【正文】 ..... 31 仿真軟件的確定 ...................................................................... 31 程序的仿真 .............................................................................. 31 結 論 ..................................................................................................... 40 謝 辭 ....................................................................................................... 41 參考文獻 ................................................................................................. 42 外文資料翻譯 ........................................................................................ 44 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 1 前 言 大氣是人類賴以生存的環(huán)境之一，但是由于工業(yè)化的推進，我們大部分城市的大氣已經(jīng)受到了不容忽視的污染 [ 1]。它不僅可以監(jiān)測到具體數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)所檢測到的具體數(shù)據(jù)做出相應 的輸出反應。 從 20 世紀 40 年代以來，許多國家都開始對自動化氣象站進行了研究和論證。到了 60 年代中期，氣象觀測技術又得到了一步提高，這次是觀測精度得到了提高，運行可靠性上面得到了加強。 我國是在 20 世紀 50 年代后期開始對自動氣象觀測站開始了研究，至今已經(jīng)有 50 多年的歷史了。我們存在的問題也不少，比如大部分都采用集中結構，由于數(shù)據(jù)采集器的生產(chǎn)廠家不同，各個廠家的生產(chǎn)標準不一樣，這就給氣象站的維修和維護帶了很大的困擾；我國的自動氣象站主要還是采用進口的產(chǎn)品，由于技術和工藝的原因，很多產(chǎn)品不能直接進行升級，這就造成了很大的浪費。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 2 第 1 章 概述 本課題研究的 意義 隨著工業(yè) 的發(fā)展， 我們所生活的環(huán)境也發(fā)生了很大的變化，空氣質量越來越差，各種極端氣候也層出不窮，因此我設計了一款 小型氣象站 ，它可以通過對空氣的監(jiān)控而給人們提供一些實時環(huán)境回饋。 發(fā)展到如今， 所研究的小型氣象站可以應用到各個 領域，例如：現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力監(jiān)測、交通、大氣監(jiān)測、通信、科研等領域。 在氣象站建設、農(nóng)林氣象監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、溫室 控制、公路鐵路運營及地質災害監(jiān)測等多種領域提供了可靠的保證，使其 在惡劣的環(huán)境條件下也能穩(wěn)定工作。小型氣象站的應用不僅可以檢測多種影響電力運輸?shù)牧恐?，保證電力的正常、安全運輸，避免事故的發(fā)生， 保持經(jīng)濟的平穩(wěn)提高，促使相關產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化，進而對國民經(jīng)濟產(chǎn)生良好的促進和提高。其最大優(yōu)點是能夠快速有效的監(jiān)測到實時天氣，可以提供更加準確的天氣數(shù)據(jù)。 小型氣象站采用 220V 交流電 供電， 通過各種各樣的傳感器對所檢測的區(qū)域的溫濕度、風速、大氣壓力等進行全方位監(jiān)測 ， 然后將所監(jiān)測和處理過的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接嬎銠C。 在電力運輸方面，可以很好的確保輸電線路各段的安全運輸。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 3 本設計是基于西門子 S7200 系列 PLC 為主要控制元件而進行設計的，可編程控制器 (PLC)是綜合計算機技術、自動控制技術的一種通用的、新型的自動控制裝置。最近幾年的工業(yè)自動化、機電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術等方面應用越來越廣，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一。如今， PLC 應用在許多行業(yè)和設備 。 國外發(fā)展歷程 從 20 世紀 50 年代末 開始 ， 世界各國已經(jīng)開始對自動氣象站進行了設計和嘗試，而美國和蘇聯(lián)率先設計出了不同型號的自動氣象站，為以后的氣象站發(fā)展奠定了基礎。 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。 