基于西門子S7200plc的溫度和濕度檢測和顯示

1、摘 要本論文主要講述了基于西門子s7-200系列可編程控制器（plc）為主要的控制元件，實現(xiàn)對環(huán)境的溫度和濕度進行實時檢測和顯示，并同時實現(xiàn)對時間進行顯示和校正等功能的顯示裝置的設計方法。本設計的傳感器部分采用集成溫度和濕度傳感器，集成傳感器具有功能強、精度高、響應速度快、體積小、微功耗、價格低、適合遠距離傳輸信號等特點。集成傳感器的外圍電路簡單，具有較高的性價比。經(jīng)過選擇集成溫度傳感器采用電壓輸出式單片精密集成溫度傳感器lm35系列產(chǎn)品；集成濕度傳感器選擇線性電壓輸出式集成濕度傳感器 hm1500，它的主要特點是采用恒壓供電、內(nèi)置放大電路、能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號、響應速度

2、快、重復性好、抗污染能力強。顯示部分采用led七段碼進行顯示，本裝置一共使用了十七個led數(shù)碼管進行顯示，能夠同時顯示當時環(huán)境的溫度、濕度和時間，還可以顯示年月日等信息，并能實現(xiàn)當環(huán)境的溫濕度超過一定范圍時進行報警的功能。關(guān)鍵詞：plc、溫度傳感器、濕度傳感器、led顯示裝置 目 錄 摘 要iabstract錯誤！未定義書簽。目 錄ii第一章 引 言11.1 課題的背景和意義11.2 基于plc和led數(shù)碼管顯示裝置的研究現(xiàn)狀11.3 傳感器的研究現(xiàn)狀21.3.1 集成溫度傳感器的研究現(xiàn)狀21.3.2 集成濕度傳感器的研究現(xiàn)狀3第二章 系統(tǒng)簡介及方案論證42.1 系統(tǒng)設計主要技術(shù)指標與參數(shù)42

3、.2 設計方案的論證4第三章 可編程控制器概述73.1 plc的定義73.2 plc的發(fā)展73.2.1 我國plc的發(fā)展83.3 plc的系統(tǒng)組成與工作原理83.3.1 plc的組成結(jié)構(gòu)83.3.2 plc的掃描工作原理93.4 plc的發(fā)展趨勢10第四章 系統(tǒng)的硬件方案與設計114.1 傳感器的選型與設計114.1.1 集成溫度傳感器介紹與選型114.1.2 集成濕度傳感器介紹與選型154.2 plc的選型與模塊配置194.2.1 plc的選型原則194.2.2 本系統(tǒng)中可編程序控制器的選取及其特點214.3顯示方案的設計254.3.1 與led顯示相關(guān)的知識254.3.2 顯示方案的設計2

4、64.4 工作電源部分27第五章 系統(tǒng)軟件設計295.1 顯示系統(tǒng)主程序295.1.1 溫度讀入子程序305.1.2 濕度讀入子程序315.1.3 顯示子程序325.1.4 實時時鐘指令335.2 程序清單33結(jié) 論錯誤！未定義書簽。致 謝錯誤！未定義書簽。附 錄341.主程序梯形圖及指令表342.時鐘初始化子程序0梯形圖及指令表373.實時時鐘讀入子程序1梯形圖及指令表384.溫度讀入子程序2梯形圖及指令表425.濕度讀入子程序3梯形圖及指令表466.顯示子程序4梯形圖及指令表497.中斷0（調(diào)時閃）梯形圖及指令表518.中斷1（報警閃）梯形圖及指令表52第一章 引 言1.1 課題的背景和意

5、義溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對溫度、濕度的檢測與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，而空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對溫度、濕度的檢測及控制就非常有必要了?？傊h(huán)境溫濕度的檢測與調(diào)節(jié)儀器的設計和開發(fā)具有非常大的市場前景和實用價值。本設計是基于西門子s7-200系列plc為主要控制元件進行設計的，可編程控制器（plc）是綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的一種新型的、通用的自動控制裝置。它具有功能強、可靠性高、使用靈活方便，易于編程及適

6、應工業(yè)環(huán)境下應用等一系列優(yōu)點，近年來的工業(yè)自動化、機電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面應用越來越廣，成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。plc的最終目標是用于實踐，提高生產(chǎn)力。如今，應用plc已經(jīng)成為世界潮流，plc將在我國得到更全面的推廣應用。本文主要介紹了對環(huán)境的溫濕度進行檢測和顯示裝置的設計方法。此裝置不僅可以顯示環(huán)境的溫濕度，還可以進行年、月、日、時、分、秒的顯示。隨著工業(yè)化程度的不斷提高，人們的時間觀念越來越強，因此對時間及年月日的顯示也是非常必要的，有比較大的現(xiàn)實意義。1.2 基于plc和led數(shù)碼管顯示裝置的研究現(xiàn)狀當今plc的發(fā)展相當迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期為3年左右，其結(jié)構(gòu)不斷改進、功能日

