李高峰

（青岛艾诺智能仪器有限公司，山东 青岛 266101）

在工业现场应用中，控制系统往往需要多组开关量输出和输入，既要求安全电气隔离，又要求远距离控制，还要求抗干扰性能强。本文设计了一种基于STC8F单片机的开关量控制系统，可较好地解决上述问题。

1 总体思路

以STC8F单片机为核心，用16路IO口控制16路继电器开关量输出，用另外16路IO口控制光耦开关量输入，通过RS485串口和外部通信。

2 硬件设计

2.1 STC8F单片机简介

STC8F系列单片机是STC公司的新一代产品，特点为：①超高速8051内核，指令代码完全兼容传统8051，支持在线仿真。②最大64 K字节FLASH，可擦写100 000次以上，支持在系统编程（ISP），2 K字节内部扩展RAM。③多个定时器，多个串口，多组GPIO。集成可编程的时钟、电压监控复位电路。④宽电压，宽温度，抗干扰，价格低。

2.2 控制模块

控制模块如图1所示。

J1为电源输入，可使用DC5V/1A适配器供电，有滤波电容C9和保护用TVS1。因适配器基本都是开关电源，C9没有使用太大的电容。U1为STC8F2K64S2-LQFP44单片机，是系统的控制核心。因其内部集成的晶振精度及温漂不太理想，为减小串口波特率的误差，使用了外部晶振Y1。使用了其内部集成的可编程电压监控复位电路，没有使用单独的外部复位电路。P5.4控制指示灯，用来指示本机状态，比如正常、通信故障等。DO[0..15]为16路输出IO，驱动后级开关量输出继电器阵列，单片机内部可配置为推挽输出模式。DI[0..15]为16路输入IO，来自开关量输入光耦阵列，单片机内部可配置为准双向弱上拉模式。J2为串口UART1（RXD1、TXD2），用于下载程序和仿真调试。串口UART2（RXD2、TXD2、REN/DE）接后级RS485模块，作为从设备与外部主机通信。SW1为拨码开关，用于设定本机的通信地址。电容C1、C8为单片机的滤波电容，应尽量靠近单片机VCC/GND引脚，PCB走线尽量短而粗。

图1 控制模块

2.3 RS485串口模块

RS485串口模块如图2所示。

图2 RS485串口模块

SP485E为SIPEX公司产品，具有抗静电、失效保护等特点。系统复位时REN/DE经R3下拉，处于接收模式，免得影响外部总线。为增强抗干扰能力，比如雷击，增加了多个电阻和TVS进行保护。

2.4 开关量模块

开关量模块如图3所示。

图3 开关量模块

2.4.1 开关量输出阵列

图3中为一路示例，实际为DO[0..15]共16路。DO0通过三级管T1驱动继电器RY1，二极管D2为继电器线圈续流二极管。CR1为阻容模块，可吸收触点动作时产生的电磁拉弧。继电器为宏发HF46-5 V。线圈规格为5 V/125 Ω，线圈电流为40 mA，如果16路继电器同时动作，最大需要640 mA电流。触点规格为5A/250 VAC/28 VDC，应避免带大功率负载，以免触点烧坏粘连。线圈和触点间耐压为4 000 VAC，触点间耐压为1 000 VAC。在PCB步线时，应注意250 VAC的安全距离和电气间隙的要求。

2.4.2 开关量输入阵列

图3中为一路示例，实际为DI[0..15]共16路。SWI0经滤波及二极管保护，经光耦到DI0。SWI0短接到GNDS为有效信号（低有效）。

U4为DCDC模块，阵列共用，深圳顺源公司的F0505S-1W，输出5 V/200 mA，隔离电压3 000 VAC。

3 软件设计

软件设计主要包括：①初始化。主要包括GPIO、定时器T0、串口2、看门狗等。②定时器T0中断函数。对输入信号进行扫描，对输出信号进行更新。③串口2中断函数。接收上位机下发的指令，上传本机扫描结果。

4 结束语

本系统可控制多路开关量，简单可靠，移植方便，价格便宜，具有一定的实用和推广价值。