基于PLC原理在51單片機(jī)上的自動(dòng)抽水控制實(shí)現(xiàn)

1、 基于PLC原理在51單片機(jī)上的自動(dòng)抽水控制實(shí)現(xiàn)專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： 吳欽文 學(xué)生學(xué)號(hào)： 120303016 院 系： 物理與電子工程學(xué)院 年級(jí)、班： 2012級(jí)勵(lì)志班 指導(dǎo)教師： 文良華 2014年6月12日摘 要1第1章緒論21.1 課題背景2第2章PLC簡(jiǎn)介32.1什么是PLC32.2 PLC的工作原理3第3章硬件介紹43.1 單片機(jī)抽水控制系統(tǒng)框圖43.2 原理簡(jiǎn)介43.2.1電路的控制信號(hào)采集53.2.2水泵控制電路53.2.3指示燈53.3硬件選材與制作53.3.1控制芯片53.3.2控制開關(guān)63.3.3 5V電源63.3.4 水泵驅(qū)動(dòng)電路63.3.5 指示燈的

2、設(shè)計(jì)7第4章程序設(shè)計(jì)94.1程序流程圖94.2主邏輯分析104.3提高程序穩(wěn)定性11第5章 結(jié)論與總結(jié)123.1 結(jié)論123.2 總結(jié)12參考文獻(xiàn)13實(shí)物照片14附錄116摘 要 本文介紹了一個(gè)使用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽水控制的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基于PLC(可編程邏輯控制器)原理。本文將介紹具體設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)包括：軟硬件的設(shè)計(jì)（其中遇到的問題及解決方式）；如何保證系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定與可靠性；設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障及分析以及整個(gè)系統(tǒng)的成本。在無人干預(yù)下設(shè)備平均運(yùn)行時(shí)間不短于一個(gè)月。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PLC；可靠性；故障分析第1章緒論1.1 課題背景在農(nóng)村，用水不如城市方便，通常使用水泵抽水

3、，但是很不方便，整個(gè)過程都需要人在旁邊看著，以免水過多溢出?？茖W(xué)的進(jìn)步帶給人們的是更好的生活方式，其表現(xiàn)形式是制造和改進(jìn)工具，減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高勞動(dòng)效率。科學(xué)的進(jìn)步更帶給人們?nèi)碌乃季S方式以及解決問題的能力。一直以來人類都以制造工具作為區(qū)分人與動(dòng)物的一種最本質(zhì)特點(diǎn)，人類制造的工具種類繁多，功能涵蓋生活的各個(gè)方面，可以這么說，只要有人的地方處處充滿著經(jīng)過思維加工過的精妙設(shè)計(jì)。人類文明燦爛絢麗，而歷史現(xiàn)在正處在一個(gè)偉大的世紀(jì)，一個(gè)人類徹底變革的世紀(jì)。有一種東西將把人類徹底的劃分成兩個(gè)時(shí)代，那就是20世紀(jì)誕生的計(jì)算機(jī)。其重要意義在于人類所創(chuàng)造的工具將有可能完全脫離人工環(huán)節(jié)，完全的自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)誕生于

4、1947年，至今不到百年，就以其強(qiáng)大的力量改變了世界。但是距它發(fā)揮它的力量還有無窮盡的路要走。進(jìn)入21世紀(jì)的今天，自動(dòng)化的潮流已經(jīng)來臨，在這個(gè)信息時(shí)代沒有什么不可能的。現(xiàn)在秉承先驅(qū)者的理念讓工具徹底從人類手中解放出去，這是一片廣闊無垠的天空有著無盡的可能。讓生活變成有生命的，計(jì)算機(jī)在經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)擁有這樣的力量。微控制器件單片機(jī)，集小型化，高效節(jié)能，可靠穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已非常成熟。使用它設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化的設(shè)備已經(jīng)悉數(shù)平常。使用單片機(jī)在無人的情況下完成自動(dòng)抽水的工作是完全做得到的。在數(shù)字電路，工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC作為常用的控制器件，其特點(diǎn)是采用邏輯方式讓控制量來控制被控量。當(dāng)然有個(gè)前提，控

5、制量與被控量都是二進(jìn)制的可以進(jìn)行與或非運(yùn)算的布爾量。通過循環(huán)進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)被控量的實(shí)時(shí)可靠控制，誤操作的可能極小，并且有極強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，即使出錯(cuò)在下一運(yùn)算周期中數(shù)據(jù)也會(huì)被重新刷新，而這個(gè)周期是極短的，通常不過幾毫秒。所以使用PLC的控制方式具有極強(qiáng)的應(yīng)用性。 第2章PLC簡(jiǎn)介2.1什么是PLCPLC 即 可編程邏輯控制器 （可編程控制器件） 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)

