基于plc的温度和湿度检测和显示毕业设计.docx
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基于plc的温度和湿度检测和显示毕业设计
基于plc的温度和湿度的检测和显示
摘要
本论文主要讲述了基于西门子S7-200系列可编程控制器（PLC）为主要的控制元件，实现对环境的温度和湿度进行实时检测和显示，并同时实现对时间进行显示和校正等功能的显示装置的设计方法。
本设计的传感器部分采用集成温度和湿度传感器，集成传感器具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、微功耗、价格低、适合远距离传输信号等特点。
集成传感器的外围电路简单，具有较高的性价比。
经过选择集成温度传感器采用电压输出式单片精密集成温度传感器LM35系列产品；集成湿度传感器选择线性电压输出式集成湿度传感器HM1500，它的主要特点是采用恒压供电、内置放大电路、能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号、响应速度快、重复性好、抗污染能力强。
显示部分采用LED七段码进行显示，本装置一共使用了十七个LED数码管进行显示，能够同时显示当时环境的温度、湿度和时间，还可以显示年月日等信息，并能实现当环境的温湿度超过一定范围时进行报警的功能。
关键词：
PLC；温度传感器；湿度传感器；LED显示装置
ThedesignofdetectionanddisplayaboutthetemperatureandhumiditybasedonPLC
Abstract
ThispapermainlybasedonSiemensS7-200seriesprogrammablecontroller（PLC）forthecontrolofthemaincomponentsrealizetheenvironmentaltemperatureandhumidityforreal-timedetectionanddisplay,andtosimultaneouslyachieverighttimeandcalendarsetupfordisplayandfunctiondisplaydevicesdesignmethods.
Thedesignofthesensorusingintegratedtemperatureandhumiditysensors,sensorintegrationwithfunctionalandhighaccuracy.Fastresponse,smallsize,verylow-power,lowprice,suitableforlong-distancesignaltransmissioncharacteristics.Integratedsensorexternalcircuitissimpleandlowcostandhighperformance.Selectedintegratedtemperaturesensoroutputvoltageprecision-integratedsingle-chiptemperaturesensorLM35seriesofproducts;Integratedhumiditysensoroptionlinearvoltage-outputintegratedhumiditysensorsHM1500.Itsmainfeatureistheconstantvoltagepowersupply,abuilt-inamplifier,canbeoutputwiththerelativehumidityistheratiobetweenthevoltagelevelsignalvoltage,fastresponseandgoodreproducibility,anti-pollutioncapability.LEDusedinsomeofthedisplaycodeinparagraph107,thedeviceusedatotalof17LEDdigitaltubes,canalsoshowedthatenvironmentaltemperature,humidityandtime,canalsodisplayinformationsuchasthedate,andtheenvironmentcanbeachievedwhenthetemperatureandhumidityofmorethanacertainscopeforalarmfunctions.
Keywords:
PLC;Temperaturesensor;Humiditysensor;LEDdisplaydevices
摘要I
AbstractII
目录III
第一章引言1
1.1课题的背景和意义1
第二章系统简介及方案论证2
2.1系统设计主要技术指标与参数2
2.2设计方案的论证2
第三章可编程控制器概述4
3.1PLC的系统组成与工作原理4
3.1.1PLC的组成结构4
3.1.2PLC的扫描工作原理4
3.2PLC的发展趋势5
第四章系统的硬件方案与设计6
4.1传感器的选型与设计6
4.1.1集成温度传感器介绍与选型6
4.1.2集成湿度传感器介绍与选型9
4.2PLC的选型与模块配置13
4.2.1PLC的选型原则13
4.2.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点14
4.3显示方案的设计16
4.3.1与LED显示相关的知识16
4.3显示方案的设计18
4.3.1与LED显示相关的知识18
4.3.2显示方案的设计19
4.4工作电源部分20
第五章系统软件设计22
5.1显示系统主程序22
5.1.1温度读入子程序22
5.1.2湿度读入子程序23
5.1.3显示子程序24
5.1.4实时时钟指令25
5.2程序清单26
结论27
参考文献28
致谢29
附录30
1.主程序梯形图及指令表30
2.时钟初始化子程序0梯形图及指令表33
3.实时时钟读入子程序1梯形图及指令表34
4.温度读入子程序2梯形图及指令表38
5.湿度读入子程序3梯形图及指令表42
6.显示子程序4梯形图及指令表45
7.中断0（调时闪）梯形图及指令表47
8.中断1（报警闪）梯形图及指令表48
第一章引言
1.1课题的背景和意义
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。
并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。
总之，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。
本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术的一种新型的、通用的自动控制装置。
它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点，近年来的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之一。
PLC的最终目标是用于实践，提高生产力。
如今，应用PLC已经成为世界潮流，PLC将在我国得到更全面的推广应用。
本文主要介绍了对环境的温湿度进行检测和显示装置的设计方法。
