教學用基于單片機的可編程控制器設計

摘 要：本文主要介紹了基于89C51系列單片機的教學用可編程控制器的設計，對其開發意義、設計思路及工作原理做了深入的分析。該可編程控制器抗干擾能力強，安全性能也高，由于價格低廉，因此具有較強的實用性，很適于合用各類高校電子、自動化等專業的實驗教學使用。本文根據高校相關實驗教學的具體需要，結合教學目的和技能要求，開發設計出這種適合教學使用的基于單片機可編程控制器件，并在本院自動化、機電一體化等專業自動控制實驗中應用，證明其工作性能可靠，方便操作，能迅速為學生所掌握。

關鍵詞：單片機；可編程控制器；教學設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

可編程控制器早已在各類工科院校的相關實驗、實訓教學中得到了廣泛的應用，成為了高校自動化、機電一體化等專業實驗、實訓教學的“得力助手”。然而，由于目前市場上可供應的工業用可編程控制器存在價格偏高，使用的編程語言特別，編程模式相對固定，靈活性較差等原因，雖然其在性能方面更專業功能更強些，但在高校教學中推廣應用還是有一定的困難。本文中所介紹的基于單片機的可編程控制器，是針對各類工科院校的實驗、實訓教學而設計，在實驗過程中學生可根據自己的需要，通過對該可編程控制器的操作，達到預期的實驗、實訓目的，這樣不僅能促使學生充分理解單片機和可編程控制器的基本原理和應用，還為學生提供一個靈活方便的智能設計平臺。

一、系統功能架構

本文所介紹的可編程控制器使用89C51系列單片機做為核心控制芯片。下面就該系統的主要模塊設計作如下介紹。

（一）單片機基本系統

該模塊為系統的核心部分，它能完成下位機與相應上位機的通信以及對整個系統輸出端口的控制與調節功能。

（二）系統電源部分

本系統屬于教學用的單片機應用系統，其電源的獲取主要是從實驗室中獲得。實驗室中提供的電源一般是220V的單相交流電，而系統所需的標準電壓一般為+5V的直流電壓以及相關的直流電平，因此，要求系統電源相應的功能模塊應當能夠將220V交流電轉化為5V直流電的AC/DC轉化功能以及5V轉其他實驗用的直流電平DC/DC轉化功能。

（三）串口通信部分

1.基于RS-232的通信。首先，對于串口通信的接口，51系列單片機擁有可編程全雙工串行口通信接口，能夠用于異步接收或者發送UART。其相應楨格式主要包括8、10、11等幾位，我們能夠利用其進行可變還有不可變波特率的具體設定工作。而IBM上位機則相應的配置有RS232-C通信接口。由于數據實際傳輸量較小，因此，該控制器一般通過異步方式實現通信。

對于串口通信轉換電路，MAX232芯片使用IC芯片的RS-232電平轉換芯片，該芯片具有兩路接收和驅動器，可以滿足各式232通信接口需要。在MAX232芯片里包包含一電壓轉化器，從而將輸入進來的+5V電壓轉化為+10V與-10VRS-232輸出電平要求的電壓。因此，串行通信系統如果使用該芯片接口，則只要求具有+5V電源就可以了。

2.基于RS-485的通信。由于前的RS-232協議傳輸距離較短，傳輸速度又較慢，加之無法實現多機通信，而且其傳輸信號不穩定，容易受到干擾等不利條件，因此該協議已無法滿足當前的設計的需求。

本文所介紹的系統是使用性能較好的RS-485接口芯片，從而能保證多個下位機與上位機終端通訊的順利實現。MAX485芯片的結構以及相應的引腳都極為簡易，而且其內部一般包含有相應的接收器以及驅動器，主要功能是負責把TTL電平轉化成RS-485的工作電平。其相應的端口芯片主要是利用+5V電源保證系統的正常運行，相應電流的額定值一般在300μA上下，往往采取半雙工（HalfDuplex）數據傳輸方法來實現正常通訊。

在實際運行環境中，上位機與RS-485下位機的正常通信需要有相應的接口卡。本控制器的接口采用的是RS-232/RS-485轉換器。

3.通信方式的選擇電路。在該控制器通信系統的設計中，RS-485將與RS-232并存。由于單片機只包含有一個串行口，所以不符合設計的需求，因此我們將配置了選擇電路，通過該選擇電路選擇開關實現在MAX485與MAX232之間的選擇，從而完成多機之間的通信，以滿足各種不同實驗、實訓的需求。實際通信選擇電路示意如圖1。

二、系統功能概述

該可編程控制器的具體功能如下：

（1）8路開關量信號經光電耦合器，將數據送入信號輸入緩沖器，再進入單片機P1端口。利用可編程控制器程序的相應運算，得出最終結果，然后再經P1端口輸出，利用光電耦合器以及相應的數據鎖存器輸出信號電平。此外，該系統還可以做相應的擴展。

（2）利用RS-232串口滿足上位機和下位機正常通信功能，從而為組態編程設置接口；利用RS-485可滿足PC機和多單片機的聯通以及正常通信。

（3）搭配的液晶顯示模塊LCD1602可以實時地顯示輸入信號以及相應的輸出信號，并可以顯示編程狀態以及相關的時鐘。

（4）時鐘芯片主要是給系統大時間繼電器裝置提供所需的時間參照信號，從而實現8位輸入/輸出的統一協調，進而使控制器成功而精確地對外部設備進行控制，從而保證了PLC相應功能的實現。

三、結束語

目前，大多數工科類院校都擁有了許多能供相關專業實驗、實訓教學使用的智能型電子設備，然而，利用89C51系列單片機開發的可編程控制器，由于其價格低廉、運行可靠、操作簡單等特點，使其能夠更好地適合學校的教學需要，它不但能大大減少教學成本、提高教學效果，還能促使學生對單片機及可編程控制器的原理和應用有更深的了解。我院電氣工程系利用自行設計開發的基于89C51系列單片機可編程控制器，在電子、自動化及機電一體化等專業的多個實驗、實訓項目（如自動洗衣機控制、自動送料裝車系統控制、自動售貨機控制、五層電梯的自動控制、裝配流水線控制等）中使用，收到了滿意的教學效果。

參考文獻：

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[2]吳曉蘇，張中明.單片機原理與接口技術[M].人民郵電出版社.2009：212-213