機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)-基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)學(xué)校名稱： 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 設(shè) 計(jì) 人： 郝 航 黃金仁指導(dǎo)老師： 龍長(zhǎng)江 梁秀英二一年六月1課題要求及背景意義課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多個(gè)溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫度，要求對(duì)各個(gè)傳感器信號(hào)求平均值并實(shí)時(shí)顯示溫度值，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。設(shè)定恒定溫度為25攝氏度，當(dāng)溫度低于24攝氏度時(shí)控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度高于26攝氏度時(shí)控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)?；赑LC的恒溫控制系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義溫度與人類的生產(chǎn)生活有著密切的聯(lián)系，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度是最常見最基本的參數(shù)，在機(jī)械電子等各類工業(yè)及農(nóng)業(yè)溫室中均廣泛需要對(duì)溫度進(jìn)行的檢測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)控制?？删幊踢壿嬁刂破?

2、PLC)是一種固態(tài)電子裝置，它利用已存入的程序來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)行或工藝的工序。PLC 通過(guò)輸入/輸出（I/O）裝置發(fā)出控制信號(hào)和接受輸入信號(hào)。PLC綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過(guò)輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。2系統(tǒng)簡(jiǎn)介及方案論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)1能夠比較精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，測(cè)溫范圍。2能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)顯示，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。3設(shè)定溫度為25，溫度低于24時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，溫度高于26時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。4設(shè)計(jì)出傳感器的接線電路，LED顯示器的連接

3、電路，PLC接線圖，梯形圖，指令表及元器件的選擇與計(jì)算。2.2 設(shè)計(jì)方案的論證本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示。 本設(shè)計(jì)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(hào)，后接運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）將采集的溫度信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入PLC中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PLC處理輸出控制信號(hào)并顯示。顯示部分采用LED八段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，本設(shè)計(jì)使用了三個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，能夠顯示當(dāng)前環(huán)境溫度平均值，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，并能實(shí)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境的溫度超出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出控制信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作

4、。系統(tǒng)原理框圖如下圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)原理框圖3.系統(tǒng)的硬件方案與設(shè)計(jì)傳感器的選型與設(shè)計(jì)傳感器是本設(shè)計(jì)最重要的部件之一，它的選取好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，非常重要?？紤]到穩(wěn)定性、價(jià)格、自己動(dòng)手實(shí)踐等方面的因素我們決定采用熱敏電阻電路作為溫度傳感器使用。對(duì)于熱敏電阻組成傳感器，需要借助適當(dāng)?shù)碾娐?，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓或電流的變化，才能供后續(xù)電路使用。最常見的轉(zhuǎn)換電路是眾所周知的惠斯頓電橋（簡(jiǎn)稱電橋）。我們?yōu)樘岣哽`敏度采用雙臂電橋的形式。熱敏電阻溫度特性熱敏電阻的Rt-t特性在不太寬的溫度范圍內(nèi)可以用如下公式描述：Rt=R0eB1t-1t0 式3-1式中，Rt、R0分別為溫度為t（K）和t

5、0（K）時(shí)的電阻值；B為熱敏電阻的材料系數(shù)，一般情況下，B=20006000K。若定義1RdRdt 為熱敏電阻的溫度系數(shù)a（即溫度變化1時(shí)電阻值的相對(duì)變化量），則由上式得a=1RdRdt=-Bt2 式3-2例如B值為4000K，當(dāng)（20）時(shí)，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(yán)重，所以在實(shí)際使用時(shí)要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。但在本設(shè)計(jì)測(cè)溫范圍內(nèi)（），阻值和溫度變化可近似看做成線性關(guān)系。溫度特性的線性化處理及測(cè)溫電橋考慮到本恒溫控制系統(tǒng)設(shè)定溫度為24-26，超出此范圍后會(huì)使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作調(diào)整溫度，所以我們將20-30的Rt、Ut隨溫度t變化數(shù)值錄入

