【正文】 器 測(cè)量大氣壓力 LCQA1 1 1 1 14 PLC 的 I/O 接線圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 P L CC P U 2 2 2附 加 模 塊E M 2 3 12 4 V D C傳 感 器電 源 輸 出2 2 0 VA C 電 源大 氣 壓 力 蜂 鳴 器濕 度 蜂 鳴 器風(fēng) 速 蜂 鳴 器溫 度 蜂 鳴 器舒 適 度 指 示 燈警 告 指 示 燈2 4 V D C2 4 V D C2 4 V D C大 氣 壓 力 傳 感 器濕 度 傳 感 器溫 度 傳 感 器風(fēng) 速 傳 感 器S 1S 21 M2 M3 ML +LL0 . 00 . 11 . 01 . 11 . 21 . 30 . 00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 5 圖 31 PLC 的 I/O 接線圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 主 程序流程圖 圖 41 主程序流程圖 N 無故障 N N Ｙ 接通電源 PLC 自檢 啟動(dòng) 數(shù)據(jù)讀取 關(guān)閉監(jiān)控 模擬量計(jì)算 大于警報(bào)值 模擬量 傳送數(shù)據(jù)到上位機(jī) 報(bào)警輸出 Y Y 取消警報(bào)？ 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 程序 梯形圖 主程序 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 當(dāng)接通電源以后， PLC 開始 工作，主程序依次開始調(diào)用子程序，如壓力處理、濕度處理、風(fēng)速處理、 溫度處理 和舒適度判斷 ，當(dāng)壓力處理相應(yīng)的子程序完成工作以后依次濕度的信息采集和計(jì)算及輸出隨即開始工作，同理風(fēng)速處理和溫度處理隨后進(jìn)行， 然后根據(jù)當(dāng)前的空氣指數(shù)做出舒適度的判斷。 模擬量輸入模塊是 EM231，它是 4 通道 DC10~10V/0~20mA 輸入， 12為 A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓力、濕度、風(fēng)速和溫度某一項(xiàng)超過一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出相應(yīng)的報(bào)警，給工作人員以提醒。其中 AI0 是大氣壓力傳感器接收到空氣中的數(shù)據(jù) 通過變送器轉(zhuǎn)換成 420mA 的電信號(hào)接入到模塊 EM231 中；同理AI AI AI3 均是通過相應(yīng)的傳感器將空氣中接收到的相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向和室外溫度以電信號(hào)的模式接入到模塊 EM231 中。例如：當(dāng)氣象站檢測(cè)出目前的溫度有可能會(huì)對(duì)人體造成危害，溫度檢測(cè)相對(duì)于的蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，讓工作人員提前知道并作出相應(yīng)的防范措施。 綜合上述情況考慮開關(guān)量輸入輸出的數(shù)量，模擬量輸入，選用型號(hào)為 CPU222，這種 PLC 不僅小型、緊湊，在 CUP中還配有 EEPROM，可永久性的儲(chǔ)存用戶程序和其他重要的系統(tǒng)參數(shù)；它還有大容量的電容器，可供長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ) 所有的數(shù)據(jù)。 PLC 的選型 小型氣象站控制系統(tǒng)的控制核心是 PLC，在創(chuàng)建一個(gè) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，有哪些信號(hào)要輸入至 PLC， PLC 需要驅(qū)動(dòng)哪些負(fù)載，以及采用何種編程方式，都會(huì)對(duì)其內(nèi)部 I/O 點(diǎn)數(shù)的分配造成影響，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入和輸出數(shù)量確定下來，然后按照所需確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。 本設(shè)計(jì)選用 的是由 北京賽億科技有限公司生產(chǎn)的 STH 系列的 溫濕度 傳感器 ，這種傳感器是溫濕一體的，它體積小，安裝方便而且使用與比較惡劣的環(huán)境，符合本設(shè)計(jì)要求。 風(fēng)速傳感器 他是通過一個(gè)叫三杯的結(jié)構(gòu)元件對(duì)空氣中的風(fēng)力進(jìn)行感應(yīng)，并作出判斷，當(dāng)風(fēng)杯因?yàn)轱L(fēng)力的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，他通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了電流然后輸出信號(hào)，當(dāng)內(nèi)部感應(yīng)到頻率信號(hào)以后可以向外輸出電阻信號(hào)，從而得知目前的風(fēng)速有多大，就完成風(fēng)速傳感器的任務(wù)。