《机电一体化技术》图文课件第五章.ppt

机电一体化技术机电一体化技术第第5 5章章 机电一体化中的控制计算机第第5章章 机电一体化中的控制计算机机电一体化系统与机械电气化系统的区别就是机电一体化系统用计算机作为控制器。控制器在机电一体化系统中占有核心地位，它接收输入的指令和来自传感器反馈系统的各种信息，并对信息进行存储、处理和分析后按照一定的控制算法控制系统工作。在工业控制中，有模拟控制器和数字控制器两种，数字控制器能够应用更为复杂的控制理论和算法，实现高精度的控制。数字控制器有单片机、工业计算机和可编程控制器等多种控制系统。其中单片机系统具有成本低廉和控制灵活等优点，但是与PLC、工业PC相比而言，其开发难度相当大，开发成本高；工业计算机通常和其他计算机（单片机或者PLC等）进行通信控制，开发方便；而PLC控制系统可根据用户需要来选择相应的模块，在系统程序上运行和编制用户程序，开发简单，抗干扰能力强，语言简单，使许多电气工程师能够快速适应设计工作。近年来PLC技术发展迅速。5.1 单片机单片机单片机实际上就是将计算机主机的各种部件和它们之间的信号线等集成在一个芯片上的一种单芯片计算机，简称为单片机。单片机主要用在数据采集和机电控制等方面，所以要求它要具有“实时”功能。单片机由于存储器很小，所以它没有操作系统，所有的操作指令是由设计者用汇编语言（一种和机器语言对应的帮助人们记忆的符号语言）和语言等进行编程。当然，现在也有一些单片机专用的操作系统，但是应用很少。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能1.单片机构成单片机构成AT89C51单片机内部集成了CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、I/O接口和时钟电路等，如图5-1所示为AT89C51单片机内部结构框图。图5-1 AT89C51单片机内部结构框图5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能1）时钟电路时钟电路用来产生一系列的时钟脉冲信号，该脉冲信号是一种方波脉冲信号，单片机的各部分在脉冲信号的控制下一步一步地有序工作。对于AT89C51系列单片机，时钟电路产生连续的时钟脉冲，12个时钟周期为一个机器周期，在每一个机器周期中，CPU均做同样的工作，但是由于数据不同，结果也就不同。2）CPUCPU是中央处理器的简称，它是单片机的核心，用来完成运算和控制功能，包括控制器和运算器两部分。控制器按照一定的方式取出存储在ROM中的指令，然后将指令进行译码，按照指令的要求指挥单片机各部件协调工作；而运算器则在控制器的指挥下完成算术和逻辑运算。在运算器中有一个累加器ACC，实际上它在RAM中也有地址，它通常用于数据的中转。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能3）随机存储器RAMAT89C51单片机的随机存储器RAM有256 B，每一个RAM都有一个地址，地址范围从00H到FFH。其中后128 B的RAM为特殊功能寄存器，分别为累加器ACC、端口P0P3和定时器等，用户使用时通常按照特殊名称使用，不能用来存储用户数据。前128 B的RAM为用户使用区，又分为通用寄存器区、位存储区和用户区等几部分，其组成如图5-2所示。当内部RAM不够用时可通过总线扩展外部RAM，因为AT89C51有16根地址线，所以最大可以扩展到64 KB。图5-2 AT89C51单片机RAM组成5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能4）只读存储器ROM只读存储器用来存储用户的指令程序。AT89C51单片机内部有4 KB的只读存储器ROM，地址范围为0000H至0FFFH。需要注意的是，0003H、000BH、0013H、001BH和0023H这5个ROM地址是中断入口的专用地址。当中断发生时，程序会跳转到这几个地址，所以通常在存储程序时，都会从0100H开始。5）定时器/计数器AT89C51单片机有两个16位的定时器/计数器，用来实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能6）并行I/O口AT89C51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），以实现数据的并行输入输出。7)串行I/O口AT89C51单片机有一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。8)中断系统AT89C51单片机的中断功能较强，可以满足控制应用的需要。AT89C51共有6个中断源（其中有2个外部中断源），每一个中断源都有自己的中断矢量地址、中断标志位、中断优先级和中断允许控制。9)地址/数据总线AT89C51单片机的内部存储器ROM仅有4 KB，在比较复杂的控制和计算中需要外扩存储器ROM来存储程序、表格和一些原始数据。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能2.单片机的引脚功能单片机的引脚功能AT89C51单片机的封装形式有多种，有DIP（双列直插式）和PQFP（四周均有引脚的芯片）、PLCC（特殊引脚芯片）封装等。如图5-3所示为DIP封装的AT89C51芯片，它有40个引脚，分别为电源接口、时钟接口、中断接口、I/O接口和控制接口。图5-3 AT89C51引脚图5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能1）电源接口VCC和GNDVCC用来连接 V电源线，而GND连接电源地线。