摘要
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统 的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
关键词：恒温箱；PLC；传感器

第一章 绪论

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第二章 系统总体方案设计

2.1 系统功能
本次设计恒温箱将基于PLC设计完成。恒温系统要求通过冷热水的各自流通来控制恒温箱内的温度在20～80℃之间的某个设定数值。两个数码显示管分别用于显示设定温度及显示测试温度。当水温低于设定值时，报警并采用电加热升温。当水温高于设定值时，报警并启动冷却水泵使水流经冷却器向恒温箱供水降温。
由此系统总体设计由控制部分，电源部分，按键部分，温度测量部分，显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分组成。基本组成框图如图2-1所示。

根据以上系统模块框图，我们要实现以下功能：

第一、开通电源，状态指示灯1亮。

第二、通过按键键入设定温度，数码显示管1显示设定温度。

第三、数码显示管2显示恒温箱内的实时温度。

第四、当数码显示管2上显示的温度低于键盘显示板1上的设定温度时，蜂鸣器报警。加热装置加热。水泵2开始运行，状态指示灯3亮，水泵2抽取储水箱2中的热水注入恒温箱的第二组金属管，同时储水箱3中的第二组金属管端口有水流出。

第五、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，加热装置停止工作，水泵2停止工作，状态指示灯3熄灭。

第六、当数码显示管2上显示的温度高于数码显示管1上的设定温度时，蜂鸣器报警，水泵1开始运行，状态指示灯2亮。水泵1抽取储水箱1中的冷水注入恒温箱的第一组金属管，同时储水箱3中的第一组金属管端口有水流出。

第七、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，水泵1停止工作，状态指示灯2熄灭。

2.2 系统方案的论证

根据上文我们要实现的恒温箱功能可知，控制器主要用于对按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等。同时我们考虑恒温箱的各个使用环境。由此我们进行各个模块的论证。

2.2.1 控制器模块

对控制器的选择有以下二种方案：

方案一：采用单片机作为系统控制器。

单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。但是单片机的缺点是对于环境的要求过高。

方案二：利用PLC作为控制器模块。

PLC拥有对于开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动的控制、过程的控制等各种控制功能，并且PLC拥有数据处理、通信及联网的优点。并且PLC可靠性高，易操作，灵活性高，而且PLC对于环境的要求相对较低。

由此我们可以了解采用PLC控制实现按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等，将是我们最优的选择。

2.2.2 电源模块

对于供PLC的工作电压一般为DC24V,电源电压有DC24V的,也有AC220V的。市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以选择AC220V。

2.2.3 加热器控制模块

采用可控硅来控制加热器有效功率。

在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态. 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此频率,因元件开关损耗显着增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。可控硅的优点很多,例如：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍；反应极快,在微秒级内开通、关断；无触点运行,无火花、无噪音；效率高，成本低等。

2.2.4 温度采集模块

题目要求，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下二种方案：

方案一：采用热电阻传感器。

热电阻材料特性:导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200～500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：

①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

②电阻率高，热容量小，反应速度快。

③材料的复现性和工艺性好，价格低。 热敏电阻温度特性

④在测温范围内化学物理特性稳定。

方案二：集成测温传感器。

集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低；热敏电阻器通过消耗电受温度，功耗较高。而且，长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高，测量温度的准确性降低。

基于以上分析所以选择方案一。

2.2.5 显示模块

根据设计需求，恒温箱的温度要由用户人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案：

方案一：采用液晶显示屏。

液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示温度值数据位数较少，即信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。

方案二：采用LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。

LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，每位数码管的点亮时间为1～2ms，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，编程容易，资源占用较少。

根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码显示管。

2.2.6 键盘模块

在日常生活中，按键几乎是最普遍的人机交互方式。本次恒温控制系统采用PLC试验箱键盘模块，其实物如图2-2所示。

2.2.7 报警模块

按照设计需求，当恒温箱内的温度超过或者低于设定温度就要报警，报警设施使用蜂鸣器来实现。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。之所以选用蜂鸣器，是因为声音报警的方式比较直观地提醒用户水温已达到设定的温度，蜂鸣器价格低廉，硬件电路设计简单，并且只需要简单的编程就可以实现其报警功能。

第三章 硬件设计

3.1  硬件配置

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如表3.1所示。

本论文采用的是CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
3.1.2 传感器
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是K型热电阻。
3.1.3 EM 235模拟量输入模块
EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻 转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。
表3-1所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表3.2所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。下表3.2中，ON为接通，OFF为断开。

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3.3 硬件接线图