机电一体化课程设计毕业论文范文模版参考资料基于PLC的恒温控制系统开发设计.docx
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机电一体化课程设计毕业论文范文模版参考资料基于PLC的恒温控制系统开发设计
机电一体化课程设计
基于PLC的恒温控制系统
1．课题要求及背景意义
1.1课题要求
设计一个基于PLC的恒温控制系统，系统采用多个温度传感器检测室内温度，要求对各个传感器信号求平均值并实时显示温度值，精确到小数点后一位。
设定恒定温度为25摄氏度，当温度低于24摄氏度时控制电动机正转，当温度高于26摄氏度时控制电动机反转。
1.2基于PLC的恒温控制系统的现实意义
温度与人类的生产生活有着密切的联系，在工农业生产中温度是最常见最基本的参数，在机械电子等各类工业及农业温室中均广泛需要对温度进行的检测并进行相应控制。
可编程逻辑控制器（PLC）是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。
PLC通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。
PLC综合了计算机和自动化技术，不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。
2．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15.9℃～39.1℃。
2．能实现环境温湿度的实时显示，精确到小数点后一位。
3．设定温度为25℃，温度低于24℃时电动机正转，温度高于26℃时电动机反转。
4．设计出传感器的接线电路，LED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
本设计主要以三菱FX1N-40MR系列可编程控制器（PLC）为主要的控制元件，实现对环境的温度进行实时检测和显示。
本设计利用由热敏电阻及普通电阻组成的双臂电桥作为温度传感器采集温度信号，后接运算放大器进行信号放大，并经过数模转换器（ADC）将采集的温度信号由模拟量转换为数字量输入PLC中数据经过PLC处理输出控制信号并显示。
显示部分采用LED八段数码管进行显示，本设计使用了三个LED数码管进行显示，能够显示当前环境温度平均值，精确到小数点后一位，并能实现当环境的温度超出设定范围时发出控制信号控制电动机进行相应的动作。
系统原理框图如下图2-1所示。
图2-1系统原理框图
3.系统的硬件方案与设计
3.1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。
考虑到稳定性、价格、自己动手实践等方面的因素我们决定采用热敏电阻电路作为温度传感器使用。
对于热敏电阻组成传感器，需要借助适当的电路，将电阻的变化转换为相应电压或电流的变化，才能供后续电路使用。
最常见的转换电路是众所周知的惠斯顿电桥（简称电桥）。
我们为提高灵敏度采用双臂电桥的形式。
3.1.1热敏电阻温度特性
热敏电阻的特性在不太宽的温度范围内可以用如下公式描述：
式3-1
式中，分别为温度为t（K）和时的电阻值；B为热敏电阻的材料系数，一般情况下，B=2000~6000K。
若定义为热敏电阻的温度系数a（即温度变化1℃时电阻值的相对变化量），则由上式得
式3-2
例如B值为4000K，当t=293.15K（20℃）时，热敏电阻的a=4.7%/℃，由上式可见，a随温度的降低而迅速增大，由于热敏电阻非线性严重，所以在实际使用时要对其进行线性化处理。
但在本设计测温范围内（15.9℃-39.1℃），阻值和温度变化可近似看做成线性关系。
3.1.2温度特性的线性化处理及测温电桥
考虑到本恒温控制系统设定温度为24℃-26℃，超出此范围后会使电动机进行相应的动作调整温度，所以我们将20℃-30℃的随温度t变化数值录入表格，做出相关变化图像，得到非参量数学模型，并得出20℃-30℃范围内的近似线性关系的参量数学模型。
使系统在20℃-30℃范围内有较高的精度，忽略其非线性因素造成的影响。
取热敏电阻的材料系数B=4000K，、得到下表：
t
t
t
t
20.0
1257.1232
22.5
1120.1308
25.0
1000.0000
27.5
894.4388
20.1
1251.2874
22.6
1115.0184
25.1
995.5118
27.6
890.4907
20.2
1245.4827
22.7
1109.9326
25.2
991.0468
27.7
886.5627
20.3
1239.7088
22.8
1104.8735
25.3
986.6048
27.8
882.6546
20.4
1233.9656
22.9
1099.8408
25.4
982.1856
27.9
878.7663
20.5
1228.2528
23.0
1094.8345
25.5
977.7892
28.0
874.8977
20.6
1222.5704
23.1
1089.8542
25.6
973.4154
28.1
871.0487
20.7
1216.9181
23.2
1084.9000
25.7
969.0640
28.2
867.2191
20.8
1211.2958
23.3
1079.9716
25.8
964.7350
28.3
863.4089
20.9
1205.7032
23.4
1075.0689
25.9
960.4282
28.4
859.6180
21.0
1200.1403
23.5
