機電一體化課程設計--基于plc的恒溫控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　機電一體化課程設計</b></p><p>　　基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)</p><p><b>　　二〇一〇年六月</b></p><p>　　1．課題要求及背景意義</p><p><b>　　課題要求</b></p><p

2、>　　設計一個基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多個溫度傳感器檢測室內溫度，要求對各個傳感器信號求平均值并實時顯示溫度值，精確到小數點后一位。設定恒定溫度為25攝氏度，當溫度低于24攝氏度時控制電動機正轉，當溫度高于26攝氏度時控制電動機反轉。</p><p>　　基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)的現實意義</p><p>　　溫度與人類的生產生活有著密切的聯系，在工農業(yè)生產中溫度是最常見最

3、基本的參數，在機械電子等各類工業(yè)及農業(yè)溫室中均廣泛需要對溫度進行的檢測并進行相應控制。</p><p>　　可編程邏輯控制器(PLC)是一種固態(tài)電子裝置，它利用已存入的程序來控制機器的運行或工藝的工序。PLC 通過輸入/輸出（I/O）裝置發(fā)出控制信號和接受輸入信號。PLC綜合了計算機和自動化技術，不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量

4、和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。</p><p>　　2．系統(tǒng)簡介及方案論證</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計主要技術指標與參數</p><p>　　1．能夠比較精確地實現對環(huán)境溫度的檢測，測溫范圍15.9℃～39.1℃。</p><p>　　2．能實現環(huán)境溫濕度的實時顯示，精確到小數點后一位。</p><

5、p>　　3．設定溫度為25℃，溫度低于24℃時電動機正轉，溫度高于26℃時電動機反轉。</p><p>　　4．設計出傳感器的接線電路，LED顯示器的連接電路，PLC接線圖，梯形圖，指令表及元器件的選擇與計算。</p><p>　　2.2 設計方案的論證</p><p>　　本設計主要以三菱FX1N-40MR系列可編程控制器（PLC）為主要的控制元件，實現對環(huán)

6、境的溫度進行實時檢測和顯示。 本設計利用由熱敏電阻及普通電阻組成的雙臂電橋作為溫度傳感器采集溫度信號，后接運算放大器進行信號放大，并經過數模轉換器（ADC）將采集的溫度信號由模擬量轉換為數字量輸入PLC中數據經過PLC處理輸出控制信號并顯示。顯示部分采用LED八段數碼管進行顯示，本設計使用了三個LED數碼管進行顯示，能夠顯示當前環(huán)境溫度平均值，精確到小數點后一位，并能實現當環(huán)境的溫度超出設定范圍時發(fā)出控制信號控制電動機進行相應的動作。&

7、lt;/p><p>　　系統(tǒng)原理框圖如下圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.系統(tǒng)的硬件方案與設計</p><p>　　3.1傳感器的選型與設計</p><p>　　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?？紤]到穩(wěn)定性、價格、自己動手實踐等方面的因

8、素我們決定采用熱敏電阻電路作為溫度傳感器使用。對于熱敏電阻組成傳感器，需要借助適當的電路，將電阻的變化轉換為相應電壓或電流的變化，才能供后續(xù)電路使用。最常見的轉換電路是眾所周知的惠斯頓電橋（簡稱電橋）。我們?yōu)樘岣哽`敏度采用雙臂電橋的形式。</p><p>　　3.1.1熱敏電阻溫度特性</p><p>　　熱敏電阻的特性在不太寬的溫度范圍內可以用如下公式描述：</p><

9、;p><b>　　式3-1</b></p><p>　　式中，分別為溫度為t（K）和時的電阻值；B為熱敏電阻的材料系數，一般情況下，B=2000~6000K。</p><p>　　若定義 為熱敏電阻的溫度系數a（即溫度變化1℃時電阻值的相對變化量），則由上式得</p><p><b>　　式3-2</b></p

10、><p>　　例如B值為4000K，當t=293.15K（20℃）時，熱敏電阻的a=4.7%/℃，由上式可見，a隨溫度的降低而迅速增大，由于熱敏電阻非線性嚴重，所以在實際使用時要對其進行線性化處理。但在本設計測溫范圍內（15.9℃-39.1℃），阻值和溫度變化可近似看做成線性關系。</p><p>　　3.1.2溫度特性的線性化處理及測溫電橋</p><p>　　考慮到

