基于PLC原理在51单片机上的自动抽水控制实现讲解

1、基于 PLC 原水理控在制5实1现单片机上的自动抽 专 业：电子信息科学与技术 学生姓名： 吴钦文 学生学号： 120303016 院 系：物理与电子工程学院 年级、班： 2012 级励志班 指导教师： 文良华 2014 年 6 月 12 日 摘要 第 1 章 绪论 2 1.1 课题背景 2. . 第 2 章 PLC 简介 . 3. . 3. . 4. 4. . 2.1什么是 PLC 2.2 PLC 的工作原理 第 3 章 硬件介绍 3.1 单片机抽水控制系统框图 3.2 原理简介 3.2.1 电路的控制信号采集 5. 3.2.2 水泵控制电路 5. 3.2.3指示灯5. . 3.3 硬件选材

2、与制作 5. 3.3.1控制芯片 5. . 3.3.2控制开关 6. . 3.3.3 5V电源 6. . 3.3.4 水泵驱动电路 6. 3.3.5 指示灯的设计 7. 第 4 章 程序设计 9 4.1 程序流程图 9. . 4.2主逻辑分析 1.0. 4.3提高程序稳定性 11 第 5 章 结论与总结 12 3.1 结论 1.2. 3.2 总结 1.2. 参考文献 13 实物照片 14 附录 1 16 摘要 本文介绍了一个使用 51 单片机实现自动抽水控制的设计。整个设计的实现 基于 PLC（可编程逻辑控制器 ） 原理。本文将介绍具体设计具体实现的细节包括： 软硬件的设计（其中遇到的问题及解

3、决方式） ；如何保证系统的系统稳定与可靠 性；设备在实际运行过程中出现的故障及分析以及整个系统的成本。 在无人干预 下设备平均运行时间不短于一个月。 关键词 单片机； PLC；可靠性；故障分析 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 在农村，用水不如城市方便，通常使用水泵抽水，但是很不方便，整个过程 都需要人在旁边看着， 以免水过多溢出。 科学的进步带给人们的是更好的生活方 式，其表现形式是制造和改进工具，减轻劳动负担，提高劳动效率。科学的进步 更带给人们全新的思维方式以及解决问题的能力。 一直以来人类都以制造工具作 为区分人与动物的一种最本质特点， 人类制造的工具种类繁多， 功能涵盖生活的 各个

4、方面，可以这么说，只要有人的地方处处充满着经过思维加工过的精妙设计。 人类文明灿烂绚丽， 而历史现在正处在一个伟大的世纪， 一个人类彻底变革 的世纪。有一种东西将把人类彻底的划分成两个时代， 那就是 20世纪诞生的计算 机。其重要意义在于人类所创造的工具将有可能完全脱离人工环节， 完全的自动 化。计算机诞生于 1947年，至今不到百年，就以其强大的力量改变了世界。但是 距它发挥它的力量还有无穷尽的路要走。 进入21世纪的今天， 自动化的潮流已经来临， 在这个信息时代没有什么不可 能的。现在秉承先驱者的理念让工具彻底从人类手中解放出去， 这是一片广阔无 垠的天空有着无尽的可能。 让生活变成有生命

5、的，计算机在经历了数十年的发展已经拥有这样的力量。 微控制器件单片机， 集小型化，高效节能，可靠稳定的计算机系统已非常成熟。 使用它设计一个自动化的设备已经悉数平常。 使用单片机在无人的情况下完成自 动抽水的工作是完全做得到的。 在数字电路，工业控制领域， PLC作为常用的控制器件，其特点是采用逻辑 方式让控制量来控制被控量。 当然有个前提， 控制量与被控量都是二进制的可以 进行与或非运算的布尔量。 通过循环进行布尔运算， 可以实现被控量的实时可靠 控制，误操作的可能极小， 并且有极强的纠错能力， 即使出错在下一运算周期中 数据也会被重新刷新，而这个周期是极短的，通常不过几毫秒。所以使用PLC

6、的 控制方式具有极强的应用性。 第 2 章 PLC简介 2.1 什么是 PLC PLC 即 可编程逻辑控制器 （可编程控制器件） 可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ， PLC ），它采用一类可编程的存 储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户 的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 2.2 PLC 的工作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、 用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间，可编程逻辑控

7、制器的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、输入采样阶段 在输入采样阶段， 可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据， 并将 它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。 输入采样结束后， 转入用户程序执行和输出刷新阶 段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数 据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期， 才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 （梯形图 ）。在扫描每一条梯形图时，又总是

8、先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路， 并按先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运算 的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化， 而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变 化，而且排在上面的梯形图， 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯 形图起作用； 相反， 排在下面的梯形图， 其被刷新

9、的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫 描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O 指令的 话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器 会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间， CPU 按 照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外 设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 第 3 章 硬件介绍 3.1 单片机抽水控制系统框图 整个电路由五个部分