7、益增強、性能價格比越來越高。目前全世界plc制造商有200多家，產(chǎn)品有400多個系列。按地域影響力可以分為三大派，即歐洲產(chǎn)品以西門子（siemens）plc為代表；美國產(chǎn)品以a-b（allen-bradley）plc為代表； 日本產(chǎn)品以歐姆龍（omron）和三菱fx系列plc為代表。它們在我國均得到了廣泛使用。在我國設備技術(shù)改造和國產(chǎn)設備生產(chǎn)中大多使用上述公司的plc。在利用plc進行l(wèi)ed數(shù)碼管顯示方面, 目前市場上可供直接利用的led 數(shù)顯產(chǎn)品主要有兩種: 一種通過安裝d/a 轉(zhuǎn)換模塊, 輸出標準電壓/電流信號, 供led數(shù)顯表直接使用; 另一種是利用plc的輸出點, 通過bcd碼和動態(tài)掃

8、描方式直接驅(qū)動led 數(shù)碼管。前一種方式需要增加價格較高的plc模擬量輸出模塊, 額外投資較大。后一種方式構(gòu)成簡潔,因而得到了廣泛應用。在顯示數(shù)據(jù)較少時, 采用plc控制led 直接進行數(shù)據(jù)顯示, 可以降低成本, 使得數(shù)據(jù)顯示直觀. 而當要顯示的數(shù)據(jù)較多時, plc直接進行數(shù)據(jù)顯示, 會使得所需plc輸出點數(shù)大大增加, 同時由于plc梯形圖的局限性, 會使得顯示程序的編制變得非常復雜. 這不僅增大了程序編制的難度, 而且增加了程序的執(zhí)行時間, 從而大大地降低了顯示速度。 1.3 傳感器的研究現(xiàn)狀傳感器是將非電量信號轉(zhuǎn)化成電信號以實現(xiàn)信息檢測的器件。傳統(tǒng)的由分立元件構(gòu)成的傳感器，不僅體積大，不便

9、于安裝及維修，而且功能簡單，性能指標差，遠遠滿足不了現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。集成傳感器是采用專門的設計與集成工藝，把構(gòu)成傳感器的敏感元件、晶體管、二極管、電阻、電容等基本元器件，制作在一個芯片上，能完成信號檢測及信號處理的集成電路。因此，集成傳感器又被稱作傳感器集成電路。隨著電子計算機、工業(yè)自動化、信息、軍事、交通、化工、能源、環(huán)保、地球資源開發(fā)、宇航及遙感等現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，對集成傳感器的需求量也與日俱增。目前，集成傳感器的應用領(lǐng)域已滲透到國民經(jīng)濟各個部門以及人類的日常生活中。傳感技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著巨大的推動作用。1.3.1 集成溫度傳感器的研究現(xiàn)狀集成溫度傳感器是目前應用范圍最廣、使用

10、最普及的一種全集成化傳感器。其種類很多，大致可分為以下5類：1、模擬集成溫度傳感器。2、模擬集成溫度控制器。3、智能溫度傳感器。4、通用智能溫度控制器5、微機散熱保護專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應用領(lǐng)域有以下3個入面：1.溫度測量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計、溫度變送器、溫度巡回檢測儀、智能化溫度檢測系統(tǒng)及網(wǎng)絡化測溫系統(tǒng)。2.溫度控制：適用于智能化溫度測控系統(tǒng)、工業(yè)過程控制、現(xiàn)場可編程溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風扇溫控電路、微處理器及微機系統(tǒng)的過熱保護裝置、現(xiàn)代辦公設備、電信設備、服務器中的溫度測控系統(tǒng)、電池充電器的過熱保護電路、音頻功率放大器的過熱保護電路及家用電

11、器。3.特殊應用：例如，熱電偶冷端溫度補償、測量溫差、測量平均溫度、測量溫度場、電子密碼鎖（僅對內(nèi)含64位rom的單線總線智能溫度傳感器而言）及液晶顯示器表面溫度監(jiān)測等。1.3.2 集成濕度傳感器的研究現(xiàn)狀濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)。濕度傳感器主要分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝皆诟袧癫牧仙虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量價格

12、都相差較大，用戶如何選擇性能價格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解?，F(xiàn)在國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。第二章 系統(tǒng)簡介及方案論證2.1 系統(tǒng)設計主要技術(shù)指標與參數(shù)1、能夠比較精確地實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測，測溫范圍-2555，可以提供1/4的常用的室溫精度。2、能夠較精確地實現(xiàn)對環(huán)境濕度的檢測，測量濕度范圍為(0%100%)rh。3、能實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的同時顯示，并能實現(xiàn)溫濕度的報警。4、能夠?qū)崿F(xiàn)年、月、日、時、分、秒的顯示，同時能進行任何時候數(shù)值的校正。5、設計出傳感器的接線電路，顯示器的連

