基于MCU的可編程工業控制器設計與實現

摘要：本文介紹了一款新型高集成的可編程工業控制器ACON的設計、開發和性能評估。控制器針對企業在工業自動化升級中的需求，采用ATMEGA2560-16AU微控制器作為核心，實現了小型化、低成本和豐富的接口設計。控制器具備測量電壓電流、支持多種通信接口及定制化接口的能力，旨在提高生產效率并降低成本。通過嚴格測試，ACON在穩定性、響應速度和環境適應性方面表現出色。因此，ACON開發設計不僅滿足了當前工業自動化的需求，也為未來智能制造的發展奠定了基礎。

關鍵詞：工業控制器；ATMEGA2560-16AU；新型面板設計

一、項目介紹

（一）項目來源

項目來自于企業需求，由工程部門定制，安裝在測試工位上，用于工業設備控制。客戶可以將控制指令編寫程序載入控制器進行儲存和執行，用于控制產線電磁閥、直流電機、傳感器，并且可以測量電壓電流，是一款具有成本效益、高集成度、豐富接口和緊湊型設計的定制化工業控制器，滿足了企業設備測試需求并提高生產效率。

（二）研究現狀

在當前的工業自動化領域，可編程邏輯控制器（PLC）由于其穩定性和靈活性，一直是工業控制系統的核心器件。然而，其高昂的成本和復雜性常常使中小企業在自動化升級過程中望而卻步。針對這一現狀，研究人員和企業正致力于開發新型的高集成度、低成本的可編程工業控制器，以期在保持性能的同時降低成本，擴大工業自動化的覆蓋范圍。隨著智能制造戰略的不斷推進，工業自動化需求日益增長。目前，研究人員正在努力突破傳統技術，通過集成創新和協同研發，推出具有自主知識產權的低成本可編程工業控制器產品。這些產品能根據企業需求進行定制，功能上匹配中小型企業對工業自動化的需求，并且在成本和體積上具有明顯優勢。

（三）研究目標

本設計是一種新型多功能高集成的可編程控制器ACON（下文簡稱ACON），為企業定制版本，相比市場其他工業控制器，具有小型化、低成本、定制化接口豐富等優點。設計目標包含：

1.CPU：ATMEGA2560-16AU，基于該微控制器開發，降低成本。

2.開發便捷：使用ATMEL開發環境，提供庫文件以供調用。

3.接口數量和類型：有源觸點（24/12/5/3.3V），無源觸點6個，GPIO接口19個，光電傳感接口（24V DC），IIC接口，串口（COM port），2個外部中斷。

4.定制接口：可通斷的TypeC和USB3.0接口。

5.電壓電流檢測：可以測0-60V電壓，多量程測量。

6.面板設計：電壓觸點都有LED指示燈，緊湊型外觀設計，安裝簡便。

二、系統總體設計

（一）研究思路和系統架構

本項目研究思路如下：首先，對工業控制器ACON的企業需求和應用場景進行分析，明確其功能和性能要求。其次，設計ACON硬件和軟件架構，并對其進行開發和實現。再次，通過實驗驗證ACON的功能和性能，并對存在的問題進行改進。最后，完成設計、打樣、驗證和批量供貨工作。該系統的核心是基于單片機的MCU模塊，它負責實現控制算法、數據處理和通信功能。MCU模塊通過各種接口與外部設備進行連接，包括傳感器、電磁閥和用戶接口面板。在硬件方面，系統包括電源模塊、輸入輸出模塊和面板接口模塊。電源模塊采用DC24V，為系統提供穩定的電源供應。輸入/輸出模塊用于與外部設備進行數據交互，包括有源無源觸點、傳感器檢測、電壓電流檢測等。面板接口模塊有可通斷的Type-C、USB3.0接口等，可連接電腦，并提供VCP（虛擬串口）接口用于與上位機或編程工具進行連接，以實現設備和計算機之間的通信。

在軟件方面，上位機使用開發工具和編程語言編寫控制算法和實現通信協議。通過編程，系統能夠實現數據采集、狀態監測、控制決策等功能。

（二）需求分析

傳統的基于MCU工業控制器應用于企業生產線存在一些問題，例如IO接口數量有限、接口種類也不齊全、無法提供TypeC及USB3.0等新型接口、面板功能設計老舊、做工粗糙、觸點無LED顯示。本設計是一款結構更簡單，成本低，可以實現高集成度和可靠性，擴展I/O接口的工業控制器。除了接口類型和數量按企業要求定制外，控制器結構尺寸按要求與企業生產線工位空間實現匹配，使工程師簡單搭建便能實現指定測試。

三、系統設計

（一）MCU選擇與配置

本設計選擇ATMEGA2560-16AU作為主控芯片，主控芯片是一款由ATMEL公司開發的AVR系列的8位微控制器。它基于先進的RISC架構，擁有16MHz的主頻，集成了豐富的外設和功能模塊，使其成為理想的控制器選擇。ATMEGA2560-16AU內部集成了多個串口（USART）模塊，使其與其他設備進行可靠的通信變得便捷。此外，它還具備16個通用輸入輸出引腳（GPIO），可以通過編程實現不同的輸入和輸出功能，使ACON工業控制器能夠連接多個外部設備和傳感器，實現靈活的數據交換和控制操作。根據ACON工業控制器需求，配置了ATMEGA2560-16AU的引腳功能和外設模塊，以實現所需功能。通過使用ATMEL開發環境，可以利用該芯片的庫文件，簡化開發過程，提高開發效率。

