（机械工程专业论文）基于单片机的控制系统在plc虚拟教学实验中的应用研究.pdf

摘要 本文分析了当前可编程控制器( p l c ) 教学实验的状态和研究情况，根据可编程控制器 教学实验的发展趋势和实训效果，提出了一个软、硬件相结合的可编程控制器虚拟控制系统 教学实验的方案。该虚拟控制系统由两部分组成：信号适配器、计算机仿真软件。 通过对目前常用的可编程控制器的输入口、输出口的电路分析，设计了信号适配器与 可编程控制器相连的接口电路。信号适配器的主要功能是将可编程控制器的输入端口、输出 端口的信号转换为计算机可以接收的串行信息，信号适配器的核心部分为单片机系统。不同 的实验项目、对信号适配器u o 定义不同。 计算机仿真软件采用v i s u mb a s i c6 0 来开发，包括通讯检测窗体、项目选择窗体、实验 项目窗体三部分。本文列举了两个实验项目的实例。在实验项目窗体中，仿真软件与信号适 配器的单片机程序配合，巧妙地实现了计算机与信号适配器间通讯自检测功能。通讯中断， 仿真软件停止运行。重新进入仿真软件，必须复位信号适配器。 用虚拟控制系统组建可编程控制器实验室，可以降低可编程控制器教学实验室建设成 本和管理成本，也可以提高学生的求知兴趣和创新能力，具有较大的实用价值和推广价值。 关键词：单片机，虚拟，v i s u a lb a s i c ，p l c a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dr e s e a r c ho np l cp r a c t i c et e a c h i n g a c c o r d i n gt o d e v e l o p m e n ta n di n t e r a c t i o no fp l cp r a c t i c et e a c h i n g ，a na r c h i t e c t u r eo fv m u a l c o n t r o l l e ds y s t e m b a s e do l lp l cp r a c t i c et e a c h i n gi sp r e s e n t e d ，i nw i t c hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ec o m b i n e d t h i s v i r t u a lc o n t r o l l e ds y s t e mi sc o m p o s e do ft w op a r t s s i g n a la d a p t e ra n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s o f t w a r e t h r o u g hc i r c u i ta n a l y s i so fi n p u tp o r ta n do u t p u tp o r to ft h eu s u a lp l c ，p o r tc i r c u i to fs i g n a l a d a p t e rt h a ti sc o r r e l a t e dw i t hp l ci sd e s i g n e d p r i n c i p a lf u n c t m no fs i g n a la d a p t e ri st h a ti n p u t p o r ts i g n a l sa n do u t p u tp o r ts i g n a l so fp l c a r ec h a n g e di n t oi n f o r m a t i o nr e c e i v e db ys e r i a lp o r to f c o m p u t c r ，a n dc e n t r a lp a r to fs i g n a la d a p t e ri sm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e m i op o r t so fs i g n a la d a p t e r a r ed e f i n e dt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n s ，i nt h ed i f f e r e n ti t e m so fp l c p r a c t i c et e a c h i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t hv i s u a lb a s i c6 , 0 ，a n di ti n c l u d e st h r e ep a r t ： f o r mo fc o m m u n i c a t i o nc h e c k e d 、f o r mo fi t e m ss e l e c t e d 、f o r m so fp r a c t i c et e a c h i n gi t e m t w o e x a m p l e sb a s e do np r a c t i c et e a c h i n gi t e mi sg i v e ni nt h i sp