基于西门子S7200plc的温度和湿度检测和显示

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1、中 文 摘 要摘 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

2、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- III -目 录 目 录 摘 要IAbstract错误！未定义书签。目 录II第一章 引 言11.1 课题的背景和意义11.2 基于PLC和LED数码管显示装置的研究现状11.3 传感器的研究现状21.3.1 集成温度传感器的研究现状21.3.2 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42.

3、1 系统设计主要技术指标与参数42.2 设计方案的论证4第三章 可编程控制器概述73.1 PLC的定义73.2 PLC的发展73.2.1 我国PLC的发展83.3 PLC的系统组成与工作原理83.3.1 PLC的组成结构83.3.2 PLC的扫描工作原理93.4 PLC的发展趋势10第四章 系统的硬件方案与设计114.1 传感器的选型与设计114.1.1 集成温度传感器介绍与选型114.1.2 集成湿度传感器介绍与选型154.2 PLC的选型与模块配置194.2.1 PLC的选型原则194.2.2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点214.3显示方案的设计254.3.1 与LED显示相关的知

4、识254.3.2 显示方案的设计264.4 工作电源部分27第五章 系统软件设计295.1 显示系统主程序295.1.1 温度读入子程序305.1.2 湿度读入子程序315.1.3 显示子程序325.1.4 实时时钟指令335.2 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341.主程序梯形图及指令表342.时钟初始化子程序0梯形图及指令表373.实时时钟读入子程序1梯形图及指令表384.温度读入子程序2梯形图及指令表425.湿度读入子程序3梯形图及指令表466.显示子程序4梯形图及指令表497.中断0（调时闪）梯形图及指令表518.中断1（报警闪）梯形图及指令表52第

5、一章 引 言第一章 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

6、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

7、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

8、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

9、。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

10、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

11、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

12、。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。- 3 -第二章 系统简介及方案论证第二章 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-2555，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

13、、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。温度传感器湿度传感器按钮开关

14、PLC显 示装 置图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1020ms。(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

15、: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

16、，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。- 6 -第三章 可编程控制器概述第三章 可编程控制器概述3.1 PLC的定义可编程控制器（Programmable Controller，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

17、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（Programmable Logic Controller，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

18、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。3.2 PLC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

19、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

20、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

21、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。3.3 PLC的系统组成与工作原理3.3.1 PLC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

22、。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。3.3.2 PLC的扫描工作原理与其它计算机系统相同

23、，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

24、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。3.4 PLC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

25、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。- 10 -第四章 系统的硬件方案与设计第四章 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

26、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LM35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

27、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0.0100.0之间。LM35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430V; (8)小于60A漏泄电流;（9）较低自热

28、，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0.1。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0.1漏泄电流：小于60A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。LM35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

29、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4-3 LM35系列的内部框图 公式（4-1）LM35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：

30、 R=-Us/50A 公式（4-2）举例说明，当Us=+5V,-Us=-5V时，R=100k。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

31、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-2555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-2555 。所以，在实际应用电路中的电压信号的输出量值在-0.25V

32、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。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为空气中干球的摄氏温度()；为水蒸气的气体常数，=461。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（4-6）

33、式中和的单位采用毫巴(mb)时，由马格奴斯经验公式计算饱和水蒸气压力: 公式（4-7）式中=6.1mb。空气中水蒸气分压力按下列公式计算： 公式（4-8）式中：为湿球温度时饱和水蒸汽压力；为干球温度()；为湿球温度()；P为大气压力(mb)；A是与风速v有关，通常按下列公式计算： 公式（4-9）可知，相对湿度为干球温度、湿球温度、风速、大气压力的函数，当大气压力变化不大时，对给定的检测条件V不变，那么只要测得t ，t 即可得相对湿度。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

34、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）。这些产品可分成以下三种类型：线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其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。线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采

35、用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。3.常用的集成湿度传感器主要有：HIH-3610是美国Honeywell公司生产的具有信号处理功能的热固聚