6、過程。2.2 PLC的工作原理當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段， 即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。一、輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況

7、下，該輸入均能被讀入。二、用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在

8、上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。三、輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。第

9、3章硬件介紹3.1 單片機(jī)抽水控制系統(tǒng)框圖整個(gè)電路由五個(gè)部分構(gòu)成：包括單片機(jī)最小系統(tǒng)；控制開關(guān)；水泵驅(qū)動(dòng)電路；運(yùn)行及故障指示燈。單片機(jī)采用atmel89s52控制開關(guān)組水泵水泵驅(qū)動(dòng)電路ATMEIL89S52運(yùn)行，故障指示燈5V電源220V電源系統(tǒng)框圖 2.13.2 原理簡(jiǎn)介系統(tǒng)實(shí)際電路圖2.23.2.1電路的控制信號(hào)采集控制開關(guān)由J2-J5組成：水泵啟動(dòng)開關(guān)，常開，缺水時(shí)常閉(接P0.0)；水泵停止開關(guān)，常閉，水滿時(shí)斷開(接P0.1)；欠壓監(jiān)測(cè)開關(guān)，常閉，電壓正常時(shí)斷開(接P0.3)；抽水正常監(jiān)測(cè)，常開，正常時(shí)閉合(接P0.4)。J2、J3是由各自的浮漂控制，當(dāng)水位下降至一定程度時(shí)，J2相連的

10、浮漂下沉，使J2閉合；當(dāng)水位上升至一定程度時(shí)，J3相連的浮漂受到浮力，J3斷開。J4是交流接觸器K2的一個(gè)輔助常閉觸頭，欠壓時(shí)觸頭無法完全斷開，借此檢查是否欠壓。J5與出水口的一個(gè)撥片相連，水流沖擊使其閉合，檢測(cè)是否正常抽水。J4，J5異常都將引起系統(tǒng)停止工作5分鐘，再重新工作。3.2.2水泵控制電路 水泵使用220V交流接觸器K2控制，而單片機(jī)工作電壓為5V，故使用三極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V的繼電器K1，再用繼電器控制交流接觸器。圖中J6為常閉開關(guān)，于一個(gè)浮漂相連，當(dāng)發(fā)生意外水位超出安全界限時(shí)浮漂受到浮力使J6斷開，這是一項(xiàng)保護(hù)措施。3.2.3指示燈運(yùn)行指示燈LED2（接P1.0），正常運(yùn)行時(shí)以3s

11、為周期閃爍；故障指示燈LED1（接P0.4），正常時(shí)為常亮，故障時(shí)以0.5s為周期閃爍。3.3硬件選材與制作3.3.1控制芯片單片機(jī)at89s52是由ATMEL公司生產(chǎn)的51內(nèi)核的單片機(jī)，和51單片機(jī)完全兼容。此設(shè)計(jì)使用了其位尋址區(qū)，P0口。51單片機(jī)RAM從20H到2FH作為位尋址區(qū)，此位尋址區(qū)專為工業(yè)位邏輯控制而設(shè)計(jì)。P0端口，作為地址數(shù)據(jù)復(fù)用時(shí)是推挽互補(bǔ)輸出，作為普通輸入輸出端口時(shí)為源極開路，所以需要外接上拉電阻。3.3.2控制開關(guān)電路中所有控制開關(guān)使用2mm銅芯線制成，去皮后錘打使之更有彈性，再將其綁在面包板上，固定一段，且使另一段能在浮漂的作用下接觸地線端電極，輸出一個(gè)低電平。3.3

12、.3 5V電源單片機(jī)需要工作在5V電源下，采用成熟的5V電源滿足這一要求。此電源使用開關(guān)電源，內(nèi)置保護(hù)熔絲，EMC設(shè)計(jì)，后級(jí)采用非常良好的濾波輸出，輸出電壓非常穩(wěn)定。3.3.4 水泵驅(qū)動(dòng)電路農(nóng)村常見的水泵有兩種，真空式及潛水式。兩種水泵都是使用220V居民用電，本設(shè)計(jì)中使用的是潛水式，功率大約800W。驅(qū)動(dòng)水泵最大的問題是電源隔離及控制問題，圖2.3是去動(dòng)電路的控制電路。水泵驅(qū)動(dòng)電路圖 2.3Q1為驅(qū)動(dòng)三極管，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，首先驅(qū)動(dòng)K1（5V繼電器），然后再控制K2（220V交流接觸器），K2再控制水泵運(yùn)作。M1為水泵示意，水泵電機(jī)是一個(gè)單相的電機(jī)，內(nèi)部只用兩相線圈，互相成90度的空間安