10、构成：包括单片机最小系统；控制开关；水泵驱动电路；运 行及故障指示灯。单片机采用 atmel89s52 控 制 开 关 组 3.2 原理简介 系统实际电路图 2.2 3.2.1 电路的控制信号采集 控制开关由 J2-J5 组成：水泵启动开关，常开，缺水时常闭 （接 P0.0） ；水 泵停止开关，常闭，水满时断开 （接 P0.1） ；欠压监测开关，常闭，电压正常时 断开（接 P0.3） ；抽水正常监测，常开，正常时闭合 （接 P0.4） 。 J2、J3是由各自的浮漂控制，当水位下降至一定程度时， J2 相连的浮漂下 沉，使 J2 闭合；当水位上升至一定程度时， J3相连的浮漂受到浮力， J3 断

11、开。 J4 是交流接触器 K2的一个辅助常闭触头，欠压时触头无法完全断开，借此检查 是否欠压。 J5 与出水口的一个拨片相连，水流冲击使其闭合，检测是否正常抽 水。 J4，J5 异常都将引起系统停止工作 5 分钟，再重新工作。 3.2.2 水泵控制电路 水泵使用 220V 交流接触器 K2控制，而单片机工作电压为 5V，故使用三极 管驱动一个 5V 的继电器 K1，再用继电器控制交流接触器。 图中 J6为常闭开关，于一个浮漂相连，当发生意外水位超出安全界限时浮 漂受到浮力使 J6 断开，这是一项保护措施。 3.2.3 指示灯 运行指示灯 LED（2 接 P1.0），正常运行时以 3s 为周期闪

12、烁；故障指示灯 LED1 （接 P0.4），正常时为常亮，故障时以 0.5s 为周期闪烁。 3.3 硬件选材与制作 3.3.1 控制芯片 单片机 at89s52 是由 ATMEL公司生产的 51内核的单片机， 和 51 单片机完全 兼容。此设计使用了其位寻址区， P0 口。 51单片机 RAM从 20H到 2FH作为位寻址区，此位寻址区专为工业位逻辑控制 而设计。 P0 端口，作为地址数据复用时是推挽互补输出， 作为普通输入输出端口时为 源极开路，所以需要外接上拉电阻。 3.3.2 控制开关 电路中所有控制开关使用 2mm铜芯线制成，去皮后锤打使之更有弹性，再将 其绑在面包板上， 固定一段，

13、且使另一段能在浮漂的作用下接触地线端电极， 输 出一个低电平。 3.3.3 5V 电源 单片机需要工作在 5V电源下，采用成熟的 5V 电源满足这一要求。此电源使 用开关电源，内置保护熔丝， EMC设计，后级采用非常良好的滤波输出，输出电 压非常稳定。 3.3.4 水泵驱动电路 农村常见的水泵有两种，真空式及潜水式。两种水泵都是使用 220V 居民用 电，本设计中使用的是潜水式，功率大约 800W。 驱动水泵最大的问题是电源隔离及控制问题， 图 2.3 是去动电路的控制电路。 Q1为驱动三极管，单片机输出控制信号，首先驱动K1（5V 继电器），然后再控制 K2（220V 交流接触器） ， K2

14、 再控制水泵运作。 M1 为水泵示意，水泵电机是一个单相的电机，内部只 用两相线圈，互相成 90 度的空间安放。其中一只线圈串联了一只电容C1，目的是利用它来 改变第二只线圈的电抗， 使得两只线圈上的电流呈现出相位差， 产生出旋转磁场驱动电机转 子旋转。 将 S1 打到 0V 将启动整个电路，如图 2.31 所示 意的是驱动有效的电平是低电平， 因为单片机开机瞬间复位后的电平是高电平， 如果现 在是搞电平有效地话，那么将产生误动作，出现可怕的后果。 使用继电器实现了很好的隔离作用， 在实际的情况下还要考虑另外一种因素。 一般 情况下驱动感性负载会对电源产生严重的影响， 会使单片机出现复位的情况

15、。 因为单片 机的复位电路一般情况下是使用 RC的复位电路，电源的波动很容易从电容上耦合到复 位引脚上。所以需要使用用一些电路来避免这样的情况发生。在本设计中K1 的线圈是 一个感性负载， 启动瞬间会对电源产生干扰， 常采用的方法是反并联一只二极管， 如图 图 2.32 采用这种方法将非常有效地解决上述问题，且成本低廉。 3.3.5 指示灯的设计 a 图 2.33 如上图 a,b 所示 LED2为运行正常指示灯，其驱动指令放在主程序环节，只要其正常闪 烁说明整个程序正常工作。 LED1是用特殊考虑的，它直接与 J5 并联，且未加限流电阻，但仍能正常工作。因为J5 工作于 P0 口，整个电流用上