a p e r i nt h ep r a c t i c et e a c h i n gi t e m ， c o o p e r a t i n gw i t hm i e r o c o n t r o l l e rp r o g r a mo fs i g n a la d a p t e r ，s i m u l a t i o ns o f t w a r er e a l i z e ss m a r t l y s e l f - c h e c kf u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n ds i g n a la d a p t e r c o m m u n m a t i n ni s b r o k e no 圩，a n ds i m u l a t i o ns o f t w a r es t o pm r m i n g b e f o r er e n e w i n gt og e ti n t os i m u l a t i o ns o f t w a r e m u s tp u tt h es i g n a la d a p t e ri n t ot h eo r i g i n a ls t a t e p l cl a b o r a t o r yt h a ti sc o m p o s e do ft h ev i r t u a lc o n t r o l l e ds y s t e m ，c a nr e d u c ec o n s t r u c t i o n c o s t sa n dm a n a g e m e n tc o s t so fl a b o r a t o r yb a s e do np l c p r a c t i c et e a c h i n g ，c a ni m p r o v es t u d e n t s c r e a t i v i t ya n di n t e r e s ti nk n o w l e d g e ，i so fg r e a tv a l u et op r a c t i c a l i t ya n dp o p u l a r i t y k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ，v i r t u a i 。v i s u a lb a s i c ，p l c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 畏玉芬 时间：护占年j ，月形r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：嚣玉奈 时间：彳年j r 月占日 一名：讯扒岔帆口咖九 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 可编程控制器教学实验的现状 可编程控制器( p l c ) 于1 9 6 9 年问世于美国数字设备公司( d e c ) 以来，随着大规模集成电 路和软件技术的发展，逐步形成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于 一体的一种新型工业控制装置“2 “”“。它是一种面向生产过程控制的数字电子装置，不仅可 以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程网络并可对模拟信号进行处理等功能； 它程序编制简单易学、安全可靠性高、性价比高，结构紧凑、坚固、体积小巧，易于装入机械设 备内部。可以用在恶劣的工业环境中，是实现机电一体化的理想控制设备。目前p l c 已被广泛地 应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺、煤炭工业等各个领域中，成为工业自动化领域中最重要、 应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱( p l c 、机器人、计算机辅助设计制造 c a d c a i ) 的首位” 5 】0 由于可编程控制器在工业自动化的重要位置，“可编程控制器原理及应用”这门课程在高等 院校、高职学院、中职学校电专业中普遍开设”“”。可编程控制器的应用技术实践性非常强，教 学实验课是该课程的必要环节，只有通过实验进行实际操作，才能真正学会可编程控制器技术“1 “1 ”1 。实验课实验情况很大程度地影响着学生的理解能力和实践能力。 近年来，与电有关专业的高等院校、高职学院、中职学校陆续建设了可编程控制器实验室。 但是，配置设备情况参差不齐，可分下列几种情形： 一、 购买几台可编程控制器，放置在具有a c 2 2 0 v 电源的实验桌上。只能做可编程控制器 设备结构展示和一些简单的演示实验： 二、 教师根据实验的要求用按钮、开关、指示灯等制作简单的实验装置，作为可编程控制 器的输入信号或控制对象。虽然可以完成一些教学实验，但演示内容很枯燥起不到应有的教学 效果； 三、 大多数有经济实力的学校，购置了较完整的传统性可编程控制器教学实验装置，每套 教学实验装置包括一台可编程控制器、一个实验台、一套教学实验箱( 多个实物仿真模型) ，利 用实物仿真模型作为控制对象来模拟完成教学实验任务。