PLC溫度控制說明書

1、目錄一、緒論 第2頁一、本課題研究的背景和意義 第2頁二、本課題在國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 第2頁1、PLC在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 第2頁2、水箱溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 第3頁二、課題研究內(nèi)容 第4頁 一、總體方案設計 第4頁 1、基本要求第4頁2、方案對比第4頁3、方案確定 第5頁二、硬件設備的選擇 第5頁 1、傳感器的選擇 第5頁（I）、熱電阻的應用及原理 第5頁（II）、熱電偶測溫的應用原理 第6頁（III）、各種溫度傳感器的測量范圍和優(yōu)缺點 第8頁（IV）、溫度傳感器型號確定 第10頁（V）、溫度傳感器的輸出電壓信號第10頁2、放大器的選擇 第11頁 （I）、放大器簡述第1

2、1頁（II）、放大器參數(shù)選定 第12頁3、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇第15頁（I）、高速A/D轉(zhuǎn)換器的選擇方法第15頁（II）、速度與分辨率的關系分 第16頁（III）、誤差參數(shù)分析第17頁（IV）、ADC型號確定 第18頁4、可編程控制器PLC的選擇第19頁（I）、PLC的種類第19頁（II）、PLC型號選擇第21頁三、軟件系統(tǒng) 第22頁 1、對A/D模塊進行定義編程第22頁2、控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)第22頁四、系統(tǒng)調(diào)試 第22頁 1、硬件部分第22頁2、軟件部分第22頁參考文獻 第23頁心得體會： 第24頁附圖一、緒論一、本課題來源及研究的目的和意義隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動化控制水平

3、、工業(yè)產(chǎn)品和服務產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。每一個先進、實用控制算法和監(jiān)測算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動作用。然而，當前的學術研究成果與實際生產(chǎn)應用技術水平并不是同步的，通常情況下實際生產(chǎn)中大規(guī)模應用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時候這種滯后相差幾十年。這是目前控制界所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，一旦應用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應用。因而，在目前尚不具有在實驗室中重現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟實用的且具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果快速轉(zhuǎn)換為實際應用技術的捷徑。在工業(yè)生產(chǎn)自動控制中，為了生產(chǎn)安全或為

4、了保證產(chǎn)品質(zhì)量，對于溫度、壓力、流量、成分、速度等一些重要的被控參數(shù)，通常需要進行自動監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果進行相應的控制。在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，常常設有上下限檢查、報警及自動處理系統(tǒng)，以提醒操作人員注意，必要時采取緊急措施。作為電氣專業(yè)的學生，對電氣控制技術子、自動控制理論的熟練掌握是十分必要的。溫度是工業(yè)生產(chǎn)對象中主要的被控參數(shù)之一，本課題通過基于PLC的多路溫度自動控制裝置的設計及制作，使學生樹立工程的觀點，系統(tǒng)地掌握實用自動控制系統(tǒng)的一般設計步驟，并在分析、計算和解決實際問題的能力等方面得到訓練，為以后從事相關設計、調(diào)試和安裝工作奠定必要的理論和實踐基礎。二、國內(nèi)外PLC在溫度控制中的發(fā)展狀

5、況及發(fā)展趨勢（1）PLC在國內(nèi)外發(fā)展情況限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)

6、展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；我國對PLC的研制和應用起步比較晚，但是發(fā)展速度很快，如寶鋼一期工程整個生產(chǎn)線上就使用了數(shù)百臺PLC，二期工程使用的PLC數(shù)量更多。據(jù)有關資料介紹，東風汽車公司裝備系統(tǒng)已順利完成對老設備的更新改造，全面采用PLC，病取得了明顯的經(jīng)濟效益。廣州第二電梯廠已把PLC成功的應用于技術要求復雜的高層電梯控制上。我國對PLC技術的研究和應用與美、日、德、法等工業(yè)發(fā)達國家相比還有較大差距，但潛在市場廣闊。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企

7、業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富

8、、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。（2）PLC在溫度檢測與控制中的應

9、用的國內(nèi)外發(fā)展情況我國水箱溫度控制是在引進與自我開發(fā)并進的過程中發(fā)展起來的。 國外對水箱溫度控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的水箱溫度控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化。 在國內(nèi)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子計算機已用于控制水箱溫度。控制系統(tǒng)由中央控制裝置、終端控制設備、傳感器等組成。先編制出最適環(huán)境條件程序表，存儲于電子計算機的記憶裝置中，電子計算機根據(jù)程序表確認、修正參數(shù)，并給終端控制系統(tǒng)指令。

