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
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The design of detection and display about the temperature
and humidity based on PLC
Abstract
This paper mainly based on Siemens S7-200 series programmable controller （PLC) for the control of the main components realize the environmental temperature and humidity for real—time detection and display， and to simultaneously achieve right time and calendar set up for display and function display devices design methods。
The design of the sensor using integrated temperature and humidity sensors， sensor integration with functional and high accuracy. Fast response, small size， very low-power， low price, suitable for long—distance signal transmission characteristics。 Integrated sensor external circuit is simple and low cost and high performance。 Selected integrated temperature sensor output voltage precision-integrated single—chip temperature sensor LM35 series of products； Integrated humidity sensor option linear voltage—output integrated humidity sensors HM1500。 Its main feature is the constant voltage power supply， a built-in amplifier, can be output with the relative humidity is the ratio between the voltage level signal voltage， fast response and good reproducibility， anti-pollution capability。 LED used in some of the display code in paragraph 107， the device used a total of 17 LED digital tubes， can also showed that environmental temperature， humidity and time， can also display information such as the date, and the environment can be achieved when the temperature and humidity of more than a certain scope for alarm functions. Key words: PLC； Temperature sensor； Humidity sensor； LED display devices
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目 录
摘要 .............................................................. I Abstract ......................................................... II 目 录 .......................................................... III 第一章 引 言 .................................................... 1
1。1 课题的背景和意义 .......................................... 1 第二章 系统简介及方案论证 ........................................ 2
2.1 系统设计主要技术指标与参数 ................................. 2 2.2 设计方案的论证 ............................................. 2 第三章 可编程控制器概述 .......................................... 4
3.1 PLC的系统组成与工作原理 ................................... 4
3。1。1 PLC的组成结构 ..................................... 4 3.1.2 PLC的扫描工作原理 .................................. 4 3.2 PLC的发展趋势 .............................................. 5 第四章 系统的硬件方案与设计 ...................................... 6
4。1 传感器的选型与设计 ........................................ 6
4。1。1 集成温度传感器介绍与选型 ......................... 6 4。1.2 集成湿度传感器介绍与选型 .......................... 8 4。2 PLC的选型与模块配置 ..................................... 10
4。2.1 PLC的选型原则 ..................................... 11 4。2。2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点 ............. 12 4。3
显示方案的设计 .......................................... 14 4。3。1 与LED显示相关的知识 .............................. 14 4。3显示方案的设计 ............................................ 15
4。3。1 与LED显示相关的知识 ............................. 15 4。3。2 显示方案的设计 ................................... 16 4。4 工作电源部分 ............................................ 17 第五章 系统软件设计 ............................................. 19
5.1 显示系统主程序 ............................................ 19
5.1。1 温度读入子程序 .................................... 19 5。1.2 湿度读入子程序 .................................... 19
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5。1.3 显示子程序 ........................................ 20 5。1.4 实时时钟指令 ...................................... 20 5。2 程序清单 ................................................. 21 结 论 ........................................................... 22 参考文献 ......................................................... 23 致谢 ............................................................. 24 附 录 ............................................................ 24
1。主程序梯形图及指令表 ........................................ 24 2.时钟初始化子程序0梯形图及指令表 ............................. 25 3.实时时钟读入子程序1梯形图及指令表 ........................... 26 4.温度读入子程序2梯形图及指令表 ............................... 26 5。湿度读入子程序3梯形图及指令表 .............................. 28 6.显示子程序4梯形图及指令表 ................................... 28 7。中断0(调时闪)梯形图及指令表 ................................ 29 8。中断1（报警闪）梯形图及指令表 .............................. 29
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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。
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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—25℃～55℃，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、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.系统总原理框图如下图1所示。
温度 1 系统总原理框图 图传感PLC的主要优点可概括如下： 器 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内部显 示 湿度 电路之间电气上隔离。 传感PLC 器 装 置 10~20ms。 （2）各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为(3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 按钮(4）采用性能优良的开关电源。 开关 (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。
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2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如: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，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。
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第三章 可编程控制器概述
3.1 PLC的系统组成与工作原理 3。1。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。
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。 3.1。2 PLC的扫描工作原理
与其它计算机系统相同,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
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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。2 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。
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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 ①LM35概述
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4～30V; (8）小于60μA漏泄电流;（9）较低自热，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0.1Ω。
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0.1Ω 漏泄电流:小于60μA 比例因数：线性+10。0mV/℃
特定工作温度范围：LM35，LM35A为—55～+150℃；
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LM35C，LM35CA为-40～+110℃;LM35D为0~+100℃。 ②LM35工作原理
LM35系列的内部框图如图2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2 LM35系列的内部框图
公式(4—1)
③LM35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3(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：
R=︱-Us/50μA︱ 公式（4-2）
举例说明，当Us=+5V,-Us=—5V时，R=100kΩ.此时，当天=—55℃时，Uo=—55mV;当t分别为+25℃、+150℃时，Uo依次为250mV和1500mV。
图3（a） 图3（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所示，测温范围—-55~+150℃。
图4 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
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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-25℃～55℃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5所示．
图5 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错误!=1500mV； 2)环境温度25℃，U错误!=250mV； 3)环境温度—55℃，U错误!=—550mV．
由于所测量的温度范围是—25℃～55℃ 。所以，在实际应用电路中的电压信号的输出量值在—0。25V~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。
①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ρ表示，单位 。再由气体状态方程式可得
公式（4—3）
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.