这样的实验室实验效果比较好，但由于 一次性投入比较大、日常维护费用较大、占用空间大等缺点，很难在各大、中专院校普及，特别 是规模较小的高职学院或中职学校； 四、 有少数高校教师，通过p l c 与计算机的串行通讯口和相应的通讯协议实现了p l c 与 模型间的在线实时数据交换，用计算机软件实现模拟控制对象。 1 1 2 研究的意义 建设一套完整的可编程控制器教学实验装置必须包括一台可编程控制器、一个实验台、一套 教学实验箱。一般情况下，一套教学实验箱应包括8 个控制对象( 实物仿真模型) 8 1 每个实物 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 仿真模型约需2 5 0 0 元，且体积较大。若每2 至3 名学生为1 实验组，建设一间可编程控制器教 学实验室需1 0 至1 5 套实验装置。大量的实物仿真模型不仅需用较多的资金投入、占用很大的空 间，而且机械结构、电气部件的维护或损坏给正常的实验工作带来了许多不便。 用计算机可视化编程语言开发适合可编程控制器教学的虚拟控制模型，是一很有现实意义项 目，也是实验室仪器和装置发展的方向，计算机仿真实验将会成为高等学校解决实践教学环节的 一种重要手段“。 该课题就是要研制可编程控制器教学实验中的虚拟控制系统，它只与可编程控制器的y o 端 口性能参数有关；更能直观地模拟实际设备；不占用可编程控制器的内部资源。该课题的成功研 制，可以降低可编程控制器教学实验室建设成本和管理成本、解决了可编程控制器教学实验课开 设难或无法开设的问题，也可以培养学生的求知兴趣和创新能力，具有较大的实用、推广价值。 1 2 国内外发展研究的现状 1 2 1 虚拟仪器与虚拟实验的发展 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 概念晟早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 在1 9 8 6 年提出的，并推出了图形化的虚拟仪器编程环境l a b v i e w 。虚拟 仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，使得用户可以根据自己的需求 设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实 现和扩展传统测试系统和仪器的功能“。在2 0 世纪9 0 年代，随着v x i 总线标准的建立和v x i 仪 器的发展，虚拟仪器在各大学实验室、科研部门得到了广泛的运用。 由于虚拟仪器技术的成熟、计算机技术和网络技术的提高，虚拟实验逐步走进了实验室。所 谓虚拟实验，就是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像 在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练结果等值于、甚至优于在真 实环境中所取得的效果“”。虚拟实验室概念的提出虽然只有十多年的时间，由于各国十分重视虚 拟实验室的研究与开发，虚拟实验室发展较快。 国外的一些大学已组建( 远程) 虚拟实验室。德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室： 西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台：意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验 室：新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验“”“”。“。 在国内虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。 例如，清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验 室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思 路，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、 上海交通大学等高校也开发了新的虚拟仪器系统用于教学或科研；机械设计虚拟实验室也正在发 展。 建立在开放式网络环境下的虚拟实验室主要用在设备驱动、过程控制、电路设计、信号检 测等领域的实验“。真正用于教学实验中的，虽为数很少，但也有不少成绩。比如，中国科学技 术大学人工智能与计算机应用研究室在虚拟物理实验教学系统的研究方面有很多成果m 。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内外可编程控制器虚拟教学实验的发展 可编程控制器虚拟教学实验就是虚拟可编程控制器的控制设备，即利用虚拟控制对象代替实 际设备或传统教学模型。使用的可视化编程语言大致有两类：监控组态软件( 比如，f i x 、i n t o u c h 、 w i n c c 、l a b v i e w 等) 、美国微软公司发布的可视化开发工具v i s u mb a s i c 、v is u a lc + + 等。 国外在这方面的开发，起步比较早。不仅用于虚拟教学实验中，还广泛运用于生产过程监控 系统中。 