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基于Arduino的PLC系统

阅读：768发布：2020-05-11

专利汇可以提供基于Arduino的PLC系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种基于Arduino的PLC系统。包括MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使系统能够精确定时定点控制；系统供电模块，用于为系统供电，保证系统稳定无故障运行；逻辑输入模块，用于对MCU主控模块进行逻辑输入；模拟输入模块，用于对MCU主控模块进行模拟输入；数字逻辑输出模块，用于对MCU主控模块进行数字逻辑输出；串口模块，用于实现MCU主控模块与上位机之间的信号传输。本实用新型采用的是开源软硬件体系平台Arduino进行深度开发的，学习、开发、及维护都十分的方便快速，同时无需工程师专门学习梯形图编程语言，只需要懂得C语言即可在短时间内完成编程任务，并且还可以节约设备的成本。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是基于Arduino的PLC系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于Arduino的PLC系统，其特征在于：包括MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使系统能够精确定时定点控制；系统供电模块，用于为系统供电，保证系统稳定无故障运行；逻辑输入模块，用于对MCU主控模块进行逻辑输入；模拟输入模块，用于对MCU主控模块进行模拟输入；数字逻辑输出模块，用于对MCU主控模块进行数字逻辑输出；串口模块，用于实现MCU主控模块与上位机之间的信号传输。
2.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述系统供电模块的供电从P17 接口输入，通过P17接口分成两路24V供电系统，其中一路DC_24V为系统内部供电，其中另一路DC_24V_Ext通过P19接口向外部逻辑控制和外部各类元器件供电。
3.根据权利要求2所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述DC_24V供电系统采用一个电路转换模块将DC24V供电转换成DC5V，所述电路转换模块包括一组采用芯片LM2596S 开关电源模块构成的24V转5V的稳压电路，其中，芯片LM2596S 开关电源模块的输出引脚Out依次串接有用于储能、续流、滤波的电感L1和用于滤波、储能的电容C15并接地，使其输出的高频方波被滤波为直流电压，其中，续流二极管D44的阴极接地且阳极接入电感L1和芯片LM2596S开关电源模块的输出引脚Out之间的节点，用于保护C15和L1不被感应电压击穿或烧坏。
4.根据权利要求3所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述系统供电模块中启用三路分别由TVS瞬态抑制二极管D33-D35构成的过压保护电路,用于防止过压保护电路后端元件和设备因过压而损坏，其中，当电压超过5.2V时TVS二极管D33导通，即对其后方的电路起保护作用，D34和D35的过压保护电路也是采用与D33过压保护电路相同的电路结构来实现过压保护的。
5.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述逻辑输入模块包括多组的逻辑输入模块单元，所述逻辑输入模块单元采用光耦隔离的输入方式，其中，有信号输入时，光耦U1中的GND0_INPUT点位与in_ch0点位之间存在24V的电压，在限流电阻R1的作用下，光耦U1发射管得电发射光信号，此时接收管接收到光信号，输出三极管导通，in_0端电势接近逻辑电压DC5V，输入信号指示灯D1在限流电阻R10的保障下安全点亮，当外部没有信号输入时，U1发射管不工作，输出三极管截止，in_0在下拉电阻R9的作用下电势与GND相同，为低电平，输入指示灯D1和限流电阻R10构成的回路中电势差为零，D1无电流通过，不发光即无输入指示。
6.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述模拟输入模块包括多个模拟输入模块单元，每个模拟输入模块单元均设有10V、5V、及20mA的三个输入端口以满足常见的变送器工作需要。
7.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述数字逻辑输出模块包括两组数字逻辑输出单元，每组数字逻辑输出单元包括一个ULN2003A的反向器、多个固体继电器、及多条状态显示电路，所述反向器用于将ECU主控模块输出的高低电平进行转换，其中，固体继电器K1的输入引脚2连接于反向器的一个输出引脚output_0，固体继电器的另一个输入端1连接DC24V供电，其中，状态显示电路包括一个发光二极管D17，发光二极管D17的阴极连接于固体继电器的输出控制引脚5上，发光二极管D17的阳极连接于反向器的输出引脚output_0上。
8.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述基于Arduino的PLC系统还包括两路RS232串行异步通讯模块，所述RS232串行异步通讯模块启用MAX232的电平转换芯片，用于将TTL电平与RS232电平转换。
9.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述串口模块启用CH340G的转接芯片，用于实现上位机对MCU主控模块中的主控芯片进行编程，所述CH340G的转接芯片采用5V的工作电压。
10.根据权利要求1所述的基于Arduino的PLC系统，其特征在于：所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片ATmega256-16AU来作为主控芯片，所述Arduino控制芯片Atmega256-
16AU为了保证更高的工作主频而采用5V的工作电压。

