華玲芳

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215000）

1 集成溫濕度傳感器現(xiàn)狀

溫度傳感器是用于檢測(cè)被測(cè)物體溫度的器件，意大利物理學(xué)家伽利略最早發(fā)明了一種氣體膨脹式溫度傳感器，到了公元1821年，德國物理學(xué)家塞貝發(fā)明了熱電偶傳感器，第一次真正意義上將溫度變成了電信號(hào)。公元1871年，西門子公司創(chuàng)始人西門子發(fā)明了工業(yè)中使用最多的鉑電阻。溫度傳感器經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：分離式溫度傳感器、集成溫度傳感器和智能溫度傳感器。

濕度表示空氣的干濕程度，實(shí)際空氣中水蒸氣的含量占空氣中飽和水蒸氣的含量的比值就是相對(duì)濕度。濕度的檢測(cè)相比于溫度檢測(cè)更為復(fù)雜，因?yàn)樗芴栞椛洹L(fēng)和周圍環(huán)境等因素的影響，而溫度是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。達(dá)芬奇運(yùn)用羊毛制成毛發(fā)濕度計(jì)，開辟了濕度檢測(cè)方法的先河。

2 溫濕度中央監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

中央監(jiān)控溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主控制器采用S7-200系列的CPU224XP的CPU，選用西門子QFM2160溫濕度傳感器對(duì)溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，模擬量輸入選用4×12位的EM231擴(kuò)展模塊，能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，選用西門子Smart700觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，PC上位機(jī)用于監(jiān)測(cè)室的監(jiān)控，電源模塊選用24V直流開關(guān)電源。硬件結(jié)構(gòu)邏輯如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)邏輯圖

（1）溫度傳感器的選擇與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用西門子溫濕度傳感器QFM2160用于相對(duì)濕度和溫度的檢測(cè)，該傳感器有4個(gè)接線端子，其中兩個(gè)端口G1、G2用于相對(duì)濕度和溫度的模擬信號(hào)輸出口，另外兩個(gè)端子G、G0用來接直流24V電壓，為傳感器提供工作電壓。溫度檢測(cè)范圍為0℃到50℃，精度可以達(dá)到±0.1℃，濕度測(cè)量范圍為0%到100%，精度可以達(dá)到±1%。其工作過程可以概述為：將檢測(cè)到的溫度通過比例轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。同理將檢測(cè)到的濕度通過比例轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，將輸出的電信號(hào)傳出到A/D轉(zhuǎn)換器中，再將數(shù)字信號(hào)輸入到處理器中，就能將溫濕度的實(shí)際值存儲(chǔ)到處理器的變量中，再經(jīng)過比例換算轉(zhuǎn)化為實(shí)際值，用于顯示與控制。

（2）PLC及其擴(kuò)展模塊。①PLC模塊。 選用西門子公司的小型PLC，其型號(hào)為SIMATICS7-200，選用的 CPU型號(hào)為CPU224XP主，該模塊有14個(gè)輸入點(diǎn)、10個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì)24點(diǎn)。CPU224XP相比之前的同一產(chǎn)品具有較大的存儲(chǔ)量，做多可以連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，用于輸入輸出口的擴(kuò)展。其內(nèi)部集成了時(shí)鐘，有2輸入和1輸出的模擬量單元模塊和兩個(gè)通信接口，有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。②模擬量擴(kuò)展模塊。選用A/D轉(zhuǎn)化器為 EM231模擬量輸入模塊,該模塊共有4個(gè)通道用于模擬量轉(zhuǎn)換，數(shù)字量的位數(shù)可以達(dá)到12位，精度較高。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括A/D轉(zhuǎn)換器、放大器等多種功能的電路，有很強(qiáng)的抗干擾性，其信號(hào)不需要經(jīng)過放大器，直接與傳感器和PLC相連。它將集成溫濕度傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換后，傳遞給PLC，PLC將輸入的數(shù)字信號(hào)再乘以比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的溫濕度。通過撥碼開關(guān)可以設(shè)置模擬量輸入范圍、極性和最小分辨率等參數(shù)。③觸摸屏模塊。人機(jī)界面是在操作人員與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，操作人員可以通過人機(jī)界面很方便的觀察機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)不正常情況時(shí)可以及時(shí)采取必要的補(bǔ)救措施。本系統(tǒng)的人機(jī)界面采用西門子Smart700觸摸屏。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括顯示器/觸摸屏、安裝密封墊、安裝卡釘?shù)陌疾?、R542 2/R5485接口、電源連接器、銘牌、接口名稱、DIP開關(guān)和功能接地連接等裝置。它與PLC可以通過以太網(wǎng)或者PPI線纜進(jìn)行連接。

3 溫濕度中央監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

中央監(jiān)控溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，運(yùn)用西門子編程軟件STEP7-Miro/WINV4.0軟件對(duì)西門子S7-200PLC進(jìn)行編程以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過西門子WinCCflexible2008觸摸屏組態(tài)軟件對(duì)Smart700觸摸屏進(jìn)行組態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。最終完成整個(gè)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)。

（1）S7-200PLC編程。選用梯形圖編程語句對(duì)其進(jìn)行編程，一共12個(gè)模擬量需要12個(gè)通道，因此選用3個(gè)EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在AIW4、AIW6、AIW8、AIW10、AIW12、AIW14、AIW16、AIW18、AIW20、AIW22、AIW24、AIW26中，再經(jīng)過模擬量處理模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的濕度和溫度值，并放入變量VD100、VD104、VD108、VD112、VD116、VD120、VD124、VD 128、VD132、VD136、VD140、VD144中。

（2）模擬量處理模塊。模擬量處理模塊有3個(gè)輸入端口，分別是輸入值、實(shí)際量最小值和實(shí)際量最大值。將整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，減去零，再除以32000，再乘以實(shí)際量最小大值和實(shí)際量最小值的差，最后加上偏移量，最終得到實(shí)際量。

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求，將觸摸屏、傳感器和服務(wù)器等安裝好后，將濕度和溫度數(shù)據(jù)讀到PLC中，再將PLC中存放的數(shù)據(jù)變量讀入到觸摸屏和服務(wù)器中，最終得到觸摸屏顯示的超元半導(dǎo)體溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)畫面如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)行

從圖2中可以看出，設(shè)置的溫度在20~24℃，濕度為50%~60%，當(dāng)濕度大于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警提示濕度高。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠滿足中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，能夠?qū)貪穸冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。