CN103345193B - 一种基于stc单片机的嵌入式plc系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统，该系统包括STC12C5201AD单片机、直流电源模块、光电耦合输入模块和模拟量输入模块、继电器输出模块、晶闸管输出模块、编程下载模块、Can总线通讯模块；所述的STC12C5201AD单片机包括芯片和外部电路，所述的芯片内嵌的系统程序包括编程模块和控制模块，编程模块包括主函数以及实现预定指令功能的子函数库，该主函数经编译后链接调用的功能子函数库，并通过编程软件将上述主函数和功能子函数库进行解释和重构，以根据用户的编程数据产生对应的控制指令；本发明由于选用STC12系列单片机作为核心进行构建，其硬件成本较低，可靠性强。

Description

一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统
技术领域
本发明涉及一种工控可编程逻辑装置，尤其涉及一种以STC12系列单片机作为控制核心的嵌入式PLC系统。
背景技术
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,缩写PLC）被广泛应用于工业自动控制领域中，其方便灵活的控制方式得到了普遍的认可。PLC已有几十年的发展和广泛的应用，其技术发展较快，也较成熟。目前市场上的主流PLC产品可靠性和稳定性较高，但成本昂贵。在一些控制要求相对不高的场合，采用现有的PLC产品构建的控制系统仅利用了PLC很少的资源和功能，无意造成了生产成本的增加。同时，许多厂家针对自己产品独有开发工具和高级编程语言，通用性差。因此，使新型PLC支持通用编程语言的开发可降低工程师开发成本和难度。
STC12C5201AD系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，不仅指令系统完全兼容传统8051单片机，而且速度快8-12倍，内部集成MX810专用复位电路，2路PWM，8路8位A/D转换，片上资源丰富，在现有PLC基本功能基础上可拓展其他功能；同时也支持GX-DEVELOPER7软件梯形图语言直接编辑转换后下载。
发明内容
为了解决现有PLC系统的成本问题，本发明的目的在于提供一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统。该系统其硬件成本较低，可靠性强；由于以最小系统为中心，可扩展各种功能板，因此定制性强，扩展灵活。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统，该系统包括STC12C5201AD单片机、直流电源模块、光电耦合输入模块和模拟量输入模块、继电器输出模块、晶闸管输出模块、编程下载模块、Can总线通讯模块；所述的STC12C5201AD单片机包括芯片和外部电路，外部电路由复位电路和晶振电路构成；所述的芯片内嵌的系统程序包括编程模块和控制模块，编程模块包括主函数以及实现预定指令功能的子函数库，该主函数经编译后链接调用的功能子函数库，并通过编程软件将上述主函数和功能子函数库进行解释和重构，以根据用户的编程数据产生对应的控制指令；所述的控制模块在固定的周期内采集光电耦合输入模块和模拟量输入模块的状态，并根据该编程模块生成的控制指令进行集中的程序处理，最后采用统一刷新输出的方式控制继电器输出模块和晶闸管输出模块的状态；所述的直流电源模块选用B2405S1W芯片作为线性降压型DC-DC转换器，在输入和输出端并联大容量的电解电容和用于高频滤波的独石电容来消除电磁干扰；所述的光电耦合输入模块，采用光电隔离的措施来实现，在入口接线端使用电阻对其进行分压，然后再用普通TLP521光电隔离后直接接入到STC12C5201AD单片机的管脚上进行采样；所述的模拟量输入模块利用STC12C5201AD单片机自身内部8位ADC对输入进行转换；所述的继电器输出模块选用S8050晶闸管来对输出电路进行放大；所述的晶闸管输出模块，通过继电器UNL2003达林顿管内部线圈来控制其输出状态；所述的编程下载模块，分别选用MAX232CPE芯片和MAX485CPA芯片作为RS232串口和RS485串口的硬件驱动；所述的Can总线通讯模块选用SJA1000芯片，CAN总线收发器选用82C250芯片，通过光电耦合器6N137芯片与SJA1000芯片连接以提高总线驱动能力。
作为进一步改进，所述的复位电路选用上电自动复位，是利用RC充电来实现的，上电延时时间由R1、C3的值来确定；振荡电路选用11.0952M的外部晶振和电容使系统时钟和串口波特率更精确。