（二）各功能模塊的設計

它是一種基于單片機（MCU）高集成可編程工業控制器，用戶可以通過編程邏輯，檢測和讀取設備輸入信號、輸出電源電壓或信號被控設備，從而控制被控設備，本質是一臺提供了大量I/O擴展接口的可以編程控制輸出的微型計算機。本設計根據客戶需求，不僅提供了常規的接口模塊，還提供了客戶定制需求模塊，如熱敏電阻測試、TypeC接口。

下面分別介紹部分功能模塊：測量電壓的ADC接口、熱敏電阻測試模塊、緊急按鈕模塊、繼電器開關值輸出接口。

1.ADC接口測量輸入電壓

ADC0電阻分壓電路原理如圖1所示。

ADC0-ADC15共有15個測量電壓的接口，接口分壓電路會將電壓經分壓，分成4.793—4.782V不等的電壓，通過主機CPU進行分析和判斷輸入電壓的實際值。

2.熱敏電阻模塊

提供NTC1和NTC2接口測量熱敏電阻值，左邊的VR1-VR3可以提供調節參考電壓范圍，右邊的VR1-VR3是測試接口，如圖2所示。

3.緊急按鈕模塊

將P4端連接到緊急按鈕開關上，當不按緊急按鈕（按鈕本身短路）時，P4會變低電平；當按緊急按鈕時，P4會轉高電平（按鈕打開），然后被拉到較高的電平。

該案例可以觸發其他連接設備的執行操作緊急停止，例如使用P35作為GPIO的輸出端控制電磁閥的通斷。編程代碼如下：

{

Urgent_status = 1;

digitalWrite（35， HIGH）;" " " " " " " " " "http://P35 cylinder moved up

Serial.println（\"Press urgent BTN\"）;

}

4.6組繼電器開關值

ACON提供6組繼電器開關值，每組為NC/COM/NO三個接口，當ACON啟動或復位時，COM將與NC連通，與NO斷開。當發送命令PXXH時，COM將與NC斷開，而與NO連接在一起，通常繼電器開關電磁值為（DC 12/24V）。

（三）面板接口設計

1.正面接口面板的設計

通過控制器正面圖（如圖3所示），位于下面的1-54接口稱為JP2連接器，位于上方的1-54接口稱為JP1連接器，面板上做了鏡像對稱處理，這個獨特設計是為了工位的前后兩側操作人員都能直接讀到接口數字，而不需要刻意繞到另一側讀取。

面板左側的“DC24V”是總開關，按鈕被按下，設備被啟用。面板下方按鈕“RUN”被按下，設備處于正常運行狀態。當按鈕彈起“PROG”，處于聯機更新軟件狀態，設備可以和電腦相連接，下載程序時FW固件軟件。

2.側面擋板的設計

左側產品擋板上根據客戶需求定制了兩個USB接口，還有兩個TypeC接口。

右側電源擋板上是直流24V的電源接口，Reset重啟按鈕，以及可以連電腦的VCP接口，與上位機或編程工具連接。

四、性能評估與討論

（一）性能評估

在性能評估階段，對ACON工業控制器進行了測試，確保其在應用中的可靠性和效率。首先，進行長達15天的運行測試，以驗證控制器在連續工作狀態下的穩定性。結果顯示，ACON在連續運行360小時后，系統性能保持穩定，未出現任何故障或性能下降的跡象，表明ACON具有熱管理和電源管理能力。其次，對ACON的響應速度進行了評估。通過模擬產線中的設備布置場景，測量了控制器從接收輸入信號到執行相應動作的時間。測試結果表明，ACON的響應時間在毫秒級別，滿足了高速生產線的需求。

（二）討論

盡管ACON在性能評估中表現出色，但仍有改進空間。在高負載情況下，控制器的散熱性能有待提升。為此，計劃增加散熱片和優化散熱通道設計，以提高散熱效率，確保在高負載工況下控制器的穩定運行。隨著工業自動化技術的不斷發展，計劃為ACON集成更多的通信協議，如工業以太網和無線通信，以適應未來智能制造需求。

五、結束語

本文介紹了ACON工業控制器的設計和性能評估過程，ACON實現了小型化、低成本和豐富的接口設計，同時具備了測量電壓電流、支持多種通信接口和定制化接口的能力。在性能評估部分，通過測試驗證了ACON在穩定性、響應速度和環境適應性方面的優秀表現。這些測試結果不僅證明了ACON在實際工況下的可靠性，也為產品改進提供了寶貴的數據支持。在改進討論中，基于用戶反饋和性能測試，提出了針對散熱性能以及通信協議集成的改進措施，將進一步提升ACON的市場競爭力。綜上所述，ACON工業控制器的研發成功解決了企業在自動化升級過程中面臨的成本和技術難題，展示了其在工業自動化領域的應用潛力。

作者單位：過夢旦 蘇州工業園區職業技術學院

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