51單片機(jī)DIY做PLC編程
有朋友想定制一個(gè)凈水機(jī)控制器，有一些獨(dú)特的功能要增加，但是商品控制板沒有這樣的功能，問我能否做一個(gè)，我覺得單片機(jī)完全能滿足這種簡單的控制需要，上手開始編程序時(shí)候突然感到，用plc邏輯編這種功能是非常簡單輕松的，而如果用匯編或C編卻感覺有點(diǎn)棘手，編程效率不高，所以想為何不在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)PLC的邏輯呢？上網(wǎng)搜索嘗試看能否找到合適的程序下載來稍微改改就能用的呢？方案幾年前就有了，實(shí)際上是利用三菱的低檔plc編程軟件編輯好梯形圖，存盤后用專用的格式轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成HEX單片機(jī)燒寫文件燒進(jìn)去，嘗試下載三菱plc工具軟件，但是在我的WIN7-64位系統(tǒng)上不能正常工作，好容易換了系統(tǒng)裝好開發(fā)工具，但是初次上手這款開發(fā)工具，界面挺復(fù)雜的，懶得研究各個(gè)按鈕的使用，由于是單片機(jī)的硬件，對于程序的編制和轉(zhuǎn)換有很多限制條件，否則是轉(zhuǎn)換不成功的，嫌麻煩，放棄！某寶倒是有百元PLC板出售，但是為了這么個(gè)簡單的東西專門買個(gè)全功能板子有點(diǎn)浪費(fèi)，而且其編程軟件仍然是三菱的盜版軟件，算了，再想辦法把。由于工作中經(jīng)常接觸PLC程序，對其工作原理也略知一二，網(wǎng)上也有相關(guān)的說明介紹，其實(shí)就是三個(gè)主要步驟，第一步掃描IO輸入，第二步執(zhí)行邏輯，第三步輸出邏輯到IO，很簡單的，最早PLC也是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，我為何不用匯編在51上搭建一個(gè)架構(gòu)，簡單的邏輯編制進(jìn)去就能運(yùn)轉(zhuǎn)呢？
其中邏輯執(zhí)行步驟還是有點(diǎn)意思的，需要把PLC邏輯翻譯成單片機(jī)的匯編語言執(zhí)行，這塊開始也沒有把握，后來搜索到一篇百度文章，介紹了一下三菱PLC邏輯是如何翻譯成匯編的，我看了下估計(jì)其實(shí)是利用反匯編工具把HEX反編譯成的ASM代碼，并不清晰明了，而且還帶著反匯編時(shí)候的行號，僅供參考了。
搜索結(jié)果中也有幾篇論文，涉及到在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)PLC邏輯的內(nèi)容，但是那些論文都是充數(shù)的，僅僅幾個(gè)IO邏輯，沒有什么定時(shí)器，計(jì)數(shù)器功能的體現(xiàn)，哎！僅供參考！
看來這個(gè)PLC系統(tǒng)還是需要自己寫了！OK！既然決定自己重寫，那就開工吧！利用春節(jié)休假時(shí)間，編制了如下ASM51匯編PLC代碼：
代碼主要架構(gòu)如下：
1、IO定義部分:根據(jù)所使用的單片機(jī)IO口數(shù)量,任意指定多少個(gè)I多少個(gè)O,那幾個(gè)腳是I,哪幾個(gè)是O都可以任意指定,在這個(gè)51系統(tǒng)里面設(shè)計(jì)了最大32個(gè)I,32個(gè)O,占用64個(gè)位尋址區(qū)域,其實(shí)用不到那么多,也可以分配給其它需要的標(biāo)志位用,因?yàn)?1系統(tǒng)總可位尋址地址只有128位,需要仔細(xì)分配.