6、表格，做出相關(guān)變化圖像，得到非參量數(shù)學(xué)模型，并得出20-30范圍內(nèi)的近似線性關(guān)系的參量數(shù)學(xué)模型。使系統(tǒng)在20-30范圍內(nèi)有較高的精度，忽略其非線性因素造成的影響。取熱敏電阻的材料系數(shù)B=4000K，R0=1000、t0=298.15K（25）得到下表：tRttRttRttRt表3-1熱敏電阻阻值Rt隨溫度t變化數(shù)值圖3-1 熱敏電阻阻值Rt隨溫度t變化曲線由圖3-1及表3-1中數(shù)據(jù)可得到近似線性關(guān)系Rtt=-45.5649t+2139.0728 式3-3圖3-1 非平衡電橋原理圖圖3-1為非平衡電橋原理圖。圖3-1中，Rt1、Rt2為感溫?zé)崦綦娮?，與的橋臂電阻共同組成電橋；Rt阻值隨環(huán)境溫度t

7、的變化而變化。當(dāng)電源輸出電壓Ue 一定時(shí)，非平衡電橋輸出電壓Uot=R-RtR+RtUe 式3-4由上式可知，不同溫度t ,對(duì)應(yīng)不同Uot，這就是非平衡電橋采集溫度的原理。取Ue=5V，tUotUotUotUo1表3-2電橋輸出Uo隨溫度t變化數(shù)值圖3-2電橋輸出Uo隨溫度t變化曲線由圖3-2及表3-3中數(shù)據(jù)及式3-3、式3-4可得到近似線性關(guān)系Uot=0.11t-1.6925 式3-53.2 集成運(yùn)算放大器的選用為了分析方便，理論上要求電橋負(fù)載無(wú)窮大，因此，在設(shè)計(jì)后續(xù)放大電路時(shí)，應(yīng)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(diào)電壓及失調(diào)電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，放大器采用差動(dòng)輸

8、入方式。采用集成OP07運(yùn)算放大器，放大電路如下圖3-3所示。圖3-3 電橋放大電路考慮到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0-5V，故確定放大倍數(shù)為2倍。3.3 PLC模擬量輸入接口設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，考慮到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的高低電平輸出電壓不是精確的0V或5V而是左右或左右，故使用光電耦合器將A/D轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC易于識(shí)別的開關(guān)量信號(hào)，輸入PLC中。如下圖3-4所示。圖3-4 模擬量輸入接口電路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(hào)為TLP521-4 ,一般TLP521的工作電壓為5V ,通過(guò)二極管的典

9、型電流值為16mA。 模擬量經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)化為八位數(shù)字信號(hào),若某一路(D7)為高電平,經(jīng)510 限流電阻后,光電耦合器TLP521的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光,使TLP521另外一端的三極管導(dǎo)通,為保證三極管導(dǎo)通電路中的電流大于4. 5mA能被PLC讀入1信號(hào),且不至于過(guò)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(dǎo)通,三極管截止, PLC讀入0信號(hào)。圖3-4中只畫出數(shù)字信號(hào)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。3.4 PLC輸出接口電路設(shè)計(jì)圖 3-5 PLC外部接線圖PLC輸出端一般是幾個(gè)輸出繼電器共用一個(gè)公共端,以便使用不同的電壓等級(jí),對(duì)

10、于FX1N型PLC,具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:COM0Y0COM1Y1COM2Y2、Y3COM3Y4Y7COM4Y10Y13COM5Y14Y17如圖3-5所示,Y0-Y7輸出為八段數(shù)碼管A-G和小數(shù)點(diǎn)DP，故相對(duì)應(yīng)的COM0-COM3端應(yīng)接24V電源正極。Y10-Y12為三片數(shù)碼管片選信號(hào)，由于數(shù)碼管為共陰極，所以對(duì)應(yīng)COM4應(yīng)接24V電源負(fù)極。Y14、Y15為輸出控制ADC輸入通道選擇信號(hào)，Y16、Y17為電機(jī)控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)COM5應(yīng)接24V電源正極。3.5 顯示方案的設(shè)計(jì)3.5.1 與LED顯示相關(guān)的知識(shí)本系統(tǒng)采用八段LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。LED數(shù)碼管也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管，是目前數(shù)字電路中最

11、常用的顯示器件。八段LED顯示器由七個(gè)發(fā)光段及小數(shù)點(diǎn)位構(gòu)成，每段均是一個(gè)LED二極管，這八個(gè)發(fā)光段分別為A,B,C,D,E,F,G和DP,通過(guò)控制不同段的點(diǎn)亮和熄滅,可顯示16進(jìn)制數(shù)字09和A,B,C,D,E,F,也能顯示H，L，P等字符和小數(shù)。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(yáng)極方式連接后封裝而成的。共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中，各LED二極管的陽(yáng)極被連在一起，使用時(shí)要將它與+5V相連，而把各段的陰極連到器件的相應(yīng)引腳上。當(dāng)要點(diǎn)亮某一段時(shí)，只要將相應(yīng)的引腳（陰極）接低電平。對(duì)于共陰極結(jié)構(gòu)的LED顯示器，陰極連在一起后接地，各陽(yáng)極段接到器件的引腳 上，要想點(diǎn)亮某一段時(shí)，只要將相應(yīng)