说明书全文

基于Arduino的PLC系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及PLC领域，特别为一种基于Arduino的PLC系统。

背景技术

[0002] 目前市面上的PLC虽然技术成熟且采用梯形图编程，但存在售价成本高、学习成本高、编程成本高，对紧急条件下修复难度大等问题，目前普通的PLC均为纯数字接口，对于外部传感器均需要通过第三方控制器间接处理数据，不仅需要多学习一个设备，而且还要多出一份设备的成本；PLC的替代方案一般采用的是8051系列单片机为内核，也存在一定的成本问题。实用新型内容

[0003] 本实用新型的目的在于：提供一种基于Arduino的PLC系统。该系统采用的是开源软硬件体系平台Arduino进行深度开发的，学习、开发、及维护都十分的方便快速，同时无需工程师专门学习梯形图编程语言，只需要懂得C语言即可在短时间内完成编程任务，并且还可以节约设备的成本。

[0004] 本实用新型通过如下技术方案实现：一种基于Arduino的PLC系统，其特征在于：包括MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使系统能够精确定时定点控制；系统供电模块，用于为系统供电，保证系统稳定无故障运行；逻辑输入模块，用于对MCU主控模块进行逻辑输入；模拟输入模块，用于对MCU主控模块进行模拟输入；数字逻辑输出模块，用于对MCU主控模块进行数字逻辑输出；串口模块，用于实现MCU主控模块与上位机之间的信号传输。

[0005] 优选地，所述系统供电模块的供电从P17接口输入，通过P17接口分成两路24V供电系统，其中一路DC_24V为系统内部供电，其中另一路DC_24V_Ext通过P19接口向外部逻辑控制和外部各类元器件供电，达到隔离内外用电的效果。

[0006] 更进一步地，DC_24V供电系统采用一个电路转换模块将DC24V供电转换成DC5V，电路转换模块包括一组采用芯片LM2596S 开关电源模块构成的24V转5V的稳压电路，其中，芯片LM2596S 开关电源模块的输出端Out依次串接有用于储能、续流、滤波的电感L1和用于滤波、储能的电容C15并接地，使其输出的高频方波被滤波为直流电压，其中，续流二极管D44的阴极接地且阳极接入电感L1和芯片LM2596S开关电源模块的输出端Out之间的节点，用于保护C15和L1不被感应电压击穿或烧坏。

[0007] 更进一步地，系统供电模块中启用三路分别由TVS瞬态抑制二极管D33-D35构成的过压保护电路,用于防止过压保护电路的后端元件和设备因过压而损坏，其中，当电压超过5.2V时TVS二极管D33导通，即进行过压保护，D34和D35的过压保护电路也是采用与D33过压保护电路相同的电路结构来实现过压保护的。

[0008] 优选的，所述逻辑输入模块包括多组的逻辑输入模块单元，所述逻辑输入模块单元采用光耦隔离的输入方式，其中，有信号输入时，光耦U1中的GND0_INPUT点位与in_ch0点位之间存在DC24V的电压，在限流电阻R1的作用下，光耦U1发射管得电发射光信号，此时接收管接收到光信号，输出三极管导通，in_0端电势接近逻辑电压DC5V，输入信号指示灯D1在限流电阻R10的保障下安全点亮，当外部没有信号输入时，U1发射管不工作，输出三极管截止，in_0在下拉电阻R9的作用下电势与GND相同，为低电平，输入指示灯D1、限流电阻构成的回路中电势差为零，D1无电流通过，不发光即无输入指示。

[0009] 优选地，模拟输入模块包括多个模拟输入模块单元，每个模拟输入模块单元均设有10V、5V、及20mA的三个输入端口以满足常见的变送器工作需要。

[0010] 优选地，数字逻辑输出模块包括两组数字逻辑输出单元，每组数字逻辑输出单元包括一个ULN2003A的反向器、多个固体继电器、及多条状态显示电路，所述反向器用于将ECU主控模块输出的高低电平进行转换，其中，固体继电器K1的输入引脚2连接反向器的一个输出引脚output_0，固体继电器的另一个输入端1连接DC24V供电，其中，状态显示电路包括一个发光二极管D17，发光二极管D17的阴极连接于固体继电器的输出控制引脚5上，发光二极管D17的阳极连接于反向器的输出引脚output_0上。