13、接電路，plc接線圖，梯形圖，指令表及元器件的選擇與計算。2.2 設計方案的論證plc與其他微型計算機相比,更適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行,且數(shù)據(jù)處理功能大大增強, 具有強大的功能指令，編程也極為方便簡單編程指令具有模塊化功能,能夠解決就地編程、監(jiān)控、通訊等問題。plc 的梯形圖語言清晰、直觀、可讀性強, 易于掌握.plc具有豐富的功能指令，能實現(xiàn)加減乘除四則運算及數(shù)據(jù)傳送比較移位等功能，還具有實時時鐘指令，可方便的實現(xiàn)定時及時間和年月日的設置與顯示。系統(tǒng)顯示原理框圖如下圖2-1所示。溫度傳感器濕度傳感器按鈕開關(guān)plc顯 示裝 置圖2-1系統(tǒng)顯示原理框圖plc的主要優(yōu)點可概括如下:1、高可靠性(

14、1)所有的輸入接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與plc內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各個輸入端口均采用rc濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms。(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況，cpu立即采取有效措施，以防止故障擴大。(7)大型plc還可以采用雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)或用三cpu構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步提高。2、豐富的i/o接口模塊plc針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如:交流或直流;開關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強電或弱電等。有相應的i/o模

15、塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如:按鈕;行程開關(guān);接近開關(guān);傳感器及變送器;電磁線圈;控制閥等直接連接。另外，為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊;為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數(shù)plc均采用模塊化結(jié)構(gòu)。plc的各個部件，包括cpu，電源，i/o等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學plc的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握

16、。5、安裝簡單，維修方便plc不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與plc相應的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。第三章 可編程控制器概述3.1 plc的定義可編程控制器（programmable controller，簡稱pc）是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上，為滿足不斷發(fā)展的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)柔性控制的要求而逐步發(fā)展起來的。其功能基本限于開關(guān)量邏輯控制，僅執(zhí)行邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能所以當時稱為可編

17、程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱plc）。由于可編程序控制器仍然處于不斷發(fā)展之中，因此對它下一個確切的定義是困難的。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標準化，美國國際電工委員會(iec)于1982年頒布了可編程序控制器標準草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版對可編程序控制器作了如下的定義“可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌湎嚓P(guān)的外

18、圍設備都應該按照易于與控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?由此可見，可編程控制器是專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置?？傊删幊炭刂破饕彩且慌_計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。3.2 plc的發(fā)展提出plc概念的是美國通用汽車公司。當時，根據(jù)汽車制造生產(chǎn)線的需要，希望用電子化的新型控制器替代繼電器控制柜，以減少汽車改型時重新設計制造繼電器控制柜的成本和時間。通用汽車公司對

19、新型控制器提出了10項指標，概括起來，plc的基本設計思想有以下4個方面。(1)把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來。(2)控制器的硬件是標淮的、通用的。(3)根據(jù)應用對象、將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序內(nèi)存里。(4)控制器和被控對象連接方便。隨著微處理器和微型計算機技術(shù)的發(fā)展，70年代中期以后，plc已廣泛地用微處理器作為中央處理器，輸入/輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的plc已不再是僅具有邏輯判斷功能，同時還具有數(shù)據(jù)處理、pid調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信、聯(lián)網(wǎng)等功能，總之plc一直處于快速發(fā)展之中。3.

20、2.1 我國plc的發(fā)展我國plc產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)，大體上經(jīng)歷了從順序控制器到1位處理器為主體的工業(yè)控制器，再到8位微處理器為主體的可編程控制器的三個發(fā)展階段。1974年，國內(nèi)一些高校、科研單位開始研制順序控制器，大多使用分立元件。隨著我國改革開放政策的落實，同時國外plc人大量進入我國市場，一部分隨成套設備進口，一部分直接引進中小型plc產(chǎn)品(大多為ge公司、西門子公司、三菱公司、立石公司等)，開始進入以8位微處理器為核心的plc時代。目前，可編程控制器已廣泛應用子各個工業(yè)領(lǐng)域，并取得了明顯的效益。主要表現(xiàn)出以下特點：使用低檔機型多，中、高檔機型少，使用國外進口機型多，國產(chǎn)機型少；使用在經(jīng)濟

21、發(fā)達地區(qū)多，在經(jīng)濟落后地區(qū)少，用于單個設備或生產(chǎn)線的多、大批量產(chǎn)品配套的少。因此，國產(chǎn)化plc的前景是令人鼓舞的，我們必須加快plc國產(chǎn)化步伐，進一步推廣plc應用技術(shù)，努力培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員。3.3 plc的系統(tǒng)組成與工作原理3.3.1 plc的組成結(jié)構(gòu)plc本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。plc的主要特點是能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進行設計的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，plc可分為整體式和組合式兩類。整體式plc是將中央處理單元(cpu)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨

