單片機(jī)與PLC循環(huán)控制軟、硬件比較

丁文權(quán)

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、前言

單片機(jī)與PLC 是自動控制技術(shù)中兩個(gè)重要的器件，對于很多控制任務(wù)和控制要求，無論采用單片機(jī)方案還是PLC 方案都能夠完成。曾從事過這兩種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人員會發(fā)現(xiàn)，對于同樣的循環(huán)控制任務(wù)和控制要求，兩種器件在軟、硬件的設(shè)計(jì)上有著不同的思路，特別是在循環(huán)控制程序的設(shè)計(jì)上有著天壤之別。

現(xiàn)實(shí)中，流水彩燈在我們的生活當(dāng)中無處不在，例如：每當(dāng)節(jié)假日的時(shí)候，為了烘托節(jié)日喜慶的氣氛，在很多建筑物的周圍都有很多亮麗的流水彩燈。還有就是商場店鋪的廣告牌，為了能夠吸引顧客的注意，它們的周圍也有各式各樣的彩燈。可見它們的存在更加襯托了生活的絢麗多彩。

由于流水彩燈既具有實(shí)際意義，而且隨著彩燈控制規(guī)模不同，控制的難度可以不同，它可以作為一個(gè)案例進(jìn)行論題的分析；且隨著控制難度的增加，可以進(jìn)行更深一步的研究，故本文以閃爍流水燈循環(huán)控制線路為例，來對單片機(jī)與PLC 循環(huán)控制軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。

二、單片機(jī)與PLC 發(fā)射型閃爍流水燈控制軟、硬件設(shè)計(jì)

下面先利用PLC 設(shè)計(jì)閃爍流水燈循環(huán)控制線路，接著再利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的控制功能，從而比較一下兩種設(shè)計(jì)在軟、硬件上的不同。

（一）發(fā)射型閃爍流水燈控制要求：

按下啟動按鍵時(shí)，附圖1 中的燈從內(nèi)向外發(fā)射型閃爍：L1 亮0.5s 后滅，接著L2、L3、L4、L5 亮0.5s后滅，接著L6、L7、L8、L9 亮0.5s 后滅，接著L1 亮，0.5s 后滅……如此循環(huán)。按下停止按鍵時(shí)，所有燈都熄滅。

附圖1 發(fā)射型閃爍流水燈圖

（二）PLC 方案的硬件電路圖與程序（軟件）：

1、I/O 硬件接線圖

以SIMATIC S7-200 系列PLC 為例，如附圖2所示。

附圖2 I/O 硬件接線圖

2、I/O分配表

分別給啟動按鍵、停止按鍵和L1～L9分配如表1 所示的PLC 輸入／輸出點(diǎn)。

表1 I/O分配表

3、梯形圖程序

根據(jù)發(fā)射型閃爍流水燈控制要求設(shè)計(jì)的梯形圖程序，如附圖3 所示。

附圖3 梯形圖程序

（三）單片機(jī)方案的硬件電路圖與程序（軟件）：

1、硬件功能框圖

根據(jù)本控制的要求我們可以發(fā)現(xiàn)，硬件部分共有三個(gè)功能：開關(guān)輸入，發(fā)光二極管輸出，單片機(jī)控制。所以硬件功能框圖如附圖4 所示。

附圖4 硬件功能框圖

2、設(shè)計(jì)硬件電路圖

以Atmel 公司的單片機(jī)AT89C51 為例，硬件接線圖中，K1 為啟動按鍵，K2 為停止按鍵，如附圖5所示。

附圖5 硬件電路圖

3、設(shè)計(jì)軟件程序（C 語言）。

根據(jù)發(fā)射型閃爍流水燈控制要求設(shè)計(jì)的C 語言程序，如下所示。

三、兩種軟、硬件設(shè)計(jì)的比較

（一）硬件設(shè)計(jì)的區(qū)別

1、硬件組成

單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本環(huán)節(jié)：如CPU，存儲器，總線，輸入輸出接口等，采用集成電路技術(shù)集成在一塊硅基片上。因此，從控制的觀點(diǎn)，我們也常稱它為單片控制器。PLC的硬件系統(tǒng)主要由五部分組成：CPU、存儲器模塊、輸入輸出模塊、編程器、電源，是一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。CPU 是兩者的控制中樞，起運(yùn)算和控制的作用。存儲器主要功能是存儲程序和數(shù)據(jù)。單片機(jī)具有最簡單的輸入輸出結(jié)構(gòu)，PLC的輸入/輸出接口部分采取了光電隔離、濾波等抗干擾技術(shù)措施。

單片機(jī)的工作電源是直流5V，PLC 內(nèi)部有一個(gè)專用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交/直流供電電源轉(zhuǎn)換為PLC 內(nèi)部電路需要的工作電源（5V 直流）。PLC 目前大量的應(yīng)用單片機(jī)制成，PLC 是單片機(jī)在繼電器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2、工作過程

