基于PLC的汽车水温监控系统讲解.docx

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基于PLC的汽车水温监控系统讲解

学生毕业设计（论文）报告

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

基于PLC的汽车水温监控系统

一、选题的背景和意义：

为了判断发动机的热状态、计算进气量和供油量，要连续精确地测量冷却液的温度、进气温度、排气温度和环境温度等，这都要通过温度传感器来实现。

汽车发动机冷却水系统温度传感器主要用温敏电阻式温度传感器。

在汽车温度传感器性能试验装置研究中，以往控制方式陈旧，只能对单一试验样品进行试验，水槽容量大，热容量大，升降温速度慢，工作效率低，远远不能满足要求；而本课题则是解决以往设备存在的问题，并利用PLC语言进行编程，通过图像解析分析汽车温度传感器的性能参数情况，最终得出温度传感器的性能状况，为汽车温度传感器的制造提供相应的参考指标。

二、课题研究的主要内容：

根据我国目前汽车温度传感器技术发展的迫切需要及相应检测装置发展的状况，结合控制技术和计算机检测系统，实现了计算机对在每一个温度点上温度传感器的情况进行检测。

内容如下：

1.了解系统机械结构（包括支水箱冷却水路系统、气压传动系统），阐述了系统的工作原理。

2.了解气压传动回路及其控制系统。

3.对控制系统进行分析，提出了总体控制方案。

根据测试系统电加热装置具有滞后性，极易产生超调，难以控制等特点，给出其隶属度函数曲线及控制状态表。

4.对温度传感器性能参数进行了检测试验，根据测出的实验数据绘制了相应的曲线。

并可以根据测得阻-温（R—T）特性曲线，得出温度传感器的相应结论。

三、主要研究（设计）方法论述：

1．完成了温度传感器性能测试系统整机系统的研究，实现了计算机对在每一个温度点上温度传感器的情况进行检测。

2.在对恒温控制技术进行了探讨和论证的基础上，进一步了解了水温的控制过程。

3.了解PLC对汽车水温的监测过程，根据测出的实验数据绘制了相应的曲线。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

8.1～8.2

选题，熟悉课题，明确任务要求，查找、收集、分析资料。

8.3～8.5

完成开题报告，并提交指导老师。

8.6～8.9

工作原理、设计方案论证。

8.10～8.13

相关理论计算。

8.14～8.17

了解关于水温监控系统的相关结构的原理及工作过程。

8.18～8.21

程序控制部分设计。

8.22～8.25

总结并整理所有资料，规范论文格式，完成初稿，交指导老师审阅。

8.26～8.27

在指导老师的帮助下进行修改，进一步完善初稿。

8.28～8.30

完成设计并定稿，准备毕业设计的答辩。

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

基于PLC的汽车水温监控系统

摘要：

随着温度传感器在汽车领域的广泛应用，特别是作为汽车电子控制系统的信息源，温度传感器的研究和技术的改进就显得尤为重要。

因此在汽车领域中，实时、高精度地获得温度是这个领域进行深入研究的关键。

本系统通过实时地检测汽车水温传感器温度和阻值参数，并根据参数绘出各个温度点的特性曲线来进行研究的。

计算机检测技术是当前应用较广泛的技术，利用计算机和硬件接口（动态链接库），采用PLC，在计算机上建立用户界面，在界面上通过对按钮的控制，实现对所有程序乃至整个系统的控制。

即实现温度传感器的数据采集、温度的设定以及对气压传动系统的自动控制，以便于分析和研究。

汽车水温传感器性能测试通过了整机运行和调试阶段后，对实验数据及其曲线分析可知，汽车水温传感器性能测试系统基本满足测试此类传感器性能的要求，且证明了温度及电阻的检测值均在误差允许范围之内。

其智能化设计可以大大减少测试所需投入的人力和时间，系统运行可靠，整个系统的设计合理、成功，完全可以进行实用化阶段。

本系统的设计对改善和提高汽车温度传感器性能具有重要的意义。

关键词：

热敏电阻；温度特性；控制系统

Abstract:

WiththeextensiveapplicationoftemperaturetransducerusedinAutomobile，especiallyusedastheinformationsourceofcarelectronicscontrolsystem，theresearchandthetechnicalimprovementofthetemperaturetransducerseemtobeparticularlyforimportance.Sothatisincarrealm，realtimeandthehighaccuracyacquiresthetemperatureisthekeytogodeepintoinvestigativeinautomobilePerformanceoftemperaturetransducerusedincarrealmtestsystemembodiesthetechnologyofcomputercontrol，informationdetect.