此装置不仅可以显示环境的温湿度，还可以进行年、月、日、时、分、秒的显示。
随着工业化程度的不断提高，人们的时间观念越来越强，因此对时间及年月日的显示也是非常必要的，有比较大的现实意义。
第二章系统简介及方案论证
2.1系统设计主要技术指标与参数
1、能够比较精确地实现对环境温度的检测，测温范围-25℃～55℃，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。
2、能够较精确地实现对环境湿度的检测，测量湿度范围为（0%～100%）RH。
3、能实现环境温湿度的同时显示，并能实现温湿度的报警。
4、能够实现年、月、日、时、分、秒的显示，同时能进行任何时候数值的校正。
5、设计出传感器的接线电路，显示器的连接电路，PLC接线图，梯形图，指令表及元器件的选择与计算。
2.2设计方案的论证
温度传感器
湿度传感器
按钮开关
PLC
显示
装置
PLC与其他微型计算机相比,更适于在恶劣的工业环境中运行,且数据处理功能大大增强,具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能,能够解决就地编程、监控、通讯等问题。
PLC的梯形图语言清晰、直观、可读性强,易于掌握.PLC具有丰富的功能指令，能实现加减乘除四则运算及数据传送比较移位等功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时及时间和年月日的设置与显示。
系统总原理框图如下图1所示。
图1系统总原理框图
PLC的主要优点可概括如下:
1、高可靠性
（1）所有的输入接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如:
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
第三章可编程控制器概述
3.1PLC的系统组成与工作原理
3.1.1PLC的组成结构
PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。
PLC的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。
3.1.2PLC的扫描工作原理
与其它计算机系统相同，PLC的CPU采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作，随时间顺序执行各个操作。
这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。
PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。
一次循环可归纳为五个工作阶段，各阶段完成的任务如下：
·公共处理。
复位监控定时器（WDT），进行硬件检查，用户内存检查等。
检查正常后，方可进行下面的操作。
如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。
·I/O刷新。
输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映象寄存器中;输出刷新时，将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。
·执行用户程序。
在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映象寄存器中。
·外设端口服务。
完成与外设端口连接的外围设备（如编程器）或通讯适配器的通信处理。
3.2PLC的发展趋势
目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：
（1）向小型化、专用化方向发展。
当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。
（2）向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。
可编程控制器输入输出容量已超过32K，扫描速度小于1mS/千步。
（3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。
可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段。
这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。
可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。
第四章系统的硬件方案与设计
4.1传感器的选型与设计
传感器是本设计最重要的部件之一，它的选取好坏对整个系统而言，非常重要。
现在生产传感器的公司很多，所研制的传感器类型也很多，但其性能差异并不很大。
本设计在选择传感器上掌握的基本原则是稳定性好，价格低廉，使用方便。
4.1.1集成温度传感器介绍与选型
目前主要采用近年来发展最快的半导体集成温度传感器,它内部采用差分对管等线性化技术及激光校准手段等,测温电路十分简单可靠。
这类传感器在生产时已经校准,可省去标定工序,大大地方便了用户的使用。
它有多种输出:
如电流型、电压型、PWM型、数字型等可供用户选择。
本论文着重分析电流型、电压型集成温度传感器主要特点及一些典型应用。
1.集成温度传感器LM35概述
①LM35概述
LM35系列适合用密封的TO-46晶体管封装，而LM35C就适合于塑料TO-92晶体管封装它们有如下的特点:
（1）直接用摄氏温度校准;
（2）线性+l0.mV/℃比例因数;（3）保证0.5℃精度（在+25℃时）;（4）-55～+150℃额定范围;（5）适用于遥控设备;（6）因晶体片微调而低费用;（7）工作在4～30V;（8）小于60μA漏泄电流;（9）较低自热，在静止空气中0.08℃;（10）只有±1/4℃非线性值:
（11）低阻抗输出1mA:
负载时0.1Ω。
参数:
电源电压:
+35V～-0.2V
输出电压:
+6V～-1.0V
输出电流:
l0mA
输出阻抗：
1mA负载时0.1Ω
漏泄电流：
小于60μA
比例因数：
线性+10.0mV/℃
特定工作温度范围:
LM35,LM35A为-55～+150℃;
LM35C,LM35CA为-40～+110℃；LM35D为0～+100℃。
②LM35工作原理
LM35系列的内部框图如图2所示。
由VT1、VT2构成了温度传感器，二者的发射结面积之比为10:
1。
A2是电压放大器。
R1、R2分别为VT1和VT2发射结压降的取样电阻。
VD是电流源的温度补偿二极管。
由VT3和R3、R4组成了发射极输出式电路。
其工作原理是利用在不同电流密度下的晶体管VT1、VT2的发射结正向压降之差△
，作为基本的温度敏感元件，经过变换后，在
端获得与摄氏温度成正比的电压输出信号。
输出电压的电压温度系数
=10mV/℃。
利用下列公式可计算出被测温度t（℃）：
图2LM35系列的内部框图
公式（4-1）
③LM35基本应用电路
由LM35系列构成的简易型摄氏温度传感电路，分别如图3（a）（b）所示.（a）图所示电路的测温范围是+2～+150℃，（b）图示出的电路测量满量程（-55～+150℃）的摄氏温度。
