基于西门子S7200plc的温度和湿度检测和显示.docx
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基于西门子S7200plc的温度和湿度检测和显示
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
目录
摘要I
Abstract错误!
未定义书签。
目录II
第一章引言1
1.1课题的背景和意义1
1.2基于PLC和LED数码管显示装置的研究现状1
1.3传感器的研究现状2
1.3.1集成温度传感器的研究现状2
1.3.2集成湿度传感器的研究现状3
第二章系统简介及方案论证4
2.1系统设计主要技术指标与参数4
2.2设计方案的论证4
第三章可编程控制器概述7
3.1PLC的定义7
3.2PLC的发展7
3.2.1我国PLC的发展8
3.3PLC的系统组成与工作原理8
3.3.1PLC的组成结构8
3.3.2PLC的扫描工作原理9
3.4PLC的发展趋势10
第四章系统的硬件方案与设计11
4.1传感器的选型与设计11
4.1.1集成温度传感器介绍与选型11
4.1.2集成湿度传感器介绍与选型15
4.2PLC的选型与模块配置19
4.2.1PLC的选型原则19
4.2.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点21
4.3显示方案的设计25
4.3.1与LED显示相关的知识25
4.3.2显示方案的设计26
4.4工作电源部分27
第五章系统软件设计29
5.1显示系统主程序29
5.1.1温度读入子程序30
5.1.2湿度读入子程序31
5.1.3显示子程序32
5.1.4实时时钟指令33
5.2程序清单33
结论错误!
未定义书签。
致谢错误!
未定义书签。
附录34
1.主程序梯形图及指令表34
2.时钟初始化子程序0梯形图及指令表37
3.实时时钟读入子程序1梯形图及指令表38
4.温度读入子程序2梯形图及指令表42
5.湿度读入子程序3梯形图及指令表46
6.显示子程序4梯形图及指令表49
7.中断0(调时闪)梯形图及指令表51
8.中断1(报警闪)梯形图及指令表52
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。
1.2基于PLC和LED数码管显示装置的研究现状
当今PLC的发展相当迅速,产品更新换代周期为3年左右,其结构不断改进、功能日益增强、性能价格比越来越高。
目前全世界PLC制造商有200多家,产品有400多个系列。
按地域影响力可以分为三大派,即欧洲产品以西门子(SIEMENS)PLC为代表;美国产品以A-B(Allen-Bradley)PLC为代表;日本产品以欧姆龙(OMRON)和三菱FX系列PLC为代表。
它们在我国均得到了广泛使用。
在我国设备技术改造和国产设备生产中大多使用上述公司的PLC。
在利用PLC进行LED数码管显示方面,目前市场上可供直接利用的LED数显产品主要有两种:
一种通过安装D/A转换模块,输出标准电压/电流信号,供LED数显表直接使用;另一种是利用PLC的输出点,通过BCD码和动态扫描方式直接驱动LED数码管。
前一种方式需要增加价格较高的PLC模拟量输出模块,额外投资较大。
后一种方式构成简洁,因而得到了广泛应用。
在显示数据较少时,采用PLC控制LED直接进行数据显示,可以降低成本,使得数据显示直观.而当要显示的数据较多时,PLC直接进行数据显示,会使得所需PLC输出点数大大增加,同时由于PLC梯形图的局限性,会使得显示程序的编制变得非常复杂.这不仅增大了程序编制的难度,而且增加了程序的执行时间,从而大大地降低了显示速度。
1.3传感器的研究现状
传感器是将非电量信号转化成电信号以实现信息检测的器件。
传统的由分立元件构成的传感器,不仅体积大,不便于安装及维修,而且功能简单,性能指标差,远远满足不了现代科技发展的需要。
集成传感器是采用专门的设计与集成工艺,把构成传感器的敏感元件、晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件,制作在一个芯片上,能完成信号检测及信号处理的集成电路。
因此,集成传感器又被称作传感器集成电路。
随着电子计算机、工业自动化、信息、军事、交通、化工、能源、环保、地球资源开发、宇航及遥感等现代科学技术的发展,对集成传感器的需求量也与日俱增。
目前,集成传感器的应用领域已渗透到国民经济各个部门以及人类的日常生活中。
传感技术对国民经济的发展起着巨大的推动作用。
1.3.1集成温度传感器的研究现状
集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。
其种类很多,大致可分为以下5类:
1、模拟集成温度传感器。
2、模拟集成温度控制器。
3、智能温度传感器。
4、通用智能温度控制器5、微机散热保护专用的智能温度控制器。
集成温度传感器的主要应用领域有以下3个入面:
1.温度测量:
可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。
2.温度控制:
适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。
3.特殊应用:
例如,热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁(仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言)及液晶显示器表面温度监测等。
1.3.2集成湿度传感器的研究现状
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。
湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。
国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入的了解。
现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品,电容式湿敏元件较为多见,感湿材料种类主要为高分子聚合物,氯化锂和金属氧化物。
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
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。
系统显示原理框图如下图2-1所示。
