基于C8051F的PLC实训模拟器的研发

唐岳富

椒江职业中等专业学校 浙江台州 318000

基于C8051F的PLC实训模拟器的研发

唐岳富

椒江职业中等专业学校 浙江台州 318000

介绍以SOC型单片机C8051F020为核心，LED单元板为显示单元的PLC实训模拟器的研发。通过硬件电路设计和汇编语言平台的软件设计，实现PLC实训模拟器的集成化、动态化和自动化。

模拟器；单片机；接口电路；汇编语言

目前教仪企业为职业学校提供的PLC实训设备都是多个实训模拟单元的组合式设备。各实训单元画出PLC被控对象的图案，但不能模拟动作过程；用开关或按钮模拟行程开关和各种传感器的信号，但无法实现信号的自动产生。

将LED显示及驱动技术和C8051F单片机技术相结合，可将几十个实训模块集成其中，实现PLC被控对象动作过程的模拟，并实现行程开关和各种传感器信号的自动产生。

1 模拟器概述

采用SOC型8位单片机C8051F020对PLC的控制对象进行模拟。通过选择模块号对集成其中的模块进行选择使用。通过单片机对其输出端口的控制自动产生各种限位开关、位置传感器等信号。采用64点×64点的LED显示屏作为单片机的显示装置，通过单片机对显示数据的不断刷新动态模拟运动过程。输入输出端口采用光耦隔离，对核心部件C8051F020进行保护。将PLC、单片机、LED显示屏、小键盘及电源进行一体化设计，使模拟器具有体积小、能耗低、功能强、性价比高的特点。

2 模拟器硬件设计

2.1 模拟器的硬件构成

模拟器的硬件主要由单片机、LED显示屏、键盘、PLC、输入/输出接口电路和电源6部分构成，如图1所示。单片机与LED显示屏、键盘、PLC通过输入/输出接口电路实现通信与控制，输入/输出接口电路的设计是硬件设计的重点。

2.2 模拟器的硬件选型

PLC在目前教学中的主流机型之一是三菱的FX2N系列，并考虑到继电器输出型能适应交直流2种电源且不易损坏，选用三菱FX2N-32MR。

图1 模拟器硬件构成框图

LED显示屏既要满足显示的需要，又要兼顾单片机的速度和Flash存储器的容量，选用2块08接口的Φ3室内红绿双基色单元板，可实现3种颜色的显示，具有64点×64点像素，一屏显示数据为1 KB，规格为128 mm×256 mm，大小适宜。

8位单片机通过输入/输出端口实现与PLC、LED显示屏、键盘的联系，与PLC联系需2个8 bit输入端口和2个8 bit输出端口，与LED显示屏联系需2个8 bit输出端口，与键盘联系至少需1个8 bit输出端口，共计至少7个端口。每个模块的程序容量1～2 KB，数据容量至少1 KB，20个模块的总容量在32 KB以上。单片机选择具有P0～P7共8个8 bit输入/输出端和64 KB Flash的C8051F020。C8051F020最高速度可达25 MIPS，完全能满足LED 60屏/秒以上的刷新要求。

电源模块根据容量和电压值直接选用通用的开关电源S-50-5（单电压输出50 W/5 V），单片机的电源由ASM1117实现＋5 V到＋3.3 V的转换来提供。

2.3 输出接口电路设计

根据C8051F020输入/输出端口的特点，低端口（P0～P3）可进行位操作，配置为输出端口，只能字操作的高端口（P4～P7）配置为输入端口，以方便编程。

与LED单元板连接的端口按照LED单元板的08接口标准进行设计。即1-GND，2-A，3-GND，4-B，5-GND，6-C，7-EN，8-D，9-R1，10-G1，11-R2，12-G2，13-GND，14-RCK，15-GND，16-SCK。将上下两屏的红、绿数据合并为8位数据总线，其他信号端合并为8位端口兼作控制总线和地址总线，实现串并行混合传输。

与PLC输入连接的输出接口电路，采用光耦TLP521-4进行光电隔离，对C8051F020的输出端口进行保护。为了FX2N-32MR的输入类型相匹配，将输出接口电路设计为NPN型。图2为输出接口电路的局部原理图。