为测量负温度值，需要采用双电源供电，在输出端接上电阻R,R的下端接负电源-Us。
R值由下式确定：
R=︱-Us/50μA︱公式（4-2）
举例说明，当Us=+5V,-Us=-5V时，R=100kΩ。
此时，当天=-55℃时，Uo=-55mV；当t分别为+25℃、+150℃时，Uo依次为250mV和1500mV。
图3（a）图3（b）
采用单电源供电时为获得负电源，可在LM35的GND与公共地址之间，串入两只IN914型硅二极管VD1、VD2，以提供-1.4V的负电源。
电路如图4所示，测温范围--55～+150℃。
图4单电源供电时全范围测温电路
为了满足系统的设计要求，经过比较和选择认为LM35型号的集成温度传感器更加适合本系统的设计。
此传感器采用己知温度系数的基准源作为温敏元件。
芯片内部则采用差分对管等线性化技术，实现了温敏传感器的线性化，也提高了传感器的精度．与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低、外围电路简单等特点，非常适合本系统温度采集的测量工作。
为了实现-25℃～55℃的温度测量范围，采用LM35的全温度测量接线方法，具体的接线图如图5所示．
图5设计接线图
图中：
电阻R的阻值按照R=Vcc/50mA来选择．电路的输出电压与温度的线性关系为：
1）环境温度150℃,U
=1500mV；
2）环境温度25℃，U
=250mV；
3）环境温度-55℃，U
=-550mV．
由于所测量的温度范围是-25℃～55℃。
所以，在实际应用电路中的电压信号的输出量值在-0.25V～0.55V之间。
4.1.2集成湿度传感器介绍与选型
1.湿度的概念
湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度。
在物理学和气象学中，大气湿度的表示方法是多种多样的，而且都有各自的物理量和相应单位。
在诸多方法中，习惯使用的是绝对湿度和相对湿度。
①绝对湿度：
绝对湿度定义为在每立方米湿空气中，在标准状态下所含水蒸汽的质量，以字符ρ表示，单位
。
再由气体状态方程式
可得
公式（4-3）
式中
为空气中水蒸气的分压力（帕）；T为空气中的干球绝对温度（K）；t为空气中干球的摄氏温度（℃）；
为水蒸气的气体常数，
=461。
②相对湿度:
相对湿度是指空气中水蒸气分压力
与同温度下饱和水蒸汽压力
之比值。
用r表示相对湿度为：
公式（4-4）
2.集成湿度传感器介绍
选择集成湿度传感器应考虑以下几点：
感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。
3.湿度传感器选择及电路设计
由于HM1500湿度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，温度依赖性比较低，长期稳定性能好，用户使用方便，价格实惠，是性价比极高的一款集成湿度传感器，故本方案采用HM1500做为湿度测量的传感器。
HM1500是法国Humirel公司于2002年推出的一种基于硬质封装的HS1101湿敏电容的电压输出式集成湿度传感器。
它将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，有很小的易于安装的接头，因此不需要外围元件，使用非常方便。
其主要特点是采用恒压供电，输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，对温度的依赖性非常低，可靠性与长期稳定性高，互换性好，专利的固态聚合物结构，浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强。
一、HM1500的性能特点：
①内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70Ω，适配带ADC的单片机。
②HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是（0%～100%）RH，输出电压范围是+1V～+4V。
相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。
测量精度为±3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为±0.1%RH/℃，湿度迟滞为±1.5%RH，响应时间为5s。
③产品的互换性好，抗腐蚀性强。
不受水凝结的影响，长期稳定性指标为0.5%RH/年。
④采用+5V电源（允许范围是+4.75V～+5.25V），工作电流为0.4mA（典型值），漏电流≤300μA。
工作温度范围是-30℃～+60℃。
二、HM1500的工作原理：
HM1500采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好、抗污染能力强。
HM1500的测湿元件选用湿敏电容HS1101，在一个有机玻璃或玻璃片上首先用扩散法制作两个电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。
当外界相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。
利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。
内部电路框图如图6。
HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线如图7。
运用最小二乘法可以求出其输出电压与相对湿度之间的关系：
=1.079+0.2568RH公式（4-5）
HM1500
桥式
振荡电路
低通
滤波器
放大器
U。
图6HM1500工作原理
图7HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线
在（10%～95%）RH范围内，
时，输出电压与相对湿度的对应关系见表4.1。
表4.1HM1500的
与RH的对应关系（
）
RH/（%）
10
15
20
25
30
35
40
45
50
/V
1.325
1.465
1.600
1.735
1.860
1.990
2.110
2.235
2.360
RH/（%）
55
60
65
70
75
80
85
90
95
/V
2.480
2.605
2.370
2.860
2.990
3.125
3.260
3.405
3.555
当
时，可按下式对读数值加以修正：
[
]公式（4-6）
下图为HM1500内部电路图，
图8HM1500内部电路图
4.2PLC的选型与模块配置
选择合适的机型是PLC控制系统的硬件配置的关键问题，目前，国内外生产PLC的厂家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、LG、ABB公司等，不同的厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不相同。
而同一个厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列又有不同的CPU型号，不同系列
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