36、酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。工作范围：温度-40+85，相对湿度0%100%RH，精度达到2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为200A，反应时间为15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。HF3223湿度传感器是法国Humirel公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围10%95%RH，精度5%RH，湿度迟滞1.5%RH，温度工作范围-30+80，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s，对

37、化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。HM1500湿度传感器是法国Humirel公司采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，14VDC放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0%100%RH，精度达3%RH（10%95%RH范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。4.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，

38、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：内部包含由

39、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70，适配带ADC的单片机。HM1500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。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。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300A。工作温度范围是-30+60。二、HM15

40、00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4-7。HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线如图4-8。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（4-8）HM1

41、500桥 式振荡电路低 通滤波器放大器 U。 图4-7 HM1500工作原理图4-8 HM1500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4-2。表4-2 HM1500的与RH的对应关系()RH/(%)101520253035404550/V1.3251.4651.6001.7351.8601.9902.1102.2352.360RH/(%)556065707580859095/V2.4802.6052.3702.8602.9903.1253.2603.4053.555当时，可按下式对读数值加以修正： 公式（4-9）4.2 PLC的选型与

42、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、不同型号的产品在功能上有较大的差别。因此如何学用合适的机型至关重要。4.2.1 PLC的选型原则在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑：1.I/O点数估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求有可使系

43、统总投资最低。PLC的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上15%20%的备用量。本设计所占用的I/O点数计算：输入信号：开始按钮，需要一个输入点；停止按钮，需要一个输入点；计数值加1按钮，需一个输入点；计数值减1按钮，需要一个输入点。以上共需要4个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即用420%=1，取1个点，这样共用5个输入点。输出信号：一共要用十七个LED数码管，段选码需要使用8个输出点；位选通信号如果使用74L

44、S138译码器则需要4个输出点；显示“-”的一个数码管需要1个输出点；以上共需要13个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即1320%=2.6，取3个点，这样共用16个输出点。2、用户存储容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、量程结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器占用内存大致如下：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100150B/点；通信接口：一个接口一般需要300B以上；根据上面算出总字数再加上25%左右的备用量，就可以估算出程

45、序所需要的内存量，从而选择合适的PLC内存。本设计所需CPU内存的计算：开关量输入元件5点1020B/点50120B；开关量输出元件：16点510B/点80160B；模拟量：2点100150B/点200300B；总需内存量：330570B；4.2.2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，本设计采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。SIMATIC S7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有

46、多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。1.Siemens S7-200系列PLC特性一、S7-200系列PLC介绍S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动

47、控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，良好的通信能力，丰富的扩展模块。S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。二、Siemens S7-200主要功能模块介绍（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些

48、都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有如下五种不同的结构配置的CPU单元。CPU221它有6输入/4输出，I/0共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点。和CPU 221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7

49、个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多S7-200产品。CPU226它有24输入/16输出，I/0共计40点，和CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型:输入模块、输出模块以及输入/输出模块。为了保证PLC的工作可靠性，在输入

50、模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离、输入保护(浪涌吸收器、旁路二极管、限流电阻)、高频滤波、输入数据缓冲器等。由于PLC要控制的对象有多种，因此输出模块也应根据负载进行选择，有直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为3种:继电器输出型、晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中，从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中;若从与外部电路安全隔离角度看，继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。典型的数字量I/O扩展模块有:输入扩展模块EM221有两种:8点DC、8

51、点AC输入;输出扩展模块EM222有三种:8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种:分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。（3）功能扩展模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块.如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块，在这里主要介绍模拟量输入模块EM231和数字量输出模块DEA300。 EM231模拟量输入扩展模块提供了412位模拟量输入的功能。其内部集成了A/D转换器、放大

