毕业论文-基于PLC的湿度控制系统

1、毕 业 设 计题目基于PLC的湿度控制系统 学生姓名 学号 系 别 COMMENTS * MERGEFORMAT COMMENTS * MERGEFORMAT COMMENTS * MERGEFORMAT 专 业电气工程及其自动化 班级 开题时间2010年11月26日答辩时间 2011年6月11日指导教师 职 称 基于PLC的湿度控制系统摘要 湿度检测在国防、工业、农业等行业有着非常广泛的应用。利用PLC技术的湿度检测系统凭借其可靠性高、体积小而在工业生产中被广泛应用。本文对PLC控制下的湿度检测系统进行了分析设计。首先，我们简单的介绍了下湿度检测技术的应用领域和发展状况，同时，列举了目前湿度

2、检测所比较常用的方法以及各自所具有的特点。本文重点在于对该湿度检测系统的硬件和软件设计。在硬件设计过程中，比较详细的介绍了各部分电路的功能和特点。然后，对系统中所用的湿度传感器ZHG湿敏电阻、A/D转换芯片ADC0809、松下FP0系列PLC作了简单的介绍。在软件设计过程中，比较详细的绘制了各个模块程序的流程图，详细介绍了各个模块的作用。经过对程序反复的修改，软件系统得到了完善。最后，完成了对整个系统的设计。本系统具有灵敏度高、反映时间短等特点，并且具有小型便携、智能化、可编程等优点，相信本系统具有广泛的应用领域。关键词：PLC，湿度检测，硬件系统，软件系统AbstractHumidity d

3、etection in defense, industry, agriculture and other industries has a very wide range of applications.Using PLC technology, moisture detection system with its high reliability, small size and in industrial production has been widely used.In this paper, PLC controlled humidity detection system analyz

4、ed design.First, we simply introduce the next moisture detection technology applications and development at the same time, citing the current detected by the humidity of the more commonly used methods, and have their respective characteristics.This article focuses on the humidity detection system ha

5、rdware and software design.In the hardware design process, more detailed introduction to the various parts of the circuit functions and features.Then, the system used in the humidity sensor ZHG humidity resistance, A/D converter chip ADC0809, Matsushita FP0 Series PLC made a brief introduction.In th

6、e software design process, the more detailed procedures for each module to draw a flow chart detailing the role of each module.After repeated changes to the program, the software system has been improved.Finally, the completed design of the whole system.The system has high sensitivity, short respons

7、e time characteristics, and has a small portable, intelligent, programmable, etc., I believe this system has a wide range of applications.Keywords: PLC,humiditytesting,hardware system, software system目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295350496 1 绪论1 HYPERLINK l _Toc295350497 1.1 课题背景1 HYPERLINK l

8、_Toc295350498 1.2 课题研究的目的和意义 绪论1.1 课题背景在工农业生产、气象、科研、航天、环保、国防以及我们现代生活的各个方面，环境湿度往往是经常需要进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，测量一个准确的湿度更是至关重要的。除此之外，人们的舒适程度和身体健康还受到空气湿度的直接影响。但是，湿度在常规的环境参数中是最难准确测量的一个参数。这是因为测量温度要比测量湿度简单得多，温度是个独立的被测量，而影响湿度的因素确有很多，比如湿度与大气压、温度呈函数关系等。因此，在常规的方法测量下，湿度的误差可达5%20%，此外，校准湿度也是一个难题。在过去，我们用毛发湿度计或干

9、湿球度计来测量、通过查表得到湿度的方法，在很早以前就无法满足现代科技发展的需求。由于标定后的精度无法保证，干湿球湿度计和普通的湿度计不能用做标定。湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如生产过的MC741HP型湿度校准仪），价格又十分昂贵。本设计就是在此基础是，提出一种基于松下FP0系列PLC控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法。1.2 课题研究的目的和意义一、设计一种测量湿度的简单而准确方法，利用我们常用的电子器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并且，要在此基础上尽量解决条件和环境因数对湿度检测影响的作用以及湿度检测的精确性的问题，。二、在湿度检测的基础上，简单的讨

10、论湿度的显示问题1.3 国内外发展状况早在18世纪，干湿球湿度计就被人类所发明，干湿球湿度计的准确度取决于干球、湿球这两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风的状态下：只有纱布水套、水质、风速等都满足一定的要求时，才能达到要求所规定的准确度。干湿球湿度计的准确度一般只有5一7RH1。干湿球测湿法所采用的是间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度后，经过一定的计算得到湿度值，因此对其工作温度没有非常严格的限制，在高温环境下测量湿度不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护方法相当简单，在实际的使用当中，只需定期给湿球加水及更换湿球的纱布即可。与电子湿度传感器相比，干湿球湿度计不会产生老化或者是精度下