10、終端控制設備向中央控制裝置輸送檢測信息，根據(jù)中央控制裝置的指令輸出控制信號，使電器機械設備執(zhí)行動作，實現(xiàn)水箱溫度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可自動控制加熱、降溫、通風。根據(jù)需要，通過編程器將溫度信息輸入控制中心，根據(jù)情況可隨時調(diào)節(jié)自動化控制系統(tǒng)在大型水箱的利用。 二、課題研究內(nèi)容 一、總體方案設計 1、基本要求課題研究內(nèi)容是實現(xiàn)對水箱溫度的控制。其基本要求是：通過傳感器檢測水箱溫度，將檢測到的信號通過一定的轉(zhuǎn)換電路和接口設備送給中央處理器進行集中處理，并按照控制要求驅(qū)動控制設備去對水箱溫度條件進行反饋控制。其實現(xiàn)流程為：2、方案對比要實現(xiàn)上述控制要求，一般實現(xiàn)的控制方法是：利用PLC進行集中控制或利用單片機進

11、行集中控制. （I）PLC進行控制PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。其優(yōu)點是：可靠性高，抗干擾能力強；配套齊全，功能完善，適用性強；易學易用，深受工程技術人員歡迎；系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。特別是它易學易用，編程語言圖文并茂，十分容易得到大眾化的推廣使用。其不足就

12、是價格相對單片機來說偏高，一般在一千元以上。 （II）單片機控制 高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。 單片機生產(chǎn)出來后，其功能一般是固定了的。因為要對其芯片進行重新編程，其編程器PC機，價格也不低，而切，其編程語言匯編語言抽象程度高，不易為一般工作人員所能接受。 上述兩種方案，各有其優(yōu)點，哪一種都有其實際應用價值。3、方案確定 通過方案對比，我選擇了其一用PLC進行控制?；跍y試系統(tǒng)的綜合要求，在本次設計中選擇熱電阻作為傳感器的溫度檢測元件（其選擇理由將會在后面硬件設備的選擇里做陳述）。故本課題的測試系統(tǒng)是用熱

13、電阻阻值的變化反映檢測現(xiàn)場溫度的變化，通過電橋電路將溫度相對于熱點阻電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，電橋輸出的電壓信號很小（為毫伏級），?jīng)過放大器放大后，送給A/D轉(zhuǎn)換器（進行模數(shù)轉(zhuǎn)換），再將數(shù)字信號送給PLC進行可編程控制，通過外圍設備實施對檢測溫度的反饋控制。 其實現(xiàn)流程為： 整個設計過程中主要是對熱電阻進行選擇、設計將熱點阻阻值變化轉(zhuǎn)為電壓信號的電橋電路、放大器放大倍數(shù)的選擇并設計其放大電路、對PLC進行可編程控制。二、硬件設備的選擇 1、傳感器的選擇本研究課題涉及對溫度信號的采集，需要我們選擇一個合適的溫度傳感器。溫度傳感器我們可以用熱電阻或熱電偶構建電路，檢測信號方便，經(jīng)濟。（I）、熱

14、電阻的應用及原理  熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。  1、熱電阻測溫原理及材料    熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 2、熱電阻的結構     (1)、精通型熱電阻    從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的

15、變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制     (2)、鎧裝熱電阻    鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體它的外徑一般為28mm，最小可達mm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性小，測量滯后??；機械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝使用壽命長。    (3)、端面熱電阻     端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫

16、度計端面，其結構如圖2-1-8所示。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。     (4)、隔爆型熱電阻     隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于BlaB3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。  3、熱電阻測溫系統(tǒng)的組成    熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：   (1

17、)、熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致    (2)、為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法（II）、熱電偶測溫的應用原理  熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：    (1)、測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。    (2)、測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱 電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。    (3)、構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且 受大小和開頭的限

18、制，外有保護套管，用起來非常方便。  1、熱電偶測溫基本原理    將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個連接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一定大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。  2、熱電偶的種類及結構形成    (1)、熱電偶的種類    常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供

19、選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。    (2)、熱電偶的結構形式 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結構要求如下：        組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；        兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；     

20、;   補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；        保護套管應能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。  3、熱電偶冷端的溫度補償    由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償