2）时钟接口XT1和XT2像做广播体操一样，很多人只有在、的口令下才能同时完成一个动作而不紊乱。计算机也是一样，它的各部件是在一系列的脉冲下，有步骤地一步一步进行协同工作的，产生这些脉冲序列的电路封装在单片机内部，而时钟接口XT1和XT2用来接晶体振荡器（简称晶振），晶振有多种频率，如常用的6 MHz、11.059 2 MHz和12 MHz等。3）复位引脚RST复位引脚（reset，缩写为RST）是第9个引脚。单片机在工作时，要求该引脚上必须有一个信号通过，才能开始工作。当向该引脚输入一个高电平时，单片机复位，通常使用外部RC复位电路。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能 如图5-4所示为用AT89C51单片机组成的最小系统图，由于AT89C51内部有4 KB的ROM和128 B的存储数据用的RAM，所以应用在简单系统中，可以不再扩展RAM和ROM。单片机工作的必要条件是有时钟脉冲和复位信号。在图5-4中时钟信号由晶体振荡器Y1和电容C2、C3配合单片机内部时钟电路产生，而复位信号由C1和R组成的RC电路提供。图5-4 单片机最小系统图5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能4）并行数据接口P0P3P0P3是4个8位的并行接口，单片机通过这4个接口和外部电路进行数据的交换，数据可以由外部输入给单片机，也可以由单片机输出给外部电路，因此，称为双向数据接口。这4个端口除了P1为专用数据口外，P0、P2和P3都是复用口，至于用做什么，这跟程序有关。通常来说，P0口做数据和地址的低位复用接口，在ALE的协助下，地址和数据很容易分开，而P2口通常用来做高位地址线的接口。P3口通常用来做中断、读写等控制信号的接口。如图5-5所示为一个用单片机设计的LED显示电路。该电路由一片AT89C2051单片机和少量的外接元件组成，其中VCC和GND接+5 V电源和地；电路中XT1和XT2外接12 MHz的晶振和C1、C2构成了单片机的时钟电路；RST复位引脚通过R9、C3组成了单片机的简易上电复位电路；P1口的8根口线P1.0P1.7接发光二极管LED1LED8组成了输出显示电路，由于发光二极管的压降为1.82.3 V，所以用R1R8作为LED1LED8的限流电阻。通过程序控制，可实现P1口输出LED的各种样式显示。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能图5-5 单片机组成的LED显示电路5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能5）外中断接口 和单片机用来完成测量和控制的任务，它按照ROM中的程序一步一步的工作。但是在实际运行中有时由于外界某一个动作，要求单片机停下正在执行的程序，转而去处理外界要求的任务，等处理完成后再继续从程序停下的地方继续执行程序，这种操作方式称为中断。6）定时器计数器中断T0和T1 定时器根据内部的脉冲个数乘以脉冲周期来计算时间，完成定时任务，而计数器通常用来对T0或者T1上的脉冲个数进行计数。如在生产线上用来对产品数量进行计数时，只要将传感器接在T0或者T1上就可以了。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能 AT89C51单片机有两个16位的定时器，在使用时只要设置好定时器的初始值，然后运行定时器，它就会在初始值的基础上向上计数，当寄存器计数达到最大值后会复位为零，此时计数器会触发定时中断指令。如图5-6所示为单片机的计数电路，按键SP1每按一次，则计数器会增加1。图5-6 单片机计数器的应用电路5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能7）串行数据接口TXD和 RXD串行数据接口TXD用来将单片机的数据传输到外部，而RXD用来将外部的数据传输给单片机。这两个口通常用来与微型计算机传输数据，微型计算机的主机后面有一个针的公用插口，还有TXD和RXD两根口线，在与单片机通信时，只要通过转换器连接就可以实现两者间的通信了。如图5-7所示为由HIN232CP组成的串行接口，TX端和RX端分别接单片机的TDX和RDX，而RS-232接口JP1则通过数据线和其他计算机的RS-232接口连接，实现了计算机和单片机之间的串行通信。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能图5-7 RS-232接口电路5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能8）读写引脚 /上面的横线代表低电平有效（即0有效）。当单片机需要读取外部数据时，引脚就变为低电平，此时外部的芯片或者设备就知道单片机需要读取数据了，接着将数据放在数据总线上，等着单片机读取数据。同样，当单片机需要将数据送出时，它的引脚就变成了低电平，而引脚则变为高电平。9）地址锁存引脚/编程引脚ALE/P0口为数据和地址复用端口，当为数据时，ALE为低电平，而为地址时，ALE则变为高电平，这时只要外接一个锁存器就可以将数据和地址分开了。PROG引脚仅在将程序写入内部ROM时起作用，在此不做讲述。5.1.1 AT89C51 AT89C51单片机的组成与引脚功能单片机的组成与引脚功能10）外部程序存储器允许引脚由于单片机内部仅有KB的ROM，当程序很大时，内部ROM就不够用了，这时可以外接存储器ROM。