2、位尋址變量定義（包括各類標(biāo)志位，臨時(shí)變量寄存器等等）目前設(shè)計(jì)了8個(gè)計(jì)時(shí)器的Timer DN, Timer EN,共16位，8個(gè)計(jì)數(shù)器的counter reset 和counter DN 標(biāo)志位共16個(gè)，專用于上升沿下降沿檢測的標(biāo)志位4對，占用8個(gè)，剩余用于臨時(shí)變量，這些地址分配在這塊變量定義區(qū)域可以根據(jù)需要任意調(diào)整。
3、內(nèi)存規(guī)劃，包括堆棧區(qū)的設(shè)置，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器的累加值和預(yù)設(shè)值地址等等，目前初步定義8個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值和預(yù)設(shè)值，8個(gè)計(jì)時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值和預(yù)設(shè)值，共占用32個(gè)內(nèi)存地址，也可根據(jù)需要調(diào)整，51單片機(jī)片內(nèi)總的用戶可用內(nèi)存地址包括堆棧區(qū)只有128個(gè)，實(shí)際去除位尋址區(qū)和堆棧區(qū)可用的估計(jì)只有80個(gè)左右，不過對于小程序應(yīng)該夠用的。沒必要去增加成本擴(kuò)展RAM。
4、上電初始化，包括0.01秒微定時(shí)器設(shè)置，內(nèi)存清零，中斷設(shè)置，如果想增加串口功能也是可以的，51本來就有兩個(gè)定時(shí)器，無非多寫一個(gè)串口中斷服務(wù)程序就是了。
5、微定時(shí)器中斷服務(wù)程序編寫，單片機(jī)每0.01秒定時(shí)中斷時(shí)執(zhí)行，進(jìn)行內(nèi)存時(shí)基標(biāo)志位刷新，用于提醒主程序相應(yīng)時(shí)間到了,基本的時(shí)基設(shè)計(jì)了0.01秒,0.1秒,1秒,10秒,1分鐘,1小時(shí),1天,1周八個(gè)時(shí)間標(biāo)志位,其實(shí)真沒必要，不過自己編寫架構(gòu)就是好玩,想設(shè)計(jì)幾個(gè)就設(shè)計(jì)幾個(gè)哈哈!
6、下面是主要PLC邏輯，執(zhí)行時(shí)是不停掃描循環(huán)執(zhí)行的，與真實(shí)的PLC運(yùn)行結(jié)構(gòu)是一樣的，當(dāng)然咱們編的就要簡單許多了，沒有那么多的功能。而且用匯編編寫執(zhí)行效率要比C高，目前1K代碼的匯編程序可以寫好多，而如果用C寫再編譯就會(huì)大許多，很多時(shí)候廉價(jià)小單片機(jī)就裝不下了。
7、掃描開始是對定時(shí)器計(jì)數(shù)器處理，如果某計(jì)時(shí)器的相應(yīng)時(shí)基標(biāo)志位置位，則處理對應(yīng)程序用定時(shí)器的狀態(tài)判斷與設(shè)置，計(jì)數(shù)器內(nèi)存累加，狀態(tài)判斷與設(shè)置，用于主邏輯執(zhí)行部分執(zhí)行；對于計(jì)數(shù)器主要是判斷是否有計(jì)數(shù)器復(fù)位請求以及進(jìn)行當(dāng)前計(jì)數(shù)值與預(yù)設(shè)值是否相等判斷,置位相應(yīng)標(biāo)志位.
8、輸入掃描，這塊很簡單，就是把輸入IO口復(fù)制到內(nèi)存相應(yīng)區(qū)域內(nèi)；
9正式邏輯執(zhí)行：這塊直接就是按照梯形圖行的概念，每一個(gè)梯形圖行，就是一段匯編代碼，為了翻譯時(shí)候方便，直接把邏輯就在注釋行內(nèi)形象的用符號畫出來。
邏輯的翻譯還是有點(diǎn)技巧,實(shí)現(xiàn)了基本IO輸入,與或非邏輯,定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器功能,外加上升沿下降沿判斷等功能,這些基本的PLC功能都能在這個(gè)小架構(gòu)里面實(shí)現(xiàn),盡管不是十分完美例如定時(shí)器狀態(tài)更新的時(shí)效性由于架構(gòu)問題還不能達(dá)到每次掃描更新,對于上升下降沿的判斷需要更多的內(nèi)存和語句實(shí)現(xiàn)等等，但是對于簡單的應(yīng)用還是沒有問題的.
10邏輯輸出,這塊也很簡單,就是把對應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到單片機(jī)的IO口即可.
11后期操作部分,也就是每次掃描運(yùn)算結(jié)束后還有余力進(jìn)行其它需要功能的輸出,這塊在真正PLC里面也是很重要的,應(yīng)該會(huì)進(jìn)行邏輯效驗(yàn),遠(yuǎn)程通訊等功能,咱這個(gè)就都簡化掉了,僅僅為了測試掃描時(shí)間對一個(gè)內(nèi)存變量進(jìn)行增一操作而已,可以調(diào)用看看掃描周期時(shí)間是否超過了最小定時(shí)器時(shí)間等等輔助功能. 實(shí)測12M時(shí)鐘0.01秒執(zhí)行了這個(gè)小邏輯多達(dá)70多遍!
