基于单片机的PLC设计与实现毕业设计论文

1 引言

1.1 课题研究的目的和意义

基于单片机的PLC设计与实现课题的研究是依据应用开发中的实际要求提出来的。当我们设计机电一体化产品或从事自动化装置设计时，常常会遇到要求设计出成本极低，同时能完成较为复杂的逻辑控制的控制器的问题。可编程序控制器以其可靠性能高、编程简单易学、维护方便等优点而广泛应用于工业控制中;单片机具备功能多、结构紧凑、价格便宜等特点,在工业控制中也得到了广泛的应用。PLC和单片机有机地结合,就可实现单片机与PLC之间优势互补,在工业控制中可发挥更大的作用[1]，不仅可大大简化单片机系统的研制时间，实现复杂的逻辑控制，性能得到保障，效益也就有保证。

PLC的突出优点是可靠性高、接口类型丰富、能适应各种复杂恶劣的工业环境，另外PLC采用面向过程的编程语言，编程简单直观，易学易懂，使用灵活方便，工程技术人员经过短期学习即能上手。同时也有不少缺点：有限的内存，编程优化调试比较困难；产品多为进口，价格昂贵；针对性比较差。特别是当控制不太复杂的逻辑功能，控制量不太大，控制要求不高同时环境条件尚佳时，它的优势就不能完全发挥出来，而且会提高系统的成本。鉴此，根据可编程序控制器的实现原理和工作方式，设计小型的PLC控制系统有很大的实际意义。

本论文借鉴PLC的实现方式和运行原理，利用性价比比较高的AT89S52单片机设计了了一种小型PLC。

1.2课题研究背景

近些年来,随着社会的迅速发展,科技的快速进步,可编程控制器(PLC)技术的发

展显得异常迅猛,PLC技术在国内外已经广泛的应用于钢铁业、石油业、化工业、电力业、建材业、机械设计制造业、汽车业、轻纺业、交通运输业、环保业等诸多领域[2]。目前PLC市场主要有美系、欧系、日系三大产系，200多家公司生产制造，其中都是三大产系为主的公司，我国的PLC的研究与生产比较晚，但是通过引进国外先进技术，消化并吸收，近年来，我国的PLC市场发展的很快，市场前景被十分看好。但是，国内的PLC仍然处于发展阶段，依然存在很多问题，与那些发达国家相比，我国PLC的应用仍较为局限化，而那些应用PLC的企业，主要是一些国有大型企业，在其它中小型企业中的应用比例比较低。PLC技术主要靠引进，自主知识产权缺乏，与发达国家

相比，技术水平落后5年左右，国产化率低很难满足国内市场需求。目前，我国是世界上经济发展比较快的国家之一，市场上新设备的控制需求、传统设备的技术升级、换代对PLC的需求越来越大。另外随着工业设备不断地更新和发展，对PLC要求也越来越高，在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，研制出具有自主知识产权，更满足现代化工业用途的PLC。

1.3本课题主要研究内容

该课题是以单片机为主控元件，根据PLC的接口特性，利用适当的外围器件，设计一种PLC原理样机。该课题需要了解单片机的工作原理、有关外围接口芯片的工作机理；电源电路设计、模拟数字电路处理；软件程序设计等知识。

设计具体内容分为以下几个方面：

(1) 系统硬件电路设计以及单片机选型；

(2) 系统软件设计；

(3) 上位机软件设计以及上位机与下位机通信设计。

2 系统总体设计方案

2.1 PLC简介

2.1.1 PLC基本特点

在可编程控制器(PLC)诞生之前，继电器控制在工业控制领域中占主导地位。这种由继电器构成的控制系统存在着明显的缺点：体积庞大、耗电多、可靠性能差、寿命短、运行速度慢等，尤其是很难适应生产工艺系统多变性。与继电器控制相比，可编程控制器具有以下一些特点[3][4]：

(1) 抗干扰能力强，可靠性高。可编程控制器主要是为工业控制而设计的，在其设计及制造的过程中采取了多层次抗干扰的措施，使其能在恶劣的工业环境下正常工作。而且，在PLC中由电子线路来完成继电器大量的开关动作，由程序来代替继电器之间的连线，与继电器相比，PLC大大的提高了使用寿命和可靠性，平均的无故障时间甚至可达几十万个小时。

(2) 编程语言简单易学，容易掌握，便于普及。PLC设备面向用户，考虑到现场技术工作人员的特点，编程语言一般比较形象直观且容易掌握。目前，大部分的PLC 仍然采用继电器控制形式的梯形图方式编程，梯形图语言编程元件的符号和表达方式接近继电器控制电路原理，不需要专业的计算机知识，只需要具有一定的电工知识和工艺知识的人员在较短的时间内都可以学会。

(3) 通用性强，控制程序可变。不同的对象用同一个可编程控制器控制时，只需输入、输出模块发生改变，编制的控制程序不同即可，不需要类似继电器的固体电子器件和大量繁冗复杂的硬件接线电路。

(4) 接口功能强，适应面广。现代的PLC不仅拥有计时、计数、顺序控制、逻辑运算等一系列的功能，而且具有数字量和模拟量的功率驱动、记录显示、通信、输入输出、自检、人机对话等功能，不仅可以控制一个生产过程，还可以控制一条生产线甚至小到一台生产机器。

(5) 维护方便、体积小、重量轻。PLC是将微电子技术运用到工业设备上的产品，它的结构紧凑，体积小，质量轻，便于在设备内部安装，是一种用来实现机电一体化理想的控制设备。目前，大部分的PLC控制系统仍采用模块化的结构，接线比较少，出现故障的时候，只需要更换出现故障的模块，维护非常方便。

(6) 大大减少了设计和施工的工作量。在PLC的控制系统中采用软件来代替继电器的控制系统中大量的时间继电器、中间继电器、计数器等器件，所以大大的减少了控制柜的设计、安装的接线工作量，同时，PLC的用户程序模块可以在实验室内模拟调试，大大减少了现场调试的工作量[5]。

2.1.2 PLC基本结构

一个PLC系统本质上是一台用于控制的专用计算机，其基本组成如图2-1所示，主要包括了以下几个部分[6，7]：

图2-1 可编程控制器系统的基本组成

(1) CPU模块：CPU模块是可编程控制器的核心模块，主要是由存储器和微处理器两部分组成[8]。整个可编程控制器的工作主要由微处理器控制，大概可以分为两个部分：一部分主要对系统进行一系列管理，如计数刷新、查错、自诊断等等，另一部分则根据用户程序指令执行输入、输出、程序解释、执行等一系列的操作。存储器则主要用于存储系统的工作区间及监控程序，来生成用户的环境，其容量的大小取决于系统程序的质量及系统的工作能力[8]。

(2) 输入/输出模块：输入/输出模块是连接现场设备与可编程控制器的接口。输入模块主要用来采集和接收现场设备的输入信号，包括选择开关、按钮等开关量的输入信号以及测速发电机、电位器等连续变化的模拟量输入信号。预先在某个电流或电压范围内限定模拟量输入信号，将这个信号由模拟量输入模块转换成CPU能够处理的数字信号。向各执行机构输出控制信号则由输出模块来负责。可编程控制器存在一个