11）外部随机存储器允许引脚编程电压引脚 /VPP由于单片机内部仅有256 B的RAM，当程序处理数据很多时，就会严重影响到速度，这时可以外接随机存储器RAM。5.1.2 AT89C51 AT89C51单片机构成的控制系统单片机构成的控制系统如图5-8所示为用单片机构成的控制系统原理框图。该控制系统可以分为输入通道、输出通道、人机接口和单片机系统等几部分。图5-8 单片机构成的控制系统原理框图5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道1.开关量和单片机的接口开关量和单片机的接口开关量信号的供电有独立电源和与单片机共用电源两种情况，对于前者须进行信号隔离和电平处理，而后者通常直接连接。如图5-9所示为开关量与单片机的两种接口，在图5-9（a）中采用了光电隔离及电平处理，在图5-9（b）中采用了直接连接方式。图5-9 开关量和单片机的接口电路5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道2.串行频率脉冲和单片机的接口串行频率脉冲和单片机的接口在采用光栅尺和旋转编码器等传感器的单片机控制器中，传感器反馈的是串行脉冲频率信号，由于该类信号本身为数字量，所以通常采用计数方式或者计算脉冲宽度来进行采集。另外，很多来自于传感器的模拟信号经过A/D转换后，转换为脉冲信号再进行处理。3.模拟量和单片机的接口模拟量和单片机的接口模拟量通常需要经过信号放大、滤波和A/D转换后才能将信号传送给计算机，A/D转换分为并行和串行两种。1）并行A/D转换器ADC0809是一种8路并行8位A/D转换器，其内部有8路模拟量开关，可以和单片机接口直接连接。5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道 （1）ADC0809的内部逻辑结构。如图5-10所示为ADC0809的内部逻辑图。由8路模拟量开关、地址锁存与译码器、A/D转换器和三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟量通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换后的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换后的数据。图5-10 ADC0809内部逻辑结构图5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道（2）ADC0809的引脚说明。IN0IN7为8路模拟量输入端，要求为正极性电压，范围为05 V。D0D7为转换后的8位并行数字量输出端，它们与单片机的数据输入端口相连接。C、B、A为8路输入的选择端，C、B、A按照二进制方式选择相应的输入端，如000为IN0，011为IN3，111为IN7。ALE直接和单片机的ALE端连接，进行地址的锁存。当单片机的端口输出为地址时，单片机的ALE端为高电平，此时C、B、A得到地址信息，选择通道。VREF+和VREF-为参考电压，在要求很高的场合可以选用参考电压芯片，要求较低时也可和+5 V电压连接，但要求+5 V电压稳定性好。CLK为时钟输入，由于ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500 kHz的时钟信号。ST为开始转换命令的输入，当ST为上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A/D转换。在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。当OE1，输出转换得到的数据；当OE0，输出数据线呈高阻状态。5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道（3）ADC0809的应用。如图5-11所示为ADC0809和AT89C51单片机组成的数据采集电路。其中SUN7474提供ADC0809所需的时钟信号，U3和U4用来显示采集的数据，ADC0809的IN3输入模拟信号。5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道图5-11 ADC0809和AT89C51单片机组成的数据采集电路5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道2）串行A/D转换器单片机的接口较少，在设计系统时，需要节约接口资源，相对于并行接口而言，串行接口仅需要两条接口线，让出了很多的接口线，所以目前在很多场合也使用串行A/D转换器件，如常用的TLC2543、TLC0838和MAX194等。下面就TLC2543进行介绍。（1）TLC2543的引脚功能。如图5-12所示为DIP封装的TLC2543引脚图。共有20条引脚，其中AIN0AIN10为11路模拟量输入端口；DATA OUT为A/D转换结果的输出端口；I/O CLOCK为控制输入/输出的时钟信号端口，由外部输入；DATA IN为控制字输入端口，用于选择转换及输出数据格式。图5-12 TLC2543引脚图（2）TLC2543的应用。如图5-13所示为用TLC2543和AT89C51所组成的数据采集系统原理图。5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道图5-13 TLC2543和AT89C51单片机组成的数据采集电路5.1.3 单片机的输入通道单片机的输入通道模拟信号经过电平转换和滤波等信号调理电路处理后送到TLC2543的AIN0AIN10中的某几个或者全部端口，VREF+和VREF-为参考电压端口，分别接+5 V和GND。