國內發(fā)展歷程 我國自動氣象站 的研發(fā)和世界第一代的研發(fā)是同步的，也是 20 世紀50 年代后期 開始的 ，至今已有 50 多年的歷史。到了 90 年代中期，中小尺度天氣自動氣象監(jiān)測站網(wǎng)在長江三角洲，珠江三角洲地區(qū)建站運行。截至 2020年，全國有 1000 多個臺站使用了自動氣象站，并實現(xiàn)了組網(wǎng)。這種小型氣象站主要采用 ATmega16 單片機， Atmega16 是基于增強的 AVR RISC 結構的低能耗 8 位 CMOS 微控制器。 在防災和電力運輸方面的運用 加強防災減災體系建設，加快建立環(huán)境和地質監(jiān)測預警體系，是國家在“十二五規(guī)劃”中的一項重要內容 [2]。 特別是每年的 6 月 ~9 月間，是暴雨和臺風的多發(fā)季節(jié)，頻繁發(fā)生滑坡、崩塌等地質災害，嚴重威脅人民的生命財產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，對空氣指數(shù) 的數(shù)據(jù)采集，可以有效的降低自然災害和提前預防自然災害對人們生活的影響 。因此我設計了一款小型氣象站?？梢酝?過監(jiān)測戶外的環(huán)境因數(shù)，而及時做出防護判斷和對人們出行給出合適的建議 。 大氣壓力通常簡稱氣壓， 其實氣壓變化對人體生理的影響是個十分復雜的問題，主要表現(xiàn)在影響人體內氧氣的供給，而缺氧會加快呼吸和血循環(huán)，出現(xiàn)呼吸急促、心率加快的現(xiàn)象，還會出現(xiàn)頭疼、頭暈、惡心、嘔吐和乏力的癥狀。 研究的主要工作 ，對所要研究的東西進行一個深入的剖析。 步通過原理分析提出控制要求和指標。 步 主要介紹硬件選型，講解各個傳感器的功能和 其他的設備選型。 并寫出 I/O 點分析以及 PLC 所加的模塊。 講解各段程序所要完成的動作和是如何完成的。因此 小型氣象站廣泛應用于農(nóng)業(yè)、交通、工業(yè)和易發(fā)災的地方。 本設計我們選用 PLC 作為主體，各種傳感器作為信息采集，并增加 模擬量輸入模塊對所采集的信息作出計算和處理，然后將計算出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?CPU 中。 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 個掃描循環(huán)（ Scan Cycle）且不斷重復執(zhí)行 [5]。 外部各個傳感器將所檢測到的數(shù)據(jù)通過電信號傳送到 PLC 中，然后PLC 通 過邏輯運算、算數(shù)運算將溫度、相對濕度、大氣壓力、風速計算出來，并保存在 內部寄存器里面 。如果出現(xiàn)異常 PLC 就會發(fā)出報警并作出相應 的處理，例如停止 或者復位 PLC。本設計中 PLC 的數(shù)據(jù)輸入是指 CPU 接受來自通信接口的輸入數(shù)據(jù)，比如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器和風速風向傳感器通過電信號傳輸過來的數(shù)據(jù)，并將其存儲到對應的存 儲器中。例如本設計中是 PLC 接收到傳感器傳入的信號后，根據(jù)當前的溫度、濕度 、風速、大氣壓 與日期，計算出當日舒適度，并且會在當前環(huán)境對人體有危險性的情況下，發(fā)出警報；系統(tǒng)會根據(jù)大氣壓力計算出海拔高度；系統(tǒng)會根據(jù)風速測出當日風速等級。 總體來說就是 本設計的小型氣象站，它是通過大氣壓力傳感器、風速風向傳感器和溫濕度傳感器送出 4~20mA 模擬信號進到控制系統(tǒng)中的，CPU 通過模擬量擴展模塊 EM231 讀 取數(shù)值，并進行分析和處理該數(shù)值，在超過幾個指定的大氣壓力值、風速值、溫度以及濕度的限定時，輸出信號去控制相應的設備發(fā)出報警信號。 控制要求 本設計選擇的 PLC 可編程控制器是 SIMATIC S7200。 能夠比較精確的實現(xiàn)對環(huán) 境溫度的檢測，測溫范圍 20℃ ~50℃。能實現(xiàn)環(huán)境溫濕度、大氣壓力和風速風向的同時顯示，并且能實現(xiàn)溫濕度 、大氣壓和風速 的報警。 PLC 的梯形圖語言清晰、直觀、可讀性強，易于掌控。系統(tǒng)顯示原理框圖如下圖 21 所示。隨著計算機技術、電子技術和分子合成技術的發(fā)展，傳感器正向集成化、智能化、網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化的方向飛速發(fā)展，使其性能、可靠性及穩(wěn)定性得到了顯著的提高 [6]。 由于本設計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環(huán)境中各種惡劣條件都要有一個很好的適應性，要能夠抵抗 腐蝕和高溫日曬以及低溫考驗。因此 本設計在選擇傳感器上掌握的基本原則是穩(wěn)定性好，價格低廉，使用方便。我們首先應該了解下氣壓是怎么計量的。 而氣壓的單位用 hPa 分度 表示。 我設計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。 傳感器是 將所測量到的外部空氣中的大氣壓通過一系列轉換變?yōu)殡妷航M信 號 ，然 后 經(jīng)過 放 大電 路 將電 壓 信號 轉 換 成能 使 用的 電 信號 即4~20mA/1~5VDC 的信號。