16、拉电阻提供，而上拉电阻提供的电流完全在 LED1 的承受范围 内，故不需要额外的原件。 LED1直接反应了 J5 的通断状态，如果亮则表明 J5 处于断开的状态，如果灭，说明J5 处于闭合状态。而 J5 直接反应的是抽水是否正在进行，如果灭则表示正在抽水，若是亮则 表示未进行抽水。 J5 的闭合断开是由外部的抽水客观决定的，与程序无关，客观的反应了 电路的工作状况。 指示灯的电路是必不可少的， 因为它提供了一种人机交互的基本方式。 是人能直观的了 解到系统的的运行情况。 4.1 程序流程图 第 4 章 程序设计 P1.0 取反 延时 20s 等待水流进入水 池 程序流程图中可以看出， P1.0

17、(LED2) 一直处于主循环中， 任何终止主程序的行为都将使 其停止闪烁。 在程序中主要有三个判断： 1. 是否是抽水控制发出后的第一次循环， 因为刚发出抽水的命令， 整个系统都需要时间 来响应。继电器的闭合需要时间，水从井中抽到水池中也需要时间。 2. 是否欠压 , 电压过低将无法驱动电机正常运行。 3. 抽水正常，水是否已满。这是整个程序中的主要控制住部分。 4.2 主逻辑分析 为了方便理解将原程序简化如下（原程序参见附录） X1 EQU ACC.0 X2 EQU ACC.1 Y1 EQU 00H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV P0,#0F

18、FH ;P0 置 1 作为输入 CLR Y1 ; 输出缓冲清除 LOP: MOV A,P0 ; 读 P0 口 CPL X1 ; 取反 MOV C,X1 ORL C,Y1 ;X1 或 00H ANL C,X2 ; 与上 X2 MOV Y1,C; 保存输出 CPL C MOV P0.7,C; 输出 AJMP LOP END 图 3.2 图 3.2 展示的是程序的逻辑的梯形图 (Y_1=Y1)，当 X1为 1 时，输出 Y_1为 1， 同时 Y1为 1，在 X1断开后输出继续维持，直到 X2断开。 4.3 提高程序稳定性 MOV R3,#5 LP9: ORL C,P0.3 ACALL DELAY20

19、0MS DJNZ R3,LP9 这是在程序中通常采用的提高程序读取数据正确性的程序，将数据每隔 200ms 读取一次，相或，可避免负跳变脉冲引起的干扰。 / 防死机处理程序 ORG 0100H NOP CLR A CLR EA MOV SP,07H POP ACC POP ACC RET 此程序可以防止一旦程序跑飞， 通过陷阱的方式捕获程序指针， 并将其复位。 此 程序可在空白的程序存储空间中多处放置，可有效地避免单片机意外死机。 第 5 章 结论与总结 3.1 结论 该自动抽水装置可以实现在无人干预的情况下， 平均可靠运行时间大于一个 月。整个装置考虑了各种极端的情况的出现，如欠压，水源缺水

20、，程序跑飞，程 序误动作（硬件保护）使整个系统能完成既定的功能。 该系统成本低廉，除去水泵的费用以外，总计系统成本不高于 50 元。 3.2 总结 此次单片机的设计是我学到了很多东西， 吃过很多苦头。 装置在实际运行过 程中因为考虑不周而出现严重失误。 在第一次实际运行时， 由于农村电网波动大， 没有设计相关的电源检测电路， 在运行一周后交流接触器被烧毁。 农村的水井的 水是十分稳定的，但缺水也不是不可能的， 因为未考虑这个情况将电机绕组烧毁， 损失 300 块，血的教训啊。 尽管很波折， 遇到很多问题但是要有面对问题的勇气， 这一切也使我考虑问 题更加全面。 现在整个系统已变得成熟， 但是其

21、固有的设计缺陷依然会限制可靠 运行的时间，如控制开关的锈蚀，控制导线的风化，控制板包装保护的问题。这 一切的一切都告诉我要想实现一个系统的可靠长久运行需要持续不断的努力。 参考文献 1. 姜治臻 单片机技术及应用 高等教育出版社 2009 年 2. PLC原理及应用机械工业出版社 2010年 02月 实物照片 图为 J2,J3,J6（从右至左）及电路板实物 图为 J5及 LED1实物，用于检测抽水是否正常和指示是否出现异常情况 图为水泵控制电路及 5V 电源，为单片机提供电源，以及控制水泵 附录 1 /* 自动抽水机 */ /P0.0 开始抽水 低电平有效 /P0.1 停止抽水 高电平有效 /

22、P0.2 电机控制输出 低电平有效 /P0.3 欠压检测 高电平正常 /P0.4 水源缺水检测 低电平正常 ORG 0000H MOV P0,#0FFH CLR 00H CLR 01H CLR 02H SETB 03H CLR C AJMP MAIN ORG 0020H MAIN: MOV R4,#1 CPL P1.0 /运行指示灯 LOP1: MOV A,P0 / 主要逻辑 CPL A MOV C,ACC.0 ORL C,01H ANL C,ACC.1 CPL C MOV P0.2,C CPL C / 欠压检测 JNC LP1 JB 00H,LP2 MOV R3,#10 LP8: ACALL DELAY200MS DJNZ R3,LP8 CLR 03H SETB 00H AJMP LP2 LP1: CLR 00H LP2: MOV