②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—4）
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
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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).
3.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，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：
①内部包含由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70Ω，适配带ADC的单片机.
②HM1500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。
③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.
④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≤300μA。工作温度范围是—30℃～+60℃.
二、HM1500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
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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6。HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线如图7。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（4-5） U. 低 通 HM1500 桥 式 放大器 工作原理 滤波器 振荡电路图 6 HM1500图7 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4.1.
表4。1 HM1500的与RH的对应关系（)
RH/（%） /V RH/（％） /V
2。480 2。605 2。370 2.860 2。990 3。125 3。260 3.405 3。555 10
15
20
25
30
35
40
45
50
1。325 1。465 1。600 1.735 1.860 1。990 2。110 2.235 2.360 55
60
65
70
75
80
85
90
95
当时，可按下式对读数值加以修正：
［］ 公式（4-6）
下图为HM1500内部电路图，
图8 HM1500内部电路图 4。2 PLC的选型与模块配置
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
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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4×20％=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74LS138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13×20%=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:10~20B/点; 开关量输出元件：5～10B/点； 定时器/计数器：2B/个； 模拟量：100～150B/点;
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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×10～20B/点≈50～120B； 开关量输出元件:16点×5~10B/点≈80～160B； 模拟量:2点×100～150B/点≈200～300B； 总需内存量:330～570B;
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。
1。Siemens S7—200系列PLC特性 一、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.
①CPU224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.
②CPU226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.
（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
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种类型:输入模块、输出模块以及输入/输出模块。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。
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.
EM231配置
表4.2所示为如何使用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。2 EM231选择模拟量输入范围的开关表
单极性 SW1 SW2 OFF ON ON SW3 ON OFF 满量程输入 0到10V 0到5V 0到20mA 双极性 SW1 SW2 OFF OFF ON EM231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。
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分辨率 2。5mV 1.25mV 5uA 分辨率 2。5mV 1.25mV SW3 ON OFF 满量程输入 -5V到+5V —2.5V到+2.5V
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3～14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0~32000.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4～15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置为—32000~+32000。
MSB 图 9 EM231 输入数据字格式 LSB 15 2 1 0 数据值12位 单极性数据 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MSB LSB 管， 是目前数字电路中最常用的显示器件。 15 七段 LED 显示器由七个发光段构成， 3 2 1 0 数据值位 ，f 和 g，通过每段均是一个LED二极管，这712个发光段分别为a，b,c,d ，e双极性数据 控制不同段的点亮和熄灭，可显示16进制数字0～9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10mA~20mA。
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
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位字节数据称为段选码.共阳极与共阴极的段选码互为补数。
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(a~dp）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N×8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0～9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
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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10mA~20mA。
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(a～dp）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N×8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。0～Q0。7提供段选码显示，再由Q1。0～Q1。3接两个74LS138
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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。
8 Q0。0 Q1。0 3 Q0.7 Q1。3 PLC Q1。4 74LS07 驱动器 LED 显示器 74LS07 图10 显示方案原理框图 74LS1382个显示方案采用74LS138译码器进行I/O口的扩展,把需要的输出点数从25位译码器 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 74LS06驱动器 驱动器 +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的干扰尽可能的少，以避免单片机寄存器值的突变,或干扰指令的正确执行.最后是电压上升速度，即从上电到系统正常工作电压所需时间。在温湿度显示的设计中，为了在工业现场应用的方便，设计了外接220V交流电压的电源模块,它可以将220V交流电压变换为12V直流电压输出，12V直流电压作为线性三端稳压芯片LM7805的输入，稳压后可以很好的输出5V标准直流电压。设计电源电路原理如图10所示。
图11 +5V电源模块电路
在电源原理图中，C1， C2是12伏电源滤波电容，C1是一大的电解电容,C2是一个常规电容,并联在大电容旁边的目的是降低高频内阻，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻，C2取0。1～0.01μF，可取瓷介、独石、纸介等电容.三端稳压芯片LM7805将电压稳压成5伏直流电源提供给传感器使用，C3,C4两个电容是5伏电源的滤波电容，作
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用与C1， C2相同。电阻和绿色的LED组成5伏电源的工作指示电路，只要电源部分正常,绿色的LED就会点亮，可以根据这LED来判断整个电源部分是否工作正常.
