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用单片机制作可编程控制器实验
韦志诚
(华东船舶工业学院机械系.江苏镇江212003)
摘要:分析PT.C的运行原理系统程序的安排.以及用户程序的编译方法.少{在此基础上说明如何用
单片机制作可编程逻辑控制器 。
关键词:中一片机;可编程逻辑控制器
中图分类号:T P 273文献标识码:13文章编号:1006 7167( 2003) 01-0056-05
Using Single Chip Computer to Fabricate PLC
l}Fl 77.1-C}7.}1Zba
(Dept.of Mechanical Eng二East China Shipbuilding Tnst二7,henjiang 212003, China)
Abstract: This paper discussed the principle of PT.C and the method to transform PT.C command to CP[丁con
mand, and explained how to fabricate PT.C by using single chip computer.
Key words: single chip computer, programmable logical controller(PT.C)
在普通高校机械系机床电气控制技术》课程中.
可编程控制器是一项很重要的教学内容.为了配合该
课程的教学一般都开设相应的P1.C实验。
我院机械系实验室也配各了GE公司 、二菱公司
等厂商生产的可编程控制器.供学生实验使用 。这对学
生掌握可编程控制器的应用技能.起到了很好的作用 。
在历届实验教学过程中.不少学生J{不满足少
P1.C的应用.常常提出如卜问题:`}'1.C的硬件是怎样
构成的?" }'1.C的运行程序是怎样编制的?”前一个问
题教课}J中有些简略介绍.后一个问题往往是生产厂
商不公开的技术.因此不好向学生解释。
为了解决这个问题.笔者结合单片机实验.尝试用
51系列单片机8031来实现P1.C的功能.以满足学生
的要求 。
用户
图1 PLC硬件组成框图
P1.C运行时.程序执行过程如图2.巡回扫描I
P1.C的基木工作方式 。
系统程序用户程序
1 PLC的构成
P1.C的硬件组成框图如图1:
P1.C的软件应包括系统软件和应用软件两部分。
系统软件有以卜功能:(1)系统配置及初始化;
}2)系统自诊断;}3)命令识别与处理;(4)用户程序
编译;(5)模块化r程序及调用管理。
应用软件即用户用P1.C程序语言编写的应用程
序 。它是根据预期的控制功能编写的.可随时修改 。
图2 PLC不TlY执行流程
如果一个单片机系统可作为P1.C运行.关键碑
该系统能够认识 ”用P1.C语言编写的命令。其实单)
机系统只认得机器码.因此.若能把P1.C命令编译丈
单片机相应的机器码.此系统就能作P1.C运行了 。
2 PLC命令到单片机指令的编译
在机床电气控制中通常都作一些逻辑控制P1.C
在该领域的应用也以逻辑控制居多 。卜而仅讨论如何
实现这些逻辑控制功能。
组成简易P1.C的单片机系统如图30
+5V
X000
茎O(i7
XI)日)
XOL7
YIf?I1
vnz}
图3组成PLC的最小单片机系统
用8255的PA口.PR口作为输入端.分别定义为在8031芯片的内部存储器中有一个位寻址区.共
X 000 X 007和X010 X017; PC口作为输出端.定义为有128个可寻址位.地址编号为OOH 7FH.它们正好
Y020 Y027 。按P1.C系统惯例.编号为8进制数 。木可以用来作为P1.C的输入 、输出映像寄存器.以及其
文只讨论简易系统.所以输入部分略去了光电祸合电它P1.C兀件的映像寄存器。为简便起见.定义输入中-
路.输出部分略去了继电器电路 。兀X 000 X 007对应的可寻址位为OOH-07H, XO10-
通常P1.C应该有若干内部继电器M.定时器T X017为lOH-17H,输出中一兀Y020 Y027为20H-
和计数器C等 。现只定义16个内部继电器M 130- 27H。对」几内部继电器M130 M137,M140 M147.定时
M137.M140 M147.还有4个定时器T 050 T 053和4器T 050 T 053和计数器C 054-(. 057等.也用CPU内
个计数器C 054-(. 057 。这里N_把X 000 , Y 020等输入、部RAM的可寻址位与之一一对应 。
输出中一兀.以及内部继电器M.定时器T.计数器C等列出内部RAM的地址分配表如表to
称为P1.C兀件。
表1 8031内部RAM地址分配表
20H OOH/X000 OIH/X001 02H/X002 03H/X003 04H/X004 OSH/X005 06H/X006 07H/X007
IOH/X010 I IH/X01 I 12H/X012 13H/X013 14H/X014 ISH/X015 16H/X016 17H/X017
20H/Y020 21H/Y021 22H/Y022 23H/Y023 24H/Y024 25H/Y025 26H/Y026 27H/Y027
30H/VI 130
31H/VI 131
32H/VI132 33H/VI133 34H/VI134 35H/VI135 36H/VI136
37H/VI 137
40H/VI 140
41H/VI 141