22、立的i/o擴展單元與主機配合使用。主機中，cpu是plc的核心，i/o單元是連接cpu與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于plc與編程器和上位機等外部設備的連接。組合式plc將cpu單元、輸入單元、輸出單元、智能i/o單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有cpu單元的底板稱為cpu底板，其它稱為擴展底板。cpu底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。3.3.2 plc的掃描工作原理與其它計算機系統(tǒng)相同，plc的cpu采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。這種分時操作進程稱為cpu對程序的掃描

23、。plc上電后，首先進行初始化，然后進入循環(huán)工作過程。一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，各階段完成的任務如下：公共處理。復位監(jiān)控定時器(wdt)，進行硬件檢查，用戶內(nèi)存檢查等。檢查正常后，方可進行下面的操作。如果有異常情況，則根據(jù)錯誤的嚴重程度發(fā)出報警或停止plc運行。i/o刷新。輸入刷新時，cpu從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映象寄存器中;輸出刷新時，將輸出繼電器的元件映象寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動外部負載。執(zhí)行用戶程序。在程序執(zhí)行階段，cpu按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行解釋、執(zhí)行，cpu從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器中讀出各

24、繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入輸出映象寄存器中。外設端口服務。完成與外設端口連接的外圍設備(如編程器)或通訊適配器的通信處理。3.4 plc的發(fā)展趨勢目前的可編程控制器有以下幾個方面的發(fā)展趨勢：(1)向小型化、專用化方向發(fā)展。當前開發(fā)出許多簡易、經(jīng)濟、超小型可編程控制器，以使用于單機控制和機電一體化，真正成為繼電器的替代品。(2)向大型化、復雜化、高功能、分散型、多層分布式工廠自動化網(wǎng)絡方向發(fā)展?？删幊炭刂破鬏斎胼敵鋈萘恳殉^32k，掃描速度小于1ms/千步。（3）編程語言和編程工具朝著標準化和高級化方向發(fā)展。可編程控制器問世時間雖然不長，但已步入成熟階段

25、。這種工業(yè)專用微機系統(tǒng)是高精技術(shù)普及化的典范，使計算機進入工業(yè)各行業(yè)，使機械設備和生產(chǎn)線控制更新?lián)Q代?？删幊炭刂破鲗⒊蔀楣I(yè)控制的主要手段和重要的基礎控制設備。第四章 系統(tǒng)的硬件方案與設計4.1 傳感器的選型與設計傳感器是本設計最重要的部件之一，它的選取好壞對整個系統(tǒng)而言，非常重要?，F(xiàn)在生產(chǎn)傳感器的公司很多，所研制的傳感器類型也很多，但其性能差異并不很大。本設計在選擇傳感器上掌握的基本原則是穩(wěn)定性好，價格低廉，使用方便。4.1.1 集成溫度傳感器介紹與選型目前主要采用近年來發(fā)展最快的半導體集成溫度傳感器,它內(nèi)部采用差分對管等線性化技術(shù)及激光校準手段等,測溫電路十分簡單可靠。這類傳感器在生產(chǎn)時已

26、經(jīng)校準,可省去標定工序,大大地方便了用戶的使用。它有多種輸出:如電流型、電壓型、pwm型、數(shù)字型等可供用戶選擇。本論文著重分析電流型、電壓型集成溫度傳感器主要特點及一些典型應用。1.集成溫度傳感器lm35概述lm35概述lm35是ns公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。因而，從使用角度來說，lm35與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，lm35無需外部校準或微調(diào)，可以提供1/4的常用的室溫精度，在-55+150溫度范圍內(nèi)為3/4,lm35,lm35a的額定工作溫度范圍為-55+150，同時lm35c

27、,lm35ca在-40+110，lm35d在0.0100.0之間。lm35系列的封裝形式和參數(shù)lm35系列適合用密封的to-46晶體管封裝，而lm35c就適合于塑料to-92晶體管封裝它們有如下的特點:(1)直接用攝氏溫度校準;(2)線性+l0.mv/比例因數(shù);(3)保證0.5精度(在+25時);(4)-55+150額定范圍;(5)適用于遙控設備;(6)因晶體片微調(diào)而低費用;(7)工作在430v; (8)小于60a漏泄電流;（9）較低自熱，在靜止空氣中0.08; (10)只有1/4非線性值:(11)低阻抗輸出1ma:負載時0.1。參數(shù):電源電壓:+35v-0.2v輸出電壓:+6v-1.0v輸出