11、本恒溫控制系統(tǒng)設定溫度為24℃-26℃，超出此范圍后會使電動機進行相應的動作調整溫度，所以我們將20℃-30℃的隨溫度t變化數值錄入表格，做出相關變化圖像，得到非參量數學模型，并得出20℃-30℃范圍內的近似線性關系的參量數學模型。使系統(tǒng)在20℃-30℃范圍內有較高的精度，忽略其非線性因素造成的影響。</p><p>　　取熱敏電阻的材料系數B=4000K，、得到下表：</p><p>　

12、　表3-1熱敏電阻阻值隨溫度t變化數值</p><p>　　圖3-1 熱敏電阻阻值隨溫度t變化曲線</p><p>　　由圖3-1及表3-1中數據可得到近似線性關系</p><p><b>　　式3-3</b></p><p>　　圖3-1 非平衡電橋原理圖</p><p>　　圖3-1為非平衡電

13、橋原理圖。圖3-1中，Rt1、Rt2為感溫熱敏電阻，與1.5KΩ的橋臂電阻共同組成電橋；阻值隨環(huán)境溫度t的變化而變化。</p><p>　　當電源輸出電壓Ue 一定時，非平衡電橋輸出電壓</p><p><b>　　式3-4</b></p><p>　　由上式可知，不同溫度t ,對應不同，這就是非平衡電橋采集溫度的原理。取，R=1.5KΩ<

14、;/p><p>　　表3-2電橋輸出隨溫度t變化數值</p><p>　　圖3-2電橋輸出隨溫度t變化曲線</p><p>　　由圖3-2及表3-3中數據及式3-3、式3-4可得到近似線性關系</p><p><b>　　式3-5</b></p><p>　　3.2 集成運算放大器的選用</p&

15、gt;<p>　　為了分析方便，理論上要求電橋負載無窮大，因此，在設計后續(xù)放大電路時，應盡量提高放大器的輸入阻抗。為了提高放大器的共模抑制能力，降低失調電壓及失調電流對測量結果的影響，放大器采用差動輸入方式。</p><p>　　采用集成OP07運算放大器，放大電路如下圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 電橋放大電路</p><p>　　考慮

16、到A/D轉換器的輸入電壓為0-5V，故確定放大倍數為2倍。</p><p>　　3.3 PLC模擬量輸入接口設計</p><p>　　本系統(tǒng)采用ADC0809模數轉換器，考慮到數模轉換器的高低電平輸出電壓不是精確的0V或5V而是0.3V左右或4.7V左右，故使用光電耦合器將A/D轉換輸出信號轉變?yōu)镻LC易于識別的開關量信號，輸入PLC中。如下圖3-4所示。</p><p

17、>　　圖3-4 模擬量輸入接口電路</p><p>　　ADC0809正常工作需要采用1M的有源晶振,接到CLOCK端，圖中不再給出。在輸入接口電路中用到的光電耦合器型號為TLP521-4 ,一般TLP521的工作電壓為5V ,通過二極管的典型電流值為16mA。 模擬量經ADC0809轉化為八位數字信號,若某一路(D7)為高電平,經510Ω 限流電阻后,光電耦合器TLP521的發(fā)光二極管導通發(fā)光,使TLP5

18、21另外一端的三極管導通,為保證三極管導通電路中的電流大于4. 5mA能被PLC讀入1信號,且不至于過大燒壞三極管,接入3K限流電阻。若為低電平,發(fā)光二極管不導通,三極管截止, PLC讀入0信號。圖3-4中只畫出數字信號從D7路到PLC的X7輸入端的電路,剩下七路的電路與D7路的一樣,這里就不再給出。</p><p>　　3.4 PLC輸出接口電路設計</p><p>　　圖 3-5 PL

19、C外部接線圖</p><p>　　PLC輸出端一般是幾個輸出繼電器共用一個公共端,以便使用不同的電壓等級,對于FX1N型PLC,具體對應關系如下:</p><p>　　COM0—Y0　COM1—Y1</p><p>　　COM2—Y2、Y3</p><p>　　COM3—Y4～Y7</p><p>　　COM4—Y10