21、冷端溫度t00時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100。（III）、各種溫度傳感器的測量范圍和優(yōu)缺點1、熱電阻(1)、PT100 型熱電阻： 鉑電阻溫度范圍 -200850金屬鉑材料的優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好、能耐高溫，容易制得純鉑，又因其電阻率p(·mm2m)大，可用較少材料制成電阻，此外其測溫范圍大。它的缺點是：在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所沾污，使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度之間的關系。(2)、CU50 型熱電阻：銅電阻溫度范圍 -50150銅熱電阻的價格便宜，線件度好，工業(yè)上在-5

22、0-+150范圍內(nèi)使用較多。銅熱電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點亦低2、熱電偶(1)、S 型熱電偶：鉑銠10-鉑熱電偶 溫度范圍 01600 舊分度號 LB-3優(yōu)點 1.耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較優(yōu)越的精確度。 3.耐氧化、耐腐濁性良好 3.可以做為標準使用。缺點 1.熱電動勢值小。 2.在還元性氣體環(huán)境較脆弱。(特別是氫、金屬蒸氣) 3.補償導線誤差大。 4.價格高昂。(2、)R 型熱電偶：鉑銠13-鉑 熱電偶 溫度范圍 01600優(yōu)點 1.耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較優(yōu)越的精確度。 2.耐氧化、耐腐濁性良好 3.可以做為標準使用。缺點 1.熱電動勢值小。 2.在還元性氣體環(huán)境較脆弱。(特別

23、是氫、金屬蒸氣) 3.補償導線誤差大。 4.價格高昂。(3)、B 型熱電偶：鉑銠30-鉑銠6 熱電偶 溫度范圍 6001800 舊分度號 LL-2自由端在050內(nèi)可以不用補償導線優(yōu)點 1.適用1000以上至1800。 2.在常溫環(huán)境下熱電動勢非常小，不需補償導線 3.耐氧化、耐腐濁性良好。 4.耐熱性與機械強度較R型優(yōu)良。缺點 1.在中低溫域之熱電動勢極小，600以下測定溫度不準確。 2.熱電動勢值小。 3.熱電動勢之直線性不佳。 4.價格高昂。(4)、K 型熱電偶：鎳鉻-鎳硅 熱電偶 鎳鉻-鎳鋁 熱電偶溫度范圍 -2001300優(yōu)點 1.熱電動勢之直線性良好 2.1000以下耐氧化性良好。

24、3.在金屬熱電偶中安定性屬良好。缺點 1.不適用于還元性氣體環(huán)境，特別是一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體。 2.熱電動勢與貴金屬熱電偶相比較經(jīng)時變化較大。 3.受短范圍排序之影響會產(chǎn)生誤差。(5)、N 型熱電偶：鎳鉻硅-鎳硅 熱電偶 溫度范圍 -2701300優(yōu)點 1.熱電動勢之直線性良好。 2.1200以下耐氧化性良好。 3.為K型之改良型，受Green Rot之影響較小，耐熱溫度較K型高。缺點 1.不適用于還元性氣體環(huán)境 2.熱電動勢與貴金屬熱電偶相比較經(jīng)時變化較大。(6)、E 型熱電偶：鎳鉻硅-康銅 熱電偶 溫度范圍 -2701000優(yōu)點 1.現(xiàn)有熱電偶中感度最佳者 2.與J熱電偶相比耐

25、熱性良好。 3.兩腳不具磁性。 4.適于氧化性氣體環(huán)境。 5.價格低廉缺點 1.不適用于還元性氣體環(huán)境 2.稍具履歷現(xiàn)象。(7)、J 型熱電偶：鐵-康銅 熱電偶 溫度范圍 -2101200優(yōu)點 1.可使用于還元性氣體環(huán)境 2.熱電動勢較K熱電偶大20%。 3.價格較便宜，適用于中溫區(qū)域。缺點 1.()腳易生銹。 2.再現(xiàn)性不佳(8)、T 型熱電偶：銅-康銅 熱電偶 溫度范圍 -270400優(yōu)點 1.熱電動勢之直線性良好。 2.低溫之特性良好 3.再現(xiàn)性良好、高精度。 4.可使用于還元性氣體環(huán)境。缺點 1.使用溫度限度低。 2.()腳之銅易氧化。 3. 熱傳導誤差大。熱電偶自由端溫度為0由熱電偶