28、電流:l0ma輸出阻抗：1ma負載時0.1漏泄電流：小于60a比例因數(shù)：線性+10.0mv/特定工作溫度范圍:lm35,lm35a為-55+150;lm35c,lm35ca為-40+110；lm35d為0+100。lm35工作原理lm35系列的內(nèi)部框圖如圖4-3所示。由vt1、vt2構(gòu)成了溫度傳感器，二者的發(fā)射結(jié)面積之比為10:1。a2是電壓放大器。r1、r2分別為vt1和vt2發(fā)射結(jié)壓降的取樣電阻。vd是電流源的溫度補償二極管。由vt3和r3、r4組成了發(fā)射極輸出式電路。其工作原理是利用在不同電流密度下的晶體管vt1、vt2的發(fā)射結(jié)正向壓降之差，作為基本的溫度敏感元件，經(jīng)過變換后，在端獲得與

29、攝氏溫度成正比的電壓輸出信號。輸出電壓的電壓溫度系數(shù)=10mv/。利用下列公式可計算出被測溫度t()：圖4-3 lm35系列的內(nèi)部框圖 公式（4-1）lm35基本應用電路由lm35系列構(gòu)成的簡易型攝氏溫度傳感電路，分別如圖4-4（a）（b）所示.(a)圖所示電路的測溫范圍是+2+150，（b）圖示出的電路測量滿量程（-55+150）的攝氏溫度。為測量負溫度值，需要采用雙電源供電，在輸出端接上電阻r,r的下端接負電源-us。r值由下式確定： r=-us/50a 公式（4-2）舉例說明，當us=+5v,-us=-5v時，r=100k。此時，當天=-55時，uo=-55mv；當t分別為+25、+15

30、0時，uo依次為250mv和1500mv。 圖4-4（a） 圖4-4（b）采用單電源供電時為獲得負電源，可在lm35的gnd與公共地址之間，串入兩只in914型硅二極管vd1、vd2，以提供-1.4v的負電源。電路如圖4-7所示，測溫范圍-55+150。圖4-5 單電源供電時全范圍測溫電路為了滿足系統(tǒng)的設計要求，經(jīng)過比較和選擇認為lm35型號的集成溫度傳感器更加適合本系統(tǒng)的設計。此傳感器采用己知溫度系數(shù)的基準源作為溫敏元件。芯片內(nèi)部則采用差分對管等線性化技術(shù)，實現(xiàn)了溫敏傳感器的線性化，也提高了傳感器的精度與熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)傳感器相比，具有線性好、精度高、體積小、校準方便、價格低、外圍電路

31、簡單等特點，非常適合本系統(tǒng)溫度采集的測量工作。為了實現(xiàn)-2555的溫度測量范圍，采用lm35的全溫度測量接線方法，具體的接線圖如圖4-6所示圖4-6 設計接線圖圖中：電阻r的阻值按照r=vcc/50ma來選擇電路的輸出電壓與溫度的線性關(guān)系為：1)環(huán)境溫度150,u=1500mv；2)環(huán)境溫度25，u=250mv；3)環(huán)境溫度-55，u=-550mv由于所測量的溫度范圍是-2555 。所以，在實際應用電路中的電壓信號的輸出量值在-0.25v0.55v之間。4.1.2 集成濕度傳感器介紹與選型1.濕度的概念濕度是表示空氣中水蒸氣含量多少的尺度。在物理學和氣象學中，大氣濕度的表示方法是多種多樣的，而

32、且都有各自的物理量和相應單位。在諸多方法中，習慣使用的是絕對濕度和相對濕度。絕對濕度：絕對濕度定義為在每立方米濕空氣中，在標準狀態(tài)下所含水蒸汽的質(zhì)量，以字符表示，單位 。再由氣體狀態(tài)方程式可得 公式（4-5）式中為空氣中水蒸氣的分壓力(帕)；t為空氣中的干球絕對溫度(k)；t為空氣中干球的攝氏溫度()；為水蒸氣的氣體常數(shù)，=461。相對濕度:相對濕度是指空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水蒸汽壓力之比值。用r表示相對濕度為： 公式（4-6）式中和的單位采用毫巴(mb)時，由馬格奴斯經(jīng)驗公式計算飽和水蒸氣壓力: 公式（4-7）式中=6.1mb?？諝庵兴魵夥謮毫Π聪铝泄接嬎悖?公式（4-8）式中

33、：為濕球溫度時飽和水蒸汽壓力；為干球溫度()；為濕球溫度()；p為大氣壓力(mb)；a是與風速v有關(guān)，通常按下列公式計算： 公式（4-9）可知，相對濕度為干球溫度、濕球溫度、風速、大氣壓力的函數(shù)，當大氣壓力變化不大時，對給定的檢測條件v不變，那么只要測得t ，t 即可得相對濕度。2.集成濕度傳感器介紹選擇集成濕度傳感器應考慮以下幾點：感濕性能好、靈敏度高、響應速度快、測量范圍寬，要有較好的一致性、可重復性，線性度要好、濕滯小較高的穩(wěn)定性和可靠性，有較強的抗污染能力、使用壽命長。目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為honeywell公司（hih-3602、hih-3605、hi