其中限流电阻RN3的选择：

R=(VOH-VF)/IF=(3.3-0.7-1.15)/0.004 Ω=360 Ω。

2.4 输入接口电路设计

与PLC输出连接的输入接口电路，采用光耦TLP521-4进行光电隔离，对C8051F020的输入端口进行保护。尽管FX2N-32MR的输出是继电器，对模拟器的输入端口类型没有要求，但考虑到与FX2N-32MT兼容，输入端口设计成NPN型。图3为输入接口电路的局部原理图。

其中限流电阻RN2的选择：

键盘设计为12位独立键盘。12位键名分别是0～9数字键、Unit键和Enter键。其中Unit键为模块选择键，Enter键为确认键。因硬件资源还有2个8 bit输入/输出端口可供键盘使用，为了方便软件设计，不采用矩阵键盘方式，采用独立键盘方式。在模块选择界面的0～9数字键和在各实训模块界面的PLC控制按钮键通过输入/输出接口电路和软件实现共享。图4为键盘及接口电路的原理图。

3 模拟器软件设计

3.1 软件设计规划

模拟器规划集成20多个实训模块，采用汇编语言编程的程序总长度接近64 KB，即使生成代码效率很高的KEIL公司C51生成的代码也无法满足要求，所以只能采用效率最高的汇编语言来编程。

软件划分为初始化程序、封面程序、模块号输入程序、模块号无效提示程序、模块选择程序、模块1程序～模块N程序。图5为程序总流程图。

3.2 程序设计——机械手模块物块二维运动动态效果的软件实现

整个程序比较庞大，不能逐一进行讨论，但每个模块的程序设计具有一定的共性，举一可以反三。各种限位开关、位置传感器等信号的自动产生，只要对输出端口的相应位进行SETB操作或CLR操作即可实现（如SETB P3.0或CLR P3.0）。由于运动物体动态效果的实现是软件设计中的难点并具有代表性，所以仅选取机械手模块中的物块二维运动的软件设计进行讨论。

1）模块简介。图6为机械手模块的界面，机械手能夹住或松开物块并可上下左右运动，实现将物块从一处搬运到另一处。物块被机械手夹住后，随机械手在显示平面内作二维运动。

2）程序设计思路。设置片内RAM二个单元分别为X（左右方向）、Y（上下方向）坐标，根据机械手的状态及位置对物块坐标进行处理；根据X、Y的坐标计算物块的地址，计算公式为：地址=原点地址+X坐标×#01H+Y坐标×#40H。刷新物块所在地址的显示数据，调用显示子程序按刷新后的数据进行显示。

3）程序流程。图7为机械手模块物块运动程序的流程图。

4）程序清单。

4 结束语

开发成的箱式PLC实训模拟器如图8所示。学校采用自主研发的PLC实训模拟器建设一个拥有25台模拟器的PLC实验室，使用过程中稳定性良好。目前已开发集成14个实训模块，分别是电机控制模块、东方明珠之光控制模块、交通信号灯控制模块、电梯控制模块、数码管控制模块、抢答器控制模块、水塔水位控制模块、多种液体混合控制模块、机械手控制模块、传送带配料装车控制模块、灯墙控制模块、二维运动控制、加工中心控制模块、电镀生产线控制模块。由于实现各种限位开关、位置传感器等信号的自动产生，PLC的自动化控制过程更加逼真。同时实现运动过程的动态模拟，PLC自动化控制过程更加形象。

研发过程中发现，由于显示单元的像素只有64点×64点，难以模拟圆弧轨迹的物体运动的动态效果。PLC的通讯、模拟量控制实训功能有待在下一版本研发。

[1]张迎新,雷文.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京∶国防工业出版社,2005

[2]靳桅,邬芝权,李骐,刘全.基于51系列单片机的LED显示屏开发技术[M].北京∶北京航空航天大学出版社,2009

Design of PLC Training Simulator on C8051F020

Tang Yuefu

It introduces the design of the PLC training simulator, which takes SOC MCU C8051F020 as the core and uses LED modules as the display unit. With the design of the hardware circuit and assembly language software，the PLC training simulator can be more integrated, dynamic and automatic.

simulator; microcontroller; interface circuit; assembly language

Author’s address Jiaojiang Secondary Vocational School, Taizhou, Zhejiang, China 318000

TP391.9

B

1671-489X(2011)03-0083-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.083