作为进一步改进，所述的STC12C5201AD单片机的E2PROM区通过模拟量输入模块使用STC_ISP软件直接下载写入上位机HEX格式的程序。作为优选，所述的HEX程序直接在KeiluVision2软件环境下编程C语言或汇编语言得到；或者使用梯形图语言在GX-DEVELOPER7软件上得到PWM文件，再经过PWM-HEX的格式转换得到HEX文件。
作为进一步改进，所述的STC12C5201AD单片机管脚上同时设计有指示光电耦合输入模块工作状态的LED状态指示电路。
作为进一步改进，所述的模拟量输入模块还包括分压电阻和滤波电容构成的电路。
作为进一步改进，该系统设计开关选择模拟量输入模块或光电耦合输入模块输入。
作为进一步改进，在82C250芯片RS管脚下拉电阻。
本发明由于选用STC12系列单片机作为核心进行构建，其硬件成本较低，可靠性强；由于以最小系统为中心，可扩展各种功能板，因此定制性强，扩展灵活。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明单片机引脚示意图和复位电路、晶振电路图。
图3为本发明直流电源模块电路图。
图4为本发明光电耦合输入和模拟量输入电路图。
图5为本发明继电器/晶闸管输出电路图。
图6为本发明ISP编程电路图。
图7为本发明基于SJA1000的CAN总线电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1，本发明以STC12C5201AD单片机1作为核心构建，包括直流电源2、光电耦合输入模块3、继电器输出模块4、晶闸管输出模块5、编程下载模块6、模拟量输入模块7和总线通讯模块13。
所述的STC12C5201AD单片机1包括芯片和外部电路，外部电路由复位电路14和晶振电路15构成，所述的芯片内嵌的系统程序8包括编程模块9和控制模块10。编程模块9包括主函数以及实现预定指令功能的子函数库。该主函数经编译后链接调用的功能子函数库，并通过编程软件将上述主函数和功能子函数库进行解释和重构，以根据用户的编程数据产生对应的控制指令，该控制模块10在固定的周期内采集光电耦合输入模块3和模拟量输入模块7的状态，并根据该编程模块生成的控制指令进行集中的程序处理，最后采用统一刷新输出的方式控制继电器输出模块4和晶闸管输出模块5的状态。
STC12C5201AD单片机1的E2PROM区通过模拟量输入模块7，使用STC_ISP软件直接下载写入上位机HEX格式的程序。HEX程序可以直接在KeiluVision2软件环境下编程C语言或汇编语言得到；也可以使用梯形图语言在GX-DEVELOPER7软件上得到PWM文件，再经过PWM-HEX的格式转换得到HEX文件。
如图2所示，为确保STC12C5201AD单片机1系统稳定可靠工作，本发明选择上电自动复位14，是利用RC充电来实现的。上电延时时间由R116、C317的值来确定。振荡电路15选用11.0952M的外部晶振18和电容使系统时钟和串口波特率更精确。
如图3所示，选用B2405S1W芯片19作为线性降压型DC-DC转换器，将本发明输入电源+24V转换成+5V供单片机等电子芯片工作。为了提高电源的稳定性，消除纹波，系统在输入和输出端并联大容量的电解电容20和用于高频滤波的独石电容21。
如图4所示，本发明输入模块包括数字量输入模块和模拟量输入模块。系统在原理上为了保证输入的可靠性，数字量使用反向逻辑输入，即输入引脚拉低电平为接通逻辑，输入引脚为高电平时逻辑状态是断开状态。为提高系统的抗干扰能力，本系统采用光电耦合输入模块3来实现数字量的输入。在入口接线端使用电阻22、23对其进行分压，然后再用普通TLP521光电隔离后直接接入到单片机的管脚上进行采样。单片机管脚上同时设计有LED状态指示电路24。模拟量输入模块7由于STC12C5201AD内部自带8位A/D转换电路，所以模拟量输入电路只需要简单的分压电阻25、26、滤波电容27即可。另外，本发明设计了开关28，可自由选择采用数字量或者模拟量输入。
如图1、图5所示，本发明输出模块包括晶闸管输出模块5和继电器输出模块4，分别用于连接晶闸管12和继电器11。晶闸管输出模块5和继电器输出模块4均采用正向逻辑输出，即输出断开为低电平，输出接通为高电平。晶闸管输出模块5选用S8050晶闸管29来对输出电路进行放大，继电器输出模块4通过继电器UNL2003达林顿管30内部线圈来控制其输出状态。
图6所示，编程下载模块6分别选用MAX232CPE芯片31和MAX485CPA芯片32作为RS232串口和RS485串口的硬件驱动，本系统支持上述两种串行口下载程序。