12、引腳接高電平。LED顯示器的一個(gè)段發(fā)光時(shí)，通過(guò)該段的平均電流約為10mA20mA。將一個(gè)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(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。LED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極或共陽(yáng)極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（adp）與一個(gè)8位并行口相連。顯示電路中，每一位可獨(dú)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(yīng)的顯示字符。由于每一位由一個(gè)8位輸出口控制段選碼，故在同一時(shí)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N8根I/O口線，占用I/O資源較多。故在位數(shù)較多時(shí)往往采

13、用動(dòng)態(tài)顯示方式。LED動(dòng)態(tài)顯示方式，在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口線控制。8位LED動(dòng)態(tài)顯示電路只需要兩個(gè)8位I/O口。其中一個(gè)控制段選碼，另一個(gè)控制位選。由于所有位的段選碼皆由一個(gè)I/O控制，因此，在每個(gè)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示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)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(yáng)極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)

14、該顯示字符，保持一段時(shí)間，以造成視覺暫留效果。.2 顯示方案的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用八段LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。按共陰極方式連接，使用動(dòng)態(tài)顯示方式。由PLC的Y0-Y7提供段選碼顯示，Y0-Y7由PLC程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CD碼在經(jīng)譯碼程序由Y0-Y7輸出。由Y10-Y12作為片選輸出信號(hào)。每片選中時(shí)間間隔為，造成視覺暫留效果。4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化圖4-1 初始化指令梯形圖PLC系統(tǒng)加電初始化脈沖使寄存器D0-D20全部復(fù)位。輸入通道選擇信號(hào)的產(chǎn)生與輸出由于只有4路信號(hào)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

15、Y14、Y15產(chǎn)生如表3-3的輸出脈沖序列，即可控制ADC0809輸入通道的選擇。在PLC中，由T211和T210兩個(gè)計(jì)時(shí)器產(chǎn)生周期為的方波信號(hào)作為脈沖信號(hào)，通過(guò)移位指令循環(huán)產(chǎn)生00、01、11、10四種信號(hào)，分別接通ADC0809的IN0、IN1、IN3、IN4輸入通道。梯形圖如圖4-2所示脈沖A Y14B Y15000101211310表4-1圖4-2輸入通道選擇信號(hào)的產(chǎn)生與輸出梯形圖數(shù)字信號(hào)的讀入當(dāng)Y14、Y15輸出為00、01、10、11時(shí)，分別將各個(gè)讀入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器D10、D11、D12、D13中，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。梯形圖如圖4-3所示。圖4-3數(shù)字信號(hào)的讀入梯形圖數(shù)字信號(hào)的

16、處理當(dāng)被采集的溫度值轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并被PLC存儲(chǔ)在寄存器中后，需對(duì)四路數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值的計(jì)算，并將平均值（電壓數(shù)字信號(hào)）轉(zhuǎn)化為溫度值才能在八段數(shù)碼管顯示器中顯示。轉(zhuǎn)化依據(jù)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(gè)八位二進(jìn)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(jié)果轉(zhuǎn)變我溫度值，并保留一位小數(shù)?？紤]到小數(shù)的顯示過(guò)于復(fù)雜，我們將得到的結(jié)果擴(kuò)大10倍，轉(zhuǎn)化為整數(shù)顯示，小數(shù)點(diǎn)單獨(dú)顯示，這樣可以簡(jiǎn)化顯示過(guò)程。將各個(gè)過(guò)程綜合并化簡(jiǎn)之后最終得到數(shù)字-溫度轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型：D15=5D10+D11+D12+D13+700+1122 式4-1式中D

