第[3]。本文設(shè)計(jì)用到的STM32F103C8T6單片機(jī)，STM32代表的是以ARMCortex-M為內(nèi)核的32位微處理器，F(xiàn)代表芯片的系列，不同字母代表不同系列，103代表增強(qiáng)型系列，C表示48個(gè)引腳，8代表自帶64K字節(jié)的閃存，T代表LQFP封裝，其中數(shù)字6代表的是它可工作的溫度范圍在0下40度到0上85度之間，STM32F103C8T6單片機(jī)引腳圖如下：圖3.1.1STM32F103C8T6引腳圖3.2CPU最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中央處理器的電路主要設(shè)計(jì)了晶振電路，包括8MHz和32.768KHz兩個(gè)晶振電路、復(fù)位電路、SWD程序下載電路、3.3V電源轉(zhuǎn)換電路。3.2.1復(fù)位電路復(fù)位電路的整個(gè)過(guò)程就是從無(wú)到有的一個(gè)過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路會(huì)通過(guò)C2給RESET一個(gè)短時(shí)間的高電平，接著高電平的信號(hào)會(huì)逐漸減弱，為了達(dá)到復(fù)位的準(zhǔn)確性，RESET的高電平必須維持一定的時(shí)間。如過(guò)復(fù)位不徹底，系統(tǒng)就從一個(gè)不正確的位置開(kāi)始執(zhí)行程序。復(fù)位電路如下圖：圖3.2.1復(fù)位電路3.2.2晶振電路晶振電路為單片機(jī)提供系統(tǒng)時(shí)鐘，所有的外設(shè)運(yùn)行，中央處理器的工作都要基于該時(shí)鐘，類似于整個(gè)系統(tǒng)的"心跳節(jié)拍"。如下圖所示：圖3.2.2晶振電路3.2.3調(diào)試接口程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要下載bin/hex文件，以及在線仿真調(diào)試，可采用SWD或者JTAG的方式。SWD模式比JTAG在高速模式下面更加穩(wěn)當(dāng)，且只需4引腳，實(shí)際開(kāi)發(fā)中一般都采用SWD方式。其中的時(shí)鐘線CLK是用于Jlink和芯片的時(shí)鐘同步，一般頻率設(shè)置為4MHz，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整頻率。如下圖所示：圖3.2.3SWD接口電路3.3輸入電路設(shè)計(jì)對(duì)于輸入模塊設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)共采用8個(gè)輸入接：8個(gè)獨(dú)立的邏輯輸入端口。由于外部輸入電壓為24V直流和220V交流，而單片機(jī)內(nèi)部的電壓為3.3V，兩者相差很大，在斷電和上電的順間會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，會(huì)對(duì)單片機(jī)造成很大的損壞；其次，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員造成觸電的風(fēng)險(xiǎn)，而且還可以阻斷兩個(gè)電路之間信號(hào)干擾。因此，我們?cè)谳斎腚娐分屑尤牍怆姼綦x器PC817，不僅使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠而且還可以阻斷兩個(gè)電路之間信號(hào)干擾。輸入電路是可編程控制器接受外部控制各種信號(hào)參數(shù)的一個(gè)橋梁，不同的接口接受不同的信號(hào)電源，本文設(shè)計(jì)的有直流信號(hào)接受單元和交流信號(hào)的接受單元。220V的交流邏輯輸入電路首先經(jīng)過(guò)整流橋，將外部輸入的高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成24V直流電，然后經(jīng)過(guò)C1和R1組成的一個(gè)濾波電路，去除各種干擾信號(hào)，減少輸入信號(hào)中包含的噪聲。然后，將此信號(hào)輸入光耦合器的發(fā)光二極管，驅(qū)動(dòng)的光耦合器的光敏三極管使之輸出高低電平信號(hào)。24V直流電信號(hào)的開(kāi)關(guān)量輸入電路除了整流這一步其他與220V大致相同。