1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I基于 PLC 小型气象站设计摘 要本论文着重介绍了以西门子公司生产的 S7-200 系列的 PLC 为主要控制元件，实现对外部环境的风速、大气压、温度和湿度进行实时监测和显示，以及当某项或多项空气指数超出设定的范围时系统会作出报警以警示人们当前环境对人某方面的危害；当这四种空气指数都符合舒适度的设定时，系统会输出显示为舒适。以上这些功能都是我们通过对 PLC 的编程实现的。本设计采用多种传感器，包括温湿度传感器、风速传感器以及大气压力传感器。这些传感器具有反应速度快、测量精度高、耗能低、自身功能强大和价格低廉等优点。当外部传感器监测到外部环境所对应的空气指数后通过
2、变送器将电阻电流信号转换成标准模拟信号输入到模拟量输入扩展模块，然后输入模块通过计算和处理这些数据传输到 CPU 中，并储存在内部寄存器中；最后系统通过以太网模块的传输将测得的温湿度、风速和大气压传到上位机得到显示，当数值超过限定范围时会做出相应的报警。本设计的小型气象站的测量精度非常高，实时性也比较高，所以完全可以应用到日常生活中去。关键词：PLC ，编程，传感器，显示洛阳理工学院毕业设计（论文）IIBased on PLC small station design ABSTRACTThis paper introduces the Siemens S7-200 series PLC as
3、the main control components, realize the external environment of wind speed, atmospheric pressure, temperature and humidity for real-time 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 curren
4、t environment of a certain aspect; When the four air index meet the comfort setting, system will display the output for comfort. These functions are based on PLC programming .This design USES a variety of sensors, including temperature and humidity, wind speed sensor, and the atmospheric pressure se
5、nsor. These sensors have reaction speed, high precision, low consumption, and its powerful functions and the price is low wait for an advantage. When an external sensors to detect the external environment of the air index after through the transmitter converts resistance current signal into standard
6、 extension module analog signal input to the analog input, and then input module through calculation and processing these data to the CPU, and stored in the internal register. Finally system through Ethernet module of transmission of the measured temperature and humidity, wind speed and atmospheric
7、pressure is displayed to the upper machine, makes the corresponding alarm when numerical exceeds the limits. The design of small stations has high measurement precision, and has a high real time capability, so it can be applied to daily life. KEY WORDS: PLC，Programming ，The sensor，Display洛阳理工学院毕业设计（
8、论文）III目 录前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 本课题研究的意义.21.1.1 国外发展历程 .31.1.2 国内发展历程 .31.2 小型气象站的应用情况.41.2.1 在农业反面的应用 .41.2.2 在防灾和电力运输方面的运用 .41.2.3 本设计的应用 .41.3 研究的主要工作.5第 2 章 控制方案 .62.1 控制原理分析.62.2 控制要求.7第 3 章设备的选型 .93.1 传感器的选型.93.1.1 大气压力传感器 .93.1.2 风速传感器 .103.1.3 温湿度传感器 .103.2 PLC 的选型 .113.2.1 PLC 的 I/O 点分析 .113.