13、放。其中一只線圈串聯(lián)了一只電容C1，目的是利用它來改變第二只線圈的電抗，使得兩只線圈上的電流呈現(xiàn)出相位差，產(chǎn)生出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。將S1打到0V將啟動(dòng)整個(gè)電路，如圖2.31所示圖 2.31可以看到隨著S1的閉合2N1132導(dǎo)通，K1閉合，K2閉合，M1得電。這里需要注意的是驅(qū)動(dòng)有效的電平是低電平，因?yàn)閱纹瑱C(jī)開機(jī)瞬間復(fù)位后的電平是高電平，如果現(xiàn)在是搞電平有效地話，那么將產(chǎn)生誤動(dòng)作，出現(xiàn)可怕的后果。使用繼電器實(shí)現(xiàn)了很好的隔離作用，在實(shí)際的情況下還要考慮另外一種因素。一般情況下驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，會(huì)使單片機(jī)出現(xiàn)復(fù)位的情況。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的復(fù)位電路一般情況下是使用RC的復(fù)位電路，電

14、源的波動(dòng)很容易從電容上耦合到復(fù)位引腳上。所以需要使用用一些電路來避免這樣的情況發(fā)生。在本設(shè)計(jì)中K1的線圈是一個(gè)感性負(fù)載，啟動(dòng)瞬間會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生干擾，常采用的方法是反并聯(lián)一只二極管，如圖2.32所示。圖2.32采用這種方法將非常有效地解決上述問題，且成本低廉。3.3.5 指示燈的設(shè)計(jì) a b圖2.33如上圖 a,b所示LED2為運(yùn)行正常指示燈，其驅(qū)動(dòng)指令放在主程序環(huán)節(jié)，只要其正常閃爍說明整個(gè)程序正常工作。LED1是用特殊考慮的，它直接與J5并聯(lián)，且未加限流電阻，但仍能正常工作。因?yàn)镴5工作于P0口，整個(gè)電流用上拉電阻提供，而上拉電阻提供的電流完全在LED1的承受范圍內(nèi)，故不需要額外的原件。LED1

15、直接反應(yīng)了J5的通斷狀態(tài)，如果亮則表明J5處于斷開的狀態(tài)，如果滅，說明J5處于閉合狀態(tài)。而J5直接反應(yīng)的是抽水是否正在進(jìn)行，如果滅則表示正在抽水，若是亮則表示未進(jìn)行抽水。J5的閉合斷開是由外部的抽水客觀決定的，與程序無關(guān)，客觀的反應(yīng)了電路的工作狀況。指示燈的電路是必不可少的，因?yàn)樗峁┝艘环N人機(jī)交互的基本方式。是人能直觀的了解到系統(tǒng)的的運(yùn)行情況。第4章程序設(shè)計(jì)4.1程序流程圖水泵啟動(dòng)后首次循環(huán)開始P1.0取反檢查是否啟動(dòng)水泵水泵啟動(dòng)后首次循環(huán)Y延時(shí)200ms等待交流接觸器閉合欠壓N延時(shí)20s等待水流進(jìn)入水池抽水正常且水未滿NLED1（P0.4）閃爍5分鐘圖3.1程序流程圖中可以看出，P1.0(

16、LED2)一直處于主循環(huán)中，任何終止主程序的行為都將使其停止閃爍。在程序中主要有三個(gè)判斷：1. 是否是抽水控制發(fā)出后的第一次循環(huán)，因?yàn)閯偘l(fā)出抽水的命令，整個(gè)系統(tǒng)都需要時(shí)間來響應(yīng)。繼電器的閉合需要時(shí)間，水從井中抽到水池中也需要時(shí)間。2. 是否欠壓,電壓過低將無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行。3. 抽水正常，水是否已滿。這是整個(gè)程序中的主要控制住部分。4.2主邏輯分析 為了方便理解將原程序簡(jiǎn)化如下（原程序參見附錄）X1 EQU ACC.0X2 EQU ACC.1Y1 EQU 00HORG 0000HAJMP MAINORG 0030HMAIN: MOV P0,#0FFH ;P0置1作為輸入CLR Y1 ;輸出