Makeuseoftheinterfacetechniqueofcomputerandhardware，applyVisualBasiclanguage，establishthecustomerinterfaceonthecomputerscreen，pushthecontrolbutton，realizetocontrolallproceduresandthewholesystem.Namelywerealizetocollectthedataoftemperaturetransducer，enactmentofthetemperature，theautocontroloftheelectricelevatorandusethepictureboxofVBtohatchsothatwecancompare，analyzeandresearch.Afterdebuggingandoperatingdynamiccharacterparameterofthetestsystem，weanalyzetheerroroftheexperimentalresultandprovethatexperimentdataandcurvesareintherangeofpermission.Thedesignofthewholesystemcanreducetotestmanpowerforneedingdevotionconsumedlywithtime，thesystemcirculatesdependable.Thedesignofthewholesystemisreasonableandsuccessive，andcanproceedthepracticalstagecompletely.Itisofgreatimportancetostudyhowimproveandincreasethetechniqueoftemperaturetransducer.

KeyWords：

Thermalresistor；Temperaturecharacteristic；Controlsystem

第1章绪论

1.1引言

在人们的生产实践和日常生活中，为了改善机器的性能和提高机器的自动化程度，需要实时地测量反映机器工作状态的信息，并利用这些信息去控制机器，使之处于最佳的工作状态。

近些年来，随着科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术、微计算机技术、信息处理技术以及材料技术的发展，使得综合着各种先进技术的传感技术进入了一个前所未见的飞速发展阶段。

微电子技术的发展，特别是微电子技术中的加工技术，如蒸镀、刻蚀、微细加工的进步，使之过去很难以加工的变得很容易了。

通过蒸镀技术可以制成均匀的、稳定的电路，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。

微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而形成感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。

于是，对于一个传感器，它本身所具备的条件决定的性能曲线，就成为实际应用时最重要的参考条件之一。

所以传感器的精确的实验性能曲线，变得极为重要。

1.2选题的背景及来源

现代汽车发动机上使用温度传感器的地方很多。

例如，为了判断发动机的热状态、计算进气量和供油量，要连续精确地测量冷却液的温度、进气温度、排气温度和环境温度等，这都要通过温度传感器来实现。

热敏电阻是一种金属氧化物半导体器件，其电阻值随温度升高而变化，温度系数是铂热电阻的10倍，约为40a。

它的热响应性、重复性和稳定性良好，利用热敏电阻的温度特性可构成测温的温度传感器。

汽车发动机冷却水系统温度传感器主要用温敏电阻式温度传感器。

在汽车温度传感器性能试验装置研究中，以往控制方式陈旧，只能对单一试验样品进行试验，水槽容量大，热容量大，升降温速度慢，工作效率低，远远不能满足要求；而本课题则是解决以往设备存在的问题，并利用PLC编程，通过图像解析分析汽车温度传感器的性能参数情况，最终得出温度传感器的性能状况，为汽车温度传感器的制造提供相应的参考指标。

1.3国内外发展概况

近年来，金属热敏电阻式温度传感器的研究有了新的发展。

金属热敏电阻式温度传感器之所以引起人们的重视是由于其阻-温特性近似为线性，且具有优良的耐老化特性和极高的稳定性。

然而，其非线性部分及小的电阻温度系统必须通过外电路的设计加以补偿。

1.其优点如下：

（1）灵敏度高，电阻温度系数的绝对值比金属高1～2个数量级，输出信号随温度变化大，可直接配用二次仪表。

（2）稳定性好，使用中不产生无线电干扰，受磁场影响小。

（3）耐振动冲击。

（4）寿命长，比触点脉冲或感温塞的寿命长3～5倍。

（5）结构简单，牢固可靠。

2.现有的测试系统远不能满足测量精度要求，主要原因如下：

（1）控制方式陈旧，由于采用开关控制，稳定性差，难以找到一个稳定的工作点，超调量大，稳定误差为±2℃。

（2）虽然采用了搅拌措施，但温槽内的温度仍不够均匀，温度差值约1℃，因此每次只能做一只温度传感器，工作效率低。

（3）由于采用搅拌方法均匀液体温度，水槽容量大，热容量大，造成加热器的功率大，给降温造成困难。

（4）升降温速度慢，工作效率低。

1.4本论文的研究内容

本论文根据我国目前汽车温度传感器技术发展的迫切需要及相应检测装置发展的状况，结合控制技术和计算机检测系统，实现了计算机对在每一个温度点上温度传感器的阻值情况进行检测。

