摘要 本文提出了一種新的用atmel89c2051仿真plc控制的方法，允許用戶先按梯形圖對(duì)控制對(duì)象編程，這對(duì)繼電器控制較為熟悉的電氣技術(shù)人員來(lái)說(shuō)提供了方便。而且，用此方法已經(jīng)成功做成專用的功能電路模塊。由于該仿真電路板價(jià)格低廉并具有柔性，可以被開(kāi)發(fā)成產(chǎn)品，也十分適合于plc控制的演示實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；仿真；可編程邏輯控制器；梯形圖
1 引言
用atmel89c2051來(lái)仿真plc的控制，能集單片機(jī)控制和plc控制的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)控制作為嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)，具有高可靠性和高性價(jià)比，而且小巧靈瓏、成本低廉；plc控制中的梯形圖編程與繼電接觸控制電原理圖相似，簡(jiǎn)單易學(xué)，深受電氣技術(shù)人員的歡迎。筆者設(shè)計(jì)了以89c2051單片機(jī)為主控芯片的硬件線路，以此仿真板為硬件平臺(tái)，允許用戶先按梯形圖對(duì)控制對(duì)象編程，這對(duì)繼電接觸控制技術(shù)較為熟悉的電氣技術(shù)人員來(lái)說(shuō)提供了方便。由于仿真板本身是一個(gè)不帶編譯程序的仿真plc的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，所以，先要將梯形圖轉(zhuǎn)化為mcs51匯編指令程序。然后，用51系列仿真器，對(duì)轉(zhuǎn)化后的匯編源程序進(jìn)行編輯、編譯，直至輸出intel hex文件，并將此十六進(jìn)制文件的內(nèi)容寫(xiě)入到89c2051芯片中。最后，將固化好的89c2051芯片插入其仿真板座子上，就能成功地進(jìn)行預(yù)定的plc的仿真控制了。
該仿真電路板價(jià)格低廉，使得使用者無(wú)需購(gòu)買(mǎi)上千元的plc，就能進(jìn)行仿真plc的控制。因此，它又十分適合做成專用的功能電路模塊而開(kāi)發(fā)成產(chǎn)品，還特別適合于教師在講述plc控制時(shí)的演示實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，只要修改89c2051芯片中的程序，就能改變仿真板的控制功能，所以仿真板又是“柔性”的。
2 atmel89c2051單片機(jī)仿真plc電路原理
2.1 仿真電路板的電路原理分析
atmel89c2051是20引腳的與8051兼容的8位高性能單片機(jī)。它內(nèi)部含有2k字節(jié)閃速存儲(chǔ)器，正是閃存的特點(diǎn)，使得atmel89系列單片機(jī)具有讀寫(xiě)容易、價(jià)格低、功耗低和掉電信息不丟等優(yōu)點(diǎn)。這也就是筆者在硬件結(jié)構(gòu)上首先想到了用atmel89c2051作為plc仿真控制電路的主控芯片。圖1給出了用89c2051單片機(jī)仿真plc簡(jiǎn)化后的電路原理。圖1左下部分是仿真電路板的輸入電路，由sb1～sb5、r3～r7和作為輸入口的p3組成，5個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)分別輸入到p3口的p3.2～p3.5和p3.7。例如sb1和r3相連端是與引腳p3.2相連的，sb1未按下時(shí)，由于下拉電阻r3接地，輸入到p3.2的是低電平；當(dāng)sb1按下時(shí)，5v電壓就通過(guò)開(kāi)關(guān)sb1加到了p3.2，輸入到p3.2的是高電平。這里只用了p3口的5條口線，留下的p3.0和p3.1還可以接2個(gè)開(kāi)關(guān)，可以參照?qǐng)D1進(jìn)行擴(kuò)充。
圖1中c2、c3和cr1晶體振蕩器與單片機(jī)內(nèi)部振蕩器組成的振蕩電路構(gòu)成了時(shí)鐘電路。c1、r2構(gòu)成了上電復(fù)位電路。sb6按鍵按下后，將引起按鍵復(fù)位。
圖1 atmel89c2051仿真plc電路原理
