论文部分内容阅读
摘要：随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
关键词：温度控制；传感器；可编程逻辑控制器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 14-0050-02
一、系统硬件设计
计算机工作的外围电路设备
（一）温度传感器
温度传感器采用补偿型NTC热敏电阻其主要性能如下：补偿型NTC热敏电阻 B值误差范围小，对于阻值误差范围在5％的产品，其一致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。
（二）RS-232-C接口电路
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。?在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同?的设备可以方便地连接起来进行通讯。?RS-232-C接口（又称?EIA?RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、?调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标?准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间?串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的?DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信?号的电平加以规定。
（三）继电器
继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。
继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和PCI16F877A单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制
二、PLC的基本结构
而后可编程逻辑控制器经过了几十年的发展，从最初的第一代产品发展到现在的第四代产品，在工业领域已做到全面的普及，在百分之八十的行业中百分之八十的设备均采用可编程逻辑控制器进行控制。
使用可编程逻辑控制器实施控制，其实质就是按照一定的算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。其中物理实现是PLC与通过的微型计算机相区别之处，它需要考虑实际控制的需要，在工业现场会有很多干扰信号，这些干扰信号都需要排除，同时输出信号还要放大到工业控制中的要求，可以在实际的控制系统中方便使用。从结构上划分，可编程逻辑控制器可以分为固定式和模块式两种。它们的组成分别如下图2.1所示。
2.1 可编程逻辑控制器基本结构
三、FX1S-30MR型PLC
经过几十年的发展，PLC的种类繁多，有西门子、三菱等一系列产品。本文采用的是FX1S-30MR型PLC。
（一）使用环境规格
任何一种设备都是只有在一定的环境条件下才能够正常工作情况。FX1S-30MR型PLC正常工作时的环境要求不高，因此应用范围非常广泛，保证了系统的稳定性。
对于温度的要求，温度适应范围很广，在0-55摄氏度的温度下都可以使用，保存时温度范围更广，-20-70摄氏度的范围内都可以。对于相对湿度的要求，百分之36-85的范围，只要不结露即可使用。在耐震性上，符合JISC0040标准。耐冲击性符合JISC0041标准，147m/s2作用时间11ms的正弦半波脉冲在X、Y、Z三方向各三次。对于耐噪声性，噪声电压可达1000VP。同时可耐受1500V电压一分钟，绝缘电阻在5M以上，符合JEM-1021标准。
从上面的环境规格中我们可以看出，FX1S-30MR型PLC非常适合应用在自动冲水系统的环境中。
（二）性能规格
FX1S-30MR型PLC采用存储程序反复运算方式的运算控制方式，中间加有中断指令。对输入输出采用批处理方式，具有脉冲捕捉功能。编程语言使用的是继电器符号方式与步进梯形图相结合的方式。可内置2K的EEPROM，就不需要后背的存储器了。它具有27个顺序指令，2个步进梯形图指令，85种共167个应用指令。基本指令的运算处理速度可达，应用指令在左右。