国内也有不少高校将虚拟控制对象成功地运用于可编程控制器虚拟教学实验或生产过程监 控系统中。北京联合大学的可编程控制器虚拟教学实验，“通过p l c 与计算机的串行通讯口和相 应的通讯协议实现了p l c 与模型间的在线实时数据交换，即实现了对虚拟对象的自动控制” 1 a l ， 用v b 成功的开发了电梯、自动售货机等系列仿真模型。 北京三维科技股份有限公司推出了力控监控组态软件( f o r c e c o n t r 0 1 ) ，力控监控组态软件 ( f o r c e c o n t r 0 1 ) 在可编程控制器教学实验中有成功案例”。力控2 6 是一个面向方案的 h m i s c a d a 平台软件，它基于流行的3 2 位w i n d o w s 平台。该案例用力控2 6 来完成仿真界面的制 作及动画连接工作，通过计算机的串口与p l c 联结。仿真界面是被控对象，p l c 是存储运行程序 的装置，而控制指令则由仿真界面中的仿真控制器件发出。 以上可编程控制器虚拟教学实验，都是在可编程控制器与计算机串口间进行的。 第一、无法对可编程控制器的输入寄存器进行操作。在p l c 编程时，必须用内部寄存器代 替各输入寄存器，也就是说，原可编程控制器控制程序必须作修改才能使用或调试。 第二、由于占用了可编程控制器的串口，在多台可编程控制器联机控制实验时、会出现问题。 第三、虽然用串口线联结比较简单、学生录入p l c 程序就可实验，但是没有按实际控制电路 接线，起不到锻炼学生实际动手能力的目的。同时，也不利于学生了解可编程控制器的结构和性 能。 1 3 研究课题的提出 综上所述，可编程控制器教学实验分以下情况：模型实验、虚拟实验。 模型实验：利用实物仿真模型作为控制对象来模拟完成教学实验任务。这样的实验室实验效 果比较好，但由于一次性投入比较大、日常维护费用较大、占用空间大等缺点，很难在各大、中 专院校普及，特别是规模较小的高职学院或中职学校。 虚拟实验：用计算机仿真技术虚拟可编程控制器的控制设备，即利用虚拟控制对象代替实际 设备或传统教学模型。它克服了模型实验的缺点，是研究发展的方向，也是本课题的研究内容。 现有研究推出的可编程控制器教学虚拟实验大都是通过p l c 与计算机的串行通讯口和相应 的通讯协议实现了p l c 与模型问的在线实时数据交换，即实现了对虚拟对象的自动控制。存在以 下问题： i 原可编程控制器控制程序必须作修改才能使用或调试： 2 只是可编程控制器控制程序测试，无法对输入口进行操作： 3 没有完全模拟现实，学生对可编程控制器i o 口的认识产生困惑； 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 4 缺乏对学生实际动手能力( 比如接线等) 的锻炼； 5 软件包通用性差。 本课题“基于单片机的控制系统在p l c 虚拟教学实验中的应用研究”就是要解决上述问题。 谍题中“可编程控制器教学实验中虚拟控制系统”的组成包括硬件和软件两个基本要素，见图卜l 。 硬件的主要功能是将可编程控制器的输入端1 1 ：1 、输出端口的信号转换为计算机可以接收的串行信 息：软件的作用是用计算机仿真技术实现控制对象结构、动作、性能。虚拟控制系统与可编程序 控制器、控制台等一起构成可编程序控制器教学实验装置。 本课题的“可编程控制器教学实验中虚拟控制系统”只与可编程控制器的输入端口、输出端 口的点数和电气特性有关，与可编程控制器串口通讯协议无关。 i 一一一一一一一一一一一一。一 圈卜i 可编程控制器教学实验装置方案图 可编程控制器 可编程控制器教学实验中不同的虚拟控制对象，信号适配器的输出端、输入端有不同的定 义。每个虚拟控制对象按照仿真的电器件( 按钮、数码发光电路、电动机、电磁阀、限位开关等) 所在位置、对应于信号适配器的端口的特性给出仿真原理图或接线圈。在实验时，学生可以根据 仿真原理图或接线图按常规实验的接线的方法接线，真正达n t 虚拟现实的效果。 4 中国农业大学硕士学位论文 第二章可编程控制器的系统结构与电路分析 第二章可编程控制器的系统结构与i 0 电路分析 2 1 可编程控制器的系统结构 目前p l c 种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控 制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同。硬件结构与微机相似，主要包括中央处理 单元c p u 、存储器r a m 和r o m 、输入输出接口电路、电源、i o 扩展接口、外部设备接口等。其内 部也是采用总线结构来进行新数据和指令的传输。 如图2 - i 所示，p l c 控制系统由输入量p l c 输出量组成，外部的各种开关信号、模 拟信号、传感器检测的各种信号均作为p l c 的输入量，它们经p l c 外部输入端子输入到内部寄存 器中，经p l c 内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为p l c 的输出量对外围设 备进行各种控制。由此可见，p l c 的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。”1 圈2 1 可编程控制器硬件结构闺 中央处理单元c p u 、存储器r a m ( 数据存储器) 和r o m ( 系统程序存储器) 或e e p r o m ( 用户 程序存储器) 、电源、i o 扩展接口、外部设备接口的结构与功能与本课题设计关联不大，在此不 再繁述。 