---PLC空气质量检测设计.doc

成都电子机械高等专科学院 毕业论文 成都电子机械高等专科学校成教院制成都电子机械高等专科学校成教院制 成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 论文题目 论文题目 PLCPLC 空气质量检测设计空气质量检测设计 教教 学学 点 点 指导老师 指导老师 职职 称 称 讲师讲师 学生姓名 学生姓名 学学 号号 专专 业 业 汽车电子汽车电子 成都电子机械高等专科学校成教院制成都电子机械高等专科学校成教院制 20122012 年年 3 3 月月 1 1 日日 成都成都电电子机械高等子机械高等专专科科学学校成校成教教院院 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 成都电子机械高等专科学校成教院制成都电子机械高等专科学校成教院制 毕业设计毕业设计 论论文 任文 任务书务书 题题目 目 PLCPLC 空空气质气质量量检测设检测设计计 任务与要求 任务与要求 通过通过 PLCPLC 的设计 仿真 为最终的实际应用提供参考依据 的设计 仿真 为最终的实际应用提供参考依据 并分析了研究过程中出现的问题 逐步找出光控开关的最佳设计方法并分析了研究过程中出现的问题 逐步找出光控开关的最佳设计方法 时间时间 20112011 年年 1212 月月 1515 日日 至至 20112011 年年 3 3 月月 5 5 日日 共共 1212 周周 教教 学学 点 点 重庆科创职业学院重庆科创职业学院 学生姓名 学生姓名 杜锋杜锋 学学 号 号 1012441202610124412026 专业专业 机电一体化机电一体化 指指导单导单位或位或教研教研室 室 指指导教师导教师 孙庆玲孙庆玲 职职 称称 讲师讲师 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 3 毕业设计毕业设计 论文论文 进度计划表进度计划表 日日 期期工工 作作 内内 容容执执 行行 情情 况况 指导教师指导教师 签签 字字 12 月 15 日 至 12 月 25 日 选题 12 月 26 日 至 1 月 2 日 论文提纲写作 1 月 3 日 至 2 月 15 日 初稿写作 2 月 15 日 至 2 月 29 日 二稿写作 3 月 1 日 至 3 月 10 日 定稿并上交论文的电子文稿 3 月 10 日 至 3 月 15 日 做好论文评阅准备 教师对进教师对进 度计划实度计划实 施情况总施情况总 评评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 4 PLCPLC 空气质量检测设计空气质量检测设计 摘要随着科学技术的不断进步 以及化学工业的发展给我们的生活带来了前所未有的变 革 但是同时空气质量的恶化也对人们的健康构成显著的威胁 直接导致了各种呼吸道疾病 和中枢神经不适症 空调病等疾病的产生 这就要求我们对空气质量进行检测 并对检测信 息进行统计 得到合理的治理措施 虽然化学工业的发展给我们的生活带来了前所未有的 变革 但是同时空气质量的恶化也对人们的健康构成显著的威胁 直接导致了各种呼吸道疾 病和中枢神经不适症 空调病等疾病的产生 尤其以甲苯 甲醛等为主要成分的装修材料所 挥发出的气体以及吸烟所产生的尼古丁等被称为隐形杀手的大量有毒气体却使我们生活空 间中的空气质量显著降低 关键词 关键词 空气质量检测 工作原理 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 5 PLC air quality test design Along with the science and technology unceasing progress and chemical industrial development to our life has brought an unprecedented change but at the same time the deterioration of the air quality of the health of the people constitute significant threats led directly to various respiratory disease and central nervous BuShiZheng such as the generation of KongDiaoBing disease This require us to test air quality and the test information statistics get reasonable treatment measures Although the development of chemical industry to our life has brought an unprecedented change but at the same time the deterioration of the air quality of the health of the people constitute significant threats led directly to various respiratory disease and central nervous BuShiZheng such as the generation of KongDiaoBing disease Especially in toluene such as formaldehyde for main ingredients decorate material to the volatility of the gas and smoking