42H/VI142 43H/VI143 44H/VI144 45H/VI145 46H/VI146
47H/VI 147
SOH/T 050
58H/T 050
S I H/T O51
59H/T OS I
52H/T 052
SA H/T 052
53H/T 053
SBH/T053
54H八:054
SC H/C 054
SSH八
SDH/(
56H八
SEH/(
57H八:057
SF H/C 057
H H H H H H H H H H H H H HH
21 22 23 24 25 26 27 2829叭2B鱿21) ZEZF
SOHT 050常数
58HT050 i1数
SIHTO51 }'数
59HT051 i1数
52HT052 }'数
SAHT052 i1数
53HT 053常数
SBHT053 i1数
54H C 054常数
SCHC054 i1数
SSHCO55常数
SDHCO55 i1数
56HC056常数
SEHC056 i1数
57HC057常数
SFHC057 i1数
表中每个输入 、输出l从.内部继电器分别对应一
个可寻址位。Ifn每个定时器.计数器分别对应两个可寻
址位还对应两个字节存储单兀 。
对应」几P1.C的逻辑控制功能.CPU芯片8031一
般是用位操作指令来进行运算的 。卜边讨论如何把
P1.C命令编译成8031位操作指令码。
先看一条简中一的P1.C
二菱系列可编程控制器 。
X000
程序 。程序的编制方法参照
比如:
X000
Xool
丫020
丫020
日一—
日/一一一
这条程序很简龟P1.C命令为1. D X 000, O U T
Y 0200其逻辑关系为:
Y 020=X 000
即直接把输入端的状态送到输出端.无须运算。
再看一条控制电动机起动 、停止的P1.C程序:
X000 Xool丫020
第一条PLC命令A031指令A031机器码
LDI X000 M0VC,OOII A200
CPL r. r3
机器码为3字节 。
又如定时器回路:
X000 T 050
日一—(>ICloo
一习一/一—
日({2口
P1.C命令为1,D X000, OR Y020, AN1 X001,
OUT Y020.逻辑关系如卜:
Y 020=(X 000+Y 020)*X 001
显然一般单片机系统不能处理这个关系式 。
假如输入扫描己将输入端状态扫入其对应的映像
寄存器中.那么上述逻辑关系式可转化为:
(20H)=l(OOH)+(20H)」*(O1H)
输入、输出单兀分别用它们的映像寄存器取代.地
址山表1确定。这样.中一片机系统就能够实现这条逻辑
运算了 。
完成这条逻辑运算所需要的8031指令及机器码
与P1.C命令有如卜对应关系:
PLC命令A031指令A031机器码
L P X 000 M0VC, 0011 A2 QQ
O R I 020 O R L C , 2011 72 20
ANI X001 ANL C, /0111 P}0 O1
OLT丫020 M 0V 2011, C 92 2Q
只要把P1.C命令转换成右侧的机器码.输入到图
3的用户存储器6264中.即可执行上边这条程序了 。
先山系统程序将输入端状态扫入其对应的映像寄存器
中.然后执行用户程序.再山系统程序把结果扫描到输
出-W},。
当输入X 000接通时.输出Y 020接通.对应的发
光一极管亮;X 000断开.输出仍山Y 020的接l从保持;
只有X 001接通时.输出Y 020才断开 。
上边有卜划线的数字是与X,Y,M,T,C等P1.C
兀件号对应的8031内部RAM可寻址位地址.山表1
确定 。在这里.它正好与P1.C的兀件号相符。
因此.根据P1.C命令及X,Y ,M等兀件的编号.
即可转换成相应的机器码和映像寄存器地址。
分析P1.C命令及相应的8031指令.会发现P1.C
命令多半可转换为2字节机器码.Ifn有的命令则转换
为3字节、4字节 、甚至多字节机器码必须区别对待 。
PLC命令A031指令A031机器码
L P X 000 M0VC , OOI I A 2 00
OCT 1050 M0V SAIL C 92 5A
K 100 M 0V 50II#(4II 75 50 (4
其中与输入时间常数命令对应的机器码为二‘
节 。
位58H也是与T 050对应的可寻址位.它用来
记T 050的输入状态.Ifn位50H则表示T 050的输{
状态。还有字节单兀50H用来存放T 050的定时常鲜
#64H是十进制数100转换成的十六进制数 。
再看比较复杂的块JI联回路:
X000 Xool丫020
川一仁(’
这条P1.C程序是将上一分支回路的运算结果
卜一分支回路的运算结果相或后送到输出端.因此)
先把上一分支回路的运算结果保存起来.然后才能J
行卜一分支回路的运算.否则就会造成逻辑混乱 。所}
简中一地套用前述IJD命令的编译方法就不行了。
根据P1.C编程经验.不管有无分支回路.每档 ，
形图程序总是以1.D或1.D1命令开始的 。我们可以二
1.D,1.D1命令编译程序的开头处加一条8031指令.:
位运算器C的状态(即上一分支回路的运算结果)’
存起来.等遇到块步{联0RT3命令时再取出来和卜
分支回路的运算结果相或.这样就不会造成逻辑混l
了 。可以采用指定专用位存储器寄存的办法.也可采)
专用字节存储器移位寄存的办法。参考资料[2],后
种方法较好 。这里指定8031的片内存储器1FH中-
为专用移位寄存器.用来暂存位运算器C的状态 。
这样一来.对」几有步{联分支回路的P1.C程序.)