输入、输出接口电路在下节介绍。 5 中国农业大学硕士学位论文第二章可编程控制器的系统结构与0 电路分析 2 2 可编程控制器的i 0 电路分析 p l c 通过输入输出( i o ) 接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过p l c 的输入端子 接受现场输入设备( 如限位开关、编码器、数字开关和温度开关等) 的控制信号并将这些信号 转换成c p u 所能接受和处理的数字信号。图2 2 是p l c 的输入接口电路示意图”1 。 i n 广一一一一一一+ 一一一一一一一一一一一。一。一一一一1 二输入指示灯 内 部 电 路 l - 一一一j 图2 - 2p l c 的输入接口电路( a c d g l 2 v 2 4 v ) 从图2 2 中可以看到，输入信号是通过光电耦合器件传送给内部电路的，通过这种隔离措 施可以防止现场干扰串入p l c 。图2 2 中的供电电压为a c d c l 2 v 2 4 v ，若供电电压d c ( a c ) 大 于2 4 v ，在前端加( 整流、) 限流等措施。 输出接口电路将c p u 处理过的输出数字信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触 器、电磁阎、指示灯和电机等被控设各获得或失去工作所需的电压或电流。常用的输出接口电路 如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 、 ，一 内 部 电 路 ( c ) 、( d ) 所示。 l 一一一j ( a ) n p n 晶体管输出型 _ r - 。t - ：盯 彳 i 兰仅 i i b ) p n p 晶体管输出型 - 粥 ，j 、 i 一一+ 一一一。一一一+ 。 i 一一一一一一一一一一j ( 。) 继电器输出型 圈2 - 3p l c出接口电路 ( d ) 晶闸管输出型 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章可编程控制器的系统结构与i 0 电路分析 其中继电器输出型为触点输出方式，可用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负 载回路，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题；晶闸管输出型和晶体管输出型皆 为无触点输出方式，开关动作快、寿命长。可用于接通或断开开关频率较高的负载回路，其中晶 闸管输出型常用于带交流电源负载，晶体管输出型则用于带直流电源负载。 输入输出接口电路在整个p l c 控制系统中起着十分重要的作用。为提高p l c 的工作可靠性， 增强抗干扰能力，p l c 的输入输出接日电路均采用光电耦合电路，这可以有效地防止现场的强电 干扰，保证p l c 能在恶劣的工作环境下可靠地工作。 除上述一般的i o 接口之外，p l c 上还各有和各种外围设备配接的接口，均用插座引出到外 壳上，可配接编程器、计算机、打印机、盒式磁带机及各种智能单元、链接单元等，可非常方便 地用电缆进行连接。 7 中国农业大学硕士学位论文 第三章虚拟控制系统的设计方案 第三章虚拟控制系统的设计方案 3 1 设计方案的选择 3 1 1 设计目标 “基于单片机的控制系统在p l c 虚拟教学实验中的应用研究”课题是基于信号适配器( 核心 部分为单片机系统) ，利用计算机仿真控制对象完成可编程控制器教学实验， 通过本课题的研究，达到以下目标： l 代替原教学控胄4 模型，减少了投入资金、实验空间，节省了维护费用； 2 ，不占用可编程控制器的任何硬件或软件资源； 3 增加实验过程的直观性、趣味性； 4 若利用了虚拟仪器，可以合二为一，便于实验室的整体发展和全面管理； 5 开发并试制一套适合可编程控制器教学实验的信号适配器； 6 开发一套适合两项可编程控制器教学实验或课程设计的虚拟控制对象应用软件。 3 1 2 方案分析与确定 “可编程控制器教学实验中虚拟控制系统”的组成包括硬件和软件两个部分。 一、硬件部分 硬件的主要功能是将可编程控制器的输入端口、输出端i z l 的信号转换为计算机可以接收的串 行信息，称之为信号适配器。 信号适配器的核心部分为单片机系统，单片机采用m c s 一5 1 系列芯片a t 8 9 c 5 1 。a t 8 9 c 5 1 不仅 具有3 z 个：o 口、1 2 8 b y t e sr a i l 、2 个1 6 b i t 定时器计数器、1 个全双工串口等，还特有4 1 ( b y t e s f l a s he p r o m 。4 kb y t e sf l a s he p r o m 完全可以满足信号适配器程序的要求，简化了单片机外围 电路。 信号适配器的输出端、输入端分别与可编程控制器的输入端口、输出端口相联。信号适配器 的输出端相当于输入设备( 比如：按钮、转换开关、限位开关等) 的动闭或动断触点；信号适配 器的输入端相当于被控电器件( 比如：接触器、继电器、电磁阀等) 的线圈。 信号适配器的0 i 端的电气特性必须与可编程控制器的i 0 的电气特性相符。信号适配器的 i 0 端的电路可参考可编程序控制器的i o 电路设计。 比较图2 3 中各电路，信号适配器的输出端口采用继电器输出型电路。