produced such as nicotine is called the invisible killer of large volume of poisonous gas will make our life space to the air quality significantly reduced Keywords air quality detection Working principle 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 目 录 第一章 前 言 1 第二章 PLC 的工作原理 2 第一节 硬件设计 2 第二节 软件设计 3 第三节 模糊控制 4 第四节 PLC 的工作方式 6 第三章 PLC 空气质量检测的应用及发展 10 第一节 湿度检测 10 第二节 环境粉尘检测 10 第三节 矿山空气成分检测 12 第四节车内空气质量检测 12 结 论 13 致 谢 14 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 1 页 第一章 前 言 虽然化学工业的发展给我们的生活带来了前所未有的变革 但是同时空气质量的恶化 也对人们的健康构成显著的威胁 直接导致了各种呼吸道疾病和中枢神经不适症 空调病 等疾病的产生 尤其以甲苯 甲醛等为主要成分的装修材料所挥发出的气体以及吸烟所产 生的尼古丁等被称为隐形杀手的大量有毒气体却使我们生活空间中的空气质量显著降低 随着国内人民生活水平的提高和现代高科技和电子技术的发展 这就要求提高周围空气 质量 使其达到人体感到舒适的程度 2008 年 中国的奥运年 号召以绿色为主 创建 绿色奥运 全球气候的日益变暖 越来越体现出保护环境的重要性 影响空气质量的 3 个重要因素是温度 湿度和清洁度 鉴于净化空气改善生活 预防因空气导致的各种疾病 的需要 国内外相关机构不仅出台了相应的空气标准 同时也在采取先进的科学技术致力 于空气质量检测及净化方面的研究 并已设计出相当多的产品 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 2 页 第二章 PLC 的工作原理 第一节 硬件设计 控制电路主要有单片机 电源部分 数据采集部分 和显示电路以及功率驱动电路组 成 如图 1 1 所示 图 1 1 控制电路 本系统采用 Atmel 公司的 AT89C51 作为系统 CPU 该芯片含有 4 kB 可重编程闪速程 序存储器 2 7 6 V 的操作范围 128 BRAM 2 个 16 b 定时 计数器 一个 5 向量两级 中断结构 一个全双工串行口 一个精密模拟比较器 6 个中断源 与工业标准 MCS 51 系列单片机指令集和引脚结构兼容 1 键盘电路方式选择和参数设置 为节省单片机的口线 键盘信号送入模数转换器进行转换 从而判断出是哪一个按键 按下 然后执行相应的动作 S1 是控制自动 手动切换按键 默认方式下 系统是手动 工作方式 按一次 S1 键 工作方式变化一次 S2 是温度加 1 键 S3 是温度减 1 键 每按 S2 S3 一次设定的温度就加或者减 1 C S4 是送风方式按键 第 1 次按是向头吹冷风 第 1 次按是向头吹冷风和向脚吹热风 第 3 次按是向脚吹热风 第 4 次按是吹脚和除霜 第 5 次按是除霜 S5 是循环方式按键 默认的循环方式是内循环方式 按一次是外循环 方式 再按一次又回到内循环方式 S6 是压缩机开关键 控制压缩机的启停 按键电路 图如图 1 2 所示 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 3 页 图 1 2 按键电路 2 模拟量采样电路 本系统一共有 11 路模拟信号需要进行 AD 转换 即车内温度传感器信号 车外温度传 感器信号 蒸发器温度传感器信号 湿度传感器信号 CO 浓度传感器信号 CO2 浓度传感 器信号 温度门电机位值反馈信号 内 外空气门电机位置反馈信号 冷风门电机位置反 馈信号 热风门电机位置反馈信号和除霜风门电机位置反馈信号 采用美国德州仪器公司 于近几年推出的一种性能价格比较优的 11 个输入端的 10 b 模数转换器 TLC1543 3 显示驱动 显示器采用苏州创高电子有限公司生产的专用的汽车显示器 内部结构为发光二极管 工作方式同一般的 LED 可以显示送风方式 车内空气循环方式 鼓风机工作状态 设 定温度以及车内实际温度等 本系统显示采用动态显示 有程序直接控制 为节省口线 系统采用串入并出的移位寄存器芯片 74HC164 来对显示进行段选 单片机的 P00 P01 P 02 和 74HC164 相连 74HC164 输出的信号经 MC1413 驱动输出显示电路的段码控制信号输 出端 由 P2 口的 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 驱动输出显示的位选控制信号 第二节 软件设计 系统软件用 C51 编写 由主程序和定时器 T0 中断服务程序等组成 从功能上包括系 统初始化 显示程序 数据采集程序 数字滤波和数字处理程序 设定键处理程序等模块 显示程序的功能是将显示缓冲器内容送显示器显示 我们采用定时动态扫描方法 每隔 1 ms 刷新一次 数据采集程序是主程序的一部分 由于温度 湿度 二氧化碳浓度及风 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 4 页 门开度等这些模拟信号变化缓慢 我们每隔 1 min 采集一次数据 而对按键每隔 100 ms 采集一次 由 T0 定时中断服务程序置位数据采集标志和按键采集标志 主程序查询到数 据采集标志后依次采集计算温度 湿度 二氧化碳浓度和风门开度等数据参数 存入对应 的数据存储器 采集到按键采集标志后对按键进行采集 并执行相应动作 为了提高控制系统的稳定性 