11、降等问题。所以干湿球测湿度计更适合在高温以及恶劣环境的场合使用。后来，又出现使用滴水法测量相对湿度。而电子湿度传感器是在近几十年，特别是在近二十年才迅速发展起来的。生产厂商在湿度传感器生产出厂之前，都要采用标准湿度发生器来逐支标定，由此得到的电子式湿度传感器的准确度非常高，可以达到2一3RH。电子湿度传感技术具有发展快，精确性高，误差小等卓越特性，广泛应用于我们的生产与生活之中。近年来，随着电子芯片集成化、小型化速度的加快以及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测以及的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了

12、有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2总体设计方案2.1 系统的控制特点与性能要求2.1.1 系统控制结构组成 = 1 * GB3 湿度检测电路。用于检测空气的湿度。 = 2 * GB3 数模转换电路。对湿度检测电路产生的电压信号进行数模转换。 = 3 * GB3 电源温压电路。用于对输入的22V交流电压进行变压、整流。 = 4 * GB3 发声电路，用于在湿度超过或低于一定值的时候进行报警 = 5 * GB3 LED显示电路。用于显示湿度。报警发声模块湿度显示模块湿度传感器湿度检测电路数模转换电路松下FP0系列PLC报警发声模块湿度显示模块湿度传感器湿度检测电路数模转换电路松下FP0系

13、列PLC图2.1 系统结构图2.1.2 系统的性能特点（1）自动检测室内空气的湿度。（2）由PLC设定正常空气湿度的最高或最低值，当空气实时湿度高于或者低于设定值时，发声模块会发出警报，通知工作人员。（3）数码管显示当前的湿度。2.2 系统的设计原理该湿度控制系统由湿度检测电路、A/D 转换电路、 PLC控制单元、显示电路、发声报警电路等组成，其中松下FP0系列PLC是整个系统的控制核心。工作原理如下：湿敏电阻在根据空气湿度变化而变化自身阻值，湿度检测电路根据其阻值产生05V的电压，通过A/D转换后，产生八位二进制数，送到运算处理单元PLC中，然后PLC通过软件的运行，将当前湿度信号通过两个七

14、段码显示器显示出来（显示当前相对湿度值），并且处理器通过后台程序的运行，与设定值相比骄傲，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。假设不是，系统就会发出警报：当实时湿度高于最高值或低于最低值的时候，微处理器将使扬声器发声，发出警报，通知工作人员控制空气湿度水平。3 系统的结构设计3.1 电源电路的设计稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节

15、范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：1、定性好，2、输出电阻小，3 、电压温度系数小，4、输出电压纹波小2。我设计的稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生5V，15V。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。首先来介绍一下78XX和79XX的基本情况。78XX和79XX系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX系列为正电压输出稳压器，79XX系列为负电压输出稳压器。除了输出电压极性不

16、同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX系列为例进行介绍。型号78XX/79XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位， 图3.1 78XX引脚图图3.2 78XX和79XX结构图图3.2 78XX接线图图3.4 79XX接线图基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、7812、7815、7905、7912、7915），按图3.5所示设计：图3.5 基本接线图C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长时可以不用，C1、C2一般在（0.11）F，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致

17、引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10F。由此得到稳压电源的设计图3.6图3.6 稳压电源电路在图3.6中A端输出+15V，B端输出+12V，C端输出+5V，D端输出-15V，E端输出-12V、F端输出-5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、PLC电源、A/D转换ADC0809等。3.2 相对湿度电路的设计3.2.1 相对湿度检测电路的原理及结构图相对湿度检测电路框图如图3.7所示：主要包刮4部分：+15V稳压电源；湿敏电阻；放大器；滤波器。输出放大器（A/D）转换 对数放大器兼半波整流温度校正及滤波器输出放大器（A/D）转换 对数放大器

18、兼半波整流温度校正及滤波器湿敏电阻稳压电源湿敏电阻稳压电源图3.7 湿度检测电路原理图其电路图如图3.8所示图3.8 湿度检测电路电路图该湿度检测电路较为简单，主要分为以上四个模块，设计较为简单，且材料较为普遍。通过调节，能够输出一个0-5V的电压信号，便于进行数模转换。3.2.2 湿敏电阻传感器图3.9 电阻值与相对湿度的响应曲线图3.10 电阻值与湿度的对应关系ZHG湿敏电阻以多孔半导体陶瓷材料为感湿体，设置金属电极和引线，其电阻值随环境湿度而变化。其电阻值（R）与相对湿度（RH）的响应曲线如及电阻与湿度的对应关系如图3.9和图3.10所示。该曲线近似为指数曲线，当相对湿度从20%变化到1