1070.1918
26.0
956.1435
28.5
855.8462
21.1
1194.6067
23.6
1065.3400
26.1
951.8807
28.6
852.0934
21.2
1189.1024
23.7
1060.5135
26.2
947.6398
28.7
848.3596
21.3
1183.6272
23.8
1055.7120
26.3
943.4206
28.8
844.6446
21.4
1178.1809
23.9
1050.9356
26.4
939.2230
28.9
840.9483
21.5
1172.7633
24.0
1046.1839
26.5
935.0468
29.0
837.2706
21.6
1167.3742
24.1
1041.4569
26.6
930.8920
29.1
833.6114
21.7
1162.0136
24.2
1036.7543
26.7
926.7584
29.2
829.9706
21.8
1156.6812
24.3
1032.0762
26.8
922.6458
29.3
826.3480
21.9
1151.3769
24.4
1027.4223
26.9
918.5543
29.4
822.7437
22.0
1146.1004
24.5
1022.7925
27.0
914.4836
29.5
819.1575
22.1
1140.8517
24.6
1018.1867
27.1
910.4336
29.6
815.5892
22.2
1135.6305
24.7
1013.6046
27.2
906.4043
29.7
812.0389
22.3
1130.4368
24.8
1009.0463
27.3
902.3954
29.8
808.5063
22.4
1125.2703
24.9
1004.5114
27.4
898.4070
29.9
804.9914
表3-1热敏电阻阻值随温度t变化数值
图3-1热敏电阻阻值随温度t变化曲线
由图3-1及表3-1中数据可得到近似线性关系
式3-3
图3-1非平衡电桥原理图
图3-1为非平衡电桥原理图。
图3-1中，Rt1、Rt2为感温热敏电阻，与1.5KΩ的桥臂电阻共同组成电桥；阻值随环境温度t的变化而变化。
当电源输出电压Ue一定时，非平衡电桥输出电压
式3-4
由上式可知，不同温度t,对应不同，这就是非平衡电桥采集温度的原理。
取，R=1.5KΩ
t
t
t
t
20.0
0.4404532
22.5
0.724905
25.0
1
27.5
1.264516
20.1
0.4519931
22.6
0.736097
25.1
1.010791
27.6
1.274862
20.2
0.4635202
22.7
0.747275
25.2
1.021565
27.7
1.28519
20.3
0.4750345
22.8
0.758437
25.3
1.032322
27.8
1.295499
20.4
0.4865358
22.9
0.769584
25.4
1.043061
27.9
1.30579
20.5
0.4980242
23.0
0.780716
25.5
1.053784
28.0
1.316062
20.6
0.5094994
23.1
0.791832
25.6
1.064489
28.1
1.326315
20.7
0.5209614
23.2
0.802932
25.7
1.075177
28.2
1.336549
20.8
0.53241
23.3
0.814017
25.8
1.085847
28.3
1.346765
20.9
0.5438453
23.4
0.825087
25.9
1.0965
28.4
1.356961
21.0
0.555267
23.5
0.83614
26.0
1.107135
28.5
1.367139
21.1
0.5666751
23.6
0.847178
26.1
1.117753
28.6
1.377298
21.2
0.5780695
23.7
0.8582
26.2
1.128353
28.7
1.387437
21.3
0.58945
23.8
0.869206
26.3
1.138935
28.8
1.397558
21.4
0.6008167
23.9
0.880196
26.4
1.149499
28.9
1.40766
21.5
0.6121693
24.0
0.891169
26.5
1.160046
29.0
1.417742
21.6
0.6235078
24.1
0.902127
26.6
1.170574
29.1
1.427806
21.7
0.6348322
24.2
0.913068
26.7
1.181085
29.2
1.43785
21.8
0.6461422
24.3
0.923992
26.8
1.191578
29.3
1.447874
21.9
0.6574379
24.4
0.934901
26.9
1.202052
29.4
1.45788
22.0
0.6687191
24.5
0.945792
27.0
1.212509
29.5
1.467866
22.1
0.6799858
24.6
0.956667
27.1
1.222947
29.6
1.477833
22.2
0.6912378
24.7
0.967526
27.2
1.233367
29.7
1.48778
22.3
0.702475
24.8
0.978367
27.3
1.243768