加强抗干扰能力 采用了隔离电压芯片 光电隔离技术 和数字滤波技术 并使用 WatchDog 技术和软件陷阱防止程序跑飞 实现任务的恢复 采 取有效的电源抗干扰措施 第三节 模糊控制 模糊控制器的设计包括精确量的模糊化 模糊控 61 制规则的形成及解模糊 模糊控 制器的硬件用单片机实现 传感器定时监测温度信号 经 A D 转换输入到单片机 单片 机对信号进行处理 由模糊算法运算输出控制信号 按照实际要求 检测输入变量有温度 湿度和清洁度 控制输出变量有 5 个 分别是 混合风门开度 冷 热风门开度 除霜风门开度 内 外循环风门开度和加湿阀的启停及 压缩机的启停 本文以混合风门开度为例来介绍模糊控制器的设计 其他模糊控制器设计 类似 不再一一赘述 温度模糊推理如图 1 3 所示 图 1 3 温度模糊推理 1 精确量的模糊化图 模糊控制器的输入量是一个精确量 为了达到模糊控制的目的 首先要把精确量转换 成模糊量 精确量的模糊化主要是求各模糊变量的隶属函数 输入变量为温度偏差 e 和偏差变化率 c 输出变量为控制量 u u 为风门开度的增量 风门开度越大 经过加热器的风就越多 温度上升的越快 e ec 和 u 相应的温度论域 为 20 20 温度变化率的论域为 4 4 风门开度增量的论域为 50 50 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 5 页 E EC 的模糊语言均设定为负大 NB 负小 NS 零 ZE 正小 PS 正大 P B 5 档 U 的模糊语言定为负大 NB 负中 NM 负小 NS 零 ZE 正小 PS 正 中 PM 正大 PB 7 档 输入变量和输出变量的隶属函数分别如表 1 1 和表 1 2 所示 表 1 1 输入变量 表 1 2 输出变量 以上偏差为给定值与本次采样值之差 偏差变化率为本次偏差值和上次偏差值之差 模糊控制器采用双输入单输出的二维结构 2 模糊控制规则的确定 本系统采用 IF Ai and Bi then Ci 为模糊控制规则 其中 Ai 为温差 E 的模糊子集 Bi 为温差变化率 EC 的模糊子集 Ci 为风门开度增量 U 的模糊子集 根据温度变化的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论 总结出模糊控制规 则表 如表 1 3 所示 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 6 页 表 1 3 模糊控制规则表 上述选取控制量变化的原则是 当误差较大时 选择控制量以尽快消除误差为主 而 当误差较小时 选择控制量要注意防止超调 以系统的稳定性为主要出发点 3 输出反模糊化 根据模糊控制规则表确定的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量 u 依据重心法 可得到用于该控制系统实时控制的基本 Fuzzy 控制器的查询表 如表 1 4 所 示 表 1 4 基本 Fuzzy 控制器的查询表 第四节 PLC 的工作方式 1 顺序扫描 不断循环 的工作方式 1 每次扫描过程 集中对输入信号进行采样 集中对输出信号进行刷新 2 输入刷新过程 当输入端口关闭时 程序在进行执行阶段时 输入端有新状态 新状态不能被读入 只有程序进行下一次扫描时 新状态才被读入 3 一个扫描周期分为输入采样 程序执行 输出刷新 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 7 页 4 元件映象的长短由三条决定 A CPU 执行指令的速度 B 指令本身占有的时间 C 指令条数 5 由于采用集中采样 集中输出的方式 存在输入 输出滞后的现象 即输入 输出 响应延迟 2 不同的运行方式 最初研制生产的 PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置 但这两者 的运行方式是不相同的 1 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式 即如果这个继电器的线圈通电或断 电 该继电器所有的触点在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作 2 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 即如果一个输出线圈或逻 辑线圈被接通或断开 该线圈的所有触点 包括其常开或常闭触点 不会立即动作 必须等 扫描到该触点时才会动作 3 扫描技术 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行和输 出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期间 PLC 的 CPU 以 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 如图 1 4 图 1 4 扫描周期 一般来说 PLC 的扫描周期包括自诊断 通讯等 如下图所示 即一个扫描周期等于自诊 断 通讯 输入采样 用户程序执行 输出刷新等所有时间的总和 如图 1 5 所示 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 8 页 图 1 5 扫描路径 4 PLC 的 I O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力 提高其可靠性 PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔 离等技术 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制 PLC 采用了不同于一般微型计算机的 