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被測物體溫度的器件，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。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濕度。濕度的檢測相比于溫度檢測更為復(fù)雜，因為它受太陽輻射、風(fēng)和周圍環(huán)境等因素的影響，而溫度是一個獨立系統(tǒng)。達芬奇運用羊毛制成毛發(fā)濕度計，開辟了濕度檢測方法的先河。

2 溫濕度中央監(jiān)測硬件設(shè)計

中央監(jiān)控溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，主控制器采用S7-200系列的CPU224XP的CPU，選用西門子QFM2160溫濕度傳感器對溫度和濕度進行檢測，模擬量輸入選用4×12位的EM231擴展模塊，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，選用西門子Smart700觸摸屏進行人機界面的設(shè)計，PC上位機用于監(jiān)測室的監(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。系統(tǒng)選用西門子溫濕度傳感器QFM2160用于相對濕度和溫度的檢測，該傳感器有4個接線端子，其中兩個端口G1、G2用于相對濕度和溫度的模擬信號輸出口，另外兩個端子G、G0用來接直流24V電壓，為傳感器提供工作電壓。溫度檢測范圍為0℃到50℃，精度可以達到±0.1℃，濕度測量范圍為0%到100%，精度可以達到±1%。其工作過程可以概述為：將檢測到的溫度通過比例轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號。同理將檢測到的濕度通過比例轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號，將輸出的電信號傳出到A/D轉(zhuǎn)換器中，再將數(shù)字信號輸入到處理器中，就能將溫濕度的實際值存儲到處理器的變量中，再經(jīng)過比例換算轉(zhuǎn)化為實際值，用于顯示與控制。

（2）PLC及其擴展模塊。①PLC模塊。 選用西門子公司的小型PLC，其型號為SIMATICS7-200，選用的 CPU型號為CPU224XP主，該模塊有14個輸入點、10個輸出點，共計24點。CPU224XP相比之前的同一產(chǎn)品具有較大的存儲量，做多可以連接7個擴展模塊，用于輸入輸出口的擴展。其內(nèi)部集成了時鐘，有2輸入和1輸出的模擬量單元模塊和兩個通信接口，有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。②模擬量擴展模塊。選用A/D轉(zhuǎn)化器為 EM231模擬量輸入模塊,該模塊共有4個通道用于模擬量轉(zhuǎn)換，數(shù)字量的位數(shù)可以達到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，有很強的抗干擾性，其信號不需要經(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經(jīng)過數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后，傳遞給PLC，PLC將輸入的數(shù)字信號再乘以比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為實際的溫濕度。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。人機界面是在操作人員與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，操作人員可以通過人機界面很方便的觀察機器設(shè)備的運行狀態(tài)，如果出現(xiàn)不正常情況時可以及時采取必要的補救措施。本系統(tǒng)的人機界面采用西門子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線纜進行連接。

3 溫濕度中央監(jiān)測軟件設(shè)計

中央監(jiān)控溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計，運用西門子編程軟件STEP7-Miro/WINV4.0軟件對西門子S7-200PLC進行編程以及實時監(jiān)測，通過西門子WinCCflexible2008觸摸屏組態(tài)軟件對Smart700觸摸屏進行組態(tài)監(jiān)測設(shè)計。最終完成整個組態(tài)軟件的設(shè)計。

（1）S7-200PLC編程。選用梯形圖編程語句對其進行編程，一共12個模擬量需要12個通道，因此選用3個EM231模擬量輸入擴展模塊。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個輸入端口，分別是輸入值、實際量最小值和實際量最大值。將整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實數(shù)，減去零，再除以32000，再乘以實際量最小大值和實際量最小值的差，最后加上偏移量，最終得到實際量。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)實際現(xiàn)場要求，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)體溫濕度智能檢測系統(tǒng)畫面如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運行

從圖2中可以看出，設(shè)置的溫度在20~24℃，濕度為50%~60%，當濕度大于設(shè)定值時，報警提示濕度高。實驗表明，該設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足中央監(jiān)測系統(tǒng)的要求，能夠?qū)貪穸冗M行實時監(jiān)測。