我們采用的大氣壓力傳感器完全能夠勝任小型氣象站的監(jiān)測(cè)要求，不論它的精度還是對(duì)于環(huán)境的要求都是符合洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 要求的。可 用于測(cè)量大氣壓力和海拔高度 是 它的基本功能 。在國(guó)際上，氣壓就是單位面積上的具體氣壓值，單位面積上的垂直 向上延伸的氣壓 柱的分量。要能夠適應(yīng)各種天氣狀況，所以對(duì)于傳感器的耐久性要求就應(yīng)該放在首位考慮。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 21 系統(tǒng)顯示原理圖 外部信號(hào)源 溫濕度傳感器 壓力 傳感器 風(fēng)速風(fēng)向傳感器 自鎖性平頭開關(guān) PLC S7200 顯示 裝 置 報(bào)警 裝置 舒適度輸出 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章設(shè)備的選型 傳感器的選型 傳感器是本設(shè)計(jì)最重要的部件之一，它的選取對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，非常重要。 PLC 與其他微型計(jì)算機(jī)相比，更適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)處理功能大大增強(qiáng)，具有強(qiáng)大的功能指令，編程也極為方便簡(jiǎn)單編程指令具有模塊化功能，能夠解決就地編程、監(jiān)控、通訊等問題。 PLC 具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可用于非常惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在電源瞬間斷電的情況下依然可以正常工作，具有很強(qiáng)的抗空間電磁干擾能力，可以抗峰值高達(dá)1000V、脈寬 10us 的矩形波空間電磁干擾，具有良好的抗震能力和抗沖擊能力。將結(jié)果寫入指定的寄存器中并且通過以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。 通信處理，當(dāng)自檢結(jié)束以后， PLC 需要進(jìn)行通信請(qǐng)求檢查，決定 PLC是否需要與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通信。 本設(shè)計(jì)是外部傳感器接收到的空氣中的數(shù)據(jù)利用電信號(hào)傳輸?shù)?PLC的 CPU 中，然后 PLC 利用它的輸入采樣功能來處理傳感器所采集到的信息。 本設(shè)計(jì)主要目的是通過小型氣象站對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)而給戶外工作人員提供一個(gè)良好、準(zhǔn)確的參考，以便讓工作人員可以通過氣象的監(jiān)測(cè)而做出相應(yīng)的準(zhǔn)備和措施 。 步 主要是根據(jù)設(shè)備選型做出相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，比如 寫出 程序梯形圖的編寫 和仿真 。 并對(duì)控制方案作出分析。低氣壓嚴(yán)重的還會(huì)造成心臟病發(fā)作，所 以本設(shè)計(jì)中專門加入大氣壓力測(cè)量，給戶外工作人員一個(gè)參考，讓工作人員有相應(yīng)的應(yīng)對(duì) 的防范 措施?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)戶外的溫濕度、大氣壓力和風(fēng)速風(fēng)向，通洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 過對(duì)空氣指數(shù)的測(cè)量，可以給人們出行和戶外工作人員工作提供一個(gè)參考和警示。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、特別是實(shí)時(shí)雨量 和歷史雨量有密切的關(guān)系[3]。 它的系統(tǒng)主要包括各種氣象站用傳感器，如風(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣溫濕度傳感器、光照溫度傳感器、氣壓傳感器、太陽輻射傳感器、土壤溫濕度傳感器等。 前后經(jīng)過幾十年的研究和測(cè)試到 90 年代后期， 我國(guó)第一代自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)定型，并可以在日常中 使用。