需要的8031指令及机器码与P1.C命令有如卜对应
系:
PLC命令A031指令A031机器码
L P X 000 M0VA ，1FII I;5 1F
RLC A 33
M() 、
M()、
1FII, A
C, OOII
AND X001
T. D X 002
AND X003
()RR
0 T; T丫020
ANL C, OlII
M 0YA, 1FII
RLC A
M 0Y 1FII, A
M 0YC, 02II
ANL C, 03II
M 0YA, 1FII
RR A
M 0Y 1FII, A
ORL C,ACC.
MOY 20II, C
FS 1F
A 2 00
82 O1
DS 1F
33
FS 1F
A 2 02
82 03
DS 1F
03
FS 1F
72 L7
92 20
注意.第一条1.D命令对应的8031指令先把位运
算器C的状态(即上一分支回路的运算结果)存入
1FH中一兀的DO位。待到ORT3命令时.对应的8031指
令则把1FH中一兀的DO位状态存入累加器ACC的D7
位中 。山J几该右循环指令不影响位运算器C.此时C的
状态仍为卜一分支回路的运算结果.这样C与ACC.7
相或就是总的运算结果 。
为了处理JI联分支回路.1.D命令和ORT3命令对
应的机器码为7字节.If}J 1.D1则更多。
另外.第一条1.D命令对应的左循环指令在这里
无效。但为了编译方便.只要是1.D命令.或1.D1命令.
编译时都作左循环处理.包括前边的例r 。
与ORT3命令对应的右循环指令又还原了上一分
支回路的运算结果.以便处理多分支JI联回路 。
采用这种移位循环方法最多可以处理8路JI联分
支的P1.C程序。
关」几JI联块与JI联块的串联.这种情况要用到块
串联命令ANT3.可仿照上述办法处理 。
通过以上分析.可以看出对J几不同的P1.C命令.
8031都有与之对应的操作码.Ifn随后的操作数则山相
应的P1.C兀件号确定 。根据这个规律.把P1.C命令编
译成8031的机器码就不难了。
前边己经提到了定时器的编程.现在对定时器的
运行再作一些说明 。
以T 050为例.表1列出了它的两个可寻址位为
50H和58H,前者存放它的输出状态.后者存放它的输
入状态 。因为定时器的输出状态不仅仅山其输入状态
决定.还要取决」几计时是否到.所以每个定时器要，片用
两个可寻址位。另外还要有两个字节存储器50H和
58H.前者存放它的预置时间常数.后者用来作它的计
数器 。
在系统程序中安排一个定时器中断.时标为0. 1
秒 。运行中若检测到可寻址位58H(输入状态)为1.则
在中断程序中把字节存储器58H加to当其中的计数
与字节存储器50H中的预置数相等时则将可寻址位
50H(输出状态)置1。木例中常数为K 100.故T 050的
定时值为10秒 。
木文只讨论用中一个存储器来计数.因Ifn定时范围
有限 。若要扩大定时范围.则用双存储器来计数。
对J几计数器C 054-(. 057.可用外部中断实现其功
能。编程方法及系统程序的安排与定时器相似 。
系统CPU在处理定时器 、计数器时.需用字节操
作指令 。所以在P1.C系统中.位操作指令和字节操作
指令都要用到。
关」几P1.C的主控命令MC,MCR.其实只是多一
条综合逻辑关系;还有常用的SFT ,RST命令.用」几对
计数器置位 、复位 。这些都不难分析 。
至」几FND命令.实际上是安排一条跳转指令.山
用户程序跳转到系统程序输出扫描的入口处去。这条
命令是必不可少的 。
不难看出.只要适当安排P1.C的兀件号.步{在编
译时作时号 ”处理.表1中空白的内部RAM可寻址
位都是可以利用的 。这就意味着.只用8031芯片内部
RAM.就可以把P1.C的兀件(X,Y,M,T,C等)做到
100个以上。
3结束语
笔者利用复H过去生产的一块MCS 51通用实验
板和一块24键,8只数码管的键盘显示器一试作了用
51中一片机制作可编程控制器实验 。P1.C用户程序到
8031指令的编译在作为编程器的键盘显示器中完成.
对应的机器码顺序存入图3的6264中 。Ifn P1.C的主
程序输入扫描、输出扫描 、定时器中断 、计数器中断等
则固化在2764中。所用的P1.C编程方法参照了二菱
系列产品.符合通用可编程控制器惯例 。它的技术指标
女口卜:
输入1(点X000- X007. X010- X017
输出8点1' 000- 1' 007
内部继电器24点M 100- M 107. M 110- M 117
M 120-M 127
定时器4点T 050 T 053时标0. 1 s最人定时伯
25. 5s
i}一数器4点C 054-C 057最人i}一数伯255
编程命令LD LDI
AND ANI
OR ORI
OLT
M C M CR
ORP} ANP}
51;T R5T
nNn
输入程序步数soo
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