本文主要研究内容如下：

1.系统机械结构（包括支水箱冷却水路系统、气压传动系统）的设计，阐述了系统的工作原理。

2.气压传动回路及其控制系统。

3.对控制系统进行分析和研究，提出了总体方案。

根据测试系统电加热装置具有滞后性，极易产生超调，难以控制等特点，给出其隶属度函数曲线及控制状态表。

并研究了温度控制电路硬件系统。

4.对温度传感器性能参数进行了检测试验研究，根据测出的实验数据绘制了相应的曲线。

并可以根据测得阻-温（R—T）特性曲线，得出温度传感器的相应结论。

第二章系统结构设计

整个系统主要分为机械系统和控制系统，包括水箱、搅拌器、电磁换向阀、冷却器（风扇）、气压传动系统、模糊控制器、传感器、电控柜、微机等，其中电控部分采用微机测控系统。

图2-1为系统的结构示意图。

图2-1温度传感器性能测试系统结构简图

该系统主要是通过RS-232与主控机进行通讯，来控制各个I/O口情况的。

当系统温度传感器所采集的水温值低于所设定的温度值时，通过RS-232与主控机通讯，改变主机上的显示温度值，当实采水温高于所设定的温度值时，通过8255A的端口输出高电平来控制电磁换向阀，同时控制冷却器（风扇）导通，这样就实现了对实验水的降温工作。

2.1水路系统的结构及工作原理

如图2-2水路结构示意图所示。

一是利用传统的搅拌器进行搅拌；二是相当于把整个槽I的侧面和底面的液体变成了锅底，锅底面积增大，锅底温度将均匀；三是由于槽I和槽II之间为加热水介质，减缓了锅底温度的增加速率；四是出水管设置在水箱的中心；五是在槽I和槽II之间出水管的圆周表面上开了许多小孔，通过槽内液体自循环，使槽内液体温度进一步均匀。

图2-2水路结构示意图

该测试系统工作过程如下：

试验加热过程中，水箱的温度传感器测到的实际温度不断与所设定的温度相比较，当实测温度超过设定温度时，控制水泵启动，同时电磁换向阀通电，这样整个水路开始循环，此时冷却器（风扇）启动；当实测温度低于设定温度时，微机给出信号，降温水路所有设备停止，降温结束。