電壓：1~5VDC，丈量規(guī)模為 450~1100hP。 風速 傳感器 我們第二個要介紹的是風速傳感器，我所設計的小型氣象站不僅能夠監(jiān)測大氣壓力而且還能夠監(jiān)測外部環(huán)境的風速，我們將風速等級分為 10個等級，這樣可以更好、 一目了然 的 對風速有一個明確的了解。風速傳感器采用 的材質為碳纖維材料，這種材料強度好能夠適應惡劣的外部環(huán)境；而且精度高能夠更 精確的將所監(jiān)測到的風速進行細化，對風速等級進行更精確的顯示；而且他的量程也大，并且具有抗雷擊能力穩(wěn)定可靠，完全可以應用到氣象觀測上來，也完全符合本設計的要求。 由于傳感器所處的環(huán)境，所以 首先我們要考慮的是能否在惡劣的環(huán)境中使用，因此本設計所采用的傳感器一定要能夠適應嚴酷的環(huán)境 ，它能夠在溫度為 60℃ ～ 50℃ 和濕度為 0～ 100%RH 的范圍內工作，然后我們對它的測量范圍也有要求為 0~70m/s；它的輸出是 5V 方波、 4～ 20mA 完全符合本設計的要求。 還能夠對濕度進行監(jiān)測。它對溫度的測量范圍 是 40～ 70℃ ，對濕度的測量范圍是 0～ 100%RH，由于本設計所采用的是 S7200，所以洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 它的輸出信號為 4～ 20mA、 0～ 10V。 3%。 如今生產(chǎn) PLC 的公司多種多樣 ，有松下 FP1 系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 產(chǎn)品以及西門子 S7200 系列 PLC 等等。 S7200 的應用比較廣泛，可擴展模塊也比較多，適合多種多樣的控制系統(tǒng)選擇 ，本設計簡單對 SIMATIC S7200系列產(chǎn)品進行一個結構分析。 PLC 的 I/O 點分析 在整個 PLC 外部硬件接線圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入接線和 數(shù)字量輸出接線三個部分。 和 均為關閉按鈕，當系統(tǒng)檢測到大氣環(huán)境不適宜人的生活，蜂鳴器就會發(fā)出警報。而當工作人員得知這一情況后，就會按下 和 關閉警報和蜂鳴器。模擬量的輸入點有 4 個洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 分別為 AI0、 AI AI2 和 AI3。通過編制程序可以直接從模擬量轉換 EM231 中的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。它們分別為 是大氣壓力 報警蜂鳴器， 是濕度報警 蜂鳴器， 是風速報警蜂鳴器， 是溫度報警蜂鳴器， 是舒適指示燈， 是警告指示燈。系統(tǒng)還會通過當日溫度濕度情況做出判斷今日是否為舒適一天。它是接收模擬 量輸入模塊所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并儲存到內部寄存器里面，并且還能做出相應的反應。它是接收由外部傳感器所采集到的數(shù)據(jù)并傳送到 CPU 中。它是將 CPU 的內部寄存器所儲存的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到計算機里面。按照這個循環(huán)一直進行下去，數(shù)據(jù)不斷的采集和處理以及存儲和做出反應，循環(huán)往復。 壓力處理 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 19 這一段程序是將模擬 量通道 AIW0 的數(shù)據(jù)通過 I_DI 指令轉換為雙整型數(shù)據(jù)，并存放在 AC0 中，然后將 AC0 中所存儲的數(shù)據(jù)使用 DI_R 轉換為浮點數(shù)，因為西門子不允許整型數(shù)據(jù)直接轉換為浮點數(shù)，所以這樣做是為了提升計算精度。在計算的過程中為了保持各個數(shù)據(jù)的獨立型，所以在計算運行的時候我們暫時關閉監(jiān)控。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 20 然后經(jīng)過除以（ DIV_R） 25600 來得到輸入值占用整個輸入范圍的百分比， 320206400=25600，因此 25600 就是 4~20mA 對應的輸入范圍。 網(wǎng)絡 5 得到的壓力值 VD30 在網(wǎng)絡 6 中比較，當 VD30≤ 800hPa， PLC就會給相對于的蜂鳴器一個信號 1 使大氣壓力報警裝置 發(fā)出大氣壓力警報。 濕度處理 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 22 網(wǎng)絡 1 是將模 擬量通道 AIW2 的數(shù)據(jù)通過 I_DI 指令轉換為雙整型數(shù)據(jù)類型，并存放進 AC1 中，網(wǎng)絡 2 是將網(wǎng)絡 1 中所轉換得到的 AC1 轉變?yōu)閷崝?shù)，利于后面的計算。 最后將網(wǎng)絡 4 里面得到的相對濕度值進行邏輯計算，當 VD10≥ 70 時，則相對應的濕度報警蜂鳴器會發(fā)出濕度報警。 風速處理 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 24 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 25