基于单片机的可编程逻辑控制终端设计研究*

陈永昕，陈洪宝

（1.吉林工业职业技术学院，吉林 吉林 132013；2.吉林石化公司有机合成厂电气车间，吉林 吉林 132000）

智能家居等物联网应用环境中的基本控制会经常需要开关量控制，比如电灯、水泵、电磁阀控制流体流通和截止的情况。目前，常见的策略是应用嵌入式技术设计制作控制主板，完成网络通信和开关量甚至模拟量的采集及控制。这对开发者的要求较高，需要具有嵌入式技术基础，能够进行高级语言程序编写，能够完成通信任务，并同其他控制计算机或者网络终端进行通信，实现网络控制。为了降低开发简单开关量控制系统的技术难度，本设计给出了一种简易的终端硬件解决方案，其中重点介绍可编程逻辑控制终端的设计实现方案，能够满足物联网技术应用中简单开关量的控制需求。

1 方案总体设计

可编程逻辑控制终端采用宏晶科技公司生产的增强型51单片机作为控制核心，电路板配有RS232通信接口，由串口传递控制信息，实现开关量控制。电路板整体框图如图1所示[1]。

软件编程通过传统单片机编程软件进行编写，可以使用C语言或者汇编语言，但这两种语言要求技术人员有较好的编程基础。相对这类代码语言，PLC编程使用的梯形图更容易被工程人员接受。本设计方案编程实现途径计划采用梯形图对功能程序进行编写[2]。

2 硬件系统设计（电路原理图设计）

2.1 单片机最小系统设计

控制核心选择STC12C5616AD直插式窄体封装28脚单片机，时钟电路晶振采用11.059 2 MHz晶振配合30 pF瓷片电容。电源电路使用LM7805将12 V直流电压降压为5 V，对单片机系统供电[3]。具体串行口通信接口电路图如图2所示。

2.2 通信接口电路设计

使用MAX232芯片进行通信接口电路设计，将单片机串行口转为232电平，通过九针串口接口同上位机系统进行连接。具体电路图如图3所示。

图3 RS232通信接口电路

2.3 开关量输出驱动电路设计

开关量输出部分电路本方案中采用机械继电器进行实现，单片机对继电器的驱动选用ULN2003芯片，该芯片本质上是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，每一对达林顿都串联一个2.7 K的基极电阻，在5 V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。每个芯片可以支持七路继电器，在本方案的硬件电路中需要14路继电器开关量输出，因此需要两片ULN2003芯片[4]。具体芯片和单片机连接关系如图4所示。

图4 ULN2003芯片与单片机连接关系图

2.4 开关量输出及指示电路设计

以第4组继电器开关量输出电路为例进行介绍，具体电路图如图5所示，图中K4为机械继电器，线圈输入端并联电路中有一个泄放二极管和一个工作指示发光二极管。继电器输出端直接连接四位接线端子，可输出控制直流或交流0～380 V电压的通断任务。

图5 开关量输出及指示电路

图6 完整电路原理图

2.5 电路图整体设计

结合上述局部电路设计，按照总体硬件系统框图机构设计电路图，整个电路外接口能够支持14路继电器开关量输出，通过RS232串口给入控制命令，可以和PC电脑上位机、组态触摸屏等多种串口通信设备进行完成控制命令的输入。在RS232接口上连接无线通信转换模块，可以完成无线联网开关量可控制[5]。

2.6 电路板设计

PCB电路板布局：本设计使用的是Altium designer软件，在电路图中添加元件，封装后导入PCB电路板图文件，在机械层和禁止布线层绘制电路板边框，然后将所有元件封装合理布局到电路板外框中。在PCB绘图界面中元件封装布局如图7所示。

图7 PCB元件封装布局

封装布局时注意元件摆放整齐和周边相连元件的方向，方便进行布线时线路走向美观、线路距离短。

电路板布线、覆铜：在布线规则中设定开关量输出信号线线宽60 mil，其他电路板信号线线宽20 mil，按照双层布线，在PCB绘图界面菜单栏执行“Auto Route->All...”，在弹出窗口上点击右下角Route All按钮完成自动布线；最后需要在顶层和底层进行覆铜，覆铜和GND网络连通。覆铜形状及位置如图8所示。

图8 PCB电路板图绘制效果

图8顶层和底层覆铜大小及位置要一致，并且电路板两侧的覆铜需要分成两部分，直流电路部分和交流部分覆铜分开。防止通断交流信号干扰直流电路。

3 软件设计

3.1 编程方法

该逻辑控制器程序编写可采用C语言、汇编语言这类代码语言，通过单片机开发环境进行程序编写，但对工程人员编程技术要求较高。本方案中重点介绍的是一种使用PLC梯形图编写单片机程序的解决方案[6]。PMW2HEX软件是一种将三菱PLC梯形图转成51单片机HEX文件的工具软件[7]。该软件新版本除对基本开关量梯形图指令有支持外，在串行口通信和ModBus总线协议上都有侧重支持，而增加的WIFI模块功能的支撑，也使得PLC梯形图编程方法在物联网终端应用上有了更好的支持。同时，该软件在STC8、STC15和STC12系列单片机梯形图编程上都有支撑。

该转换软件的应用界面如图9所示，通过界面上“PLC I/O端口映射”区域进行端口对应设置，单片机的I/O引脚和PLC进行一一对应设置，便于转换后逻辑输入输出关系之间的对应。此处对梯形图指令的使用不再进行赘述[8]。

图9 PMW2HEX转换软件界面

由于使用三菱PLC兼容指令，对工业组态软件有了更好的支撑，比如技术人员可以使用MCGS或者组态王这类工业组态软件完成上位机人机界面程序的编写或者直接使用工业HMI设计触控人机界面[9]。

3.2 通信协议设计

有些项目应用环境数据传输较为简单，不需要或者工程师不期望使用较为复杂的工业通信协议，比如工程技术人员自行编写上位机软件，为了保障通信控制命令稳定，就需要自行编写串行口通信数据协议。这里介绍一种简易通信协议设计方法[10]。

一个协议帧由包头、地址、数据段、校验位和包尾5个部分组成。

例如：如表1所示，包头、地址和包尾都为一个字节的十六进制数，数据段可以根据实际需要定义数据长度，这里电路板上有14路开关量输出接口，定义14个字节。校验位是两字节十六进制数，用于存储地址、数段所有十六进制数求和。第一个字节存储求和高八位二进制数，第二个字节用于存储求和后的第八位二进制数。发送端和接收端根据协议定义，对每次接收的数据帧重新做一次求和，然后同接收道德校验位进行比较，数值一样说明接收的数据无误。

表1 协议帧数据格式

4 结论

通过上述内容介绍，给出了一种可编程逻辑控制终端的简易实现方案。对于一些简单开关量控制终端，使用成品PLC来做成本相对较高，使用传统单片机制作硬件系统开发难度又相对较大，本设计中提供的实现方案既降低了开发难度，又能稳定保障简单逻辑控制在民用和工业中的应用。本方案中设计硬件终端实物照片如图10所示。该控制板目前已经用于会议室窗帘和投影幕的开关控制上，实现了会议室投影模式和普通模式的切换功能。

图10 可编程逻辑控制终端实物图