9、2.2 PLC 扩展模块的选型 .123.3 设备清单.133.4 PLC 的 I/O 接线图 .14第 4 章 软件设计 .164.1 主程序流程图.164.2 程序梯形图.174.2.1 主程序 .174.2.2 压力处理 .18洛阳理工学院毕业设计（论文）IV4.2.3 湿度处理 .214.2.4 风速处理 .234.2.5 温度处理 .284.2.6 舒适度判断 .30第 5 章 仿真 .315.1 仿真软件的确定.315.2 程序的仿真.31结 论 .40谢 辞 .41参考文献 .42外文资料翻译 .44洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言大气是人类赖以生存的环境之一，但是由于工业化
10、的推进，我们大部分城市的大气已经受到了不容忽视的污染 1。而大气污染同时也给人们的日常出行和日常工作造成了不同程度的干扰，因此我设计了一款小型气象站，本设计的气象站可以实时、准确的监测大气中温湿度、风向和大气压等指数。它不仅可以监测到具体数据，还能够根据所检测到的具体数据做出相应的输出反应。比如当温度远超过系统所设定的舒适值时，系统的温度报警器就会做出反应，相对于的温度蜂鸣器就会发出警报，提醒人们当前室外温度对人体可能造成危害。从 20 世纪 40 年代以来，许多国家都开始对自动化气象站进行了研究和论证。过了 10 年到了 50 年代中期，电子工业的飞速发展，不少国家开始出现了各种类型的气象观
11、测站。到了 60 年代中期，气象观测技术又得到了一步提高，这次是观测精度得到了提高，运行可靠性上面得到了加强。随后的几十年，不论是在监测精度上还是在数据传输可靠性行上等问题都得到很大的提高。我国是在 20 世纪 50 年代后期开始对自动气象观测站开始了研究，至今已经有 50 多年的历史了。自动气象站已经在我国运行很多年了，在这期间气象工作者不断的积累经验，在错误中成长，如今我国的自动气象技术也在逐步和世界最先进技术拉近距离，缩短差距。我们存在的问题也不少，比如大部分都采用集中结构，由于数据采集器的生产厂家不同，各个厂家的生产标准不一样，这就给气象站的维修和维护带了很大的困扰；我国的自动气象站主
12、要还是采用进口的产品，由于技术和工艺的原因，很多产品不能直接进行升级，这就造成了很大的浪费。由于目前的环境变幻莫测、愈发的恶劣，因此本设计的小型气象站要解决的问题第一是可以监测户外的恶劣环境，第二是将监测到的数据通过计算和系统的分析，PLC 控制输出这些数据和当环境影响到户外的一些活动时发出一些警报提醒人们注意防范，为人们的户外工作提供安全上的保障。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 概述1.1 本课题研究的意义随着工业的发展，我们所生活的环境也发生了很大的变化，空气质量越来越差，各种极端气候也层出不穷，因此我设计了一款小型气象站，它可以通过对空气的监控而给人们提供一些实时环境回馈。自
13、20 世纪 40 年代以来，许多国家都开始对地面气象观测自动化进行了许多研究。发展到如今，所研究的小型气象站可以应用到各个领域，例如：现代化农业生产、电力监测、交通、大气监测、通信、科研等领域。并且在这些领域都有了长足的发展，给人们提供了更加舒适和安全的生活环境。在气象站建设、农林气象监测、生态环境监测、温室控制、公路铁路运营及地质灾害监测等多种领域提供了可靠的保证，使其在恶劣的环境条件下也能稳定工作。尤其是在某些高科技行业，例如能源行业，为产品提供了有力的支撑，起着举足轻重的作用。小型气象站的应用不仅可以检测多种影响电力运输的量值，保证电力的正常、安全运输，避免事故的发生，保持经济的平稳提高
14、，促使相关产业的优化，进而对国民经济产生良好的促进和提高。气象参数自动采集系统具备以自动收集温度、湿度、风速、光照等气象数据的特点。其最大优点是能够快速有效的监测到实时天气，可以提供更加准确的天气数据。同时，小型气象站所监测到的天气数据比人工观测的误差更小。小型气象站采用 220V 交流电供电，通过各种各样的传感器对所检测的区域的温湿度、风速、大气压力等进行全方位监测，然后将所监测和处理过的数据通过以太网传输到计算机。最后人们通过计算机上的数据可以做出气象判断，为防灾做出预警，并保证人们的安全。在电力运输方面，可以很好的确保输电线路各段的安全运输。气象站的建立，可以很好的预测出天气状况，并能够
15、通过对天气状况的监测做出防灾预警，可以有效的减少气象灾害对人们生命和财产的损害，使人们的生活质量得到保障，出行和生活更加美好。本设计是基于西门子 S7-200 系列 PLC 为主要控制元件而进行设计的，可编程控制器(PLC)是综合计算机技术、自动控制技术的一种通用的、新型的自动控制装置。它具有可靠性高、功能强、使用灵活方便，易于编程和适应工业环境下洛阳理工学院毕业设计（论文）3应用等一系列优点。最近几年的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱产业之一。PLC 的终极目标是用于实践、提高生产力。如今，PLC 应用在许多行业和设备。综上所述，所以我们本设
16、计采用 PLC 为主要控制元件。1.1.1 国外发展历程从 20 世纪 50 年代末开始，世界各国已经开始对自动气象站进行了设计和尝试，而美国和苏联率先设计出了不同型号的自动气象站，为以后的气象站发展奠定了基础。而到了 60 年代中后期，又出现了第二代自动气象站，这种气象站已经基本可以适应比较不好的天气状况，但是技术上仍然有一些缺陷。到了 70 年代，第三代产品利用集成电路很好的解决了第二代所存在的问题，开辟了新篇章。最后进入 90 年代以来，随着科技的日新月异自动气象站进入了飞速发展的时期，自动气象站已经可以完成它所需要完成的各项使命。1.1.2 国内发展历程我国自动气象站的研发和世界第一代