I/O CLOCK为时钟信号端口，由单片机编程后提供。DATA OUT端口为转换后的串行数据输出端，通过该端口数据送入到单片机中。DATA IN为控制字输入端口，由单片机控制TLC2543的工作方式和模拟量的输入端口，包括要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。上电后，片选CS必须从高到低，12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA IN一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地移出。EOC为转换结束标志，转换过程中为0，转换完成后为1。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道单片机控制器的输出可以分为显示记录输出和驱动信号输出两部分。显示输出的设备有LED显示器、LCD（液晶）显示器和CRT（阴极射线管）显示器等，记录输出的设备通常为打印机和数据存储设备的驱动。驱动信号是单片机对输入信号和反馈信号经过处理后用来驱动功率放大器的信号。根据功率放大器的不同种类，信号也不同，如驱动步进电动机的脉冲信号、驱动直流电动机的PWM脉冲或者模拟量信号、驱动变频器的模拟量或者数字量信号等。1.显示输出显示输出显示输出作为人机接口，在多种机电一体化产品上广泛应用。根据显示的内容要求和环境要求等各种情况，通常使用LED和LCD两种显示器。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道1）LED显示发光二极管可应用在对外界环境要求较高，显示数字和字符的场合，也可用来显示要求不高的图像。它有七段数码管显示和点阵式显示两种。七段数码管实际上由个发光二极管组合而成一个“”字型。由于个发光二极管共用一个阴极或者阳极来减少引脚，所以数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，如图5-14所示为七段数码管的结构和原理图。图5-14 七段数码管的结构和原理图5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道点阵式LED显示可以用来显示各种字符和简单的图形，它有1616和3232等多种形式，如88表示可以显示8行8列个点，如图5-15所示。图5-15 88点阵式LED的结构和原理图5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道数码管的正常显示需要驱动电路对每一个段进行有规律的驱动。根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态驱动和动态驱动两种方式。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者通过BCD码译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如直接驱动1个数码管静态显示则需要8根接口线，而用译码器也需要4根接口线，但是译码器增加了硬件电路的复杂性。动态驱动则将所有数码管的同名笔画端(如将所有的“a”笔画)连在一起，每一个数码管的公共端COM连接位选通控制电路，实现了每一个数码管的独立控制。这样，当需要显示字符时，通过I/O端口可选择需要显示的数码管，而通过数据线则选择了显示的笔画，经过分时轮流显示，利用人类的视觉暂留现象，实现了显示。动态显示的优点是只需要少量的I/O端口，功耗低，应用更为广泛，但是亮度上不如静态显示。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道2）LCD显示液晶显示器是应用“液晶”作为显示材料的显示器。液晶是一种介于固态和液态之间的物质，当液晶通电时，液晶体分子排列得井然有序，光线容易通过；而不通电时，液晶分子排列混乱，阻止光线通过。不通电或通电就可以让液晶像闸门般地阻隔光线或让光线穿过。LCD显示分为字段型和点阵型，其字符显示原理类似于LED。从颜色上分为单色和彩色两种，彩色显示的每一个点阵或者字段都是由3个液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片。光线经过滤片的处理照射到每个像素中不同色彩的液晶单元格之上，利用三基色原理组合出不同的色彩。液晶显示器通常都内置显示译码电路和字库等，显示时仅需给其提供相应的数据信号和控制信号即可。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道2.微型打印机驱动微型打印机驱动机电一体化系统有时需要记录装置，记录装置分为电子记录装置和纸质记录装置，前者通常使用磁盘，后者使用微型打印机,该类型输出驱动只要按照接口要求连接后，通过厂家提供的软件即可实现。3.步进电动机的驱动步进电动机的驱动单片机驱动步进电动机的方式有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。前者用硬件电路实现，后者是通过程序，使单片机的输出端口依次输出脉冲信号来实现。软件环形分配器的电路简单，但是占用单片机资源较多。1）硬件环形分配器硬件环形分配器主要是对输入的信号按照逻辑关系分别加到各相的放大器上，进一步驱动步进电动机。