冷却与换向阀的控制图如图2-3所示。

图2-3冷却与换向阀的控制图

2.2汽车水温传感器结构及工作原理

汽车温度传感器有触点脉冲式、蒸汽压式、双金属片式和热敏电阻式。

主要应用的是金属热敏电阻式。

近年来，金属热敏电阻式温度传感器的研究有了新的发展。

有些金属材料随着温度的升高而电阻增大，但有些材料，如半导体，其电阻值却随温度的升高而降低。

电阻值随温度而变化的这一类器件称为热敏电阻。

按电阻变化情况，一般可分为三类：

第一类：

在工作温度范围内，电阻值随温度升高而增加的热敏电阻，称为正温度系数热敏电阻。

第二类：

电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数热敏电阻（NTC）。

第三类：

在临界温度时，阻值发生锐减的称为临界温度热敏电阻（CTR）。

第三章控制系统

控制系统是汽车水温传感器性能测试系统的核心。

本章主要介绍气压传动控制系统原理，提出一种模糊控制算法以及温度控制系统的设计。

3.1气压传动系统

3.1.1关于气压传动的简单介绍

气压传动与控制简称为气压传动或气动技术。

它以压缩空气为工作介质传递动力，是一门古老而又年轻的技术。

1.气压传动与控制的主要优点是：

（1）以空气作为工作介质，取之不尽，用之不竭。

用后的空气排到大气中，不会污染环境。

（2）空气的粘度很小（仅为油液的万分之一），因此，流动阻力小、压力损失也小，便于集中供气和远距离传送。

不必像液压传动那样，每台机械设置一个动力源，因此，使用方便。

（3）工作环境适应性好。

在易燃、易爆、多尘埃、强磁辐射、振动等恶劣工作环境下，仍能可靠工作。

（4）动作速度及反应较快。

液压油在管道中流动速度为1～5m/s，而气体流速可以大于10m/s，甚至接近声速。

因此在0.02～0.3s内即可达到所要求的工作压力及速度。

（5）有较好的自保持能力。

液压传动要维持一定压力，需要能源继续工作或加蓄能器，而气压传动在气阀关闭或压缩机停机时，可以靠本身的自膨胀在一定时间内维持压力。

2.气动技术的主要缺点是：

（1）工作压力低。

气动装置总推力—般不宜大于l040kN，因此仅适用于功率较低的场合，特别适用于轻工行业。

（2）由于空气的可压缩性较大，因此，速度稳定性差，受外载变化影响较大。

（3）气压信号的传递速度比电子信号传递速度慢得多，因此不适用于高速传递信号及控制非常复杂的回路。

3.2温度控制系统的工作原理

整个系统的工作原理如下：

单片机通过多路开关控制温度和温敏电阻的测量时序，将待测的模拟信号经过A/D转换读入系统。

首先，单片机读入温度信号，判断与预定温度的差异，并且通过控制冷却器，最终使得水箱中的温度恒定在所设定温度值上。

水箱中的温度恒定时间超过1min后，即可测量待测温敏电阻的电阻值，将测量结果与温度一起存入计算机系统数据中，然后，改变设定的温度值，测量下一个温度的温敏电阻阻值，直至将所设定的温区范围内所有温度值全部测量完毕。

操作程序输出测量结果并将数据存储。

最后，通过显示单元或打印机输出。

该单片机系统采用的是IntelMCS-51系列单片机。

A/D转换器采用的是AD0809，A/D转换的精度为8位；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100μs；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。

图3-1温度控制电路原理图

系统的温度控制电路原理图如图3-1所示。

整个系统由四部分组成，即：

8051单片机系统，温度检测通道，输出控制通道，以及报警系统。

工作时，温度由集成温度传感器AD590转换成电流信号，经二级运放放大至0～5V的电压信号，由ADC0809转换成计算机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过模糊控制器运算得到控制量，此控制量经固态继电器控制加在测试系统上的电压通断时间，以达到控温目的。

系统的给定值、采样周期等参数由键盘输入，也可由计算机给定，并可随时修改，给定温度和采样温度同时显示在LED上，并传送给计算机。

图3-2温度控制电路原理图

在原理图3-2中，温度检测采用半导体传感器AD590，它是一个随温度变化的恒流源，温度每升高1K电流增加1μA；在绝对温度为0时，其电流为0。

AD590是两线集成电路温度传感器，它能产生正比于绝对温度的输出电流。

工作电压从+4V到+30V，作为高阻抗恒流调整器，AD590应用范围是-55℃～150℃。

功率开关元件采用双向零型固态继电器来控制电阻丝的通断，以达到调节水温的目的。

当需要加热时，模糊控制器通过RS-232与主控机通讯，改变主机上的显示温度值，同时系统通过模糊控制器对水箱内的加热管不断加热；当不需要加热时，通过使8255A的端口输出高电平来控制电磁换向阀，同时控制冷却器（风扇）导通，以达到降温的目的。

双向过零型固态继电器的输入属电流型输入器件，当输入端激励不足时，有可能造成输入端器件的损坏，因此在固态继电器的输入端要串联一个达林顿反相驱动阵列PMC1413作为功率驱动元件，为固态继电器直流端提供驱动电流。

