PLC空气质量检测设计.docx

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PLC空气质量检测设计

成都电子机械高等专科学校成教院

毕业设计<论文）

论文题目：

PLC空气质量检测设计

教学点：

重庆科创职业学院

指导老师：

孙庆玲

职称：

讲师

学生姓名：

杜锋

学号:

10124412026

专业：

机电一体化

成都电子机械高等专科学校成教院制

2018年3月1日

成都电子机械高等专科学校成教院

毕业设计＜论文）任务书

题目：

PLC空气质量检测设计

任务与要求：

：

通过PLC的设计、仿真，为最终的实际应用提供参考依据。

并分析了

时间：

2018年12月15_日至2018年3月5日共12_周

教学点：

重庆科创职业学院

学生姓名：

杜锋学号：

10124412026

专业：

机

指导单位或教研室:

指导教师：

孙庆玲职称：

讲师

毕业设计（论文>进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师签字

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

教师对进度计划实施情况总评

签名

年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

PLC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：

空气质量检测；工作原理

PLCairqualitytestdesign

Alongwiththescieneeandtechnologyunceasingprogress,andchemicalindustrialdevelopmenttoourlifehasbroughtanunprecedentedchange,butatthesametimethedeteriorationoftheairqualityofthehealthofthepeopleconstitutesignificantthreats,leddirectlytovariousrespiratorydiseaseandcentralnervousBuShiZheng,suchasthegenerationofKongDiaoBingdisease.Thisrequireustotestairquality,andthetestinformationstatistics,getreasonabletreatmentmeasures.Althoughthedevelopmentofchemicalindustrytoourlifehasbroughtanunprecedentedchange,butatthesametimethedeteriorationoftheairqualityofthehealthofthepeopleconstitutesignificantthreats,leddirectlytovariousrespiratorydiseaseandcentralnervousBuShiZheng,suchasthegenerationofKongDiaoBingdisease.Especiallyintoluene,suchasformaldehydeformainingredientsdecoratematerialtothevolatilityofthegasandsmokingproducedsuchasnicotineiscalledtheinvisiblekilleroflargevolumeofpoisonousgaswillmakeourlifespacetotheairqualitysignificantlyreduced.

Keywords:

airqualitydetection。

Workingprinciple

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9

第一节湿度检测9

第二节环境粉尘检测10第三节矿山空气成分检测10第四节车内空气质量检测11结论11致谢11

第一章前言

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。

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4kB可重编程闪速程序存储器，2.7〜6V的操作范围，128BRAM2个16b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：

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、C02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10b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POO,P01,

P02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1ms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

门开度等这些模拟信号变化缓慢，我们每隔1min采集一次数据，而对按键每隔100ms

采集一次，由TO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%],E,EC的模糊语言均设定为负大＜NB、负小＜NS、零＜ZE、正小＜PS、正大

＜PB5档。

U的模糊语言定为负大VNB、负中VNM负小＜NS、零VZE、正小＜PS、正中VPM、正大VPB7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

-4

-2-1

〒

h.届

0.耶

000

00.M

札660Q

011

表1-2输出变量

•出U

一3

—2

-1

4■h

[）

h*1

kif

（1

（J

（1

（hM

4■砖0

Pli

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IFAiandBithenCi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。

表1-3模糊控制规则表

—

Pli

卩盂

f*H

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。

—101£i4

■.厂

-4--310

—>

-4—J—3I0

7771t

■*1

—4・

-3-2-211

44>

吐■

7_2-M0t

7TT-12

■

-1-I—13

—i

—10o―j3

表1-4基本Fuzzy控制器的查询表1

loo*

SS-

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。

（4＞元件映象的长短由三条决定。

A＞CPU执行指令的速度。

B才旨令本身占有的时间。

C才旨令条数。

（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。

第仲）个

柑蜡国粕—►

4—

—第n个由鍋期——

—J

第的）个

＜一iliSlalHS

紐刷新T

—►

肝程斥師—M

4—

—►

r入釆样

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。

故

障

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：

第（nJ）个

—►

—第d个扫描周期——

►

第（卄1）个

4—幻堆国朗

输岀刷新T

嘴——►

输入采样

—用户程序机行一W

V►

输出刷新

—输入釆样

擾短I/O响应时

图1-6最短I/O响应时间

Mm期鮎+i佛橋期

1/01®St

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。

第三章PLC空气质量检测的应用及发展

第一节湿度检测

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M空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha=mV/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

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。

第二节环境粉尘检测

MM19-DUSTMA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持式环境粉尘检测可检测PM10,PM2.侨口PM仁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FR（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,PM粒子分布情况，用MM19-DUSTMAT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：

160X100X90毫M

重量：

1.2公斤第三节矿山空气成分检测

可编程控制器vPLC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空制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。

第四节车内空气质量检测

车内空气的质量调节是一个复杂的控制，影响的因素很多，很难用确切的数学模型来表示，因此用常规的控制算法很难对这一过程加以很好的控制。

因此，这需要对车内空气质量检测、信息统计。

模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术，模糊控制算法具有人的智能思维，适应性好、鲁棒性强等特点，模糊控制不需要建立数学模型，而是以人的经验和知识作为依据，模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制，正适用于这类系统。

因此，采用模糊控制算法对空气质量进行检测、自动控制，可以取得良好的效率。

结论

PLC在空气质量检测方面的发展及应用，为治理空气环境，提供了更多有利参考数据。

PLC空气质量检测设备，其具有功能强、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，PLC正在普及、广泛应用，发

展前景大。

致谢

在大学求学期间，是我感觉自己迄今为止的人生中最为充实，所获最丰的一个阶段，在这段时间里，我学到了知识，遇到了好老师和好同学，交到了好朋友，这些，都是足以使我一生受用的宝贵财富。

在这段人生经历即将告一段落之际，我要向我的亲人、老师、同学、同事和朋友们表示衷心的感谢。

感谢我的父母，他们的支持和鼓励，使我始终没有丧失不断学习、不断提高的斗志。

在本论文完成之际，首先要向我的指导老师孙庆玲表示衷心的感谢。

此外，我还要感谢在这两年中我有幸聆听教导，并给我带来深刻印象的老师们，一并致以深切的感谢。

在设计课题的过程中，锻炼了统

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