开放化的结构设计可以使用户根据实际需要参与可编程控制器系统的设计。

【关键词】单片机；可编程控制器；开放化；模块化

1.引言

目前，国内外研发的可编程控制器，主要有两种实现方案：

传统可编程控制器：硬件电路部分由中央处理器、外围电路、接口电路构成。由于各个公司的可编程控制器产品的软、硬件结构体系是封闭的，其他系统的连接应用就比较难。

现代可编程控制器［1］：硬件电路仍用中央处理器、外围电路、接口电路的结构，各个接口均采用标准设计，使系统的更为方便的被其他系统接受，大大增强了可编程控制器的开放性能。

高性能单片机技术的发展，为研发可编程控制器的硬件电路创造了可能性。本文设计一种基于单片机的、低成本的、模块化的、开放的小型可编程控制器，选用STC89C51作为该可编程控制器的CPU，可实现逻辑输入、输出、通信等功能。

2.基于单片机的可编程控制器系统结构

可编程控制器本质上是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由中央处理器、输入/输出接口、存储器等部分组成［2］。开放化的可编程控制器系统结构如图1所示。

图1 开放化可编程控制器系统结构图

图2 可编程控制器系统框图

由图1可知，本系统采用模块化、开放性的系统结构设计，其主要结构为计算机、输入/输出接口、可编程控制器软件包［3］。硬件系统结构可以由不同内核处理器开发的可编程控制器和其他种类可编程控制器组成。相应内核的可编程控制器被划分为主处理模块和各种功能模块，这些控制设备与计算机的连接采用星形连接，选用这种结构的好处是系统对用户具有极大的开放性，系统可以兼容各种不同类型内核的控制器，用户也可以开发自己的可编程控制器加入到系统中，只要上位机开发平台兼容这种内核的处理器就可以。

在本文中只对51内核的可编程控制器展开设计，并开发如下方案：硬件部分选用高性能51内核单片机STC89C51展开模块化设计，将可编程控制器的结构简化为输入/输出模块和各种功能模块，并在其中广泛采用滤波、隔离电路，降低成本的同时提高了硬件的稳定性和抗干扰性。系统电路主要包括51单片机STC89C51RC、电源电路、时钟复位电路、RS-232通信接口电路、USB通信接口电路、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路等。本文设计的可编程控制器硬件电路结构框图如图2所示。

3.系统部分关键电路设计

3.1 电源电路

可编程控制器供电电源属于多电源系统，其中涉及多种电源，有24V、5V、3.3V直流电源；220V、110V单相交流电源。其中，24V电源供开关量输入电路、继电器及晶体管输出电路使用；5V电源供51单片机STC89C51和串口通讯芯片使用；3.3V电源供USB通信模块的USB通信接口芯片PDIUSBD12使用；220V及110V交流电压供外部交流负载使用。图3所示为可编程控制器的电源电路图。

图3 电源电路设计图

3.2 开关量输入电路设计

开关量输入电路功能为采集现场各种传感器、开关等的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平信号，送到单片机进行处理。本文共设计了14路直流开光量输入电路，其中一路开关量输入电路结构如图4所示。

图4 直流开关量输入电路

3.3 开关量输出电路设计

开关量输出电路是可编程控制器与工业现场连接的输出媒介，可编程控制器通过该电路向外部执行部件输出相应的控制信号用以驱动执行机构。开关量输出电路通常有晶体管输出电路和继电器输出电路。本文中的开关量输出电路采用了8路晶体管输出和8路继电器输出。

3.3.1 晶体管输出电路

晶体管输出电路用于驱动直流负载，它的工作频率比继电器高，输出电流比继电器小，而且一般需要设置保护电路，适用于对响应时间及工作频率要求比较高的场合。其中一路晶体管输出电路结构如图5所示。

图5 晶体管输出电路

图6 继电器输出电路

图7 串行通信接口电路

3.3.2 继电器输出电路

继电器适用于对工作频率和动作时间要求不高的场合，既可用于交流负载的驱动，也可用于直流负载的驱动。其中一路继电器输出电路结构如图6所示。

3.4 串行通信接口电路

可编程控制器与计算机之间，可编程控制器与可编程控制器之间要进行数据和信息的交换，是通过通信的方式实现的［4］。本文的设计中，为便于可编程控制器与上位机或其它设备之间的通信，设计了串行通信接口，如图7所示。

4.结束语

本文实现的仅是可编程控制器的一个雏形，基于51单片机内核的可编程控制器模块的硬件功能以及其它类型的可编程控制器有待进一步开发，以形成一个开放性的、全面的系统。可编程控制器产品应用于工业控制领域，环境恶劣［5］，所以其抗干扰能力就显得异常重要，在未来要进一步完善硬件电路的设计，以提高系统的抗干扰能力。

参考文献

［1］杨锦尊.可编程控制器的特点及其发展动向［J］.现代电子技术，2007，（14）∶1-2.

［2］陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器［M］.广州∶华南理工大学出版社，2003.

［3］藏国杰.可编程人机交互系统的研究和开发［D］.浙江大学硕士论文，2006.

［4］谢敏.单片机应用技术［M］.北京∶机械工业出版社，2008，2-20.

［5］李涛.可编程控制器的干扰源分析及抗干扰措施［J］.山西冶金，2007.5∶42-43.