26、測溫原理知道，只今當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單位函數(shù)。在實際應用時，由于熱電偶的冷端離熱端很近，冷瑞又暴露在空間，容易受到周圍環(huán)境溫度變化的影響，因而冷端溫度難以保持恒定。為此必須進行冷端溫度補償處理。（IV）、溫度傳感器型號確定綜合上述所列工作條件、熱電阻與熱電偶的優(yōu)缺點對比，并考慮到本課題所研究的控制對象水箱的溫度（空氣濕度較高）及我院現(xiàn)有的實驗條件，我選擇了PT100 型熱電阻。熱電阻和熱電偶相比，熱電偶需要補償導線但熱電阻卻不需要，熱電偶冷端容易受到周圍環(huán)境溫度變化的影響的因素對熱電阻來說不存在，而且熱電阻比熱電偶便宜。再說金屬鉑材料化學穩(wěn)定性好、能耐高溫，容易

27、制得純鉑，其電阻率p(·mm2m)大，可用較少材料制成電阻，而且R0在100和50 條件下，是我國制成相應分度表的標準。（V）、溫度傳感器的輸出電壓信號1、熱電阻電橋電路信號輸出圖： 2、電橋電路輸出電壓計算： 鉑電阻：0630.74時 Rt=R0(1+At+Bt²) -1900 時 Rt=R01+At+Bt²+C(t-100)t³ R0=100 （鉑電阻Pt100= 0時的電阻為100） A=3.968*/ B=-5.847*/ C=-4.22*Uab=´() （´=7.5V）此設計主要是針對水箱內(nèi)的溫度控制，其控制范圍在0630.

28、74內(nèi)，所以我們選擇公式：Rt=R0(1+At+Bt²)將A、B值代入上式有：Rt=100*(1+3.968*/ * t5.847*/*t²)將Rt代入Uab=´()，可得溫度每升高1，輸出電壓為： Uab = 2.45mV/ 2、放大器的選擇 （I）、放大器簡述 傳感器+放大器+ADC+處理器是放大器的典型應用電路，在這種應用中，一個典型的問題是傳感器提供的電壓或電流非常低，在這種情況下，如何完成信號放大？在此，必需要有一個放大器，對信號放大后才能送給ADC。本課題涉及到對傳感器微弱電壓信號的放大，我們可以用三極管BJT作為放大元件，設計放大電路。BJT的放大作

29、用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。為了保證這一過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很?。涣硪环矫嬉獫M足外部條件，即發(fā)射結要正向偏置、集電結要反向偏置。BJT內(nèi)各個電流之間有確定的分配關系，所以只要輸入電流給定了，輸出電流和輸出電壓便基本確定了。輸入信號vi是首先通過發(fā)射結的電壓變化改變輸入電流IE的，再利用IE的變化去控制Ic,而表征BJT電流控制作用的參數(shù)就是電流放大系數(shù)。（II）、放大器參數(shù)選定本設計我們選擇BJT-3DG6為放大器件，查得參數(shù)3DG6在Q點的=40，設計成射極偏置電路，使在溫度變化時，使I

30、c 近似維持恒定。即： （1）、針對ICBD影響，要設法使基極電流隨溫度的升高而自動減小； （2）、針對VBE影響，要設法使發(fā)射結的外加電壓隨溫度的升高而自動減?。粓D示射極偏置電路可實現(xiàn)上面兩點要求。 射極偏置電路圖 當Vi=0 時，此時iB=IB,ic=Ic,iE=IE,i1=I1，電路穩(wěn)定工作點的物理過程為：利用Rb1和Rb2組成的分壓器以固定基極電位，如果I1>>IB,(I1是流經(jīng)Rb1和Rb2的電流)，就可近似的認為基極電位VB=Rb2*Vcc/(Rb1+Bb2),在此條件下，當溫度上升時，Ic(IE)將增加，由于IE的增加，在Re上產(chǎn)生的壓降IE*RE也要增加，IE*RE