最后 進(jìn)入 90 年代以來， 隨著科技的日新月異 自動(dòng)氣象站 進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期，自動(dòng)氣象站已經(jīng) 可以完成它所需要完成的各項(xiàng)使命。綜上所 述，所以我們本設(shè)計(jì)采用 PLC 為主要控制元件。它具有 可靠性高、功能強(qiáng)、使用靈活方便，易于編程和適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用等一系列優(yōu)點(diǎn)。最后人們通過計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)可以做出氣象判斷，為防災(zāi)做出預(yù)警，并保證人們的安全。 氣象參數(shù)自動(dòng)采集 系統(tǒng)具備以自動(dòng)收集溫度、濕度、風(fēng)速、 光照等氣象數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。并且在這些領(lǐng)域 都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，給人們提供了更加舒適和安全的生活環(huán)境。 由于目前的環(huán)境變幻莫測(cè)、愈發(fā)的惡劣，因此本設(shè)計(jì)的小型氣象站要解決的問題第一是可以監(jiān)測(cè)戶外的惡劣環(huán)境，第二是將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算和系統(tǒng)的分析， PLC 控制輸出這些數(shù)據(jù)和當(dāng)環(huán)境影 響到戶外的一些活動(dòng)時(shí)發(fā)出一些警報(bào)提醒人們注意防范，為人們的戶外工作提供安全上的保障。隨后的幾十年，不論是在監(jiān)測(cè)精度上還是在數(shù)據(jù)傳輸可靠性行上等問題都得到很大的提高。比如當(dāng)溫度遠(yuǎn)超過系統(tǒng)所設(shè)定的舒適值時(shí)，系統(tǒng)的溫度報(bào)警器就會(huì)做出反應(yīng)，相對(duì)于的溫度蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒人們當(dāng)前室外溫度對(duì)人 體可能造成危害。 關(guān)鍵詞 ： PLC， 編程， 傳感器 ，顯示 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Based on PLC small station design ABSTRACT This paper introduces the Siemens S7200 series PLC as the main control ponents, realize the external environment of wind speed, atmospheric pressure, temperature and humidity for realtime monitoring and display, and when one or more of the air index was beyond the scope of setting the system will alarm to warn people about the dangers of the current environment of a certain aspect。 本設(shè)計(jì)采用多種傳感器，包括溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器以及大氣壓力傳感器。以上這些功能都是我們通過對(duì) PLC 的編程實(shí)現(xiàn)的 。本設(shè)計(jì)的小型氣象站的測(cè)量精度非常高，實(shí)時(shí)性也比較高，所以完全可以應(yīng)用到日常生活中去。它不僅可以監(jiān)測(cè)到具體數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)所檢測(cè)到的具體數(shù)據(jù)做出相應(yīng) 的輸出反應(yīng)。到了 60 年代中期，氣象觀測(cè)技術(shù)又得到了一步提高，這次是觀測(cè)精度得到了提高，運(yùn)行可靠性上面得到了加強(qiáng)。我們存在的問題也不少，比如大部分都采用集中結(jié)構(gòu)，由于數(shù)據(jù)采集器的生產(chǎn)廠家不同，各個(gè)廠家的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，這就給氣象站的維修和維護(hù)帶了很大的困擾；我國(guó)的自動(dòng)氣象站主要還是采用進(jìn)口的產(chǎn)品，由于技術(shù)和工藝的原因，很多產(chǎn)品不能直接進(jìn)行升級(jí)，這就造成了很大的浪費(fèi)。 發(fā)展到如今， 所研究的小型氣象站可以應(yīng)用到各個(gè) 領(lǐng)域，例如：現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力監(jiān)測(cè)、交通、大氣監(jiān)測(cè)、通信、科研等領(lǐng)域。