34、h-3610型），humirel公司（hm1500、hm1520、hf3223、htf3223型），sensiron公司（sht11、sht15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：線性電壓輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品有hih3605/3610、hm1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。線性頻率輸出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為hf3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%rh時的輸出頻率為8750hz（型值），當相對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560hz減小到8

35、030hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為htf3223型。它除具有hf3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)（ntc）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應改變并且從ntc端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。3.常用的集成濕度傳感器主要有：hih-3610是美國honeywell公司生產(chǎn)的具有信號處理功能的熱固聚酯電容式相對濕度傳感器，線性放大輸出、工廠標定，獨特的多層結(jié)構(gòu)能非常好地抵抗環(huán)境的侵蝕，諸如濕氣、塵埃、臟物、油、及一些化學品。工作范圍：溫度-40+85，相

36、對濕度0%100%rh，精度達到2%rh，激光修正互換性至5%rh，低功耗驅(qū)動電流設計為200a，反應時間為15s，穩(wěn)定性好、較低的漂移、抗化學腐蝕性能強。hf3223濕度傳感器是法國humirel公司生產(chǎn)的專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)相對濕度傳感器，具有線性的頻率輸出，濕度測量范圍10%95%rh，精度5%rh，濕度遲滯1.5%rh，溫度工作范圍-30+80，溫度特性好，高可靠性與長時間穩(wěn)定性，在長時間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕，反應時間10s，對化學品有較高的抵抗性，浸水沒有影響。hm1500濕度傳感器是法國humirel公司采用humirel專利濕敏電容hs1101設計制造的相對濕度傳感器。帶防護棒

37、式封裝，5vdc恒壓供電，14vdc放大線性電壓輸出，便于用戶使用。濕度測試量程為0%100%rh，精度達3%rh（10%95%rh范圍），防灰塵，可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)，非常低的溫度依賴性，長期穩(wěn)定性好，反映時間5s，廣泛應用于機房監(jiān)控，智能樓宇，倉庫監(jiān)控等控制場合，價格實惠，是一款性價比極高的濕度傳感器。4.濕度傳感器選擇及電路設計由于hm1500濕度傳感器的精度較高，測量范圍大，反應時間較快，溫度依賴性比較低，長期穩(wěn)定性能好，用戶使用方便，價格實惠，是性價比極高的一款集成濕度傳感器，故本方案采用hm1500做為濕度測量的傳感器。hm1500是法國humirel公司于2002年推出的

38、一種基于硬質(zhì)封裝的hs1101濕敏電容的電壓輸出式集成濕度傳感器。它將側(cè)面接觸式濕敏電容與濕度信號調(diào)理器集成在一個模塊中，集成度高，有很小的易于安裝的接頭，因此不需要外圍元件，使用非常方便。其主要特點是采用恒壓供電，輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快，對溫度的依賴性非常低，可靠性與長期穩(wěn)定性高，互換性好，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，浸水無影響，長時間處于飽和狀態(tài)后能快速脫濕，抗污染能力強。一、hm1500的性能特點：內(nèi)部包含由濕敏電容構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器，能輸出與相對濕度成線性關(guān)系的直流電壓信號，輸出阻抗為70，適配帶adc的單片機。hm1500屬于通用型濕敏傳感器

39、，測量范圍是（0%100%）rh，輸出電壓范圍是+1v+4v。相對濕度為55%時的標稱輸出電壓為2.48v。測量精度為3%rh，靈敏度為+25mv/rh，溫度系數(shù)為0.1%rh/，濕度遲滯為1.5%rh，響應時間為5s。產(chǎn)品的互換性好，抗腐蝕性強。不受水凝結(jié)的影響，長期穩(wěn)定性指標為0.5%rh/年。采用+5v電源（允許范圍是+4.75v+5.25v），工作電流為0.4ma（典型值），漏電流300a。工作溫度范圍是-30+60。二、hm1500的工作原理：hm1500采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快、重復性好、抗污染能力強。hm1500的測濕元件

40、選用濕敏電容hs1101，在一個有機玻璃或玻璃片上首先用擴散法制作兩個電極，然后涂上有機膜作為介質(zhì)，形成一個電容器件。當外界相對濕度變化時，感濕膜能吸附和釋放水汽分子，引起其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使元件電容量改變。利用電容量與相對濕度的函數(shù)關(guān)系即可測量濕度。內(nèi)部電路框圖如圖4-7。hm1500的輸出電壓與相對濕度的響應曲線如圖4-8。運用最小二乘法可以求出其輸出電壓與相對濕度之間的關(guān)系：=1.079+0.2568rh 公式（4-8）hm1500橋 式振蕩電路低 通濾波器放大器 u。 圖4-7 hm1500工作原理圖4-8 hm1500的輸出電壓與相對濕度的響應曲線在（10%95%）rh范圍內(nèi)，