运行方式 扫描技术 以上两个主要原因 使得 PLC 得 I O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的 多 其响应时间至少等于一个扫描周期 一般均大于一个扫描周期甚至更长 所谓 I O 响应时间指从 PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所 需的时间 其最短的 I O 响应时间 图 1 6 与最长的 I O 响应时间 图 1 7 所示 图 1 6 最短 I O 响应时间 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 9 页 图 1 7 最短 I O 响应时间 以上是一般的 PLC 的工作原理 但在现代出现的比较先进的 PLC 中 输入映像刷新循 环 程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作 提高了 PLC 的执行效率 在 实际的工控应用之中 编程人员应当知道以上的工作原理 才能编写出质量好 工艺程序 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 10 页 第三章第三章 PLCPLC 空气质量检测的应用及发展空气质量检测的应用及发展 第一节第一节 湿度检测湿度检测 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量 常量绝对湿度 相对湿度露点等表示 所 谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量 也就是指空气中水蒸气的密度 一般 用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示 即为Ha mV V式中 mV为待测空气中水蒸气质 量 V为待测空气的总体积 单位g m3 相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压 P a 和同温度下饱和水蒸气的分压 PN 的百分比 即HT Pw PN T 100 R 通常 用RH 表示相对湿度 当湿度和压力变化时 因饱和水蒸气变化 所以气体中的水蒸气即使相同 其相对湿度也发生变化 湿度的测量方式有以下几种 即采用伸缩式湿度计 干湿球湿 度计 露点计和阻抗式湿度计等 伸缩式湿度计是利用毛发 纤维素等物质随湿度变化而 伸缩的性质 以前多用于自动记录仪 空调的自动控制等 目前用于家庭设备的是把纤维 素与约50的金属铂粘合在一起 卷成螺旋状的传感器 不需要进行湿度补偿 但不能转换 为电信号 湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成 它是将环境湿度变为电信号的装置 湿敏传感器在工业 农业 气象 医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用 特 别是随着科学技术发展 对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研 制工作 通常 理想的湿敏传感器的特性要求是 适合于在宽温 湿范围内使用 测量精 度要高 使用寿命要长 稳定性好 响应速度快 湿滞回差小 重现性好 灵敏度高 线 形好 湿度系数小 制造工艺简单 易于批量生产 转换电路简单 成本低 抗腐蚀 耐 低温和高温特性等 第二节第二节环境粉尘检测环境粉尘检测 MM19 DUSTMATE型手持式环境粉尘检测仪是用于空气环境粉尘检测 职业卫生粉尘检 测的有效工具 1 检测方式 用于粉尘的质量浓度检测 可同时检测呼吸性粉尘和可及入尘 用于粒子浓度检测 DUSTMATE手持式环境粉尘检测可检测PM10 PM2 5和PM1三种粒子 大小的浓度分布 2 应用场合 检测空气环境质量 作业场所 交通工具等场合的粉法浓度 鉴定敏感空气中传播的 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 11 页 粉尘浓度 其体积小 重量轻 易携带 操作简便 自动或手动选择病人最佳测试结果 通过输入功能残气量FRC值 可进行残气容积 RV 肺活量 TLC 及RV TLC等值计算 3 P特点 用三个键简单的操作 大屏幕液晶显示实时粉尘浓度 坚固轻便的便携箱 是为使用 者精心设计的 设置有RS 232接口 可方便的与计算机连机 进行数据存储和处理 空气质量软件 空气质量软件能收集并有效的纪录所有的样品 数据报告方式如下 1 电子表格 2 实时典线图 使您能迅速查找不同时间和地点的检测结果 DUSTMATE手持式粉尘 检测仪能实时 快速检测粉尘样品 高效监测空气质量 1秒种就可读数 完全满足有关 粉尘检测的国家标准 PM10 PM2 5 PM1粒子分布情况 用MM19 DUSTMATE可迅速被检出 3 主要技术指标 一般采样间隔 1秒至4小时 检出限 0 01mg m3 测量范围 0 600mg m3 读数方式 大屏幕双行液晶显示 尺寸 160 100 90毫米 重量 1 2公斤 成都电子机械高等专科学院 毕业论文 第 12 页 第三节第三节 矿山空气成分检测矿山空气成分检测 可编程控制器 PLC 是一种新型的通用控制装置 可对矿山的空气成分进行检测 它将传统的继电器控制技术 计算机控制技术和通信技术融为一体 专为工业控制而设计 具有功能强 通用灵活 可靠性强 环境适应性好 编成简单 使用方便 体积小 重 量轻 功耗低等一系列优点 近年来 随着可编程控制器的日渐成熟 越来越多设备的控 制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制 并取得了很好的经济效益 第四节第四节 车内空气质量检测车内空气质量检测 车内空气的质量调节是一个复