[0011] 优选地，基于Arduino的PLC系统还包括两路RS232串行异步通讯模块，所述RS232串行异步通讯模块启用MAX232的电平转换芯片。

[0012] 优选地，所述串口模块启用CH340G的转接芯片，用于实现上位机对MCU主控模块中的主控芯片进行编程，所述CH340G的转接芯片采用5V的工作电压。

[0013] 优选地，所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片ATmega256-16AU来作为主控芯片，所述Arduino控制芯片Atmega256-16AU为了保证更高的工作主频而采用5V的工作电压。

[0014] 较之前技术而言，本实用新型的有益效果为：

[0015] 1.本实用新型中内外用电隔离使用，系统供电模块的供电由P17接口输入，单电源输入方式，当系统供电异常可以更容易采购相应配件，分成两路24V的供电系统，其中一路DC_24V为系统内部供电，其中另一路DC_24V_Ext通过P19接口向外部逻辑控制和外部各类元器件供电。2.本实用新型中DC_24V供电系统采用一个电路转换模块将DC24V供电转换成DC5V，为主控芯片U19和通讯芯片CH340G供电使用。

[0016] 3.本实用新型中系统供电模块中还启用三路分别由TVS瞬态抑制二极管D33-D35构成的过压保护电路,当电压超过5.2V时TVS二极管D33导通，即对其后方的电路起保护作用，当D34所在的过压保护电路的输入电压超过24V时，TVS二极管D33导通，即对其后方的电路起保护作用，当D35所在的过压保护电路的输入电压超过24V时，TVS二极管D34导通，即对其后方的电路起保护作用。

[0017] 4.本实用新型中逻辑输入模块包括多组的逻辑输入模块单元，所述逻辑输入模块单元采用光耦隔离的输入方式，使信号现场与主控制端在电气上完全隔离,避免了主控制系统受到意外损坏。

[0018] 5.本实用新型中模拟输入模块包括多个模拟输入模块单元，每个模拟输入模块单元均设有10V、5V、及20mA的三个输入端口以满足常见的变送器工作需要。

[0019] 6.本实用新型中数字逻辑输出模块包括两组数字逻辑输出单元，每组数字逻辑输出单元包括一个ULN2003A的反向器、多个固体继电器、及多条状态显示电路，当主控芯片的IO引脚输出out_ch0为高电平时output_0为低电平，发光二级管D17点亮，同时继电器K1线圈得电，K1常开触点闭合，输出Out_0对公共端COM0短路，当主控芯片的IO引脚输出out_ch0为低电平时ULN2003输出三极管截止output_0为高电平，继电器K1线圈失电输出指示灯D17熄灭，K1常开触点保持常开状态，输出Out_0对公共端COM0开路。

[0020] 7.本实用新型中还包括两路RS232串行异步通讯模块，所述RS232串行异步通讯模块启用MAX232的电平转换芯片，可将TTL电平与RS232电平转换。

[0021] 8.本实用新型中所述串口模块启用CH340G的转接芯片，用于实现上位机对MCU主控模块中的主控芯片进行编程。

[0022] 9.本实用新型中还设有状态指示，可以快速定位系统状态。

[0023] 10.本实用新型中增加模拟输入与串口通信功能，提高设备本身集成度，减少外部设备投入，节约成本的同时降低整个系统故障率。升级保护措施，使系统运行更可靠。附图说明

[0024] 图1为本实用新型中系统供电模块的两路24V供电系统的电路图；

[0025] 图2为本实用新型中逻辑输入模块的电路图；

[0026] 图3为本实用新型中模拟输入模块的电路图；

[0027] 图4为本实用新型中数字逻辑输出模块的电路图；

[0028] 图5为本实用新型中RS232串行异步通讯模块的电路图；

[0029] 图6为本实用新型中串口模块的电路图；

[0030] 图7为本实用新型中MCU主控模块的Arduino主控芯片电路图；

[0031] 图8为本实用新型中MCU主控模块的系统状态指示电路和复位电路。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图说明对本实用新型做详细说明：

[0033] 如图1-8所示，本实用新型通过如下技术方案实现：一种基于Arduino的PLC系统，其特征在于：包括MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使系统能够精确定时定点控制；系统供电模块，用于为系统供电，保证系统稳定无故障运行；逻辑输入模块，用于对MCU主控模块进行逻辑输入；模拟输入模块，用于对MCU主控模块进行模拟输入；数字逻辑输出模块，用于对MCU主控模块进行数字逻辑输出；串口模块，用于实现MCU主控模块与上位机之间的信号传输。