19、00%时，电阻值就从7.4M迅速减小到0.964，电阻变化超过6个数量级。因此，构成相对湿度检测时必须进行线性化，才能获得线性输出电压，再送至ADC0809数模转换芯片显示出相应的湿度值。ZGH湿敏电阻的工作温度为0-60，工作湿度为95%RH以下，湿度检测精度5%RH。3.3 转换模块的设计3.3.1 模数转换器介绍数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即 HYPERLINK /view/990260.htm t _blank A/D

20、转换器，简称ADC，它是把连续的 HYPERLINK /view/38288.htm t _blank 模拟信号转变为离散的 HYPERLINK /view/50226.htm t _blank 数字信号的器件。3.3.2 A/D转换器ADC0809ADC0809是一个典型的8位8通道逐次逼近式数模转换芯片，可实现8路模拟信号的分时采集，外接时钟频率一般不高于640 KHz，一次数据转换时间大约为100 s。ADC0809数据采集方式有3种：延时，查询，中断。它们在电路连接和程序编写中都有所不同。在实验中可以选择其中的一种或多种，本文中的电路连接和程序都采用查询方式。图3.11 数模转换模块（

21、一）主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW3。（二）外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.12所示。下面说明各引脚功能。图3.12 ADC0809封装和引脚图IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路AL

22、E：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地4。3.3.3ADC0809与PLC的连接ADC0809的八个输出端由低到高接在P

23、LC的X0-X7输入端口，EOC接在PLC的X30输入端口，具体的应用会在第四章中介绍。3.4 运算处理模块的设计3.4.1 PLC发展历史与特点世界上第一胎PLC是1969年由美国数字设备公司（DEC）生产的。当时工厂中生产线的控制系统都是继电气控制系统，虽然具有简单易懂，操作方便，价格较低的优点，但是硬件设备多，接线复杂。在这种环境下，PLC应运而生。而后，随着生产PLC的国家越来越多，国际上需要对PLC这种装置下一个统一的定义，。1985年，国际电工委员会给PLC下的定义是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻

24、辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC的特点有以下几点。编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品

25、已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。FP0系列PLC有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的

26、设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多8。维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障

27、9。体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多5。3.4.2 松下FP0系列PLC简介及应用FP0是日本松下电工生产的小型PLC，该产品有C14、C16、C24、C40、C56、C72多种规格，形成系列化。虽然是小型机性能价格比却很高，特别适合于中小企业。在这里，我们选择的FP0-C14（X0-X7/Y0-Y5）及扩展单元E8（X30-X33/Y30-Y33）。FP0硬件配置除主机外还可加I/O扩展模块，A/D（模/数转换）、D/A（数/模转换）模块等智能单元。最多可配置几百点，机内有高速计数器，可输入频率高达1

28、0kHz的脉冲，并可同时输入两路脉冲，还可输出频率可调的脉冲信号（晶体管输出型）。该机型具有8个中断源的中断优先权管理。允许输入最小脉冲宽度为0.5ms。可调输入延时滤波功能可以使输入响应时间随外围设备情况而调节，调节范围在1128ms之间。手动拨盘式寄存器功能，可通过调节面板上的电位器，使特殊寄存器DT90409043中的数值在0255间改变，实现从外部进行输入设定。此外，该机型还具有强制置位、强制复位控制功能、口令保护功能、固定扫描时间设定功能、时钟/日历控制功能等。该机配有RS232和RS422接口，可实现PLC与计算机通信，并可直接在计算机上用几种方式编制程序。FP0有190多条功能指

29、令，除基本逻辑运算外还可进行+、-、等四则运算。有8位、16位、32位数字处理功能，并能进行多种码制变换。FP0还有中断、子程序调用、凸轮控制、高速计数、字符打印、步进指令等特殊功能指令6。FP0监控功能很强，可实现梯形图监控、列表继电器监控、动态时序图监控（可同时监控16个I/O点的时序）具有几十条监控命令，多种监控方式。指令和监控结果可用日、英、德、意四种文字显示。另外还有链接单元，例如用于远程信息交换的I/O LINK单元；用于PLC与计算机间通信的CNET适配器7。图3.13 FP0-C24FP0C14性能一览表项目性能及说明主机I/O点数8/6最大可扩展I/O点数54（扩展后）扫描速