29.8
1.497708
22.4
0.7136974
24.9
0.989192
27.4
1.254151
29.9
1.507616
表3-2电桥输出随温度t变化数值
图3-2电桥输出随温度t变化曲线
由图3-2及表3-3中数据及式3-3、式3-4可得到近似线性关系
式3-5
3.2集成运算放大器的选用
为了分析方便，理论上要求电桥负载无穷大，因此，在设计后续放大电路时，应尽量提高放大器的输入阻抗。
为了提高放大器的共模抑制能力，降低失调电压及失调电流对测量结果的影响，放大器采用差动输入方式。
采用集成OP07运算放大器，放大电路如下图3-3所示。
图3-3电桥放大电路
考虑到A/D转换器的输入电压为0-5V，故确定放大倍数为2倍。
3.3PLC模拟量输入接口设计
本系统采用ADC0809模数转换器，考虑到数模转换器的高低电平输出电压不是精确的0V或5V而是0.3V左右或4.7V左右，故使用光电耦合器将A/D转换输出信号转变为PLC易于识别的开关量信号，输入PLC中。
如下图3-4所示。
图3-4模拟量输入接口电路
ADC0809正常工作需要采用1M的有源晶振,接到CLOCK端，图中不再给出。
在输入接口电路中用到的光电耦合器型号为TLP521-4,一般TLP521的工作电压为5V,通过二极管的典型电流值为16mA。
模拟量经ADC0809转化为八位数字信号,若某一路（D7）为高电平,经510Ω限流电阻后,光电耦合器TLP521的发光二极管导通发光,使TLP521另外一端的三极管导通,为保证三极管导通电路中的电流大于4.5mA能被PLC读入1信号,且不至于过大烧坏三极管,接入3K限流电阻。
若为低电平,发光二极管不导通,三极管截止,PLC读入0信号。
图3-4中只画出数字信号从D7路到PLC的X7输入端的电路,剩下七路的电路与D7路的一样,这里就不再给出。
3.4PLC输出接口电路设计
图3-5PLC外部接线图
PLC输出端一般是几个输出继电器共用一个公共端,以便使用不同的电压等级,对于FX1N型PLC,具体对应关系如下:
COM0—Y0 COM1—Y1
COM2—Y2、Y3
COM3—Y4～Y7
COM4—Y10～Y13
COM5—Y14～Y17
如图3-5所示,Y0-Y7输出为八段数码管A-G和小数点DP，故相对应的COM0-COM3端应接24V电源正极。
Y10-Y12为三片数码管片选信号，由于数码管为共阴极，所以对应COM4应接24V电源负极。
Y14、Y15为输出控制ADC输入通道选择信号，Y16、Y17为电机控制信号，对应COM5应接24V电源正极。
3.5显示方案的设计
3.5.1与LED显示相关的知识
本系统采用八段LED数码管进行数据的动态显示。
LED数码管也称半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件。
八段LED显示器由七个发光段及小数点位构成，每段均是一个LED二极管，这八个发光段分别为A,B,C,D,E,F,G和DP,通过控制不同段的点亮和熄灭,可显示16进制数字0～9和A,B,C,D,E,F,也能显示H，L，P等字符和小数。
LED显示器以发光二极管作为显示发光部件，每段按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。
共阳极结构中，各LED二极管的阳极被连在一起，使用时要将它与+5V相连，而把各段的阴极连到器件的相应引脚上。
当要点亮某一段时，只要将相应的引脚（阴极）接低电平。
对于共阴极结构的LED显示器，阴极连在一起后接地，各阳极段接到器件的引脚上，要想点亮某一段时，只要将相应引脚接高电平。
LED显示器的一个段发光时，通过该段的平均电流约为10mA～20mA。
将一个8位并行输出口与显示器的发光二极管引脚相连，8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。
LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。
LED显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极连接在一起接地或+5V；每位的段选线（a～dp）与一个8位并行口相连。
显示电路中，每一位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。
由于每一位由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里每一位显示字符可以各不相同。
N位静态显示器要求有N×8根I/O口线，占用I/O资源较多。
故在位数较多时往往采用动态显示方式。
LED动态显示方式，在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。
8位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。
其中一个控制段选码，另一个控制位选。
由于所有位的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，8位LED只可能显示相同的字符。
要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。
即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。