（1）都是從輸入接口接收來自外界的信息存入存儲器。這些信息主要包括兩部分的來源，一部分是來自于諸如溫度、壓力等傳感器的信息；另一部分是來自人工干預(yù)的一些手動信息，如開關(guān)、按鈕等；

（2）CPU 根據(jù)存儲器中的程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行高速運(yùn)算處理，不斷重復(fù)，使系統(tǒng)正常運(yùn)行；

（3）將運(yùn)算處理的結(jié)果通過輸出接口送去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如繼電器，電機(jī)，燈泡，LED 等。

3、應(yīng)用場合

由于單片機(jī)體積小，功能強(qiáng)，因而廣泛用于電子設(shè)備中做控制器之用。目前，大到導(dǎo)彈火箭國防尖端武器，小至電視機(jī)微波爐等現(xiàn)代家用電器，都運(yùn)用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)又以其體積小，重量輕，價(jià)格便宜等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于儀器儀表以及小型控制系統(tǒng)。PLC 以其高可靠性，使用簡便等優(yōu)點(diǎn)，且具有豐富的擴(kuò)展模塊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以做成大型的復(fù)雜的控制系統(tǒng)，一般用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

（二）軟件設(shè)計(jì)的區(qū)別

1、程序語言和下載

PLC 采用梯形圖或邏輯語句來編程，而單片機(jī)采用匯編語言或高級語言來編程，它們的程序編制過程都要考慮硬件。單片機(jī)編程不易掌握，首次程序開發(fā)工作量大，需要很專業(yè)的人員去做。而PLC 編程，比較簡單，可以利用梯形圖設(shè)計(jì)，這是一種高級語言,它相對單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)屏蔽了一些硬件細(xì)節(jié)，開發(fā)周期要短。

單片機(jī)與PLC的程序都是可通過一定的方式經(jīng)計(jì)算機(jī)下載的，單片機(jī)一般都是將已設(shè)計(jì)好的程序固化在存儲器中，清除重新編寫次數(shù)有限。PLC 對于不同控制系統(tǒng)的程序可將存儲器中的程序反復(fù)清除，重新編寫。它是使用編程器進(jìn)行編程，現(xiàn)在一般都使用個(gè)人電腦進(jìn)行編程，將編寫好的程序通過編程電纜下載到PLC的用戶存儲器中。

2、程序循環(huán)運(yùn)行

工作方式不一樣，傳統(tǒng)的PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式+中斷，PLC 程序運(yùn)行主要特點(diǎn)是：程序循環(huán)掃描執(zhí)行。而單片機(jī)采用順序程序+中斷的方式工作，單片機(jī)不是從上往下對輸入輸出程序等進(jìn)行循環(huán)掃描工作，單片機(jī)的運(yùn)行方式由具體程序決定，一般主程序?yàn)檠h(huán)程序。這與上面的發(fā)射型閃爍流水燈控制程序中設(shè)計(jì)有明顯的區(qū)別：由于PLC 是自動循環(huán)掃描的工作方式，程序中就不需要加入循環(huán)語句，而單片機(jī)的主程序中就必須加入while(1)語句，否則發(fā)射型閃爍流水燈的控制將不會有絢麗的流水效果。

四、結(jié)束語

由以上實(shí)例的比較可以明顯看出單片機(jī)方案不論在硬件設(shè)計(jì)還是軟件（程序）設(shè)計(jì)上都比PLC 方案要復(fù)雜。對于從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人，在很多時(shí)候都會面臨在核心控制元件的選擇上究竟是采用PLC 還是單片機(jī)的問題。由于對于很多控制任務(wù)和要求無論采用單片機(jī)方案還是PLC 方案都能夠完成，所以我們要詳細(xì)分析對于一個(gè)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，究竟哪種方案能夠?qū)崿F(xiàn)用相對較低的設(shè)計(jì)成本達(dá)到更為理想的控制效果。要找到這個(gè)問題的答案，我們就必須仔細(xì)研究單片機(jī)與PLC的聯(lián)系和區(qū)別。

本文只是初步通過對單片機(jī)和PLC的循環(huán)控制軟、硬件比較得出了一些結(jié)論，為想了解單片機(jī)和PLC 這兩種技術(shù)的人員提供一些微薄之力。對于本文提到的一些結(jié)論，在理解上要靈活對待。比如我們一般認(rèn)為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)方案比PLC 方案廉價(jià)，這一點(diǎn)就不是絕對的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的開支包括“硬”和“軟”兩個(gè)方面，單片機(jī)方案在硬件開支方面確實(shí)比PLC 廉價(jià)，但由于開發(fā)難度大，所以在人力的消耗上往往卻比PLC 多很多。因此對于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員要針對具體問題進(jìn)行綜合考慮，這樣才能使設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)具有令人滿意的性價(jià)比。

[1]蔡行健，黃文鈺，李娟.深入淺出西門子S7-200 PLC（第三版）[M].西門子(中國)有限公司工業(yè)自動化與驅(qū)動技術(shù)集團(tuán)，北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]李廣地，朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社（修定版），2007.