[0034] 如图1所示，为了达到隔离内外用电的效果，所述系统供电模块的供电从P17接口输入，通过P17接口分成两路24V供电系统，其中一路DC_24V为系统内部供电，其中另一路DC_24V_Ext通过P19接口向外部逻辑控制和外部各类元器件供电，达到隔离内外用电的效果。

[0035] 如图1所示，根据主控芯片U19和通讯芯片CH340G的工作环境需求，DC_24V供电系统采用一个电路转换模块将DC24V供电转换成DC5V，电路转换模块包括一组采用芯片LM2596S开关电源模块构成的24V转5V的稳压电路，其中，芯片LM2596S开关电源模块的输出端Out依次串接有用于储能、续流、滤波的电感L1和用于滤波、储能的电容C15并接地，使其输出的高频方波被滤波为直流电压，其中，续流二极管D44的阴极接地且阳极接入电感L1和芯片LM2596S开关电源模块的输出端Out之间的节点，用于保护C15和L1不被感应电压击穿或烧坏。

[0036] 如图1所示，为了防止后端元件和设备过压损坏，系统供电模块中启用三路分别由TVS瞬态抑制二极管D33-D35构成的过压保护电路,用于防止过压保护电路的后端元件和设备因过压而损坏，其中，当电压超过5.2V时TVS二极管D33导通，即进行过压保护，D34和D35的过压保护电路也是采用与D33过压保护电路相同的电路结构来实现过压保护的。

[0037] 如图2所示，所述逻辑输入模块包括多组的逻辑输入模块单元，所述逻辑输入模块单元采用光耦隔离的输入方式，其中，有信号输入时，光耦U1中的GND0_INPUT点位与in_ch0点位之间存在DC24V的电压，在限流电阻R1的作用下，光耦U1发射管得电发射光信号，此时接收管接收到光信号，输出三极管导通，in_0端电势接近逻辑电压DC5V，输入信号指示灯D1在限流电阻R10的保障下安全点亮，当外部没有信号输入时，U1发射管不工作，输出三极管截止，in_0在下拉电阻R9的作用下电势与GND相同，为低电平，输入指示灯D1、限流电阻构成的回路中电势差为零，D1无电流通过，不发光即无输入指示。

[0038] 逻辑输入模块中每4路输入信号为一组共用一个接口，不同接口(p1-p4)输入信号之间相互隔离，对于有多个供电使用标准的系统，可以起到很好的隔离作用，保证各子系统间互不干扰和谐稳定工作。

[0039] 如图3所示，为了满足常见的变送器工作需要，模拟输入模块包括多个模拟输入模块单元，每个模拟输入模块单元均设有10V、5V、及20mA的三个输入端口以满足常见的变送器工作需要。

[0040] 如图4所示，数字逻辑输出模块包括两组数字逻辑输出单元，每组数字逻辑输出单元包括一个ULN2003A的反向器、多个固体继电器、及多条状态显示电路，所述反向器用于将ECU主控模块输出的高低电平进行转换，其中，固体继电器K1的输入引脚2连接反向器的一个输出引脚output_0，固体继电器的另一个输入端1连接DC24V供电，其中，状态显示电路包括一个发光二极管D17，发光二极管D17的阴极连接于固体继电器的输出控制引脚5上，发光二极管D17的阳极连接于反向器的输出引脚output_0上。

[0041] 数字逻辑输出模块同样每四路输出信号为一组，不同接口(p13-p16)输入信号之间相互隔离，这样系统可以同时直接控制24V设备、AC220V设备和AC380V设备而无需再增加中间继电器。

[0042] 如图5所示，基于Arduino的PLC系统还包括两路RS232串行异步通讯模块，所述RS232串行异步通讯模块启用MAX232的电平转换芯片。

[0043] 如图6所示，优选地，所述串口模块启用CH340G的转接芯片，用于实现上位机对MCU主控模块中的主控芯片进行编程，所述CH340G的转接芯片采用5V的工作电压。

[0044] 如图7所示，所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片ATmega256-16AU来作为主控芯片，所述Arduino控制芯片Atmega256-16AU为了保证更高的工作主频而采用5V的工作电压。

[0045] 如图8所示，Arduino控制芯片上采用信号指示灯D37-D43构成的系统状态指示电路表述系统状态。同时为了方便调试与处理日常中故障，所述Arduino主控芯片同样设置复位电路，该电路包括由R81和C12组成的RC上电自复位电路和按钮开关与RC电路组成的手动复位电路。

[0046] 尽管本实用新型采用具体实施例及其替代方式对本实用新型进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本实用新型的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本实用新型不受任何意义上的限制。

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