下图为总设计图：
图11 总设计框图
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第五章 系统软件设计
5。1 显示系统主程序
本温度湿度显示系统主要测试的是室内环境的温湿度，不需要进行温、湿度的实时控制，因此系统对温、湿度显示精度的要求不是很高，为了省去繁琐的数据采样、滤波等处理程序，本设计采用定时1S进行数据读入方式，从而简化了程序的设计，提高了程序运行的可靠性。
N 开始 Y 初始化过程 N Y 图11显示系统主程序基本流程图 时间校正？ 5.1。1 温度读入子程序 由于本温度、湿度监测与显示系统主要工作在室温范围内,因此温度测量显示范围确定在—25℃～+55℃之间,温度安全范围设定为—10℃～+30℃，当超过时间校正 这个范围时进行报警。集成温度传感器LM35测量的温度数据信号(直流电压信号—250mV~550mV）经过模拟量输入模块输入，经模块内部的A/D转换成12位数据
定时时间到？ 存放在寄存器之中,在经过内部程序对数据进行处理和运算后,再输入到规定的数据存储器之中以备其他程序的调用。具体温度读入子程序流程图如图5-2。
温湿度读取
子程序2开始 Y N 时间读取 初始化（清AC0） 图12 温度读入子程序流程图 5.1。2 湿度读入子程序 LED显示 湿度的读入程序的大体流程和温度的原理基本相同如下图5-3,这里不再赘读入温度值到AC0 述.集成湿度传感器HM1500的测量范围为(0～100％RH)输出电压范围（+1~+4V）输出电压信号与相对湿度之间的计算关系(Ta=+23℃时）为： 数据转换成实数 U.=1。079+0.2568RH 公式(5—1）
集成湿度传感器一般都需要温度补偿,当温度不是+23℃时，HM1500温度补
19 是正数？ 转换为正数 数据处理及运算
偿公式为：
[] 公式（5-2）
N 子程序3开始 Y Y 图13 初始化（清湿度读入子程序流程图 AC0） 5。1.3 显示子程序 由于测温范围设定在—25℃～55℃，因此温度显示需要使用三个LED数码管,数据处理及运算 两位进行数据显示,一位进行符号位显示，居中的“—\"表示负号，此位LED数码管还兼有温度和湿度报警的作用，当温度超过允许的设定范围时LED最上面的温度校正（数据计算） “-\"进行闪亮显示,湿度超过设定范围时最下面的“-”进行闪亮显示。
N Y Y 初始化清AC0、AC1 报警处理 图14 湿度读入子程序流程图 温度报警？ 子程序4开始 因此，本设计的这位LED数码管通过PLC的一个输出口Q1.4和74LS06进行
送首地址给AC1 连接后单独来驱动。程序流程图如图5-4所示，显示缓冲区设定在以变量存储器数据转换及存储 VB100开始的存储区域内。 5。1.4 实时时钟指令 送段选码到QB0 子程序1结束 S7—221和S7—222没有内置的实时时钟功能。S7—224和S7-226内置的实时时钟内容用超级电容来保持。保持时间的典型值为190小时最少120小时。可用电池卡来延长断电保持的时间。 显示延时1～5ms 运用PLC。内部的功能指令读实时时钟指令(TODR）从实时时钟读取当前时送位选 间和日期，并装入以T为起始字节地址的8个字节缓冲区,依次存放年、月、日、
AC1、AC0+1 时、分、秒、0、和星期。操作数T的数据类型为字节型。 设定实时时钟(TODW）指令把含有当时时间和日期的8个字节缓冲区的内容装入时钟.
16次？ 本设计把时钟缓冲区设定在以变量存储器VB700开始的8个字节缓冲区,具
20 显示最后一位LED 子程序4结束
体分配见表5.1。具体设置时钟初始化子程序和时钟读入子程序见附录.