17、緩沖清除LOP: MOV A,P0;讀P0口CPL X1;取反MOV C,X1 ORL C,Y1;X1或00HANL C,X2;與上X2MOV Y1,C;保存輸出CPL C MOV P0.7,C;輸出AJMP LOPEND 圖3.2圖3.2展示的是程序的邏輯的梯形圖(Y_1=Y1)，當(dāng)X1為1時(shí)，輸出Y_1為1，同時(shí)Y1為1，在X1斷開后輸出繼續(xù)維持，直到X2斷開。4.3提高程序穩(wěn)定性 MOV R3,#5LP9:ORL C,P0.3 ACALL DELAY200MSDJNZ R3,LP9這是在程序中通常采用的提高程序讀取數(shù)據(jù)正確性的程序，將數(shù)據(jù)每隔200ms讀取一次，相或，可避免負(fù)跳變脈沖引起

18、的干擾。 /防死機(jī)處理程序 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飛，通過陷阱的方式捕獲程序指針，并將其復(fù)位。此程序可在空白的程序存儲(chǔ)空間中多處放置，可有效地避免單片機(jī)意外死機(jī)。第5章 結(jié)論與總結(jié)3.1 結(jié)論 該自動(dòng)抽水裝置可以實(shí)現(xiàn)在無人干預(yù)的情況下，平均可靠運(yùn)行時(shí)間大于一個(gè)月。整個(gè)裝置考慮了各種極端的情況的出現(xiàn)，如欠壓，水源缺水，程序跑飛，程序誤動(dòng)作（硬件保護(hù)）使整個(gè)系統(tǒng)能完成既定的功能。該系統(tǒng)成本低廉，除去水泵的費(fèi)用以外，總計(jì)系統(tǒng)成本不高于50元。3.2 總結(jié)此次單片機(jī)的設(shè)計(jì)是我學(xué)到了很多東

19、西，吃過很多苦頭。裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中因?yàn)榭紤]不周而出現(xiàn)嚴(yán)重失誤。在第一次實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于農(nóng)村電網(wǎng)波動(dòng)大，沒有設(shè)計(jì)相關(guān)的電源檢測(cè)電路，在運(yùn)行一周后交流接觸器被燒毀。農(nóng)村的水井的水是十分穩(wěn)定的，但缺水也不是不可能的，因?yàn)槲纯紤]這個(gè)情況將電機(jī)繞組燒毀，損失300塊，血的教訓(xùn)啊。盡管很波折，遇到很多問題但是要有面對(duì)問題的勇氣，這一切也使我考慮問題更加全面?，F(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)已變得成熟，但是其固有的設(shè)計(jì)缺陷依然會(huì)限制可靠運(yùn)行的時(shí)間，如控制開關(guān)的銹蝕，控制導(dǎo)線的風(fēng)化，控制板包裝保護(hù)的問題。這一切的一切都告訴我要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的可靠長久運(yùn)行需要持續(xù)不斷的努力。參考文獻(xiàn)1. 姜治臻 單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 高等教育出版

20、社 2009年2. PLC原理及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2010年02月實(shí)物照片圖為J2,J3,J6（從右至左）及電路板實(shí)物圖為J5及LED1實(shí)物，用于檢測(cè)抽水是否正常和指示是否出現(xiàn)異常情況。圖為水泵控制電路及5V電源，為單片機(jī)提供電源，以及控制水泵。附錄1/*自動(dòng)抽水機(jī)*/P0.0開始抽水 低電平有效/P0.1停止抽水 高電平有效/P0.2電機(jī)控制輸出 低電平有效/P0.3欠壓檢測(cè) 高電平正常/P0.4水源缺水檢測(cè) 低電平正常 ORG 0000H MOV P0,#0FFH CLR 00H CLR 01H CLR 02H SETB 03H CLR C AJMP MAIN ORG 0020HMAIN: MOV R4,#1 CPL P1.0 /運(yùn)行指示燈LOP1: MOV A,P0/主要邏輯CPL AMOV C,ACC.0ORL C,01HANL C,ACC.1CPL CMOV P0.2,CCPL C/欠壓檢測(cè)JNC LP1JB 00H,LP2MOV R3,#10LP8:ACALL DELAY200MSDJNZ R3,LP8CLR 03HSETB 00HAJMP LP2LP1: CLR 00HLP2: MOV A