所以，硬件环形分配器主要是产生和控制脉冲。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道2）软件环形分配器软件环形分配器通过软件编程将不同的控制字按一定时间规律从端口输出，送入功率放大器，驱动步进电动机。如图5-16所示为用AT89C51作为软件环形分配器驱动三相步进电动机的电路图，其中P1.0、P1.1、P1.2分别接步进电动机A、B、C相的放大器。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道图5-16 软件环形分配器驱动三相步进电动机的电路图5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道4.单片机和单片机和PWM功率放大器的接口功率放大器的接口1）D/A转换器D/A转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，具有抗干扰能力强、无温漂现象等优点。由于在机电一体化系统中，主要是根据技术参数要求选用D/A转换芯片，所以本书重点介绍其应用，而不再讲述其原理。DAC0832是一种8位分辨率的D/A转换芯片，具有和单片机相同的接口简单、价格低廉及控制方便等特点。它由1个8位数据输入寄存器、1个8位DAC寄存器、1个8位D/A转换器及转换控制电路组成，如图5-17所示。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道图5-17 DAC0832的结构和封装图DAC0832的引脚分为电源、控制信号、输入数字信号和输出模拟信号。在图5-17中，D0D7为8位输入信号端，CS为片选信号端，仅在低电平时有效。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道2）D/A转换的应用PWM波形是由三角波和参考电压比较而产生的，为了提供可控制变化的参考电压，通常采用单片机产生参考电压，但是单片机产生的参考电压为数字形式，所以需要使用D/A转换将数字量转换成模拟量。该电压和三角波发生器产生的三角波通过比较器比较后，则产生了与参考电压对应的PWM脉冲，再经过功率放大器放大，就可以驱动直流伺服电动机了。5.单片机与开关型功率接口单片机与开关型功率接口机电一体化系统中通常使用很多开关型功率器件来控制元器件，如电动机的启动和停止、电热器件的通电和断电等；通过控制脉冲相位控制晶闸管的导通时间，来实现交流电压高低的控制。5.1.4 单片机的输出通道单片机的输出通道6.单片机与变频器的接口单片机与变频器的接口变频器通常有手动操作面板和通信接口。手动操作面板可进行频率设定、启动、停止等功能的控制，也可以将这些操作交由串行接口控制。通信接口控制是指让单片机和变频器进行通信，并由单片机控制变频器。如图5-18所示为MICROMASTER 420型变频器的结构框图。图5-18 MICROMASTER 420型变频器的结构框图5.2 可编程控制器可编程控制器可编程序控制器（programmable logic controller，简称为PLC）是一种“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，它可以通过修改程序来改变控制功能，除了能完成各种各样的控制外，还有与其他计算机通信联网的功能。国际电工委员会(IEC)在1987年2月的草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成1.PLC的工作原理的工作原理PLC的工作原理是建立在计算机工作原理的基础上的，CPU只能以分时操作方式来处理各项任务，也就是说在每一时刻只能处理一件事情，程序的执行是按照顺序依次执行。PLC的扫描工作过程大致可以分为输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段，如图5-19所示。完成上述3个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。图5-19 可编程控制器的工作过程5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子，依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中，此时输入映像区被刷新。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。2）用户程序执行阶段跟所有计算机一样，PLC对于用户程序的执行也是按照每条语句（梯形图、语句表和功能块图等）从上到下的顺序执行。而每一条语句的执行则总是从左到右，按照这些顺序将由触点构成的控制电路进行逻辑运算，并且根据逻辑运算的结果来刷新逻辑线圈在系统RAM存储器中对应位或输出映像寄存器中对应位的状态，以及是否执行特殊功能指令等。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成3）输出刷新阶段当用户程序执行完毕后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像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。2.PLC的组成的组成PLC的组成类似于计算机，主要由CPU、存储器、基本I/O单元、外设接口、电源、编程器等组成。