李高峰

（青島艾諾智能儀器有限公司，山東 青島 266101）

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，控制系統(tǒng)往往需要多組開(kāi)關(guān)量輸出和輸入，既要求安全電氣隔離，又要求遠(yuǎn)距離控制，還要求抗干擾性能強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)了一種基于STC8F單片機(jī)的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)，可較好地解決上述問(wèn)題。

1 總體思路

以STC8F單片機(jī)為核心，用16路IO口控制16路繼電器開(kāi)關(guān)量輸出，用另外16路IO口控制光耦開(kāi)關(guān)量輸入，通過(guò)RS485串口和外部通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC8F單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC8F系列單片機(jī)是STC公司的新一代產(chǎn)品，特點(diǎn)為：①超高速8051內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，支持在線(xiàn)仿真。②最大64 K字節(jié)FLASH，可擦寫(xiě)100 000次以上，支持在系統(tǒng)編程（ISP），2 K字節(jié)內(nèi)部擴(kuò)展RAM。③多個(gè)定時(shí)器，多個(gè)串口，多組GPIO。集成可編程的時(shí)鐘、電壓監(jiān)控復(fù)位電路。④寬電壓，寬溫度，抗干擾，價(jià)格低。

2.2 控制模塊

控制模塊如圖1所示。

J1為電源輸入，可使用DC5V/1A適配器供電，有濾波電容C9和保護(hù)用TVS1。因適配器基本都是開(kāi)關(guān)電源，C9沒(méi)有使用太大的電容。U1為STC8F2K64S2-LQFP44單片機(jī)，是系統(tǒng)的控制核心。因其內(nèi)部集成的晶振精度及溫漂不太理想，為減小串口波特率的誤差，使用了外部晶振Y1。使用了其內(nèi)部集成的可編程電壓監(jiān)控復(fù)位電路，沒(méi)有使用單獨(dú)的外部復(fù)位電路。P5.4控制指示燈，用來(lái)指示本機(jī)狀態(tài)，比如正常、通信故障等。DO[0..15]為16路輸出IO，驅(qū)動(dòng)后級(jí)開(kāi)關(guān)量輸出繼電器陣列，單片機(jī)內(nèi)部可配置為推挽輸出模式。DI[0..15]為16路輸入IO，來(lái)自開(kāi)關(guān)量輸入光耦陣列，單片機(jī)內(nèi)部可配置為準(zhǔn)雙向弱上拉模式。J2為串口UART1（RXD1、TXD2），用于下載程序和仿真調(diào)試。串口UART2（RXD2、TXD2、REN/DE）接后級(jí)RS485模塊，作為從設(shè)備與外部主機(jī)通信。SW1為撥碼開(kāi)關(guān)，用于設(shè)定本機(jī)的通信地址。電容C1、C8為單片機(jī)的濾波電容，應(yīng)盡量靠近單片機(jī)VCC/GND引腳，PCB走線(xiàn)盡量短而粗。

圖1 控制模塊

2.3 RS485串口模塊

RS485串口模塊如圖2所示。

圖2 RS485串口模塊

SP485E為SIPEX公司產(chǎn)品，具有抗靜電、失效保護(hù)等特點(diǎn)。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)REN/DE經(jīng)R3下拉，處于接收模式，免得影響外部總線(xiàn)。為增強(qiáng)抗干擾能力，比如雷擊，增加了多個(gè)電阻和TVS進(jìn)行保護(hù)。

2.4 開(kāi)關(guān)量模塊

開(kāi)關(guān)量模塊如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)量模塊

2.4.1 開(kāi)關(guān)量輸出陣列

圖3中為一路示例，實(shí)際為DO[0..15]共16路。DO0通過(guò)三級(jí)管T1驅(qū)動(dòng)繼電器RY1，二極管D2為繼電器線(xiàn)圈續(xù)流二極管。CR1為阻容模塊，可吸收觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電磁拉弧。繼電器為宏發(fā)HF46-5 V。線(xiàn)圈規(guī)格為5 V/125 Ω，線(xiàn)圈電流為40 mA，如果16路繼電器同時(shí)動(dòng)作，最大需要640 mA電流。觸點(diǎn)規(guī)格為5A/250 VAC/28 VDC，應(yīng)避免帶大功率負(fù)載，以免觸點(diǎn)燒壞粘連。線(xiàn)圈和觸點(diǎn)間耐壓為4 000 VAC，觸點(diǎn)間耐壓為1 000 VAC。在PCB步線(xiàn)時(shí)，應(yīng)注意250 VAC的安全距離和電氣間隙的要求。

2.4.2 開(kāi)關(guān)量輸入陣列

圖3中為一路示例，實(shí)際為DI[0..15]共16路。SWI0經(jīng)濾波及二極管保護(hù)，經(jīng)光耦到DI0。SWI0短接到GNDS為有效信號(hào)（低有效）。

U4為DCDC模塊，陣列共用，深圳順源公司的F0505S-1W，輸出5 V/200 mA，隔離電壓3 000 VAC。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括：①初始化。主要包括GPIO、定時(shí)器T0、串口2、看門(mén)狗等。②定時(shí)器T0中斷函數(shù)。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行掃描，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行更新。③串口2中斷函數(shù)。接收上位機(jī)下發(fā)的指令，上傳本機(jī)掃描結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)可控制多路開(kāi)關(guān)量，簡(jiǎn)單可靠，移植方便，價(jià)格便宜，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。