20、～Y13</p><p>　　COM5—Y14～Y17</p><p>　　如圖3-5所示,Y0-Y7輸出為八段數碼管A-G和小數點DP，故相對應的COM0-COM3端應接24V電源正極。Y10-Y12為三片數碼管片選信號，由于數碼管為共陰極，所以對應COM4應接24V電源負極。Y14、Y15為輸出控制ADC輸入通道選擇信號，Y16、Y17為電機控制信號，對應COM5應接24V電源正極。&

21、lt;/p><p>　　3.5 顯示方案的設計</p><p>　　3.5.1 與LED顯示相關的知識</p><p>　　本系統(tǒng)采用八段LED數碼管進行數據的動態(tài)顯示。LED數碼管也稱半導體數碼管，是目前數字電路中最常用的顯示器件。八段LED顯示器由七個發(fā)光段及小數點位構成，每段均是一個LED二極管，這八個發(fā)光段分別為A,B,C,D,E,F,G和DP,通過控制不同段的

22、點亮和熄滅,可顯示16進制數字0～9和A,B,C,D,E,F,也能顯示H，L，P等字符和小數。</p><p>　　LED顯示器以發(fā)光二極管作為顯示發(fā)光部件，每段按共陰極方式或共陽極方式連接后封裝而成的。共陽極結構中，各LED二極管的陽極被連在一起，使用時要將它與+5V相連，而把各段的陰極連到器件的相應引腳上。當要點亮某一段時，只要將相應的引腳（陰極）接低電平。對于共陰極結構的LED顯示器，陰極連在一起后接地，各

23、陽極段接到器件的引腳 上，要想點亮某一段時，只要將相應引腳接高電平。LED顯示器的一個段發(fā)光時，通過該段的平均電流約為10mA～20mA。</p><p>　　將一個8位并行輸出口與顯示器的發(fā)光二極管引腳相連，8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數據即可獲得不同的數字或字符。</p><p>　　LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式。</p><p>　　LED顯示器工

24、作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極或共陽極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（a～dp）與一個8位并行口相連。顯示電路中，每一位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。由于每一位由一個8位輸出口控制段選碼，故在同一時間里每一位顯示字符可以各不相同。N位靜態(tài)顯示器要求有N×8根I/O口線，占用I/O資源較多。故在位數較多時往往采用動態(tài)顯示方式。</p><p>　　LED動態(tài)

25、顯示方式，在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點分別由相應的I/O口線控制。</p><p>　　8位LED動態(tài)顯示電路只需要兩個8位I/O口。其中一個控制段選碼，另一個控制位選。由于所有位的段選碼皆由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，8位LED只可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯

26、示相應字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，共陽極送高電平）以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位顯示該位應該顯示字符，保持一段時間，以造成視覺暫留效果。</p><p>　　3.5.2 顯示方案的設計</p><p>　　本系統(tǒng)采用八段LED數碼管進行數據的動態(tài)顯示。按共陰極方式連接，使用動態(tài)顯示方式。由PLC的Y0

27、-Y7提供段選碼顯示，Y0-Y7由PLC程序將數據轉變?yōu)锽CD碼在經譯碼程序由Y0-Y7輸出。由Y10-Y12作為片選輸出信號。每片選中時間間隔為0.01S，造成視覺暫留效果。</p><p><b>　　4.系統(tǒng)的軟件設計</b></p><p><b>　　4.1系統(tǒng)初始化</b></p><p>　　圖4-1 初始化

28、指令梯形圖</p><p>　　PLC系統(tǒng)加電初始化脈沖使寄存器D0-D20全部復位。</p><p>　　4.2輸入通道選擇信號的產生與輸出</p><p>　　由于只有4路信號需要輸入ADC0809,所以將ADC0809地址輸入端口C置0，端口A、B分別接PLC輸出端口Y14、Y15。在PLC中Y14、Y15產生如表3-3的輸出脈沖序列，即可控制ADC0809輸

29、入通道的選擇。在PLC中，由T211和T210兩個計時器產生周期為0.1S的方波信號作為脈沖信號，通過移位指令循環(huán)產生00、01、11、10四種信號，分別接通ADC0809的IN0、IN1、IN3、IN4輸入通道。梯形圖如圖4-2所示</p><p>　　圖4-2輸入通道選擇信號的產生與輸出梯形圖</p><p>　　4.3數字信號的讀入</p><p>　　當Y1

