陳永昕，陳洪寶

（1.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.吉林石化公司有機(jī)合成廠電氣車間，吉林 吉林 132000）

智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中的基本控制會(huì)經(jīng)常需要開關(guān)量控制，比如電燈、水泵、電磁閥控制流體流通和截止的情況。目前，常見的策略是應(yīng)用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)制作控制主板，完成網(wǎng)絡(luò)通信和開關(guān)量甚至模擬量的采集及控制。這對(duì)開發(fā)者的要求較高，需要具有嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)，能夠進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言程序編寫，能夠完成通信任務(wù)，并同其他控制計(jì)算機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。為了降低開發(fā)簡(jiǎn)單開關(guān)量控制系統(tǒng)的技術(shù)難度，本設(shè)計(jì)給出了一種簡(jiǎn)易的終端硬件解決方案，其中重點(diǎn)介紹可編程邏輯控制終端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中簡(jiǎn)單開關(guān)量的控制需求。

1 方案總體設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制終端采用宏晶科技公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)作為控制核心，電路板配有RS232通信接口，由串口傳遞控制信息，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制。電路板整體框圖如圖1所示[1]。

軟件編程通過(guò)傳統(tǒng)單片機(jī)編程軟件進(jìn)行編寫，可以使用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言，但這兩種語(yǔ)言要求技術(shù)人員有較好的編程基礎(chǔ)。相對(duì)這類代碼語(yǔ)言，PLC編程使用的梯形圖更容易被工程人員接受。本設(shè)計(jì)方案編程實(shí)現(xiàn)途徑計(jì)劃采用梯形圖對(duì)功能程序進(jìn)行編寫[2]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（電路原理圖設(shè)計(jì)）

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制核心選擇STC12C5616AD直插式窄體封裝28腳單片機(jī)，時(shí)鐘電路晶振采用11.059 2 MHz晶振配合30 pF瓷片電容。電源電路使用LM7805將12 V直流電壓降壓為5 V，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)供電[3]。具體串行口通信接口電路圖如圖2所示。

2.2 通信接口電路設(shè)計(jì)

使用MAX232芯片進(jìn)行通信接口電路設(shè)計(jì)，將單片機(jī)串行口轉(zhuǎn)為232電平，通過(guò)九針串口接口同上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接。具體電路圖如圖3所示。

圖3 RS232通信接口電路

2.3 開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸出部分電路本方案中采用機(jī)械繼電器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)選用ULN2003芯片，該芯片本質(zhì)上是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組成，每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。每個(gè)芯片可以支持七路繼電器，在本方案的硬件電路中需要14路繼電器開關(guān)量輸出，因此需要兩片ULN2003芯片[4]。具體芯片和單片機(jī)連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 ULN2003芯片與單片機(jī)連接關(guān)系圖

2.4 開關(guān)量輸出及指示電路設(shè)計(jì)

以第4組繼電器開關(guān)量輸出電路為例進(jìn)行介紹，具體電路圖如圖5所示，圖中K4為機(jī)械繼電器，線圈輸入端并聯(lián)電路中有一個(gè)泄放二極管和一個(gè)工作指示發(fā)光二極管。繼電器輸出端直接連接四位接線端子，可輸出控制直流或交流0～380 V電壓的通斷任務(wù)。

圖5 開關(guān)量輸出及指示電路

圖6 完整電路原理圖

2.5 電路圖整體設(shè)計(jì)

結(jié)合上述局部電路設(shè)計(jì)，按照總體硬件系統(tǒng)框圖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電路圖，整個(gè)電路外接口能夠支持14路繼電器開關(guān)量輸出，通過(guò)RS232串口給入控制命令，可以和PC電腦上位機(jī)、組態(tài)觸摸屏等多種串口通信設(shè)備進(jìn)行完成控制命令的輸入。在RS232接口上連接無(wú)線通信轉(zhuǎn)換模塊，可以完成無(wú)線聯(lián)網(wǎng)開關(guān)量可控制[5]。

2.6 電路板設(shè)計(jì)

PCB電路板布局：本設(shè)計(jì)使用的是Altium designer軟件，在電路圖中添加元件，封裝后導(dǎo)入PCB電路板圖文件，在機(jī)械層和禁止布線層繪制電路板邊框，然后將所有元件封裝合理布局到電路板外框中。在PCB繪圖界面中元件封裝布局如圖7所示。

圖7 PCB元件封裝布局

封裝布局時(shí)注意元件擺放整齊和周邊相連元件的方向，方便進(jìn)行布線時(shí)線路走向美觀、線路距離短。

電路板布線、覆銅：在布線規(guī)則中設(shè)定開關(guān)量輸出信號(hào)線線寬60 mil，其他電路板信號(hào)線線寬20 mil，按照雙層布線，在PCB繪圖界面菜單欄執(zhí)行“Auto Route->All...”，在彈出窗口上點(diǎn)擊右下角Route All按鈕完成自動(dòng)布線；最后需要在頂層和底層進(jìn)行覆銅，覆銅和GND網(wǎng)絡(luò)連通。覆銅形狀及位置如圖8所示。