220VAC輸入電路如圖3.3-1所示，24VAD輸入電路如圖3.3-2所示：圖3.3-1220VAC輸入電路圖3.3-224VDC輸入電路3.4輸出電路設(shè)計(jì)為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不同類型的負(fù)載，本文設(shè)計(jì)了兩種類型輸出方式，其中包括8路晶體管輸出和8路繼電器輸出。輸出電路的作用就是把可編程控制器運(yùn)算處理后的信息輸送到外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其發(fā)光二極管的作用是用來(lái)現(xiàn)實(shí)輸出電路的運(yùn)行情況，是否有輸出。3.4.1晶體管輸出電路輸出端子的電壓一般很高，晶體管輸出電路采用光耦隔離輸出電路和內(nèi)部處理器電路以保證處理器的穩(wěn)定和運(yùn)行，D19穩(wěn)壓二極管是用來(lái)保護(hù)光耦合器的，首先經(jīng)過(guò)光耦電路進(jìn)行隔離，再經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻限流，其次晶體管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)負(fù)載。晶體管輸出電路的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力小，該電路只能外接直流電源，但是他輸出的響應(yīng)速度很快，適用于高頻率工作現(xiàn)場(chǎng)。圖3.4.1晶體管輸出電路圖3.4.2繼電器輸出電路輸出端子的電壓往往很高，必須采用光耦隔離輸出電路和微處理器電路以保證微處理器的穩(wěn)定和運(yùn)行。繼電器輸出電路首先經(jīng)過(guò)光耦合器進(jìn)行隔離輸出，其次經(jīng)過(guò)一個(gè)NPN型三極管的放大電路驅(qū)動(dòng)的繼電器。繼電器輸出的負(fù)載能力大，該電路不僅可以外接直流電源還可以外接交流電源，但其動(dòng)作速度慢、壽命短，由于其輸出反應(yīng)比較慢，不適合在高頻場(chǎng)合使用。其中一路繼電器輸出電路，結(jié)構(gòu)下圖所示：圖3.4.2繼電器輸出電路圖3.5USB接口電路根據(jù)官方數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示，STM32F103C8T6單片機(jī)僅支持USB的全速模式，為了便于該控制系統(tǒng)與電腦之間的通信，再單片機(jī)上加入一個(gè)USB通信接口。如圖3.5所示：圖3.5USB接口電路3.6模擬量輸入在STM32單片機(jī)內(nèi)部有ADC模塊，所以在檢測(cè)模擬量信號(hào)時(shí)外圍電路上不用再加入ADC模塊，就可以進(jìn)行模擬信號(hào)的采集，其內(nèi)部可以檢測(cè)到0-3.3V的電壓（參考電壓），如果外部出現(xiàn)一個(gè)0-3.3V的變化的信號(hào)，單片機(jī)就可以把它轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的形式來(lái)進(jìn)行處理。工業(yè)上常用的模擬量信號(hào)為4-20mA，其應(yīng)用在各種傳感器的輸出上，當(dāng)有4-20mA電流經(jīng)過(guò)電阻R4時(shí)，電阻上面的電壓就會(huì)有變化，不同大小電流經(jīng)過(guò)就會(huì)有不同的電壓變換。其中穩(wěn)壓二極管D1是用來(lái)保護(hù)單片機(jī)的I/O口，避免R4上的電壓在某個(gè)瞬間突然變大對(duì)單片機(jī)造成損壞。如圖3.6所示：圖3.6模擬量輸入電路3.7電源模塊可編程控制器的CPU采用的是STM32C8T6單片機(jī)，該處理器的輸入輸出端口有37個(gè)，適合中小型的工控需求。工控系統(tǒng)采用的電壓與單片機(jī)內(nèi)部電壓不同，以控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為前提，提供可靠的電源，根據(jù)實(shí)際需要，可以將24V電源轉(zhuǎn)換為DC5V、DC12V兩種直流電壓，分別為控制器的分別給單片機(jī)、晶體管和繼電器提供穩(wěn)定電源。其中DC-DC模塊為是ST，意-法公司生產(chǎn)的L7805CV（三端穩(wěn)壓集成電路），R13為泄壓電阻，C4、C5為濾波電容，這些器件主要用于測(cè)試和濾波，給晶體管供電電源，如圖3.7-1。DC12V的輸出電路如下圖3.7-2，給繼電器提供電源。圖3.7-15V供電電源圖3.7-212V供電電源