31、的增加部分回送到基極-發(fā)射極回路去控制VBE,使外加于管子的VBE減小，由于VBE的減小，結果牽制了Ic的增加，從而使Ic基本恒定，形成反饋控制的原理。其反饋流程圖為： 本設計中，BJT為3DG6,其在Q點的值為40。在實際電路中，我們將為Rb1串聯(lián)一個可變電阻Rw,其最大值為47k，Rb1=10 k，Rb2=2 k，Rc=2 k，Re=20 ，Rl=5 k.(1)、確定Q點： VB=Rb2*Vcc/(Rb1+Rb2+Rw) IcIE=(VB-VBE)/Re IB=Ic/ VcE=Vcc-IcRc-IEReVcc-Ic*(Rc+Re)調(diào)節(jié)可變電阻Rw,固定基極電位，并使基極分流（實際上流過Rb

32、1中的電流是流過Rb2中的電流與基極電流IB之和）電流： IB=60A利用上式可分別求得Q點的Ic、VCE為： Ic=IB=40*6060A=2.4mAIE VCE=VCC-ICRC-IEReVcc-Ic*(Rc+Re) =12V-2.4mA(2k+20) =7.2V(2)、求rbe,由公式rberb+（1+）re: 式中rb為基區(qū)體電阻，對于低頻小功率管，rb約為200左右。re為發(fā)射結電阻，（1+）re是re折算到基極回路的等效電阻，根據(jù)PN結的V-I特性表達式，可以導出re的值為VT(mA)/IE(mA).這樣上式可改寫為： rbe=200+（1+）VT(mA)/IE(mA) 式中VT為

33、溫度的電壓當量，室溫（300K）時，其值為26mA，應當注意的是，rbe的適用范圍為:0.1mA<IE<5mA,實驗表明，超越此范圍，將帶來較大的誤差。前面已計算出IE=2.4mA,符合要求。 則：rbe=200+（1+40）*26(mA)/IE(mA) =200+（1+40）*26(mA)/2.4(mA) 644=0.644k （3）、求電壓增益： 由前面射極偏置電路，畫小信號等效電路圖有： 射極偏置小信號等效電路圖 Vo=-IcRL RL=RcRL Vi=Ibrbe+IeRe= Ibrbe+(1+)Re Av=Vo/Vi= -Ib *RL/ Ibrbe+(1+)Re = -RL

34、/ rbe+(1+)Re = -40*2*5/(2+5)/0.644+(40+1)*20/1000 = - 38.5由此，射極偏置放大電路，根據(jù)其參數(shù)值，得到其放大倍數(shù)為38.5。3、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇（I）、高速A/D轉(zhuǎn)換器的選擇方法模數(shù)轉(zhuǎn)換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個重要接口。A/D轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)實世界的模擬信號變換成數(shù)字位流以進行處理、傳輸及其他操作。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇是至關重要的。所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器應能確保模擬信號在數(shù)字位流中被準確地表示，并提供一個具有任何必需的數(shù)字信號處理功能的平滑接口，這一點很重要。目前的高速A/D轉(zhuǎn)換器已被應用于各種儀表、成像以及通信領域中。對用戶而言，所有這些應

35、用都有著相似的要求，即以較低的價格實現(xiàn)更高的性能。在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器時，設計師必須考慮下面幾個因素：（1）、終端系統(tǒng)的要求（2）、成本（3）、分辨率或精度（4）、速度 （5）、性能對終端系統(tǒng)要求的清晰了解將簡化A/D轉(zhuǎn)換器的選擇過程。在某些場合，它可以把所需考慮的選擇參數(shù)限制為屈指可數(shù)的幾個。例如，很多超聲波應用采用的是每個通道需要一個A/D的數(shù)字光束成形系統(tǒng)。對于一個具有多達256個通道的系統(tǒng)而言，具有多通道和低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器是一個合適的選擇。對于8進制A/D轉(zhuǎn)換器來說，超聲波應用是主要的終端應用。位于A/D之后的DSP或ASIC所使用的電源電壓也是必需加以考慮的。越來越多的高速A/

36、D將采用3V、2.5V和1.8V的工作電源。價格是始終需要考慮的因素。如今的轉(zhuǎn)換器設計師正在制作性價比更為優(yōu)越的A/D轉(zhuǎn)換器。（II）、速度與分辨率的關系分析目前的高速A/D最初是按速度和分辨率進行分類的。轉(zhuǎn)換器的速度是指A/D能夠進行轉(zhuǎn)換的取樣速率或每秒的取樣數(shù)量。對于高速A/D來說，速度以百萬取樣每秒(Msps)為計量單位。分辨率是指轉(zhuǎn)換器能夠復制的位數(shù)精度：分辨率越高，則結果越精確。分辨率以位來計量。目前市場上的高速A/D的分辨率為816位，速度為24Gsps。速度和分辨率始終是一對矛盾。分辨率的增加通常會導致可實現(xiàn)速度的降低。如今的A/D設計師擁有更快的處理方法和更多的架構以便從中選擇