下面來(lái)分析圖1右邊部分電路，右邊部分是仿真電路板的輸出電路，p1口是作為輸出口來(lái)使用的。p1.0的輸出電路由r8、r9、r13、發(fā)光二極管d1、三極管t1和微型繼電器km1組成。r8是 p1.0的拉升電阻，又同r9一起給三極管t1提供偏置電流。p1.0輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管t1反相放大，去驅(qū)動(dòng)繼電器，再由繼電器去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)p1.0輸出低電平時(shí)，三極管t1截止，t1的集電極為高電平，發(fā)光二極管不亮，繼電器km1也不得電。反之，當(dāng)p1.0輸出高電平時(shí)，三極管t1飽和導(dǎo)通，t1的集電極為低電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，繼電器km1也得電。可見(jiàn)發(fā)光二極管的狀態(tài)與繼電器的通斷狀態(tài)是一致的，所以可以將發(fā)光二極管作為反映輸出機(jī)構(gòu)狀態(tài)的指示。p1.1的輸出電路由r10～r12、發(fā)光二極管d2、三極管t2和微型繼電器km2組成，其工作原理的分析也是一樣的。不過(guò)圖1中只用了p1.0和p1.1兩個(gè)口線，留下的p1.2～p1.7還可以接6個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路，如果需要的話，可以參照?qǐng)D1進(jìn)行擴(kuò)充。
2.2 仿真電路板與被仿真plc的輸入/輸出端口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
首先要明確圖1仿真電路與被仿真plc的輸入/輸出端口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖1可以看出，89c2051的p3口對(duì)應(yīng)為plc的輸入口， p1口對(duì)應(yīng)為plc的輸出口。表1中按端口順序給出了一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，p3.0～p3.5依次對(duì)應(yīng)的是x000～x005，p3.7對(duì)應(yīng)的是x007；p1.0～p1.7依次對(duì)應(yīng)的是y000～y007。必須指出表1給出的僅僅是一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，完全可以按照實(shí)際的輸入/輸出情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)，如也可以將p3.7對(duì)應(yīng)為x000，等等。
表1 仿真板與被仿真plc的輸入/輸出端口之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系表
3 仿真板的編程思路
3. 1 梯形圖與mcs51匯編指令間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系
能否把fx2系列plc的梯形圖轉(zhuǎn)化為51匯編指令程序呢？筆者想到了89c2051具有布爾代數(shù)指令,特別是其中的位操作的邏輯指令，可以用這些位操作邏輯指令來(lái)替換fx2系列plc的梯形圖中的對(duì)應(yīng)的基本邏輯指令。例如，可以用mcs－51的位與指令來(lái)替換plc的接點(diǎn)串聯(lián)指令，可以用mcs－51的位或指令來(lái)替換plc的接點(diǎn)并聯(lián)指令。下面將在仿真plc控制中經(jīng)常用到的可以替換的指令用表2列出。
從表2知道，mcs51匯編指令與plc的助記符指令間的確存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系的，可以用51單片機(jī)的anl c，bit指令來(lái)代替plc的and指令，用orl c，bit指令來(lái)代替or指令，用mov指令來(lái)代替ld、out指令，用51單片機(jī)的跳轉(zhuǎn)指令ljmp/ajmp來(lái)模擬plc循環(huán)掃描描，等等。由于plc的梯形圖與其助詞符指令之間也是一一對(duì)應(yīng)的，如常開(kāi)接點(diǎn)的串聯(lián)對(duì)應(yīng)and指令，常開(kāi)接點(diǎn)的并聯(lián)對(duì)應(yīng)or指令，這樣，就可以用等效替換的方法將梯形圖轉(zhuǎn)化為51匯編指令程序了。替換中最常用的方法是：接點(diǎn)串聯(lián)使用與指令，接點(diǎn)并聯(lián)使用或指令，具體如何轉(zhuǎn)換將在下面的編程實(shí)例中詳細(xì)說(shuō)明。
3. 2 編程實(shí)例