首先，继电器输出型 电路可以控制低电压、小电流( 一般为a y 2 2 0 v 3 a 、d c 3 0 v 3 h ) 的变直流负载的通断，对负载没 有特殊要求；再者，信号适配器的输出端口虚拟可编程控制器的输入设备，比如：按钮、转换开 关、限位开关等，不可能频繁动作。 信号适配器的输入端口采用图2 - 2 电路，适用于a c d c l 2 v a c d c 2 4 v 的电源环境。可编程 控制器的输出端口为继电器输出型、晶体管输出型、可控硅输出型均可以使用，但介入的电源必 须为a c d c l 2 v a c d c 2 4 v 。 8 中国农业大学硕士学位论文 第三章虚拟控制系统的设计方案 由于可编程控制器教学实验中所需可编程控制器的i 0 口一般在4 0 点( 输入：2 4 点、输出： 1 6 点) 之内，因此信号适配器的输出、输入端口也选定为4 0 点( 输入：1 6 点、输出：2 4 点) 。 信号适配器的每个输出、输入端口有对应的状态指示，输入端口分别用红绿双色发光二极管、 输出端口分别用红色发光二极管。 单片机a t 8 9 c 5 1 的串口r 功、t x d 负责与计算机通讯( 详见3 2 节) 。 单片机程序常见的有汇编语言、c 5 1 语言。c 5 1 是一种结构化语言，移植性强。与汇编语言 相比，有以下优点：“” 1 寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等可由编译器管理； 2 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化： 3 ，具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性： 4 关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用； 5 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 6 提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力： 7 已编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。 所以，本课题采用c 5 1 语言设计。 二、软件部分 软件的作用是用计算机仿真技术实现控制对象结构、动作、性能。 使用的可视化编程语言大致有两类：监控组态软件( 比如，f i x 、i n t o u c h 、w i n c c 、l a b v i e w 等) 、美国微软公司发布的可视化开发工具v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等。本课题采用当前流行 的面向对象编程工具_ v i s u a lb a s i c6 0 来完成。 v i s u a lb a s i c6 0 具有以下特点：”“ 1 ，语句生成器和快速提示帮助使用户不必记忆成千上万的属性和方法，在较短的时间内就 能开发出功能强大的应用程序。 2 在v i s u a lb a s i c 6 0 中，i n t e m e t 应用程序的开发功能更加强大和容易。在应用程序内可以 通过i n t e m e t 或i n t r a n e t 访问其他计算机中的文档和应用程序；可以创建i n t e r n e t 服务器应用程序， 包括i i s 应用程序；支持动态h t m l 技术( d h t m l ) 的应用程序；具有w e b 应用程序发布功能等。 3 。种类繁多、功能强大的多媒体控件，能帮助用户在较短时间内甩较少的语句编写出图文 声像并茂的多媒体程序。 4 v i s u a lb a s i c6 0 在数据库处理功能上有较大增强，能对多种数据库进行读写操作。另外 它所提供的可视化数据管理器目能帮助用户构造多种类型的数据库，同时提供了能自动生成s q l 语句的功能和新的a c t i v e x 数据对象a d o 。 5 ，新的语言特征包括；用户自定义类型可以作为参数或作为公共属性和方法的返回值：函 数可以返回数组变量；动态数组可以赋值；文件系统对象：按i , 解j ( c a l l b y n a m e ) ：增强的剖建 对象函数( c r e a t o b j e c tf u n c t i o ne n h a n c z m e n t s ) ；增强的s t r c o n v 函数。 6 k 应用程序安装向导孔数据对象生成向导、工具条向导、安装程序向导、数据窗体向导、 应用程序向导等，能帮助用户自动生成具有一定功能的应用程序，大大加快了程序的开发速度。 9 中国农业大学硕士学位论文 第三章虚拟控制系统的设计方案 3 2v b 编程与单片机串口技术 3 2 1 单片机实现r s 一2 3 2 串口通讯 单片机a t 8 9 c 5 1 与其他m c s 一5 1 系列芯片一样，具有一全双工串行口。片内的p 3 0 、p 3 1 端 口分别为t t l 电平的串行输入口、串行输出口。用不同的串口信号转换芯片可以实现r s 一2 3 2 、 r s 一4 2 2 ( r s 一4 8 5 ) 通讯。 