表5.1 实时时钟缓冲区地址分配
年 VB700
月 VB701
日 VB702
时 VB703
分 VB704
秒 VB705
0 VB706
星期 VB707
5。2 程序清单
具体的程序设计（梯形图及指令标)见附录
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结 论
本设计综合利用可编程控制器（PLC）技术、传感器技术、数字电子技术和LED显示等科学知识，完成了PLC控制的温度、湿度和时间显示装置的设计。比较系统地介绍了硬件的组成及设计方法。充分利用PLC的功能指令完成了系统软件的设计。
1. 把传感器技术应用到PLC控制系统中，实现了对环境温度和湿度的数据采集和读取。
2。 利用LED数码管的显示技术完成了环境温度、湿度及时间显示电路的设计。
3。 充分利用外围已用元器件,在没有增加其它元器件的前提下，实现了环境温度和湿度在超出规定的数值范围时报警的设计。
4. 利用PLC强大的指令功能和实时时钟指令完成了对时间及年月日进行显示及校正的设计。
5。 在本设计的基础上可以方便的进行各种功能的扩展.例如，可以把功能扩展延伸为实现对环境温湿度的显示和控制。
6。 整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，随着功能的进一步扩展和PLC价格的降低，其性价比会越来越高.
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参考文献
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Trans，on Systems，Man，and Cybernetics 1995
[19] Chalabi ZS ，Zhou W 。Optimal control methods for agricultural systems 。Acta
Horticulturae,1995
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致谢
本论文是在我的导师魏绍亮老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在本学期毕业设计的整个过程中,魏老师在学习、工作和生活上为我创造了一个良好的环境,使我能全心工作。同时他广博的学识、严谨的治学态度、求实的科研作风、谦和的为人品质以及平易近人的态度和对学生高度负责的精神给我留下了极其深刻的印象，使我受益匪浅。所有这些必将在未来的学习和工作中继续指导着我前进，在此，我衷心的感谢魏老师。
同时,也感谢各基础课和专业课老师，他们严谨细致、一丝不苟的教学一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他们渊博的学识和严谨的治学态度激励我不断的进取，使我终身受益.谢谢我的同学们,在此次设计过程中，他们也给予我了很大的帮助,所以在这里，我要向所有关心和帮助过我的人表示我最诚挚的祝福和感谢。
附 录
1。主程序梯形图及指令表
LD SM0。1 CALL SBR0 //调用时钟初始化子程序
LD I0.0 S M0。2,1 XORD AC3，AC3 //按I0.0开始/调时设定 累加器AC3清零 LD I0。1 R M0。2，1 DTCH 21
//当按下I0。0后M0.2复位，关中断 LD M0.2
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TON T32，500 ATCH INT—0，21 ENI
//T32计时0.5秒， //开中断21调时闪 LD M0。2 A I0.0 LD C6 O I0。1 CTU C6，6 //计数器C6按下I0。0的 次数.
LD M0。2 MOVD &VB700,AC3
//送时间设置缓冲区首地址到AC3 ADDI C6，AC3 //AC3与所按I0.0的次数 A I0。2 INCB ＊AC //按I0.2 +1 A I0。3 DECB ＊AC3 //按I0。3 —1 TODW VB700 //设定时钟，把含有8个 字节缓冲区的内容装入时钟 LD SM0。0 CALL SBR4 //调用显示子程序 CALL SBR1 //调用时钟读入子程序 AN T33 TON T33，100 //设定定时器T33为1S A T33 CALL SBR2 CALL SBR3 LD SM0.0
MOVB 16＃07H，VB700 //设定初始日期为07年 MOVB 16＃06H，VB701 //设定初始日期为06月 MOVB 16＃01H,VB702
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//T33定时时见到调用 温度读入子程序2和 湿度读入子程序3 A M0.0 O M0。1 ALD
TON T96，500 ATCH INT-1，21 ENI
//开中断INT-1温湿度报警闪 AN M0.0 AN M0。1 //不报警,则关中断22 END
2。时钟初始化子程序0梯形图及指令表
//设定初始日期为01日 MOVB 16#00H，VB703 //设定初始时间为00时 MOVB 16＃00H，VB704
//设定初始时间为00分
MOVB 16#00H,VB705 //设定初始时间为00秒 TODW VB700 //装入时钟 LD SM0。0 TODR VB700 //读时钟指令
MOVB VB700，VB0 //读年
SEG VB0，VB100 //送年：十位 SRB VB0,4 SEG VB0，VB101 //年:个位