架構(gòu)有了，具體邏輯要怎么寫，最好還是在PLC模擬器上先試著編寫一下，功能沒問題了再抄到我們的單片機(jī)里面來，進(jìn)行逐句翻譯，因?yàn)閱纹瑱C(jī)匯編語言的調(diào)試還是很麻煩的，畢竟不直觀，還是在PLC模擬器里面做好了再搬進(jìn)來比較好。
Keil里面編譯成HEX文件后可以直接刷寫進(jìn)單片機(jī)使用了，真正用之前最好還是要根據(jù)單片機(jī)的晶振時(shí)鐘，再調(diào)整一下微定時(shí)器的定時(shí)參數(shù)，盡量符合0.01秒的要求，不要偏差太大，還有一種方法是利用proteus軟件仿真硬件運(yùn)行也是不錯(cuò)的。
通過反復(fù)修改匯編程序,通過仿真測試到目前為止我們只是完成了PLC芯片邏輯的軟件編寫，下面就可以燒寫進(jìn)51內(nèi)核的單片機(jī)內(nèi)實(shí)際運(yùn)行了,這里我使用的是STC的國產(chǎn)單片機(jī),15W408系列,DIP20替換AT89C2051還能多增加幾個(gè)IO腳,僅僅幾元,價(jià)格便宜,1T內(nèi)核,性能強(qiáng)勁(之前寫的0.01秒掃描70多次是在仿真環(huán)境下,12T的89C2051達(dá)到的性能,如果使用STC的1T系列要注意實(shí)際運(yùn)行速度會(huì)增加12倍,達(dá)到0.01秒掃700多次,有時(shí)候太快了也會(huì)引起煩惱呵呵),IO可以設(shè)定為強(qiáng)推挽,驅(qū)動(dòng)力強(qiáng),串口直接下載程序,編程方便,對于非專業(yè)應(yīng)用,給DIYer做點(diǎn)小東西還是很合適的.使用STC專用下載線(僅僅十幾塊,比別的芯片下載編程器可便宜多了,甚至使用5元的USB轉(zhuǎn)TTL串口線也能用,只是需要手動(dòng)斷電一次而已,專用的下載線增加了自動(dòng)斷電功能,使下載更方便些)下載進(jìn)芯片,得到一只帶程序的芯片.
利用面包板搭建測試電路實(shí)際驗(yàn)證邏輯功能,如果邏輯不滿意或者定時(shí)時(shí)間不合適還可以回去修改程序,重新編譯下裝,直到滿意為止,為了能夠應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中，還需要為它配上電源電路，輸入按鍵開關(guān)，輸出驅(qū)動(dòng)三極管或繼電器等硬件才能和實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境配合使用，發(fā)揮預(yù)想的作用。
實(shí)際應(yīng)用中對于抗干擾還是需要花費(fèi)一些心思的,干擾來自一下幾個(gè)方面:
1電磁閥動(dòng)作時(shí)候產(chǎn)生的電磁脈沖和反電動(dòng)勢,這個(gè)可以使用二極管做續(xù)流,來消除電磁閥斷電反電動(dòng)勢脈沖,通過增加光耦進(jìn)行輸出隔離,也可以提高抗干擾性能;
2 對于開關(guān)輸入通道要考慮單片機(jī)輸入電阻是比較高的,長線容易引入外部干擾,這個(gè)問題可以通過在輸入引腳外加1K上拉電阻的方法來降低輸入阻抗,達(dá)到抗干擾的目的;
3 電源也是干擾源,因?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)和電磁閥的動(dòng)作都會(huì)造成24V電源的瞬間劇烈波動(dòng),盡管單片機(jī)的電源消耗不大但是很容易因干擾而復(fù)位或者造成輸入輸出不正常等現(xiàn)象,因此電源濾波也很重要,通過示波器可以觀察到當(dāng)電機(jī)或電磁閥動(dòng)作時(shí),單片機(jī)5V電源的波動(dòng)情況,通過采取增加π型LC濾波,可以極大降低電源引起的干擾.
4 電磁輻射也要考慮,單片機(jī)控制板本體最好增加金屬外殼并接地,抵抗電機(jī)電磁閥或廚房用電設(shè)備的外部干擾,這就是為什么我喜歡收集金屬糖果糕點(diǎn)盒的原因,呵呵!
對于DIYer來講,有時(shí)候想法挺好,試驗(yàn)也成功,但是實(shí)際裝機(jī)后卻失敗了,這些可能不是我們做的不好,實(shí)際是沒有考慮到復(fù)雜的工作環(huán)境,真正的產(chǎn)品為什么比我們DIY的成本高,其主要方面就是考慮的實(shí)際工作現(xiàn)場的復(fù)雜性,真正的核心控制可能很簡單,但是周邊的各種保護(hù)很復(fù)雜,甚至接錯(cuò)線了也要考慮到,成本和可靠性就成正比了,希望朋友們DIY快樂!
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