图7所示，CAN总线控制器选用PHILIPS公司的SJA1000芯片33，支持CAN2.0B协议。CAN总线收发器选用82C250芯片34，通过光电耦合器6N137芯片35与SJA1000芯片33连接以提高总线驱动能力。为降低射频干扰，在82C250芯片34的RS管脚下拉电阻36，从而控制上升沿和下降沿的斜率。
上述基于STC单片机的嵌入式PLC以STC12C5201AD单片机作为控制核心，其硬件成本较低，可靠性强，易于使用。可通过较低的成本实现现有的PLC基本功能，甚至可以根据实际需求扩展其他功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。本发明的使用范围不仅局限于简单逻辑的工业控制，可拓展其他功能应用于更复杂的工业控制领域。

Claims (3)

1.一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统，其特征在于：该系统包括STC12C5201AD单片机（1）、直流电源模块（2）、光电耦合输入模块（3）和模拟量输入模块（7）、继电器输出模块（4）、晶闸管输出模块（5）、编程下载模块（6）、Can总线通讯模块（13）；
所述的STC12C5201AD单片机（1）包括芯片和外部电路，外部电路由复位电路（14）和晶振电路（15）构成，复位电路（14）选用上电自动复位，是利用RC充电来实现的，上电延时时间由R1（16）、C3（17）的值来确定；振荡电路（15）选用11.0952M的外部晶振（18）和电容使系统时钟和串口波特率更精确；所述的芯片内嵌的系统程序（8）包括编程模块（9）和控制模块（10），编程模块（9）包括主函数以及实现预定指令功能的子函数库，该主函数经编译后链接调用子函数库，并通过编程软件将上述主函数和子函数库进行解释和重构，以根据用户的编程数据产生对应的控制指令；所述的控制模块（10）在固定的周期内采集光电耦合输入模块（3）和模拟量输入模块（7）的状态，并根据该编程模块生成的控制指令进行集中的程序处理，最后采用统一刷新输出的方式控制继电器输出模块（4）和晶闸管输出模块（5）的状态；所述的STC12C5201AD单片机（1）的E2PROM区通过编程下载模块（6）使用STC_ISP软件直接下载写入上位机HEX格式的程序；HEX程序直接在KeiluVision2软件环境下编程C语言或汇编语言得到；或者使用梯形图语言在GX-DEVELOPER7软件上得到PWM文件，再经过PWM-HEX的格式转换得到HEX文件；
所述的直流电源模块（2）选用B2405S1W芯片(19)作为线性降压型DC-DC转换器，在输入和输出端并联大容量的电解电容(20)和用于高频滤波的独石电容(21)来消除电磁干扰；
所述的光电耦合输入模块（3），采用光电隔离的措施来实现，使用第一电阻(22)、第二电阻(23)对光电耦合输入模块（3）的输入信号进行分压，然后再用TLP521光电隔离后直接接入到STC12C5201AD单片机（1）的管脚上进行采样；
所述的模拟量输入模块（7）利用STC12C5201AD单片机（1）自身内部8位ADC对模拟量输入信号进行转换；所述的模拟量输入模块（7）还包括第一分压电阻（25）、第二分压电阻（26）和滤波电容（27）构成的电路；
所述的继电器输出模块（4）通过继电器UNL2003达林顿管(30)内部线圈来控制其输出状态；
所述的晶闸管输出模块（5）选用S8050晶闸管(29)来对输出电路的输出信号进行放大；
所述的编程下载模块（6），分别选用MAX232CPE芯片(31)和MAX485CPA芯片(32)作为RS232串口和RS485串口的硬件驱动；
所述的Can总线通讯模块（13）选用SJA1000芯片(33)，CAN总线收发器选用82C250芯片(34)，在82C250芯片（34）RS管脚下拉电阻（36），通过光电耦合器6N137芯片(35)与SJA1000芯片(33)连接以提高总线驱动能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统，其特征在于：STC12C5201AD单片机（1）管脚上同时设计有指示光电耦合输入模块（3）工作状态的LED状态指示电路（24）。
3.根据权利要求1所述的一种基于STC单片机的嵌入式PLC系统，其特征在于：该系统设计有开关（28）用于选择将信号输入至模拟量输入模块（7）或输入至光电耦合输入模块（3）。
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