MOVB VB701，VB1 //读月
SEG VB1，VB102 //月:十位 LD SM0。0 SRB VB1,4 SEG VB1，VB103 //月：个位
MOVB VB702，VB2 //读日
SEG VB2，VB104 //日：十位 SRB VB2,4 SEG VB2，VB105 //日：个位
MOVB VB703,VB3
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RET
3。实时时钟读入子程序1梯形图及指令表
//读时
LD SM0。0 SEG VB3，VB106 //时：十位 SRB VB3，4 SEG VB3，VB107 //时:个位
MOVB VB704，VB4 //读分
SEG VB4,VB108 //分:十位 SRB VB4，4 SEG VB4，VB109 //分：个位 LD SM0.0 MOVB VB705，VB5 //读秒
SEG VB5,VB110 //秒：十位 SRB VB5,4 SEG VB5，VB111 //秒：个位 RET
4。温度读入子程序2梯形图及指令表
LD SM0。0 XORD AC0，AC0 //AC0清零
MOVW AIW0，AC0 //温度读入 SRB AC0，4 //右移4位 ITD AC0,AC0 //整数转为双整数 DTR AC0，AC0 //双整数转为实数 MOVR AC0,VD1000 //保存温度到VD1000 LDR< AC0，10 OR〉 AC0，30 S M0。0，1 LDR>= AC0,10 LDR>= AC0，10 R M0。0,1 //当温度超过范围时报警 LD〉= AC0，0 JMP 0 *R —1，AC0
//当温度为负数时的数据处理*R 100。0，AC0 TRUNC AC0,AC0 DTI AC0，AC0 ITB AC0,AC0 SEG AC0，VB113 //存温度个位到VB113 SRB AC0,4
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SEG AC0,VB112 //存温度十位到VB112 MOVB 16#40，VB116 //输入显示“—”号到VB116 LD M0.0
MOVB 16#01，VB117 //温度报警处理 ORB VB117，VB116 RET LBL 0 LD SM0。0 ＊R 100,AC0 //当温度为正数时 TRUNC AC0,AC0 DTI AC0，AC0 ITB AC0,AC0 SEG AC0,VB113 //存温度个位到VB113 SRB AC0,4 SEG AC0，VB112 //存温度十位到VB112 MOVB 16＃00，VB116
//温度符号位不显示 LD M0.0
MOVB 16#01，VB117
ORB VB117，VB116 //温度报警处理 RET
5。湿度读入子程序3梯形图及指令表
LD SM0。0 XORD AC0,AC0 //AC0零
MOVW AIW6，AC0 //湿度读入 SRW AC0,4 ITD AC0，AC0 DTR AC0,AC0 -R 1。079,AC0 /R 0.2568,AC0 LD SM0.0
MOVR VD1000,AC1 //湿度的温度校正处理 —R 23。0，AC1 *R 0。0497871,AC1 ＊R AC0,AC1 -R AC1，AC0 LDR< AC0，40。0 OR〉AC0，60。0 //超过范围报警 LDR〉= AC0，40。0 AR<= AC0，60.0 R M0。1，1 LD SM0.0 XORD AC0，AC0 //AC0清零 XORD AC1,AC1 //AC1清零
MOVD ＆VB100AC1
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ROUND AC0，AC0 //取整,实数变为双整数 DTI AC0，AC0 ITB AC0，AC0 SEG AC0，VB115 //存湿度个位到VB115 SRW AC0，4 SEG AC0，VB114 //存湿度十位到VB114 LD M0.1
MOVB 16#08，VB118 ORB VB118，VB116 //湿度报警处理 ORB VB118，VB116 RET
6。显示子程序4梯形图及指令表
//送显示缓冲区首地址到AC1 FOR VW400 +1 +16 //循环开始
MOVB ＊AC1，QB0 //送段码显示 MOVB AC0,QB1 //送位选 INCD AC1 //下一位显示缓冲区 INCD AC0 //送下一个数码管 FOR VW402 +1 +80 NOP NOP NEXT NEXT //显示延时 //循环结束
MOVB *AC1，QB0 //送最后一位段码 S Q1。4,1 FOR VB404 LD SM0。0 XORD AC0，AC0 XORD AC2，AC2 //清累加器AC0，AC1 MOVW C6，AC0 MOVD ＆VB100，AC2 //送显示缓冲区首地址到AC2 *I +2，AC0 LD SM0。0 XORB VB116，VB116
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+1 +80 NOP NOP NEXT
//最后一位显示延时 R Q1.4,1 RET
7。中断0(调时闪)梯形图及指令表
+D AC0，AC2 XORW *AC2，*AC2 //显示缓冲区相应位清零 RETI
8.中断1(报警闪）梯形图及指令表
RETI
//最后一位符号、报警位
清零
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