圖8 PCB電路板圖繪制效果

圖8頂層和底層覆銅大小及位置要一致，并且電路板兩側(cè)的覆銅需要分成兩部分，直流電路部分和交流部分覆銅分開。防止通斷交流信號(hào)干擾直流電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程方法

該邏輯控制器程序編寫可采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言這類代碼語(yǔ)言，通過(guò)單片機(jī)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序編寫，但對(duì)工程人員編程技術(shù)要求較高。本方案中重點(diǎn)介紹的是一種使用PLC梯形圖編寫單片機(jī)程序的解決方案[6]。PMW2HEX軟件是一種將三菱PLC梯形圖轉(zhuǎn)成51單片機(jī)HEX文件的工具軟件[7]。該軟件新版本除對(duì)基本開關(guān)量梯形圖指令有支持外，在串行口通信和ModBus總線協(xié)議上都有側(cè)重支持，而增加的WIFI模塊功能的支撐，也使得PLC梯形圖編程方法在物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用上有了更好的支持。同時(shí)，該軟件在STC8、STC15和STC12系列單片機(jī)梯形圖編程上都有支撐。

該轉(zhuǎn)換軟件的應(yīng)用界面如圖9所示，通過(guò)界面上“PLC I/O端口映射”區(qū)域進(jìn)行端口對(duì)應(yīng)設(shè)置，單片機(jī)的I/O引腳和PLC進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，便于轉(zhuǎn)換后邏輯輸入輸出關(guān)系之間的對(duì)應(yīng)。此處對(duì)梯形圖指令的使用不再進(jìn)行贅述[8]。

圖9 PMW2HEX轉(zhuǎn)換軟件界面

由于使用三菱PLC兼容指令，對(duì)工業(yè)組態(tài)軟件有了更好的支撐，比如技術(shù)人員可以使用MCGS或者組態(tài)王這類工業(yè)組態(tài)軟件完成上位機(jī)人機(jī)界面程序的編寫或者直接使用工業(yè)HMI設(shè)計(jì)觸控人機(jī)界面[9]。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

有些項(xiàng)目應(yīng)用環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸較為簡(jiǎn)單，不需要或者工程師不期望使用較為復(fù)雜的工業(yè)通信協(xié)議，比如工程技術(shù)人員自行編寫上位機(jī)軟件，為了保障通信控制命令穩(wěn)定，就需要自行編寫串行口通信數(shù)據(jù)協(xié)議。這里介紹一種簡(jiǎn)易通信協(xié)議設(shè)計(jì)方法[10]。

一個(gè)協(xié)議幀由包頭、地址、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)位和包尾5個(gè)部分組成。

例如：如表1所示，包頭、地址和包尾都為一個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)段可以根據(jù)實(shí)際需要定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，這里電路板上有14路開關(guān)量輸出接口，定義14個(gè)字節(jié)。校驗(yàn)位是兩字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)，用于存儲(chǔ)地址、數(shù)段所有十六進(jìn)制數(shù)求和。第一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)求和高八位二進(jìn)制數(shù)，第二個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)求和后的第八位二進(jìn)制數(shù)。發(fā)送端和接收端根據(jù)協(xié)議定義，對(duì)每次接收的數(shù)據(jù)幀重新做一次求和，然后同接收道德校驗(yàn)位進(jìn)行比較，數(shù)值一樣說(shuō)明接收的數(shù)據(jù)無(wú)誤。

表1 協(xié)議幀數(shù)據(jù)格式

4 結(jié)論

通過(guò)上述內(nèi)容介紹，給出了一種可編程邏輯控制終端的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于一些簡(jiǎn)單開關(guān)量控制終端，使用成品PLC來(lái)做成本相對(duì)較高，使用傳統(tǒng)單片機(jī)制作硬件系統(tǒng)開發(fā)難度又相對(duì)較大，本設(shè)計(jì)中提供的實(shí)現(xiàn)方案既降低了開發(fā)難度，又能穩(wěn)定保障簡(jiǎn)單邏輯控制在民用和工業(yè)中的應(yīng)用。本方案中設(shè)計(jì)硬件終端實(shí)物照片如圖10所示。該控制板目前已經(jīng)用于會(huì)議室窗簾和投影幕的開關(guān)控制上，實(shí)現(xiàn)了會(huì)議室投影模式和普通模式的切換功能。

圖10 可編程邏輯控制終端實(shí)物圖