30、度1.6s/步程序容量900步存贮器类型EEPROM指令条数126条内部继电器（R）256个特殊内部继电器（R）64个定时器/计数器（T/C）128个数据寄存器（DT）256个系统寄存器（DT）70个索引寄存器（IX、IY）2个字主控指令（MC/MCE）点数16个跳转标记（LBL）个数（用于JP、LOOP指令）32个步进阶数65个子程序个数8个中断个数无输入滤波时间1128ms中断输入点无模拟定时器4串行通信ICHRS232C日历时钟有自诊断功能看门口定时器,电池掉电检测,程序检测3.4.3，PLC与ADC0809的通信ADC0809的A/D转换结果是动态分时轮流输出的八位二进制码，因此它与P

31、LC只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。这里采用并行I/O接口连接，并且为了节省开销，选用了松下FP0-C14（8/6）型号的PLC与E8（4/4）的扩展单元。ADC0809的八位输出端依次接在PLC的X0-X7输入继电器上，EOC接在扩展单元X30输出继电器上。这样，就完成了接线。3.4.4 运算处理模块的功能松下FP0-C14PLC作为计算控制的核心部分主要完成以下功能： = 1 * GB3 根据采集到的湿度信号，通过LED显示湿度值； = 2 * GB3 当室内空气湿度高于之前设定的最高值或者低于之前设定的最低值时，将发出警报，通知工作人员来进行湿度控制，从而打到湿度控制的功

32、能。3.5 显示模块设计3.5.1 LED显示器的介绍LED显示器是由发光二极管组，其结构如图3.14所示，其中7个发光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号。LED显示器共阴极和共阳极两种类型。3.5.2 PLC与LED接口在PLC应用系统中LED显示器有动态和静态两种显示方式。所谓的静态显示方式就是需要在显示的字符各段通过连续的电流，动态显示方式就是需要显示的字符断续通过电流。在这里，我们用的是静态显示方法，Y0-Y3输出继电器分别接个位数码管的译码器，既U2芯片的A-D四位，Y30-Y33输出继电器分别接十位数码管的译码器，既U3芯片的A-D四位。图3.14 显示模块电路图3.6

33、 发声警报模块本电路为PLC驱动的发声警报电路，当PLC的Y4输出继电器置高电平时，扬声器会发出声音，警告工作人员。图3.15 发声报警模块电路图4软件设计4.1编程软件及通信方式介绍4.1.1编程软件：Windows环境下的FPWIN-GR松下FP0系列PLC所用的编程软件为FPWIN-GR。其采用的是经典的Windows界面，具有中文、英文两种版本。由于FPWIN-GR是较新开发出来的软件，并且在不断的更新，其各项功能更趋合理、使用更加方便。特别是FPWIN-GR2.0版本以上的Windows软件，FP0、FP1、FP等机型都能使用。如图4.1所示为FPWIN-GR2.4版的变成界面图4.

34、1 FPWIN-GR2.4程序界面4.1.2PLC与电脑的通信编程电缆是使用PLC的必备工具，视PLC型号有不同的规格。本设计中我们选用的FP0-C14机型，则编程电缆采用的是RS-232C接口的电缆。而由于其接口是RS-232接口，所以直接将PLC与电脑用通信电缆连接即可。4.2系统软件设计4.2.1系统总体设计开始开始读取湿度值读取湿度值是否在设定值范围内是是否在设定值范围内是否否发出警报发出警报显示环境湿度显示环境湿度结束结束图4.2 软件流程图当程序下载完成后，程序开始运行。程序主要分为读取湿度值、判断湿度值、湿度值显示、发出警报等几个部分。各个部分将在下面逐次介绍。4.2.2读取湿度

35、值PLC的X30输入口连接ADC0809数模转换芯片的EOC接口。当数模转换完成后，EOC接口输出高电平，此时开始检测ADC0809的八个输出端所输出的数值。这里所采用的方法是逐个读取，既从输出的最低位XO开始读取。当读取到其输出为高电平时，对某一个通用数据寄存器进行位操作。而由于位操作较为困难，所以这里采用的是使用加法对其进行位操作。如在X0、X2、X7输入继电器上为高电平，其他为低电平时，数据寄存器中的数值要分别加K1、K4、K128（在进行加法运算之前，要先对寄存器进行复位操作）。这样，便读出了ADC0809的输出值，然后进行查表，由此得出了此时空气中的实时湿度。此时查表所得到的值为H00*，*为0-9十个数字，从而省略了之后BCD码转换的步骤。4.2.3湿度值与设定值进行比较在程序下载到PLC之前，我们会通过命令对某一通用数据寄存器进行设定，由此得到设定值。当得到实时湿度之后，将两个寄存器中的值进行比较。若高于最高值或者低于最低值，则对连接发声报警模块的Y4输出继电器置高电平，若在设定值范围内，则跳过此操作。4.2.4显示环境湿度之前通过查表得到环境湿度，由于已经人工进行过BCD码转换，所以这里