37、有助于解決速度和分辨率這一對矛盾的轉(zhuǎn)換器：目前已有16位 20 Msps、10位 300 Msps和8位 1Gsps的A/D。高速A/D的常用架構有閃存型（flash）、半閃存型（semi-flash）、SAR型和流水線型四種。SAR型 A/D通常具有1016位的分辨率。SAR的架構基于一個比較器。若要獲得n位的分辨率，逐次逼近轉(zhuǎn)換器就必須執(zhí)行n次比較器操作，并把每一次的結果都存儲在寄存器中。一個12位轉(zhuǎn)換器需要12個時鐘周期來完成一次轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是硅片尺寸小、功耗低且精度高。缺點是取樣速度慢，輸入帶寬低。閃存型A/D的分辨率被限制為8位。閃存型A/D的架構基于比較器組，總共有2n-

38、1個比較器。一個8位A/D需要256個比較器。閃存型A/D可并行執(zhí)行多個轉(zhuǎn)換，因此能達到非常高的速度。閃存型A/D的優(yōu)點是高輸入帶寬和非常高的速度（達到14Gsps）。缺點是功耗大、輸入電容大且分辨率低。流水線型A/D可提供1216位分辨率。流水線型A/D由無數(shù)個連續(xù)的級組成，每一級都包括一個跟蹤/保持（T/H）電路、一個低分辨率A/D和 D/A以及一個包含用于提供增益的級間放大器的加法電路。流水線型A/D的優(yōu)點在于功耗低，取樣速率能達到100300Msps。缺點是這種A/D要求 50%的占空因數(shù)以及最小的時鐘頻率。一旦確定了合適的速度/分辨率組合，設計師仍然能夠從市場上的幾百種A/D中選出最

39、合適的一個。對終端應用更為深入的了解將揭示對附加性能的要求。用于評定A/D的最常用性能參數(shù)如下：（1）、信噪比（SNR）（2）、信號與噪聲加失真之和之比（SINAD）（3）、無寄生動態(tài)范圍（SFDR）（4）、差分線性誤差（DNL或DLE）（5）、積分線性誤差（INL或ILE）（6）、有效位數(shù)（ENOB）（7）、增益誤差（8）、功耗（III）、誤差參數(shù)分析速度、分辨率并非一切。分辨率確實表示了A/D轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生的數(shù)字輸出編碼的數(shù)量,但它并未示出這些編碼是否真的對應正確的輸入電壓。諸如微分非線性度（Differential Nonlinearity-DNL）、積分非線性度（Integr

40、al Nonlinearity-INL）、偏差和滿標度誤差等誤差參數(shù)描述了輸出編碼響應輸入電壓的精確程度。DNL（差分線性誤差）相當于轉(zhuǎn)換過程中某一步驟的最大誤差。當模擬輸入電壓升高時,每當模擬輸入升高VFS/2n,輸出編碼應升高1LSB,這里VFS是滿標度輸入電壓范圍,它通常等于所加的基準電壓。編碼轉(zhuǎn)換間距應該正好是1LSB（VFS/2n）。 如果編碼轉(zhuǎn)換發(fā)生時輸入模擬電壓不是比上一次轉(zhuǎn)換正好大1LSB,那么就產(chǎn)生了DNL誤差。高速A/D轉(zhuǎn)換器的DNL數(shù)據(jù)表限幅一般為±0.2LSB到-1LSB和+2LSB。INL（積分線性誤差）表明轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功能會偏離零標度和

41、滿標度值之間的理想直線有多遠。INL是貫穿整個轉(zhuǎn)換功能的DNL（差分線性誤差）的總和。具有高INL的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功能總曲率更高。高速A/D轉(zhuǎn)換器的INL實際值范圍大約是±0.2到±4LSB。 SNR（信噪比）、THD（Total Harmonic Distortion,總諧波失真）、SINAD（信號與噪聲加失真之和之比）或S/（N+D）（信號與噪音加失真比）和ENOB（Effective Number of Bits 有效位數(shù)）等動態(tài)參數(shù)表示當A/D轉(zhuǎn)換器的輸入是由正弦波驅(qū)動時所產(chǎn)生的頻域誤差。THD是以分貝