52、器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，可用于复杂的控制场合，它能够不用放大器而与传感器直接相连，有4输入模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。 DEA300数字量输出模块，数字量输出模块将内部电平转换为外部处理过程中所需的信号。LED以绿色显示输出状态，输出点数：16；隔离（背板总线）：允许；分组：8；输入电压：额定电压：DC24V；波动电压Vpp：3.6V；范围（包括波动值）：2030V；t10ms时，电压值：50V；输出电流：正常电流：0.5A；短路保护：电子；电路中断引起的电压值 限制于：-48V；电缆长度：非屏蔽：600m；屏蔽：1000m；电流消耗：内部（背板

53、总线）：45 mA；外部（+24V）：110mA；功能（额定状态）：5W；环境温度：工作状态：060；运输及存储：-2575；16点输出 （DC24V，0.5A）。2.本设计PLC的配置本设计选用S7-200系列PLC的CPU的型号为CPU226（24输入/16输出，I/0共计40点）和模拟量输入模块EM231。EM223配置由于本显示系统采用LED进行动态显示，输出信号的动作频率比较高，要求输出响应的速度也非常快，且设计的显示方案需要占用25个输出点，再加上备用的输出点数要占用30个点，因此选用开关量I/O扩展模块EM223，输出方式选用16位晶体管输出。EM231配置 表4-3所示为如何使

54、用DIP开关设置EM231模块。开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。下表中，ON为接通，OFF为断开。表4-3 EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON-5V到+5V2.5mVONOFF-2.5V到+2.5V1.25mVEM231输入数据格式模拟量输入模块的分辨率通常以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示，模拟量输入模块的输入信号经A/D转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值

55、的12位在CPU中的存放格式为最高有效位为符号位：0表示正值数据字，1表示负值数据字。 单极性数据格式：对于单极性数据，其2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位是放在第314位区域，如图4-9所示。这12位数据字的最大值应为-8=32760。EM231模拟量输入模块A/D转换单极性数据格式的全量程范围设置为032000。差值32760-32000=760则用于偏置/增益，由系统完成。由于第15位为0，表示正值数据字。双极性数据字格式：对于双极性数据，存储单元（2个字节）的低4位均为0，数据值12位是存放在第415位区域。最高有效位为符号位，如图4-9所示。双极性数据字格式的全量程反为设

56、置为-32000+32000。MSB LSB15 2 1 0数据值12位单极性数据MSB LSB 15 3 2 1 0数据值12位双极性数据 图4-9 EM231输入数据字格式4.3 显示方案的设计4.3.1 与LED显示相关的知识本设计采用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。七段LED显示器由七个发光段构成，每段均是一个LED二极管，这7个发光段分别为a,b,c,d,e,f和g,通过控制不同段的点亮和熄灭,可显示16进制数字09和A,B,C,D,E,F,也能显示H，L，P等字符。有的产品还有一个小数点DP位段，用来显示小数。LED显

57、示器以发光二极管作为显示发光部件，每段并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10mA20mA。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，通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的

58、段选码互为补数。LED显示器与显示方式: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（adp）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N8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

59、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。4.3.2 显示方案的设计由PLC的Q0.0Q0.7提供段选码显示，再由Q1.0Q1.3接两个74LS1

60、38译码器的A、B、C及控制端。因为74LS138译码器输出的是低电平选通，因此译码后需要连接到集电极开路六高压正相驱动器74LS07输出低电平来驱动16个LED数码管，最后一个数码管是进行温度显示的时候显示“-”表示输出温度为零下几度，这个数码管由输出点Q1.4单独来驱动。PLC74LS07驱动器LED显示器2个74LS138译码器74LS07驱动器74LS06驱动器图4-11 显示方案原理框图显示方案采用74LS138译码器进行I/O口的扩展，把需要的输出点数从25位减少到了13位，从而大大减少了所需要的输出点数，不需要进行额外的I/O口扩展，就能实现十七个LED的动态显示。4.4 工作电源部分+5V电源是本系统不可缺少的部件，对电源的选择设计应遵守三个原则: 首先是功率，即电源提供的电流应是系统所需电流的二倍以上。以保证电路状态突变时有足够的电流供应。其次是干扰，即通过电源进入系统