小型氣象站的應(yīng)用不僅可以檢測(cè)多種影響電力運(yùn)輸?shù)牧恐?，保證電力的正常、安全運(yùn)輸，避免事故的發(fā)生， 保持經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)提高，促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生良好的促進(jìn)和提高。 小型氣象站采用 220V 交流電 供電， 通過各種各樣的傳感器對(duì)所檢測(cè)的區(qū)域的溫濕度、風(fēng)速、大氣壓力等進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè) ， 然后將所監(jiān)測(cè)和處理過的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 本設(shè)計(jì)是基于西門子 S7200 系列 PLC 為主要控制元件而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，可編程控制器 (PLC)是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的一種通用的、新型的自動(dòng)控制裝置。如今， PLC 應(yīng)用在許多行業(yè)和設(shè)備 。 到 了 70 年代， 第三代產(chǎn)品利用集成電路很好的解決了第二代所存在的問題，開辟了新篇章。到了 90 年代中期，中小尺度天氣自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)在長(zhǎng)江三角洲，珠江三角洲地區(qū)建站運(yùn)行。這種小型氣象站主要采用 ATmega16 單片機(jī)， Atmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低能耗 8 位 CMOS 微控制器。 特別是每年的 6 月 ~9 月間，是暴雨和臺(tái)風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，頻繁發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此我設(shè)計(jì)了一款小型氣象站。 大氣壓力通常簡(jiǎn)稱氣壓， 其實(shí)氣壓變化對(duì)人體生理的影響是個(gè)十分復(fù)雜的問題，主要表現(xiàn)在影響人體內(nèi)氧氣的供給，而缺氧會(huì)加快呼吸和血循環(huán)，出現(xiàn)呼吸急促、心率加快的現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)頭疼、頭暈、惡心、嘔吐和乏力的癥狀。 步通過原理分析提出控制要求和指標(biāo)。 并寫出 I/O 點(diǎn)分析以及 PLC 所加的模塊。因此 小型氣象站廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、交通、工業(yè)和易發(fā)災(zāi)的地方。 可編程序控制器（ PLC） 的主要工作過程可以分為輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、通信處理、 CPU 診斷和輸出刷新 5 個(gè)掃描循環(huán)（ Scan Cycle）且不斷重復(fù)執(zhí)行 [5]。如果出現(xiàn)異常 PLC 就會(huì)發(fā)出報(bào)警并作出相應(yīng) 的處理，例如停止 或者復(fù)位 PLC。例如本設(shè)計(jì)中是 PLC 接收到傳感器傳入的信號(hào)后，根據(jù)當(dāng)前的溫度、濕度 、風(fēng)速、大氣壓 與日期，計(jì)算出當(dāng)日舒適度，并且會(huì)在當(dāng)前環(huán)境對(duì)人體有危險(xiǎn)性的情況下，發(fā)出警報(bào)；系統(tǒng)會(huì)根據(jù)大氣壓力計(jì)算出海拔高度；系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)速測(cè)出當(dāng)日風(fēng)速等級(jí)。 控制要求 本設(shè)計(jì)選擇的 PLC 可編程控制器是 SIMATIC S7200。能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度、大氣壓力和風(fēng)速風(fēng)向的同時(shí)顯示，并且能實(shí)現(xiàn)溫濕度 、大氣壓和風(fēng)速 的報(bào)警。系統(tǒng)顯示原理框圖如下圖 21 所示。 由于本設(shè)計(jì)中傳感器需要安裝在室外的環(huán)境中，所以我們選擇的傳感器對(duì)環(huán)境中各種惡劣條件都要有一個(gè)很好的適應(yīng)性，要能夠抵抗 腐蝕和高溫日曬以及低溫考驗(yàn)。我們首先應(yīng)該了解下氣壓是怎么計(jì)量的。 我設(shè)計(jì)的氣象站采用的是瑞士原裝芯片封裝的LCQA1 型大氣壓力傳感器 ,誤差小，受溫度的影響小 ,具備高精度﹑高靈敏度的特征。電壓：1~5VDC，丈量規(guī)模為 450~110