它一共有16个输入点，分别为，采用8进制进行编号；有14个输出点，也是采用8进制进行编号，分别为。定时器延迟时设置在打开状态，有ms、ms、ms三种状态。计数器有16位增模式、16位保持模式、32位高速双向模式三种。数据寄存器有128点的16位通用、128点的16位保持、1500点的文件寄存器、256点的16位特殊寄存器及16点的16位变址寄存器。在使用时是使用其中的一对，组成32位寄存器。
四、系统整体结构
控制器的硬件设计是软件编写的基础，主要包括了电源、信号采集按钮、水位检测开关、进水和出水电磁阀、状态指示灯等。
控制器主要分为6个功能模块：
电源：其主要功能是为系统提供电能。FX1S-30MR型号的三菱PLC的电源部分分为交流供电和直流供电两种，在该设计中才用的是交流供电的PLC。
信号采集按钮：该部分的主要作用是输入指令的采集。其中包括手动模式、自动模式、启动、停止、进水阀点动开启和出水阀点动开启指令。 水位检测开关：其主用作用检测水位的变化。水位低检测开关和水箱满检测开关，都是常开形式的。在水位高于下限时，水位低检测开关是接通；在水位低于下限时，水位低检测开关断开。水箱满检测开关的动作形式同水位低检测开关的工作形式相同。
进水电磁阀：其功能是控制进水阀的开启与关断。在其输出有效时，进水阀接通，水箱开始进水。
出水电磁阀：其功能与进水阀相似，用来控制出水阀的开启和关断。在其输出有效时，出水阀接通，开始冲水。
信号指示灯：该部分用来指示系统所处的工作状态。主要包括手动模式和自动模式指示、水位低指示、水箱满指示、水箱满指示、正在冲水指示以及上电指示。通过观察信号指示灯就可以知道，自动冲水系统所处的工作状态。
五、硬件电路设计
FX1S-30MR型号的三菱PLC输入端采用的是低电平导通形式，如图4.2所示。通过图4.2我可以看出，指令采集按钮部分与COM端相连，即可构成输入回路。输入端子和COM端子之间无电压或者NPN开集电极晶体管连接时，则输入为NO，输入端LED指示灯亮。可编程控制器内部，置有数字滤波器，滤波时间可以根据特殊寄存器进行设置，X000-X007为D8020，X010-X017为D8121，滤波时间可以在0~15ms的范围内变更。
外部电源可以是交流和直流两种，电压等级交流AC250V以下，直流DC30V以下。最大电阻负载2A/点，感性负载80VA，灯负载100W。继电器型输出回路的每个COM单元可以驱动不同电源电压系统（例如：AC220V，AC127V，DC24）的负载。输出继电器的线圈通电或切断，到输出接点为ON或OFF的响应时间都是约10ms。
六、自动冲水系统工作流程
自动冲水系统操作流程如下所述：
1.系统上电后，观察上电指示灯状态。上电指示灯亮，表明系统供电正常，否则应该检查系统供电回路。
2.观察准备好指示灯状态。只有在准备好指示灯点亮的情况下，才可以进入自动模式，否则应该在手动模式下，通过手动控制进水阀接通，向水箱注水，在水箱水位脱离“水位低”状态时，准好指示灯亮，此时可以进入自动状态工作。
3.手动模式指示灯亮时，表明系统工作在手动模式下。手动模式主要用来系统的调试，进水阀和出水阀分别由按钮控制，即按下进水或出水按钮时，进水阀或出水阀能独立“点动”工作。手动模式的退出，可以通过停止按钮实现。
4.自动模式指示灯亮时，表明系统工作在自动模式下。进入自动模式后，首先检测水箱水位，在“水位低”时，进水电磁阀接通，该状态一直持续到“水箱满”，一旦检测到“水箱满”状态时，进水电磁阀关断；系统进入自动模式时，定时30min自动开启，到达动作时间时，出水电磁阀接通，开始冲水，并在延时10s后，自动断开，开始下一次计时。自动模式的退出，可以通过停止按钮实现。
5.水位低和水箱满指示灯用来指示水箱水位所处的状态。
七、总结
本文设计的自动冲水系统因为时间有限，设计中也存在着一些不足之处，有待进一步改进提高。
1.水箱每次冲水量的大小没有进行科学的计算，水作为珍贵的地球资源，如何最高效的利用水资源是一个值得研究的课题。可以通过数学建立模型，分析水箱体积多大时可用最少的水达到最好的冲洗效果。
2.自动冲水系统水箱中的水都是干净的水，能否设计一款水循环系统连接在自动冲水系统上，在一座建筑物或一个区域内将使用过的水处理后循环作为自动冲洗系统的水来源。
这些在自动冲水系统中改进之后，必将大大提高自动冲水系统的工作性能，同时达到降低成本、节约资源的目的。
参考文献：
[1]郭艳萍.电气控制与PLC应用[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[2]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]高静.电机拖动技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[4]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