4軟件功能4.1軟件設(shè)計(jì)思路在工業(yè)控制系統(tǒng)中，只有硬件電路是運(yùn)行不了的，還需要結(jié)合軟件編寫的程序才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行。單片機(jī)一般采用C語(yǔ)言來(lái)編程，對(duì)語(yǔ)法的限制相對(duì)寬松，STM32微控制器廠家還為人們提供了強(qiáng)大的功能庫(kù)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的中斷功能，還是比較難的PWM脈沖調(diào)劑功能，廠家將這些功能集成到庫(kù)里，在寫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)只需簡(jiǎn)單的設(shè)置，為人們提供很大的便利。為了滿足系統(tǒng)的要求，編譯軟件時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：(1)容易理解，方便編程，便于修改。在軟件設(shè)計(jì)中，要遵循層次化，選完成總體要實(shí)現(xiàn)的功能，再一步步細(xì)化到子程序；(2)可靠性、精確性是每套控制系統(tǒng)必須具備的基本特性，系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)行、精確的運(yùn)算都對(duì)自動(dòng)控制設(shè)備的工作產(chǎn)生直接的影響；根據(jù)整體設(shè)計(jì)來(lái)看，可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯輸入輸出、模擬量輸入、指示燈等功能。4.2ADC功能函數(shù)設(shè)計(jì)STM32F103C8T6增強(qiáng)型產(chǎn)品內(nèi)嵌有2個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊，可以在內(nèi)部自行工作，也可以進(jìn)行同步采樣的方式進(jìn)行采樣。它內(nèi)部轉(zhuǎn)換通道有16個(gè)，ADC模塊轉(zhuǎn)換的每個(gè)通道都可以單次、連續(xù)、掃描以及間斷方式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換速率非?？?，最大值可達(dá)到１MHZ。ADC的時(shí)鐘不得高于14M，不然，結(jié)果的準(zhǔn)確性將會(huì)受到影響。單片機(jī)里ADC模塊的整個(gè)工作過(guò)程是這樣的，單片機(jī)的PA0引腳接收到的外部待測(cè)模擬電壓量，緊接著ADC模塊將“檢測(cè)到的模擬量信號(hào)”和“基準(zhǔn)電壓”進(jìn)行量化，接著單片機(jī)進(jìn)行編碼，輸出結(jié)果。關(guān)于ADC模塊的函數(shù)設(shè)計(jì)，本文使用ADC1的通道0來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，(1)開(kāi)啟PA口時(shí)鐘，設(shè)置PA0為模擬輸入；(2)使能ADC1時(shí)鐘，并設(shè)置分頻因子；(3)設(shè)置ADC1的工作模式；(4)設(shè)置ADC1規(guī)則序列的相關(guān)信息；(5)開(kāi)啟AD轉(zhuǎn)換器，并校準(zhǔn)；(6)讀取ADC的值。4.3按鍵模塊子程序當(dāng)按鍵按下或關(guān)閉時(shí)，由于按鍵其自身的特性，其并不能夠立刻接通或斷開(kāi)，會(huì)產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的信號(hào)，可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行濾波一般延時(shí)10ms時(shí)間用于消抖，方便輸入檢測(cè)。其程序流程圖如圖4.3所示：開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化延時(shí)10ms去抖動(dòng)檢測(cè)到按鍵按下

系統(tǒng)中其他功能處理檢測(cè)到按鍵松開(kāi)

按鍵按下處理