如图5-20所示，编程器将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成图5-20 可编程控制器系统结构5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成1）CPU单元CPU是可编程控制器的核心部分。一般由微处理器和控制接口电路组成，这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接来实现数据的通信。PLC都有系统程序，在系统程序的控制下，CPU单元通过扫描方式读取外部输入信号的状态，然后按照用户指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，最后将结果送到输出单元进行输出。2）存储器与计算机一样，PLC的存储器也是由只读存储器ROM和随机存储器RAM组成，用来存放系统程序、用户程序和工作数据。ROM作为PLC的系统存储器来固化系统程序，用户不可改变其内容。而随机存储器RAM在PLC中用于存储用户程序和数据。为了方便调试和修改总是先把用户程序存放在随机存储器中，经过运行、修改、完善，达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成3）I/O单元和I/O扩展单元PLC是一种专为工业控制而设计的特殊计算机，它通过I/O单元来实现和工业生产过程的联系。生产过程中的各种参数经过输入单元传送给PLC，经过PLC的程序控制和运算，将结果通过输出单元送到被控对象的执行单元（如电磁铁、各类电动机等），由执行单元实现工业过程的控制。由于工业现场的恶劣环境和各种干扰问题，为了确保信息的正确性，PLC的I/O单元应具有较好的抗干扰能力。由于输入信息的种类很多，PLC一般都包含有开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元以及其他一些特殊模块。根据实际需要选择需要的模块就可以了。（1）开关量输入单元。开关量I/O单元通过标准的I/O接口可从传感器、开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机启动器等）接收信号。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成如图5-21所示为直流开关量输入电路，电阻R1和R2构成一个分压器，而R2和电容C组成阻容滤波。双向耦合器T用于隔离输入电路和PLC内部电路，并使外部信号变成内部电路接收的标准信号。图5-21 直流开关量输入电路5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成如图5-22所示为交流开关量输入电路，它与直流开关量输入电路类似。图5-22 交流开关量输入电路5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成（2）开关量输出单元。开关量输出单元的作用是把PLC内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。与安装现场执行机构使用的电源类型不同，开关量输出单元一般可以分为直流输出单元（晶体管输出方式或继电器输出方式）和交流输出单元（晶闸管输出方式或继电器输出方式）两种。如图5-23所示为继电器输出电路，其中继电器既作为开关器件，同时又是隔离器件。当PLC输出一个信号时，内部电路使继电器线圈通电，同时点亮LED，通电线圈使继电器触点闭合，从而使负载回路接通得电。图5-23 继电器输出电路5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成（3）模拟量输入单元。模拟量I/O接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。如图5-24所示为模拟量输入单元框图，输入信号首先进行滤波，然后进入A/D转换器，模拟信号转换为数字信号后，再经光电耦合隔离器进入PLC内部电路。根据A/D转换器的量化精度不同，一般把模拟输入单元分为8位、10位、12位和14位。图5-24 模拟量输入单元框图5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成（4）模拟量输出单元。模拟量输出单元的作用是将PLC中的数字信号转换为模拟量信号输出，一般是420 mA或010 mA的电流信号或010 V的电压信号。如图5-25所示，其处理过程与模拟量输入单元相反，PLC输出的数字量信号由内部回路送至光电耦合器，光电耦合器的输出端会将相应的信号输出至D/A转换器，转换后的模拟信号经由放大器等元件处理后输出，驱动执行部件。与模拟量输入单元一样，模拟量输出单元也根据D/A转换器的分辨率区分为8位、10位、12位和14位。图5-25 模拟量输出单元框图5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成（5）I/O扩展单元。可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。4）外设接口外设接口电路用于连接手持式编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络，可以实现编程、监控、连网等功能。为满足复杂控制功能的需要，PLC还配有多种智能I/O接口，如满足位置控制需要的位置闭环控制模块，可进行高速脉冲计数的高速计数模块等。这些智能模块一般自身都带有处理系统。