关键词：温度控制；传感器；可编程逻辑控制器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 14-0050-02
一、系统硬件设计
计算机工作的外围电路设备
（一）温度传感器
温度传感器采用补偿型NTC热敏电阻其主要性能如下：补偿型NTC热敏电阻 B值误差范围小，对于阻值误差范围在5％的产品，其一致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。
（二）RS-232-C接口电路
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。?在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同?的设备可以方便地连接起来进行通讯。?RS-232-C接口（又称?EIA?RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、?调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标?准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间?串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的?DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信?号的电平加以规定。
（三）继电器
继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。
继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和PCI16F877A单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制
二、PLC的基本结构
而后可编程逻辑控制器经过了几十年的发展，从最初的第一代产品发展到现在的第四代产品，在工业领域已做到全面的普及，在百分之八十的行业中百分之八十的设备均采用可编程逻辑控制器进行控制。
使用可编程逻辑控制器实施控制，其实质就是按照一定的算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。其中物理实现是PLC与通过的微型计算机相区别之处，它需要考虑实际控制的需要，在工业现场会有很多干扰信号，这些干扰信号都需要排除，同时输出信号还要放大到工业控制中的要求，可以在实际的控制系统中方便使用。从结构上划分，可编程逻辑控制器可以分为固定式和模块式两种。它们的组成分别如下图2.1所示。
2.1 可编程逻辑控制器基本结构
三、FX1S-30MR型PLC
经过几十年的发展，PLC的种类繁多，有西门子、三菱等一系列产品。本文采用的是FX1S-30MR型PLC。
（一）使用环境规格
任何一种设备都是只有在一定的环境条件下才能够正常工作情况。FX1S-30MR型PLC正常工作时的环境要求不高，因此应用范围非常广泛，保证了系统的稳定性。
对于温度的要求，温度适应范围很广，在0-55摄氏度的温度下都可以使用，保存时温度范围更广，-20-70摄氏度的范围内都可以。对于相对湿度的要求，百分之36-85的范围，只要不结露即可使用。在耐震性上，符合JISC0040标准。耐冲击性符合JISC0041标准，147m/s2作用时间11ms的正弦半波脉冲在X、Y、Z三方向各三次。对于耐噪声性，噪声电压可达1000VP。同时可耐受1500V电压一分钟，绝缘电阻在5M以上，符合JEM-1021标准。
从上面的环境规格中我们可以看出，FX1S-30MR型PLC非常适合应用在自动冲水系统的环境中。
（二）性能规格
FX1S-30MR型PLC采用存储程序反复运算方式的运算控制方式，中间加有中断指令。对输入输出采用批处理方式，具有脉冲捕捉功能。编程语言使用的是继电器符号方式与步进梯形图相结合的方式。可内置2K的EEPROM，就不需要后背的存储器了。它具有27个顺序指令，2个步进梯形图指令，85种共167个应用指令。基本指令的运算处理速度可达，应用指令在左右。
它一共有16个输入点，分别为，采用8进制进行编号；有14个输出点，也是采用8进制进行编号，分别为。定时器延迟时设置在打开状态，有ms、ms、ms三种状态。计数器有16位增模式、16位保持模式、32位高速双向模式三种。数据寄存器有128点的16位通用、128点的16位保持、1500点的文件寄存器、256点的16位特殊寄存器及16点的16位变址寄存器。在使用时是使用其中的一对，组成32位寄存器。