41、時，輸出電壓與相對濕度的對應關(guān)系見表4-2。表4-2 hm1500的與rh的對應關(guān)系()rh/(%)101520253035404550/v1.3251.4651.6001.7351.8601.9902.1102.2352.360rh/(%)556065707580859095/v2.4802.6052.3702.8602.9903.1253.2603.4053.555當時，可按下式對讀數(shù)值加以修正： 公式（4-9）4.2 plc的選型與模塊配置選擇合適的機型是plc控制系統(tǒng)的硬件配置的關(guān)鍵問題，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)plc的廠家很多，如西門子、三菱、松下、歐姆龍、lg、abb公司等，不同的廠家的p

42、lc產(chǎn)品雖然基本功能相似，但有些特殊功能、價格、服務及使用的編程指令和編程軟件都不相同。而同一個廠家生產(chǎn)的plc產(chǎn)品又有不同的系列，同一系列又有不同的cpu型號，不同系列、不同型號的產(chǎn)品在功能上有較大的差別。因此如何學用合適的機型至關(guān)重要。4.2.1 plc的選型原則在滿足控制要求的前提下選型時應選最佳的性價比，一般可以從以下幾個方面考慮：1.i/o點數(shù)估算i/o點數(shù)是plc的一項重要指標。合理選擇i/o點數(shù)既可使系統(tǒng)滿足控制要求有可使系統(tǒng)總投資最低。plc的輸入輸出點總數(shù)和種類應根據(jù)被控對象的模擬量、開關(guān)量、輸入/輸出設備狀況（包括模擬量、開關(guān)量、輸出類型）來確定，一般一個輸入輸出元件要占用

43、一個輸入輸出點?？紤]到今后的擴充，一般應估計的總點數(shù)再加上15%20%的備用量。本設計所占用的i/o點數(shù)計算：輸入信號：開始按鈕，需要一個輸入點；停止按鈕，需要一個輸入點；計數(shù)值加1按鈕，需一個輸入點；計數(shù)值減1按鈕，需要一個輸入點。以上共需要4個輸入信號點，考慮以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴充留有20%的備用點，即用420%=1，取1個點，這樣共用5個輸入點。輸出信號：一共要用十七個led數(shù)碼管，段選碼需要使用8個輸出點；位選通信號如果使用74ls138譯碼器則需要4個輸出點；顯示“-”的一個數(shù)碼管需要1個輸出點；以上共需要13個輸出點考慮以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴充留有20%的備用點，即1320%=2.6

44、，取3個點，這樣共用16個輸出點。2、用戶存儲容量估算用戶應用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如i/o點數(shù)、控制要求、運算處理量、量程結(jié)構(gòu)等。因此在程序設計之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗，每個i/o點及有關(guān)功能器占用內(nèi)存大致如下：開關(guān)量輸入元件：1020b/點；開關(guān)量輸出元件：510b/點；定時器/計數(shù)器：2b/個；模擬量：100150b/點；通信接口：一個接口一般需要300b以上；根據(jù)上面算出總字數(shù)再加上25%左右的備用量，就可以估算出程序所需要的內(nèi)存量，從而選擇合適的plc內(nèi)存。本設計所需cpu內(nèi)存的計算：開關(guān)量輸入元件5點1020b/點50120b；開關(guān)量輸出元件：16點510b/點801

45、60b；模擬量：2點100150b/點200300b；總需內(nèi)存量：330570b；4.2.2 本系統(tǒng)中可編程序控制器的選取及其特點目前plc使用性能較好的siemens公司、日本的三菱、歐姆龍、美國的ab公司，根據(jù)性價比的選擇，根據(jù)被控對象的i/0點數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，本設計采用siemens公司的s7-200系列plc。simatic s7-200系列是西門子公司小型可編程序控制器，可以單機運行，由于它具有多種功能模塊和人機界面(hmi)可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成plc網(wǎng)絡。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系

46、統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務，同時具有可靠性高，運行速度快的特點，繼承了和發(fā)揮了它在大、中型plc領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，有豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，其性能價格比高，所以在規(guī)模不太大的領(lǐng)域是較為理想的控制設備。1.siemens s7-200系列plc特性一、s7-200系列plc介紹s7-200系列plc功能強、速度快、擴展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到復雜的自動控制，應用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設施、民用設施、機械、機床等領(lǐng)域。s7-200系列具有極高的可靠性、極豐富

47、的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實時特性，良好的通信能力，豐富的擴展模塊。s7-200系列的強大功能使其無論是在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡都能實現(xiàn)復雜控制功能。所以它具有極高的性價比。s7-200系列可以根據(jù)對象的不同，可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。二、siemens s7-200主要功能模塊介紹（1）cpu模塊s7-200的cpu模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字i/o點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。cpu負責執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。從cpu模塊的功能來看，cpu模塊為