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成5）电源电源单元的作用是把外部电源（通常是220 V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为24 V直流电源，经过CPU模块后产生PLC内部所需的5 V直流电源，同时24 V直流电源也作为外部输入元件的电源，而驱动PLC负载的电源由用户提供。电源部件的位置有多种，对于整体式结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；对于模块式结构的PLC，有的采用单独的电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。6）编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护的重要器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制系统的工作状况等，但它不直接参与现场控制运行。编程器分为简易型和智能型两大类。7）底板和机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：在电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；在机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成3.PLC的软件系统的软件系统PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，两者缺一不可。可编程控制器的软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。1)系统程序系统程序由PLC制造商编制，固化在EPROM或PROM中。它包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块3大部分。其中系统管理程序主要完成运行管理（控制PLC何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理）、存储空间管理和系统的自检管理，确保系统正常运行。用户指令解释程序将用户程序中用到的各种编程语言（梯形图、语句表、功能块图等）翻译成CPU能执行的机器指令，是连接高级语言和机器码的桥梁。系统调用的标准程序模块由许多独立的程序块组成，各程序块有不同的功能，有的完成输入、输出处理，有的完成特殊运算等。PLC的各项具体工作都是由这部分程序来完成，它的多少决定了可编程控制器性能的强弱。5.2.1PLC工作原理和组成工作原理和组成2）用户程序用户程序即应用程序，是可编程控制器用户针对具体的控制对象编制的程序。PLC中有大量的编程“软元件”，这些“软元件”按其功能可以分为输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等。用户根据不同的控制任务编制程序，相当于对“软元件”的硬件接线进行重新设计和接线，这就是所谓的“可编程”。由于“软继电器”实质上是PLC中的存储单元，取用它们的常开、常闭触点实际上是读取存储单元的状态，因此，可以认为一个继电器带有无数多个常开、常闭触点。PLC的主要使用对象是工厂电气技术人员，为了适合他们的掌握能力和传统工作习惯，一般情况下PLC会支持多种编程语言，常见的有梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD。5.2.2 S7-300系列系列PLC简介简介1.S7-300系列系列PLC的结构的结构S7-300系列PLC是由一个主机架和一个或者多个扩展机架组成。扩展机架是指当主机架无法满足多个安装时所采用的机架，其中CPU所在的机架为主机架。S7-300系列的模块机架是导轨RACK，使用该导轨可以安装所有S7-300的模块，主要有电源模块PS、CPU模块CPU、接口模块IM、信号模块SM和功能模块FM等。S7-300系列PLC可以通过MPI网和编程器PG、操作员面板OP与其他PLC进行连接通信。S7-300系统硬件如图5-26所示。图5-26 S7-300系列硬件5.2.2 S7-300系列系列PLC简介简介2.S7-300系列系列PLC的模块性能的模块性能1）电源模块PS 307电源模块为各模块提供了电源，它必须置于1号机架的位置。它将120/230 V交流电压或者24/48/72/96/110 V直流电压转换为PLC所需要的24 V直流工作电压，输出电流有2 A、5 A和10 A这3种类型，用户可以根据选择的PLC和现场供电情况来选择相应的电源模块类型。2）CPU模块CPU模块存储并处理用户程序，通过嵌入的MPI总线处理编程设备和PC、模块、其他站点之间的通信，为其他模块分配参数，并可以为进行DP主站或从站操作而装配一个集成的DP接口，CPU模块置于2号机架。各种CPU有各种不同的性能，如有的CPU上集成有I/O点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口等。5.2.2 S7-300系列系列PLC简介简介3）信号模块S7-300系列PLC有多种型号的信号模块SM，如图5-27所示为SM 321；DI 3224 VDC模块原理图，其输入为32点，24 V直流输入信号，适用于开关输入或者2/3/4线接近开关输入。信号模块通过背板总线和CPU模块连接，由CPU模块为其提供电源，并且给信号模块的每一个输入和输出点分配地址。当有输入数据时，输入数据被逻辑电路存放于输入映像区，由CPU