虽然r s 一4 2 2 ( r s 一4 8 5 ) 通讯方式具有抗干扰性强、传输距离长等优点，但是由于： 1 本课题虚拟控制系统的工作环境为可编程序控制器实验室，无外来强信号干扰； 2 单片机a t 8 9 c 5 1 与计算机间串口信号传输距离短且为点对点串口通讯，只需2 米3 米。 而r 5 - 2 3 2 可靠传输距离可达1 5 米： 3 计算机有现成的9 针r s 一2 3 2 电平串口c o m i 、c o m 2 ，运用方便； 4 若采用r s 一4 2 2 ( r s 一4 8 5 ) 通讯还需增加设备：r s 一2 3 2 r s 一4 2 2 ( r s 一4 8 5 ) 转换器，增加 了成本和故障率； 所以采用r s 一2 3 2 通讯。 计算机9 针r s 一2 3 2 引脚意义及说明见表3 - 1 “。 表3 - 1 计算机九针r s - 2 3 2 串口引脚的意义及说明 引脚缩写意义 说明 1c d载波检测( c a r r i e rd e t e c t )调制解调器通知计算机有载波被检测到 2r x d接收数据( r e c e i v e )计算机接收数据 3t x d 发送数据( t r a n s m i t )计算机发送数据 4 d t r数据端备妥( d a t at e r m i n mr e a d y )计算机告诉调制解调器可以进行传输 5g n d 接地端( g r o u n d )计算机与设各接地端相连 6 d s r数据备妥( d a t as e tr e a d y ) 调制解调器告诉计算机一切准各就绪 7 r t s 请求发送( r e q u e s tt os e n d )计算机要求调制解调器将数据送出 8c t s清除以发送( c l e a rt os e n d ) 调制解调器通知计算机可发送数据过来 9 r i响铃检测( r i n gi n d i c a t o r )调制解调器通知计算机有电话过来 表3 1 中，由于r s 一2 3 2 最早的用途是与调制解调器进行远程传输用，因此表中的所有说明 都以调制解调器为对象。计算机9 针r s 一2 3 2 与其它设备通讯时，d t r ( 4 脚) 、r t s ( 7 脚) 、d s r ( 6 脚) 、c t s ( 8 脚) 作为硬件握手信号，r x d ( 2 脚) 、t x d ( 3 脚) 进行数据传输。 由于本课题计算机与信号适配器间传输的数据规则性强，不准备采用握手方式( 包括硬件握 手和软件握手) ，所以只用r x d ( 2 脚) 、t x d ( 3 脚) 进行数据传输。这样也可以简化信号适配器 的通讯电路。 r s 一2 3 2 的电平标准：_ 5 v + _ 1 5 v 。”。”。在r s 一2 3 2 的标准中，电压在+ 3 v + 1 5 v 之间为0 状态，电压在一3 v - 1 5 v 之间为1 状态。计算机中r s 一2 3 2 的t x d 端( 3 脚) 电平分别为+ 9 v ( 0 状态) 、一9 v ( 1 状态) ，t x d 端( 3 脚) 识别r s 一2 3 2 的电平标准：5 v 1 5 v ，波特率最大可达 1 1 5 k b p s 。 在现有的串口信号电平转换芯片中，首选m a x 2 3 2 a c p e 。m a x 2 3 2 a c p e 是一单+ 5 v d c 电源供电、 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章 虚拟控制系统的设计方案 双组t t l r s 一2 3 2 电平发送接收转换器“”“： 1 t x d 端在3 ko 电阻的负载下输出8 v ，带载能力强： 2 r x d 端输入最大可达_ 3 0 v ，可靠性高； 3 r x d 端输入电压大于2 4 v 为o 状态、电压小于0 8 v 为1 状态，这比r s 一2 3 2 的电平标准 的3 v 门限值更严格，抗干扰能力强； 4 数据传输速率( 波特率) 最大可达2 0 0 k b p s ，数据传输速率高； 5 正常工作电压为+ 4 5 v + 5 5 v ，1 6 脚塑封d i p 的功耗为8 4 2 m w 。 信号适配器与计算机问串口信号的传输过程见图3 1 。 8 9 c 5 1 m a x 2 3 2 a计算机 t x dr 2 i nt 2 0 u t ，、 r x d r x dr 2 0 u tr 2 f n t x d 、l， 信号适配器l g n d 围3 - 1 信号适配器与计算机问串口信号的传输 a t 8 9 c 5 1 串行口由串行口数据缓冲寄存器s b u f ( 一个接收寄存器、一个发送寄存器) 接收、 发送数据。由串行口控制寄存器s c o n 控制和监视串行口的工作状态。设置串行口控制寄存器s c o n 的s c o n 7 ( s m o ) 、s c o n 6 ( s m i ) ，h t 8 9 c 5 1 串行口可分4 种操作模式，见表3 2 。 表3 - 2 串行口操作模式选择 s m 0s m l 模式功能波特率 000 同步移位寄存器 f o s c 1 2 01l 8 位通用异步接收和发送器( u a r t )可变 102 9 位通用异步接收和发送器( u a r t )f o s c 6 4 或f o s c 3 2 l13 9 位通用异步接收和发送器( u a r t )可变 模式l 和模式3 的波特率是可变的，可由定时器计数器l 来设定，波特率的大小取决于定 时器计数器i 的溢出速率，定时器计数器1 的溢出速率取决于计数速率和定时器计数器1 的 预置值。 