在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平，共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符。
如此轮流，使每位显示该位应该显示字符，保持一段时间，以造成视觉暂留效果。
3.5.2显示方案的设计
本系统采用八段LED数码管进行数据的动态显示。
按共阴极方式连接，使用动态显示方式。
由PLC的Y0-Y7提供段选码显示，Y0-Y7由PLC程序将数据转变为BCD码在经译码程序由Y0-Y7输出。
由Y10-Y12作为片选输出信号。
每片选中时间间隔为0.01S，造成视觉暂留效果。
4.系统的软件设计
4.1系统初始化
图4-1初始化指令梯形图
PLC系统加电初始化脉冲使寄存器D0-D20全部复位。
4.2输入通道选择信号的产生与输出
由于只有4路信号需要输入ADC0809,所以将ADC0809地址输入端口C置0，端口A、B分别接PLC输出端口Y14、Y15。
在PLC中Y14、Y15产生如表3-3的输出脉冲序列，即可控制ADC0809输入通道的选择。
在PLC中，由T211和T210两个计时器产生周期为0.1S的方波信号作为脉冲信号，通过移位指令循环产生00、01、11、10四种信号，分别接通ADC0809的IN0、IN1、IN3、IN4输入通道。
梯形图如图4-2所示
脉冲
AY14
BY15
0
0
0
1
0
1
2
1
1
3
1
0
表4-1
图4-2输入通道选择信号的产生与输出梯形图
4.3数字信号的读入
当Y14、Y15输出为00、01、10、11时，分别将各个读入的数据存储在寄存器D10、D11、D12、D13中，以便后续的数据处理。
梯形图如图4-3所示。
图4-3数字信号的读入梯形图
4.4数字信号的处理
当被采集的温度值转化成数字信号并被PLC存储在寄存器中后，需对四路数据进行求平均值的计算，并将平均值（电压数字信号）转化为温度值才能在八段数码管显示器中显示。
转化依据即为表3-1、表3-2、图3-1、图3-2、式3-3、式3-4、式3-5。
首先将四个八位二进制序列相加求平均值，然后逆向使用式3-3、式3-4、式3-5，将结果转变我温度值，并保留一位小数。
考虑到小数的显示过于复杂，我们将得到的结果扩大10倍，转化为整数显示，小数点单独显示，这样可以简化显示过程。
将各个过程综合并化简之后最终得到数字-温度转化的数学模型：
式4-1
式中指转化之后需要显示温度的数值（当前温度平均值的10倍），分别表示四个温度输入通道转化数字信号后存入PLC的值。
梯形图如图4-4所示。
图4-4数字信号处理梯形图
4.5显示程序
4.5.1数码管片选信号产生程序
首先将D0中的数值转化为BCD码，然后将个位、十位、百位分开，并分别存放在寄存器D1、D2、D3中。
梯形图如图4-5所示
图4-5BCD码转换梯形图
4.5.2片选信号产生及数据传送
使用T200、T201、T202三个计时器计时，间隔为0.01S，分别选中每片八段数码管，并循环，由于时间间隔较短，可以产生视觉暂留现象，使人可以看清数码管的数字。
每次选中各个数码管时，同时将对应位的数字送入译码程序所需的辅助继电器译码，并显示。
梯形图如图4-6所示。
图4-6片选信号产生及数据传送梯形图
4.5.3BCD译码程序
译码程序将4位BCD码转换为七段数码管显示各个数字时每段所需状态，先将每个数字显示时Y0-Y6的状态写出来，后来把它们按逻辑真值表的方式有序地填入一个表格，与左侧的BCD码一一对应。
如表4-2所示。
M33
M32
M31
M30
七段码显示真值表
数字
AY0
BY1
CY2
DY3
EY4
FY5
GY6
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
2
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
3
1
1
1
1
0
0
1
0
1
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表4-2七段码显示真值表
由逻辑代数根据真值表可以求得逻辑表达式：
Y0=M32'M30'+M32M30+M31+M33
Y1=M31'M30'+M31M30+M32'
Y2=M32+M30+M31'
Y3=M32M31'M30+M32'M30'+M32'M31+M31M30'+M33
Y4=M31M30'+M32'M30'
Y5=M31'M30'+M32M31'+M32M30'+M33
Y6=M32'M31+M32M31'+M31M30'+M33
式中M30'、M31'、M32'、M33'分别表示M30、M31、M32、M33的逻辑非。
根据此逻辑表达式可以通过M30、M31、M32、M33四个辅助继电器的通断来显示对应数值。
梯形图如图4-7所示。
图4-7BCD译码程序梯形图
4.5.4电机控制信号产生程序
如图4-8所示，将平均值信号与恒温范围24℃～26℃进行区间比较，当当前温度平均值小于24℃时Y16得电，发出控制信号驱动电动机正转，当当前温度平均值大于26℃时，Y17得电，发出控制信号驱动电动机反转。
梯形图如图4-8所示。
图4-8电机控制信号产生程序梯形图
参考文献
1．秦增煌主编《电工学（第六版）》（下册）高等教育出版社
2．魏德仙主编《可编程控制器原理及应用》中国水利水电出版社
3．李希文等编著《传感器与信号调理技术》西安电子科技大学出版社
4．熊诗波、黄长艺主编《机械工程测试技术基础》机械工艺出版社
附录
1．程序梯形图及指令表
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