17、的研发是同步的，也是 20 世纪 50 年代后期开始的，至今已有 50 多年的历史。在 60 年代初，开始了自动气象站的研发和设计，发展到 70 年代不仅设计出了自动气象站，而且还在多地进行了试点，在试验了十多年以后到了 80 年代中期，我国采用先进的卫星监测技术，通过先进的科学技术在多地又进行了一年的测试，并通过了技术鉴定。到了 90 年代中期，中小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲，珠江三角洲地区建站运行。前后经过几十年的研究和测试到 90 年代后期，我国第一代自动气象站设计定型，并可以在日常中使用。截至 2003 年，全国有 1000 多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。1.2 小
18、型气象站的应用情况洛阳理工学院毕业设计（论文）41.2.1 在农业反面的应用农用气象站用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、能见度等众多气象要素进行全天候现场监测，是一种集气象数据采集、存储、传输于一体的无人值守的气象测量系统，可以通过多种通讯方法与气象中心计算机进行通讯，将气象数据传输到气象中心计算机气候数据库中，用于对气象数据统计分析和处理。这种小型气象站主要采用 ATmega16单片机，Atmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低能耗 8 位 CMOS 微控制器。它的系统主要包括各种气象站用传感器，如风速风向传感器、大气温湿度传感器
19、、光照温度传感器、气压传感器、太阳辐射传感器、土壤温湿度传感器等。1.2.2 在防灾和电力运输方面的运用加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划”中的一项重要内容 2。沿海和山区县的野外环境，由于它们所处的环境和地质面貌的关系，发生的自然灾害比较多。特别是每年的 6 月9 月间，是暴雨和台风的多发季节，频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民的生命财产安全，造成巨大经济损失和人员伤亡。地质灾害的发生与当地的气候条件、特别是实时雨量和历史雨量有密切的关系 3。因此，对空气指数的数据采集，可以有效的降低自然灾害和提前预防自然灾害对人们生活的影响。1.2.3 本设
20、计的应用随着工业的发展，我们生活所处的环境也越来越恶劣。因此我设计了一款小型气象站。可以实时监测户外的温湿度、大气压力和风速风向，通过对空气指数的测量，可以给人们出行和户外工作人员工作提供一个参考和警示。可以通过监测户外的环境因数，而及时做出防护判断和对人们出行给出合适的建议。环境监测主要是在典型气象区域安装小型气象站，加强大气温度、湿度、空气中大气压和风向的监测，在人们的日常生活中，往往比较关心温度、湿度的变化对人体健康的影响，而很少有人关心大气压力的变化对人体健康的影响 4。大气压力通常洛阳理工学院毕业设计（论文）5简称气压，其实气压变化对人体生理的影响是个十分复杂的问题，主要表现在影响人
21、体内氧气的供给，而缺氧会加快呼吸和血循环，出现呼吸急促、心率加快的现象，还会出现头疼、头晕、恶心、呕吐和乏力的症状。低气压严重的还会造成心脏病发作，所以本设计中专门加入大气压力测量，给户外工作人员一个参考，让工作人员有相应的应对的防范措施。1.3 研究的主要工作1.首先前期先进行相关资料的查询和了解，对所要研究的东西进行一个深入的剖析。2.第二步讲诉课题研究的意义和小型气象站在国内外发展的历程，以及讲诉小型气象站都应用在哪些方面和其所具有的功能。3.第三步通过原理分析提出控制要求和指标。并对控制方案作出分析。4.第四步主要介绍硬件选型，讲解各个传感器的功能和其他的设备选型。并且列出设备清单。并
22、写出 I/O 点分析以及 PLC 所加的模块。5.第五步主要是根据设备选型做出相应的软件设计，比如写出程序梯形图的编写和仿真。讲解各段程序所要完成的动作和是如何完成的。洛阳理工学院毕业设计（论文）6第 2 章 控制方案2.1 控制原理分析 气象和人们的生活息息相关，对铁路、农业、航空、工业等各个行业的发展有着很大的影响。因此小型气象站广泛应用于农业、交通、工业和易发灾的地方。本设计主要目的是通过小型气象站对环境的监测而给户外工作人员提供一个良好、准确的参考，以便让工作人员可以通过气象的监测而做出相应的准备和措施。本设计我们选用 PLC 作为主体，各种传感器作为信息采集，并增加模拟量输入模块对所
23、采集的信息作出计算和处理，然后将计算出的数据传输到 CPU 中。还增加了数字输出模块，将 CPU 中所储存的数据用以太网模块传输到计算机里。可编程序控制器（PLC ）的主要工作过程可以分为输入采样、执行用户程序、通信处理、CPU 诊断和输出刷新 5 个扫描循环（Scan Cycle）且不断重复执行 5。本设计是外部传感器接收到的空气中的数据利用电信号传输到 PLC 的 CPU中，然后 PLC 利用它的输入采样功能来处理传感器所采集到的信息。外部各个传感器将所检测到的数据通过电信号传送到 PLC 中，然后 PLC 通过逻辑运算、算数运算将温度、相对湿度、大气压力、风速计算出来，并保存在内部寄存器
24、里面。CPU 诊断主要是防止程序错误引起的死循环，PLC 的自检是将 PLC 的硬件检测、工作电压检查、存储器校验。如果出现异常 PLC 就会发出报警并作出相应的处理，例如停止或者复位 PLC。通信处理，当自检结束以后，PLC 需要进行通信请求检查，决定 PLC 是否需要与网络设备进行通信。本设计中 PLC 的数据输入是指 CPU 接受来自通信接口的输入数据，比如温湿度传感器、大气压力传感器和风速风向传感器通过电信号传输过来的数据，并将其存储到对应的存储器中。而数据输出是指 CPU 通过通信接口向外部发送数据，进行状态显示。例如本设计中是 PLC 接收到传感器传入的信号后，根据当前的温度、湿度、风速、大气压与日期，计算出当日舒适度，