波特率= ( f o s c 1 2 ) ( 2 3 2 ) ( 2 5 6 - t h l ) o 。 模式l 和模式3 都是a t 8 9 c 5 1 与计算机通讯可选的模式。由于单片机与计算机之问的通讯拟 采用“8 位、无奇偶、无握手信号、波特率1 9 2 0 0 ”的方式，所以a t 8 9 c 5 1 串行口采用操作模式 1 。 若振荡器频率f o s c = 1 1 0 5 9 2 埘z 时，可设置： l _ p c o n ( 电源控制寄存器) 中s m o d = i ； 2 t m o d 中高位c t ( t m o d 6 ) = o ，定时器计数器1 为定时器工作方式： 3 t m o d 中m 1 ( t m o d 5 ) = 1 、m o ( t m o d 4 ) = 0 ，且t c o n 6 = 1 ，定时器1 工作于操作模式2 1 l 中国农业大学硕士学位论文第三章虚拟控制系统的设计方案 ( 8 位自动重装载模式) ； 4 t h l = t l l = f d h ，即重装载值= f d h ( 2 5 3 ) ； 此肘，8 9 c 5 1 串口波特率为 ( f o s c 1 2 ) ( 2 3 2 ) ( 2 5 6 一t i l l ) = ( 1 1 0 5 9 2 0 0 1 2 ) ( 2 3 2 ) ( 2 5 6 - 2 5 3 ) = 1 9 2 0 0 。 计算机串行口的波特率必须与8 9 c 5 1 串口波特率相同。否则，无法正常通讯。 3 2 2v i s u a ib a s i cm s c o m m 控件实现r s 一2 3 2 串口通讯 v is u a lb a s i c 是事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 的程序设计语言。事件驱动的程序设计思想是 当特定的事件发生在特定的对象身上，才执行相应事件过程中的代码”“。窗体、控件是用的最多 的对象，v i s u a lb a s i c 有极其丰富的控件”。v i s u a lb a s i cm s c o m m 控件是用来实现计算机r s 一2 3 2 串口通讯功能很强的控件。 v i s u a lb a s i c ) i s c o m m 控件和串行端口共同完成通讯功能：接收数据、发送数据。该控件提 供了以下两种方式处理信息”“： 1 事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 来处理串行端口通讯 不管是发生通讯事件或错误，程序都可以利用m s c o m m 控件来检测并处理通讯事件或通讯错 误。可以预先将程序输入到控件的事件程序区块中，一旦事件发生即可自动执行该段程序。事件 驱动( e v e n t d r i v e n ) 是处理串行端口通讯的一种有效方法。 2 程序通过检查c o m m e v e n t 属性的值来轮询事件和错误 程序不是每个通讯事件都生成事件、处理信息，而是某一特定的情况或定时查询状态。轮询 方式可以使用定时器或d o l o o p 程序完成。如果应用程序不大或只需定时读取数据时，可以考 虑采用这种方法。 由于本课题必须及时发送或处理接收到的信息，不采用第二种方式。 v i s u a lb a s i cm s c o m m 控件只有一个事件，即o n c o m m 事件，所有可能发生的状况全部集中 在这个事件中处理。只要c o m m e v e n t 属性的值发生变化，就会产生o n c o m m 事件。不同的c o m m e v e n t 属性值，引发通讯事件或错误的类别不同。 v i s u a lb a s i cm s c o m 控件的属性较多，为了计算机与单片机之间正常通讯，须设置下列属 性2 “： 1 c o m m p o r t 属性：设置或返回通讯连接端口号。m s c o m m 控件的最大值为1 6 ，设置c o m m p o r t 属性为1 、指定使用c o m i 进行通讯传输： 2 s e t t i n g s 属性：设置初始化参数。由于采用“8 位、无奇偶、无握手信号、波特率1 9 2 0 0 的方式通讯，s e t t i n g s 属性设置为“1 9 2 0 0 ，n ，8 ，1 ”，其中的“1 ”表示停止位为l 位。 3 h a n d s h a k i n g 属性：用于指定通讯双方的握手协议。确认该属性为默认值0 ，即没有握手 协议。 4 i n p u t m o d e 属性：用于设置或返回i n p u t 属性取回数据的类型。由于计算机与单片机之 间通讯控制代码为数据o o h f f h ，设置i n p u t m o d e 属性为l ，即数据通过i n p u t 属性以二进制方 式取回。 5 s t h r e s h o l d 属性：用于设置或返回引发发送事件的字符数。设置该属性为0 ( 默认值) ， 中国农业大学硕士学位论文 第三章虚拟控制系统的设计方案 数据传输事件不会生成o n c o m m 事件中的发送事件。 6 r t h r e s h o l d 属性：用于设置或返回引发接收事件的字符数，即属性页上的“最小接收字 符数”。设置该属性为1 ，当接收缓冲区有一个字符时，将引发o