圖2為兩臺(tái)電機(jī)順序控制的plc控制梯形圖�？刂乒δ苋缦�，當(dāng)按下x002按鈕后，使y000得電而驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)使下一梯級(jí)中的常開(kāi)y000閉合，從而使得再按x004，y001才會(huì)得電而驅(qū)動(dòng)主電機(jī)動(dòng)作；否則，未按x002按鈕，而先按x004按鈕時(shí)，主電機(jī)將不會(huì)動(dòng)作。按x003按鈕后，只有主電機(jī)停止，而按x001按鈕后，兩電機(jī)才會(huì)同時(shí)停止。現(xiàn)在要求改用仿真板來(lái)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)順序控制。
圖2兩臺(tái)電機(jī)順序控制的梯形圖
圖3仿真板兩臺(tái)電機(jī)順序控制的梯形圖
改用仿真板的編程思路是，首先要確定仿真板與被仿真plc的輸入/輸出端口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可按照實(shí)際的輸入/輸出情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)，其中輸出端口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，而輸入端口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。對(duì)圖2中的梯形圖按照上述確定的輸入/輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行替換，就可以得到用仿真板的兩臺(tái)電機(jī)順序控制的梯形圖如圖3所示。
表3 仿真板與被仿真plc的輸入端口的實(shí)際對(duì)應(yīng)表
接著，可以用等效替換的方法將梯形圖轉(zhuǎn)換為51匯編指令程序了。例如對(duì)于圖3梯形圖中的第一個(gè)梯級(jí)就可以按表2 mcs－51位操作指令與fx2系列plc的基本指令對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接點(diǎn)串聯(lián)使用與指令，接點(diǎn)并聯(lián)使用或指令。
mov c, p3.2 ；用mov替換ld
orl c, p1.0 ；接點(diǎn)并聯(lián)使用或
anl c, / p3.4��；常閉接點(diǎn)串聯(lián)使用與非
anl c, / p3.7 ；常閉接點(diǎn)串聯(lián)使用與非
mov p1.0, c ��；用mov替換out
按此方法對(duì)圖3的梯形圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到仿真板兩臺(tái)電機(jī)順序控制的mcs51匯編指令程序如下：
org 0000h
ajmp start1
org 0100h
start1: mov sp, #60h
anl p1, #00h ; 系統(tǒng)初始化
start: mov c, p3.2
orl c, p1.0
anl c, /p3.4
anl c, /p3.7
mov p1.0, c ; 啟動(dòng)泵電機(jī)
mov c, p3.3
orl c, p1.1
anl c, /p3.4
anl c, /p3.5
anl c, /p3.7
anl c, p1.0
mov p1.1, c ; 啟動(dòng)主電機(jī)
ljmp start ; 模擬循環(huán)掃描
end
接著，就可以用51系列仿真器（如萬(wàn)利medwin），對(duì)轉(zhuǎn)化后的匯編源程序進(jìn)行編輯、編譯，直至最后輸出intel hex文件。將此十六進(jìn)制文件的內(nèi)容用編程器（如煒煌的wh－200b）寫(xiě)入到89c2051芯片中。最后，將固化好的89c2051芯片插入其仿真板座子上，就能成功地進(jìn)行預(yù)定的兩臺(tái)電機(jī)順序控制了。
4 總結(jié)
用本文所述的用atmelat89c2051仿真plc控制方法，已經(jīng)成功做成專用的功能電路模塊，如控制電機(jī)運(yùn)行的星形－三角形減壓起動(dòng)電路模塊，電機(jī)順序起動(dòng)運(yùn)行電路模塊，廣告燈控制電路模塊等等。由于該仿真電路板小巧靈瓏、價(jià)格低廉，也十分適合教師在講述plc應(yīng)用時(shí)，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)上千元的plc，就能在多媒體教室演示仿真plc的控制實(shí)驗(yàn)，較為生動(dòng)地講授學(xué)習(xí)梯形圖編程。此外，仿真電路板整合了mcs－51單片機(jī)控制和plc控制兩門(mén)技術(shù)，還被成功用于本市首期維修電工高級(jí)技師培訓(xùn)的單片機(jī)和plc應(yīng)會(huì)項(xiàng)目和考核項(xiàng)目。