30、4、Y15輸出為00、01、10、11時，分別將各個讀入的數據存儲在寄存器D10、D11、D12、D13中，以便后續(xù)的數據處理。梯形圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3數字信號的讀入梯形圖</p><p>　　4.4數字信號的處理</p><p>　　當被采集的溫度值轉化成數字信號并被PLC存儲在寄存器中后，需對四路數據進行求平均值的計算，并將平均值（電

31、壓數字信號）轉化為溫度值才能在八段數碼管顯示器中顯示。轉化依據即為表3-1、表3-2、圖3-1、圖3-2、式3-3、式3-4、式3-5。首先將四個八位二進制序列相加求平均值，然后逆向使用式3-3、式3-4、式3-5，將結果轉變我溫度值，并保留一位小數?？紤]到小數的顯示過于復雜，我們將得到的結果擴大10倍，轉化為整數顯示，小數點單獨顯示，這樣可以簡化顯示過程。將各個過程綜合并化簡之后最終得到數字-溫度轉化的數學模型：</p>

32、<p><b>　　式4-1</b></p><p>　　式中指轉化之后需要顯示溫度的數值（當前溫度平均值的10倍），分別表示四個溫度輸入通道轉化數字信號后存入PLC的值。</p><p>　　梯形圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4數字信號處理梯形圖</p><p><b>　　4.5

33、顯示程序</b></p><p>　　4.5.1數碼管片選信號產生程序</p><p>　　首先將D0中的數值轉化為BCD碼，然后將個位、十位、百位分開，并分別存放在寄存器D1、D2、D3中。梯形圖如圖4-5所示</p><p>　　圖4-5 BCD碼轉換梯形圖</p><p>　　4.5.2 片選信號產生及數據傳送</p&

34、gt;<p>　　使用T200、T201、T202三個計時器計時，間隔為0.01S，分別選中每片八段數碼管，并循環(huán)，由于時間間隔較短，可以產生視覺暫留現象，使人可以看清數碼管的數字。每次選中各個數碼管時，同時將對應位的數字送入譯碼程序所需的輔助繼電器譯碼，并顯示。梯形圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6片選信號產生及數據傳送梯形圖</p><p>　　4.5.3

35、BCD譯碼程序</p><p>　　譯碼程序將4位BCD碼轉換為七段數碼管顯示各個數字時每段所需狀態(tài)，先將每個數字顯示時Y0-Y6的狀態(tài)寫出來，后來把它們按邏輯真值表的方式有序地填入一個表格，與左側的BCD碼一一對應。如表4-2所示。</p><p>　　表4-2 七段碼顯示真值表</p><p>　　由邏輯代數根據真值表可以求得邏輯表達式：</p>

36、<p>　　Y0= M32'M30'+M32M30+M31+M33</p><p>　　Y1= M31'M30'+M31M30+M32'</p><p>　　Y2= M32+M30+M31'</p><p>　　Y3= M32M31'M30+M32'M30'+M32'M31+

37、M31M30'+M33</p><p>　　Y4= M31M30'+M32'M30'</p><p>　　Y5= M31'M30'+M32M31'+M32M30'+M33</p><p>　　Y6= M32'M31+M32M31'+M31M30'+M33</p>&

38、lt;p>　　式中M30'、M31'、M32'、M33'分別表示M30、M31、M32、M33的邏輯非。根據此邏輯表達式可以通過M30、M31、M32、M33四個輔助繼電器的通斷來顯示對應數值。梯形圖如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 BCD譯碼程序梯形圖</p><p>　　4.5.4 電機控制信號產生程序</p><

39、p>　　如圖4-8所示，將平均值信號與恒溫范圍24℃～26℃進行區(qū)間比較，當當前溫度平均值小于24℃時Y16得電，發(fā)出控制信號驅動電動機正轉，當當前溫度平均值大于26℃時，Y17得電，發(fā)出控制信號驅動電動機反轉。梯形圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 電機控制信號產生程序梯形圖</p><p><b>　　參考文獻</b></p>&

40、lt;p>　　秦增煌主編 《電工學（第六版）》（下冊） 高等教育出版社</p><p>　　魏德仙主編 《可編程控制器原理及應用》 中國水利水電出版社</p><p>　　李希文等編著 《傳感器與信號調理技術》 西安電子科技大學出版社</p><p>　　熊詩波、黃長藝主編 《機械工程測試技術基礎》 機械工藝出版社</p><