第四章计算机测控系统

通过计算机实现对水温传感器在每一个温度点上的阻值和通断情况的检测，同时进行水温温度的给定和检测温度的信号接收、显示。

利用PLC进行编程，完成对整个系统的控制。

计算机控制系统由硬件设计和程序设计两大部分组成。

4.1计算机硬件系统

1、电路简介

系统电路的接口线如图4-1所示，主要有8位8路A/D输入、24路开关量输入/输出功能组成。

图4-1逻辑方框图

2、工作原理简述

系统的电路原理图如图4-2所示。

PC总线共由62条信号线组成，分成A、B两排，A排是元件面，B排是焊接面。

下面对各I/O通道的信号进行描述：

图4-2电路原理图

4.2测控程序

系统的总体工作由硬件提供平台，软件实现硬件的协调及数据分析处理。

在系统中，控制程序及测试分析软件均采用PLC进行编程，通过应用程序接口（API函数）动态链接库把应用程序与硬件接口连接起来。

在计算机上利用PLC建立用户界面，在界面上设置功能按钮，操作员利用鼠标对按钮进行操作，可实现对整个系统的直接控制，操作简单、直观、方便。

4.2.1程序编写过程

程序编写原理：

如图4-3所示。

系统工作区内的阻值全部测量完毕后，停止测量，并提示测量结果。

最后，根据命令选择输出结果。

图4-3温度传感器阻值测试软件框图

（1）编程算法

温度传感器性能试验采集的程序流程如图4-4所示。

在汽车水温传感器性能检测系统中要完成温度传感器的数据采集，同时把从温度传感器采集的模拟信号经A/D转换后，输入计算机后进行数据处理；利用PLC进行编程，在计算机上建立用户界面，利用程序实现对按钮的控制，利用图形控件绘出相应的曲线，并分析汽车水温传感器，即温敏传感器的特性。

（2）数据库编程

图4-4温度传感器数据采集流程图

4.3基于PLC的控制系统通信

数据通信在控制系统的实时控制和数据采集中具有重要的地位，可靠的数据通信是应用系统稳定运行的基础。

PLC能很好地解决实时数据通信的问题。

在温度传感器性能测试控制系统中我们采用PLC通信编程方法进行通信程序的编写，实现了工控机与单片机之间的实时数据传送。

4.3.1控制过程

该控制系统由温度传感器温度控制系统和PC机组成。

主要工作过程为：

由传感器将检测到的水温值送入温度控制系统，并测量值与给定值比较、运算后，输出控制调节阀门的输出状态，从而控制加热与降温之间的变化。

如图图4-5PLC控制系统的组成。

图4-5PLC控制系统的组成

为了对测试系统进行实时监测和控制，工控机在数据采集过程中，采用监听方式随时从温度控制系统中收集现场数据，实时显示于主控操作界面。

初始开机时或试件检测过程中，温度控制系统需要得到参数设定值时，通过串口向工控机发出命令，工控机立即从收集数据方式转为发送数据方式，向温度控制系统发送

设定的初始参数或即时调整修改的参数。

如图图4-6程序调用关系图。

图4-6程序调用关系图

第五章结论

本文的主要工作和结论如下：

1、完成了温度传感器性能测试系统整机系统。

在传统的测试温度传感器装置的基础上，以达到快速降温和使整个水箱均温的目的。

同时引用了水平和垂直两个自由度运行的气压传动系统，为整个系统的测试提供了必要的条件。

2、在对恒温控制技术进行了探讨和论证的基础上，本文将单片机模糊控制技术应用到恒温控制过程中。

3、利用PLC编程，应用动态链接库和数据采集电路实现了计算机与测试系统整机系统的接口，从而实现了计算机对整个系统的控制。

4、经过整机运行，实现对温度与阻值实时数据采集，并绘出所设定温度范围的阻-温特性曲线。

经验证，测试系统对温度的检测精度在±0.5℃以内。

本文对汽车水温检测温度传感器性能测试系统进行了全面的分析，完全满足设计的指标要求，系统运行可靠，完全可以进行实用化阶段，为汽车水温传感器测试提供理论和分析依据，对改善和提高温度传感器性能具有十分重要的意义。

致谢

本文是在老师的悉心关怀与指导下完成的。

老师渊博的学识，活跃的学术思想，积极进取的学习精神和诲人不倦的长者风范将使我受益终生。

一个月来，从设计题目的选择到研究课题的确定，从课题纲要的制定到论文写作的完成，无不凝聚着老师的心血。

从老师身上，我不仅学到了科研的方法，更重要的是学会了如何做人，认真对待每一天。

在此谨向导师致以崇高的敬意和深深的感谢!

最后，要感谢年迈的父母在我漫长的求学生涯中所给予的理解与支持，他们在经济条件并不宽裕的情况下，默默支持我完成了多年的学业。

特向我最亲爱的双亲和所有为子女求学而付出巨大艰辛的父母们致以最崇高的敬意!

参考文献

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