是否真的按下?否是圖4.3按鍵流程圖4.4LED燈模塊子程序LED燈按所顯示的功能劃分，可分別為輸入相關(guān)指示燈亮，運(yùn)行相關(guān)指示燈，電源相關(guān)指示燈。流程圖如4.4圖所示：開(kāi)始開(kāi)始燈滅是否產(chǎn)生輸入？關(guān)閉系統(tǒng)運(yùn)行燈亮燈不亮數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生輸出是否輸入燈亮一下圖4.4指示燈流程圖

5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試編寫好程序后，先進(jìn)行編譯，看是否有錯(cuò)誤，出現(xiàn)0Error（s）、0Warning(s)代表沒(méi)有錯(cuò)誤，然后下載到控制板的處理器中，進(jìn)行軟硬結(jié)合的方法來(lái)調(diào)試，直到準(zhǔn)確無(wú)誤，結(jié)束調(diào)試。程序編譯圖5.1如下所示：圖5.1-1在線編譯圖焊接完成電路板并組裝成可編程控制器，軟硬聯(lián)調(diào)。實(shí)物如圖5.1-2：圖5.1-2實(shí)物圖PLC模塊軟硬件調(diào)試過(guò)程步驟并不多，通常第一次焊接好電路板，都分為以下三步對(duì)硬件進(jìn)行初步調(diào)試：(1)先確保電源部分正常工作，即焊上電源芯片，用萬(wàn)用表測(cè)試整塊板子的電源是否正常，電壓是否在正常的幅值范圍；(2)確?；維TM32最小系統(tǒng)能工作，即可以下載基本的程序，且能正常工作。若是不能，則確保STM32復(fù)位電路，晶振電路，以及下載電路是否接觸正常，畢竟焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊的情況，本文使用SWD下載調(diào)試程序；(3)分模塊測(cè)試MCU以外的外設(shè)，這個(gè)通常是基于第二步的正常運(yùn)作，因?yàn)檫@部分通常是與軟件調(diào)試配合的?？紤]到未來(lái)還是很有可能在板子上增加功能，就預(yù)留了部分接口。5.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.2.1流水線測(cè)試按下按鈕啟動(dòng)流水線，輸入電路的燈亮一下，隨后輸出電路的燈常亮，代表流水線在正常工作，再按一下按鈕，輸出電路的燈滅，代表關(guān)閉流水線。此次實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證輸入輸出功能。圖5.2.2測(cè)試程序下載圖

6總結(jié)與展望6.１總結(jié)本文在學(xué)習(xí)探究了解了市場(chǎng)上現(xiàn)有的可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，從降低生產(chǎn)成本，提高可靠性的角度出發(fā)，提出一個(gè)基于STM32單片機(jī)的可編程控制器的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)前期的理論計(jì)算，及后期實(shí)物驗(yàn)證，保證了可編程控制器的可靠性，靈活性，實(shí)現(xiàn)的僅是可編程控制器的一個(gè)雛形。本文主要完成的工作包括：(1)本文首先介紹了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展歷程，然后介紹了可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求以及對(duì)工業(yè)發(fā)展的重要性。針對(duì)以往PLC價(jià)格高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，圍繞STM32F103C8T6的設(shè)計(jì)方案充分發(fā)揮了Cortex-M3處理器性能高、成本低、功耗低的優(yōu)勢(shì)。(2)在大量學(xué)習(xí)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的硬件框架，明確方向，制定了可編程控制器設(shè)計(jì)的總體方案。(3)根據(jù)制定的硬件設(shè)計(jì)方針與元器件的選擇，進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證，注意每一步的細(xì)節(jié)，保證控制器的靈活性及可靠性，完成硬件實(shí)物的焊接與調(diào)試?；赟TM32單片機(jī)的可編程控制器在電路上采用隔離模塊化的設(shè)計(jì)，降低了可編程控制器的生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、靈活度