48、cpu22*，它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置的cpu單元。cpu221它有6輸入/4輸出，i/0共計10點。無擴展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)處理能力，非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。cpu222它有8輸入/6輸出，i/0共計14點。和cpu 221相比，它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展，因此是應用更廣泛的全功能控制器。cpu224它有14輸入/10輸出，i/0共計24點。和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多s7-200產(chǎn)品。cpu226它有24輸入/16輸出，i/0共計40點，和cpu22

49、4相比，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。cpu226xm它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展，其他指標和cpu226相同。（2）開關(guān)量i/o擴展模塊當cpu的i/0點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行i/o擴展，i/o擴展包括i/o點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關(guān)量i/o模塊產(chǎn)品分3種類型:輸入模塊、輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證plc的工作可靠性，在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離、輸入保護(浪涌吸收器、旁路二極管、限流電阻)、高頻濾波、輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于plc要控制的對象有多種，因此輸出

50、模塊也應根據(jù)負載進行選擇，有直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為3種:繼電器輸出型、晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中，從輸出響應速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中;若從與外部電路安全隔離角度看，繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應仔細查看開關(guān)量i/o模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進行選擇。典型的數(shù)字量i/o擴展模塊有:輸入擴展模塊em221有兩種:8點dc、8點ac輸入;輸出擴展模塊em222有三種:8點dc晶體管輸出，8點ac輸出、8點繼電器輸出。輸入/輸出混合擴展模塊em223有六種:分別為4點(8點、16點)

51、dc輸入/4點(8點、16點)dc輸出、4點(8點、16點)dc輸入/4點(8點、16點)繼電器輸出。（3）功能擴展模塊當需要完成某些特殊功能的控制任務時，cpu主機可以擴展特殊功能模塊.如要求進行profibus-dp現(xiàn)場總線連接時，就需要em277 profibus-dp模塊，在這里主要介紹模擬量輸入模塊em231和數(shù)字量輸出模塊dea300。 em231模擬量輸入擴展模塊提供了412位模擬量輸入的功能。其內(nèi)部集成了a/d轉(zhuǎn)換器、放大器等多種功能的電路，有很強的抗干擾性，可用于復雜的控制場合，它能夠不用放大器而與傳感器直接相連，有4輸入模擬量通道，具有12位的分辨率，且具有多種輸入、輸出信

52、號范圍。 dea300數(shù)字量輸出模塊，數(shù)字量輸出模塊將內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換為外部處理過程中所需的信號。led以綠色顯示輸出狀態(tài)，輸出點數(shù)：16；隔離（背板總線）：允許；分組：8；輸入電壓：額定電壓：dc24v；波動電壓vpp：3.6v；范圍（包括波動值）：2030v；t10ms時，電壓值：50v；輸出電流：正常電流：0.5a；短路保護：電子；電路中斷引起的電壓值 限制于：-48v；電纜長度：非屏蔽：600m；屏蔽：1000m；電流消耗：內(nèi)部（背板總線）：45 ma；外部（+24v）：110ma；功能（額定狀態(tài)）：5w；環(huán)境溫度：工作狀態(tài)：060；運輸及存儲：-2575；16點輸出 （dc24v，0.5

53、a）。2.本設計plc的配置本設計選用s7-200系列plc的cpu的型號為cpu226（24輸入/16輸出，i/0共計40點）和模擬量輸入模塊em231。em223配置由于本顯示系統(tǒng)采用led進行動態(tài)顯示，輸出信號的動作頻率比較高，要求輸出響應的速度也非?？?，且設計的顯示方案需要占用25個輸出點，再加上備用的輸出點數(shù)要占用30個點，因此選用開關(guān)量i/o擴展模塊em223，輸出方式選用16位晶體管輸出。em231配置 表4-3所示為如何使用dip開關(guān)設置em231模塊。開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍。下表中，on為接通，off為斷開。表4-3 em23

54、1選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率sw1sw2sw3onoffon0到10v2.5mvonoff0到5v1.25mv0到20ma5ua雙極性滿量程輸入分辨率sw1sw2sw3offoffon-5v到+5v2.5mvonoff-2.5v到+2.5v1.25mvem231輸入數(shù)據(jù)格式模擬量輸入模塊的分辨率通常以a/d轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)來表示，模擬量輸入模塊的輸入信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是12位二進制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12位在cpu中的存放格式為最高有效位為符號位：0表示正值數(shù)據(jù)字，1表示負值數(shù)據(jù)字。 單極性數(shù)據(jù)格式：對于單極性數(shù)據(jù)，其2個字節(jié)的存儲單元的低3位均為0，數(shù)據(jù)值12位是放在第314位區(qū)域，如圖4-9所示。這12位數(shù)據(jù)字的最大值應為-8=32760。em231模擬量輸入模塊a/d轉(zhuǎn)換單極性數(shù)據(jù)格式的全量程范圍設置為032000。差值32760-32000=760則用于偏置/增益，由系統(tǒng)完成