17、15指轉(zhuǎn)化之后需要顯示溫度的數(shù)值（當(dāng)前溫度平均值的10倍），D10、D11、D12、D13分別表示四個(gè)溫度輸入通道轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)后存入PLC的值。梯形圖如圖4-4所示。圖4-4數(shù)字信號(hào)處理梯形圖顯示程序數(shù)碼管片選信號(hào)產(chǎn)生程序首先將D0中的數(shù)值轉(zhuǎn)化為BCD碼，然后將個(gè)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所示圖4-5 BCD碼轉(zhuǎn)換梯形圖4.5.2 片選信號(hào)產(chǎn)生及數(shù)據(jù)傳送使用T200、T201、T202三個(gè)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，間隔為，分別選中每片八段數(shù)碼管，并循環(huán)，由于時(shí)間間隔較短，可以產(chǎn)生視覺暫留現(xiàn)象，使人可以看清數(shù)碼管的數(shù)字。每次選中各個(gè)數(shù)碼管時(shí)，同時(shí)將對(duì)應(yīng)位的數(shù)字送

18、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。圖4-6片選信號(hào)產(chǎn)生及數(shù)據(jù)傳送梯形圖4.5.3 BCD譯碼程序譯碼程序?qū)?位BCD碼轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管顯示各個(gè)數(shù)字時(shí)每段所需狀態(tài)，先將每個(gè)數(shù)字顯示時(shí)Y0-Y6的狀態(tài)寫出來(lái)，后來(lái)把它們按邏輯真值表的方式有序地填入一個(gè)表格，與左側(cè)的BCD碼一一對(duì)應(yīng)。如表4-2所示。M33M32M31M30七段碼顯示真值表數(shù)字A Y0B Y1C Y2D Y3E Y4F Y5G Y600000111111000011011000000102110110100113111100101004011001101015101101101106101111101117

19、1110000100081111111100191111011表4-2 七段碼顯示真值表由邏輯代數(shù)根據(jù)真值表可以求得邏輯表達(dá)式：Y0= M32M30+M32M30+M31+M33Y1= M31M30+M31M30+M32Y2= M32+M30+M31Y3= M32M31M30+M32M30+M32M31+ M31M30+M33Y4= M31M30+M32M30Y5= M31M30+M32M31+M32M30+M33Y6= M32M31+M32M31+M31M30+M33式中M30、M31、M32、M33分別表示M30、M31、M32、M33的邏輯非。根據(jù)此邏輯表達(dá)式可以通過(guò)M30、M31、M3

20、2、M33四個(gè)輔助繼電器的通斷來(lái)顯示對(duì)應(yīng)數(shù)值。梯形圖如圖4-7所示。圖4-7 BCD譯碼程序梯形圖4.5.4 電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生程序如圖4-8所示，將平均值信號(hào)與恒溫范圍2426進(jìn)行區(qū)間比較，當(dāng)當(dāng)前溫度平均值小于24時(shí)Y16得電，發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)當(dāng)前溫度平均值大于26時(shí)，Y17得電，發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。梯形圖如圖4-8所示。圖4-8 電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生程序梯形圖參考文獻(xiàn)秦增煌主編 電工學(xué)（第六版）（下冊(cè)） 高等教育出版社魏德仙主編 可編程控制器原理及應(yīng)用 中國(guó)水利水電出版社李希文等編著 傳感器與信號(hào)調(diào)理技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社熊詩(shī)波、黃長(zhǎng)藝主編 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械

21、工藝出版社附錄程序梯形圖及指令表0LDM80021ZRSTD0D206LDX0107ANIT2108OUTT211K511LDT21112OUTT210K515OUTS117LDS118PLSM320LDIY01521ANDX01022OUTM223LDM324ANDX01025SFTLM2Y014K2K134LDX01035ANIY01436ANIY01537MOVK2X000D1042LDY01543ANIY01444MOVK2X000D1149LDIY01550ANDY01451MOVK2X000D1256LDY01557ANDY01458MOVK2X000D1363LDX01064AD

22、DD10D11D1571ADDD15D12D1578ADDD15D13D1585ADDD15K700D1592MULD15K5D1599ADDD15K11D15106DIVD15K22D15113MOVD15D0118LDX010119BCDD0K4M10124OUTM1125LDM1126MOVK1M10D1131MOVK1M14D2136MOVK1M18D3141LDX011142ORT202143ORM40144ANIT200145ANIX012146ANDX010147OUTT200K1150OUTM40151LDT200152ORM41153ANIT201154OUTT201K1157OUTM41158LDT201159ORM42160ANIT202161OUTT202K1164OUTM42165LDM40166MOVD1K1M3017