图2-1系统显示原理框图
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。
(7)大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
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的定义
可编程控制器(ProgrammableController,简称PC)是在传统的顺序控制器的基础上,为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。
其功能基本限于开关量逻辑控制,仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能.所以当时称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC)。
由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中,因此对它下一个确切的定义是困难的。
为了使其生产和发展标准化,美国国际电工委员会(IEC)于1982年颁布了可编程序控制器标准草案,1985年提交了第二版,1987年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”由此可见,可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
总之,可编程控制器也是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
3.2PLC的发展
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时,根据汽车制造生产线的需要,希望用电子化的新型控制器替代继电器控制柜,以减少汽车改型时重新设计制造继电器控制柜的成本和时间。
通用汽车公司对新型控制器提出了10项指标,概括起来,PLC的基本设计思想有以下4个方面。
(1)把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便价格便宜等优点结合起来。
(2)控制器的硬件是标淮的、通用的。
(3)根据应用对象、将控制内容编成软件写入控制器的用户程序内存里。
(4)控制器和被控对象连接方便。
随着微处理器和微型计算机技术的发展,70年代中期以后,PLC已广泛地用微处理器作为中央处理器,输入/输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,这时的PLC已不再是仅具有逻辑判断功能,同时还具有数据处理、PID调节和数据通信、联网等功能,总之PLC一直处于快速发展之中。
3.2.1我国PLC的发展
我国PLC产品的研制、生产,大体上经历了从顺序控制器到1位处理器为主体的工业控制器,再到8位微处理器为主体的可编程控制器的三个发展阶段。
1974年,国内一些高校、科研单位开始研制顺序控制器,大多使用分立元件。
随着我国改革开放政策的落实,同时国外PLC人大量进入我国市场,一部分随成套设备进口,一部分直接引进中小型PLC产品(大多为GE公司、西门子公司、三菱公司、立石公司等),开始进入以8位微处理器为核心的PLC时代。
目前,可编程控制器已广泛应用子各个工业领域,并取得了明显的效益。
主要表现出以下特点:
使用低档机型多,中、高档机型少,使用国外进口机型多,国产机型少;使用在经济发达地区多,在经济落后地区少,用于单个设备或生产线的多、大批量产品配套的少。
因此,国产化PLC的前景是令人鼓舞的,我们必须加快PLC国产化步伐,进一步推广PLC应用技术,努力培养相关专业技术人员。
3.3PLC的系统组成与工作原理
3.3.1PLC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。
3.3.2PLC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。
3.4PLC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是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一,它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围,该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。
因而,从使用角度来说, LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处,LM35无需外部校准或微调,可以提供±1/4℃的常用的室温精度,在-55℃~+150℃温度范围内为±3/4℃,LM35,LM35A的额定工作温度范围为-55℃~+150℃,同时LM35C,LM35CA在-40℃~+110℃,LM35D在0.0℃~100.0℃之间。
②LM35系列的封装形式和参数
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℃。
③LM35工作原理
LM35系列的内部框图如图4-3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4-3LM35系列的内部框图
公式(4-1)
④LM35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4-4(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4-4(a)图4-4(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4-7所示,测温范围--55~+150℃。
图4-5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4-6所示.
图4-6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(4-5)
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
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