1、 机电一体化课程设计 基于PLC的恒温控制系统 二一年六月二一年六月 1课题要求及背景意义 1.1 课题要求 设计一个基于 PLC 的恒温控制系统，系统采用多个温度传感器检测室内 温度，要求对各个传感器信号求平均值并实时显示温度值，精确到小数点后 一位。 设定恒定温度为 25 摄氏度， 当温度低于 24 摄氏度时控制电动机正转， 当温度高于 26 摄氏度时控制电动机反转。 1.2 基于 PLC 的恒温控制系统的现实意义 温度与人类的生产生活有着密切的联系，在工农业生产中温度是最常见 最基本的参数，在机械电子等各类工业及农业温室中均广泛需要对温度进行 的检测并进行相应控制。 可编程逻辑控制器(P
2、LC)是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控 制机器的运行或工艺的工序。PLC 通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号 和接受输入信号。PLC 综合了计算机和自动化技术，不但可以很容易地完成 逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入 输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的 自动控制。 2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 15.939.1。 2能实现环境温湿度的实时显示，精确到小数点后一位。 3设定温度为 25，温度低于 24时电动机正转，温度高于 26时电动机 反转
3、。 4设计出传感器的接线电路，LED 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 本设计主要以三菱 FX1N-40MR 系列可编程控制器（PLC）为主要的控制 元件，实现对环境的温度进行实时检测和显示。 本设计利用由热敏电阻及普 通电阻组成的双臂电桥作为温度传感器采集温度信号，后接运算放大器进行 信号放大，并经过数模转换器（ADC）将采集的温度信号由模拟量转换为数 字量输入 PLC 中数据经过 PLC 处理输出控制信号并显示。显示部分采用 LED 八段数码管进行显示，本设计使用了三个 LED 数码管进行显示，能够显示当 前环境温度平均值，精
4、确到小数点后一位，并能实现当环境的温度超出设定 范围时发出控制信号控制电动机进行相应的动作。 系统原理框图如下图 2-1 所示。 图 2-1 系统原理框图 3.系统的硬件方案与设计 3.1 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。考虑到稳定性、价格、自己动手实践等方面的因素我们决定采用热敏电阻电 路作为温度传感器使用。对于热敏电阻组成传感器，需要借助适当的电路，将电 阻的变化转换为相应电压或电流的变化，才能供后续电路使用。最常见的转换电 路是众所周知的惠斯顿电桥（简称电桥） 。我们为提高灵敏度采用双臂电桥的形 式。 3.1.1 热敏电阻温度特
5、性 热敏电阻的Rt t特性在不太宽的温度范围内可以用如下公式描述： Rt= R0e B( 1 t 1 t0) 式 3-1 式中，Rt、R0分别为温度为 t（K）和t0（K）时的电阻值；B 为热敏电阻的 材料系数，一般情况下，B=20006000K。 若定义1 R dR dt 为热敏电阻的温度系数 a （即温度变化 1时电阻值的相对变化 量） ，则由上式得 a = 1 R dR dt = B t2 式 3-2 例如 B 值为 4000K，当 t=293.15K（20）时，热敏电阻的 a=4.7%/，由上 式可见，a 随温度的降低而迅速增大，由于热敏电阻非线性严重，所以在实际使 用时要对其进行线性
6、化处理。但在本设计测温范围内（15.9-39.1） ，阻值和 温度变化可近似看做成线性关系。 3.1.2 温度特性的线性化处理及测温电桥 考虑到本恒温控制系统设定温度为 24-26，超出此范围后会使电动机进 行相应的动作调整温度，所以我们将 20-30的Rt、U(t)随温度 t 变化数值录 入表格，做出相关变化图像，得到非参量数学模型，并得出 20-30范围内的 近似线性关系的参量数学模型。使系统在 20-30范围内有较高的精度，忽略 其非线性因素造成的影响。 取热敏电阻的材料系数 B=4000K，R0= 1000、t0= 298.15K（25）得到 下表： t Rt t Rt t Rt t Rt 20.0 1257.1232 22.5 1120.1308 25.0 1000.0000 27.5 894.4388 20.1 1251.2874 22.6 1115.0184 25.1 995.5118 27.6 890.4907 20.2 1245.4827 22.7