四、系统整体结构
控制器的硬件设计是软件编写的基础，主要包括了电源、信号采集按钮、水位检测开关、进水和出水电磁阀、状态指示灯等。
控制器主要分为6个功能模块：
电源：其主要功能是为系统提供电能。FX1S-30MR型号的三菱PLC的电源部分分为交流供电和直流供电两种，在该设计中才用的是交流供电的PLC。
信号采集按钮：该部分的主要作用是输入指令的采集。其中包括手动模式、自动模式、启动、停止、进水阀点动开启和出水阀点动开启指令。 水位检测开关：其主用作用检测水位的变化。水位低检测开关和水箱满检测开关，都是常开形式的。在水位高于下限时，水位低检测开关是接通；在水位低于下限时，水位低检测开关断开。水箱满检测开关的动作形式同水位低检测开关的工作形式相同。
进水电磁阀：其功能是控制进水阀的开启与关断。在其输出有效时，进水阀接通，水箱开始进水。
出水电磁阀：其功能与进水阀相似，用来控制出水阀的开启和关断。在其输出有效时，出水阀接通，开始冲水。
信号指示灯：该部分用来指示系统所处的工作状态。主要包括手动模式和自动模式指示、水位低指示、水箱满指示、水箱满指示、正在冲水指示以及上电指示。通过观察信号指示灯就可以知道，自动冲水系统所处的工作状态。
五、硬件电路设计
FX1S-30MR型号的三菱PLC输入端采用的是低电平导通形式，如图4.2所示。通过图4.2我可以看出，指令采集按钮部分与COM端相连，即可构成输入回路。输入端子和COM端子之间无电压或者NPN开集电极晶体管连接时，则输入为NO，输入端LED指示灯亮。可编程控制器内部，置有数字滤波器，滤波时间可以根据特殊寄存器进行设置，X000-X007为D8020，X010-X017为D8121，滤波时间可以在0~15ms的范围内变更。
外部电源可以是交流和直流两种，电压等级交流AC250V以下，直流DC30V以下。最大电阻负载2A/点，感性负载80VA，灯负载100W。继电器型输出回路的每个COM单元可以驱动不同电源电压系统（例如：AC220V，AC127V，DC24）的负载。输出继电器的线圈通电或切断，到输出接点为ON或OFF的响应时间都是约10ms。
六、自动冲水系统工作流程
自动冲水系统操作流程如下所述：
1.系统上电后，观察上电指示灯状态。上电指示灯亮，表明系统供电正常，否则应该检查系统供电回路。
2.观察准备好指示灯状态。只有在准备好指示灯点亮的情况下，才可以进入自动模式，否则应该在手动模式下，通过手动控制进水阀接通，向水箱注水，在水箱水位脱离“水位低”状态时，准好指示灯亮，此时可以进入自动状态工作。
3.手动模式指示灯亮时，表明系统工作在手动模式下。手动模式主要用来系统的调试，进水阀和出水阀分别由按钮控制，即按下进水或出水按钮时，进水阀或出水阀能独立“点动”工作。手动模式的退出，可以通过停止按钮实现。
4.自动模式指示灯亮时，表明系统工作在自动模式下。进入自动模式后，首先检测水箱水位，在“水位低”时，进水电磁阀接通，该状态一直持续到“水箱满”，一旦检测到“水箱满”状态时，进水电磁阀关断；系统进入自动模式时，定时30min自动开启，到达动作时间时，出水电磁阀接通，开始冲水，并在延时10s后，自动断开，开始下一次计时。自动模式的退出，可以通过停止按钮实现。
5.水位低和水箱满指示灯用来指示水箱水位所处的状态。
七、总结
本文设计的自动冲水系统因为时间有限，设计中也存在着一些不足之处，有待进一步改进提高。
1.水箱每次冲水量的大小没有进行科学的计算，水作为珍贵的地球资源，如何最高效的利用水资源是一个值得研究的课题。可以通过数学建立模型，分析水箱体积多大时可用最少的水达到最好的冲洗效果。
2.自动冲水系统水箱中的水都是干净的水，能否设计一款水循环系统连接在自动冲水系统上，在一座建筑物或一个区域内将使用过的水处理后循环作为自动冲洗系统的水来源。
这些在自动冲水系统中改进之后，必将大大提高自动冲水系统的工作性能，同时达到降低成本、节约资源的目的。
参考文献：
[1]郭艳萍.电气控制与PLC应用[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[2]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]高静.电机拖动技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[4]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.