42、表示的輸出信號的頭幾個諧波成份的有效值之和與輸出端出現(xiàn)的輸入信號的幅度之比。所選的諧波的數(shù)量由生產(chǎn)廠家而定,典型的是6個  在比較不同廠家生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器時,要注意他們計算THD時所取的諧波個數(shù)。如果取的諧波數(shù)太少（少于5或6個）,那么A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中就會表現(xiàn)出人為的THD樂觀值。通信應用中過大的THD會導致可能干擾其他通信通道的多余信號。 SINAD（信號與噪聲加失真之和之比）是以分貝表示的輸出端出現(xiàn)的輸入信號有效值與輸出信號當中頻率小于采樣頻率一半（包括諧波但不包括直流）的所有其他頻譜成份的有效值之比。SINAD可以由SNR和THD值計算出來。  ENO

43、B（有效位數(shù)）是從SINAD推導出來的。理想A/D轉(zhuǎn)換器的SINAD可以從該A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率計算出來,ENOB也可以從真實A/D轉(zhuǎn)換器的SINAD測量值計算出來。   ENOB表示,如果一個理想轉(zhuǎn)換器具有候選的真實轉(zhuǎn)換器的SINAD,那么它所應有的分辨率。換句話說,ENOB為7.0的A/D轉(zhuǎn)換器具有與完美7.0位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器相同的SINAD。 除量化噪音外絕對無失真和噪音的理想8位A/D轉(zhuǎn)換器的ENOB是8。然而,真實的A/D轉(zhuǎn)換器會有些誤差,使其SINAD測量值小于理想值。比如,SINAD為45.4dB的A/D轉(zhuǎn)換器的ENOB為7.25位,與完美的7.

44、25位A/D轉(zhuǎn)換器具有相同的SINAD。 數(shù)據(jù)表中A/D轉(zhuǎn)換器的ENOB數(shù)值應當由SINAD而非SNR得出,許多廠商都這樣做。只有當THD優(yōu)于SNR 12到15dB時ENOB才應當從SNR計算得到。還有,要注意確定ENOB的輸入信號頻率。頻率升高時ENOB會下降。 來自不同廠家的具有類似器件號（其管腳配置也很可能相似）的A/D轉(zhuǎn)換器的性能卻不一定相同。僅通過閱讀不同廠商的數(shù)據(jù)表來選擇A/D轉(zhuǎn)換器不一定合適。應當在實驗室對它們進行測試。  一些廠商（如美國國家半導體公司等）提供A/D轉(zhuǎn)換器評估板,允許設計工程師評估轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。國家半導體公司

45、的評估板帶有軟件,使設計者可利用計算機或不用計算機更容易地評估A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。 如果選擇了錯誤的A/D轉(zhuǎn)換器,那么往往很難或不可能滿足系統(tǒng)要求。選擇符合系統(tǒng)需要性能的A/D轉(zhuǎn)換器十分重要。（IV）、ADC型號確定在本次設計中，基于學院實驗室的條件，我們選擇與三菱FX2N系列可編程控制器配套的FX2N-4A/D 特殊功能模塊JY992D65201C：（1）、FX2N-4A/D模擬特殊功能模塊有四個輸入通道，輸入通道接收模擬信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其最大分辨率是12位。（2）、基于電壓或電流的輸入/輸出的選擇通過用戶的配線來完成，可選用的模擬范圍是-10V到10V DC（分辨率5

46、mV）,或者4到20mA、-20到20mA（分辨率20A）；（3）、FX2N-4A/D和FX2N上單元之間通過緩沖存儲器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N-4A/D共有32緩沖存儲器（每個16位）；（4）、FX2N-4A/D占用FX2N擴展總線的8個點，這8點可以分配成輸入或輸出。FX2N-4A/D消耗FX2N主單元或有源擴展單元5V電源槽30mA的電流。4、可編程控制器PLC的選擇（I）、PLC的種類 PLC主要有三菱PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC、AB PLC、松下PLC等品牌。 1、三菱FX系列PLC簡介及型號說明：三菱FX系列PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司

47、原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中FX2是1991年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價格比，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。2、西門子PLC的發(fā)展史 SIMATIC商標 S7-200是西德西門子公司的產(chǎn)品之一，其注冊商標為SIMATIC。 西門子公司的產(chǎn)品最早是1975年投放市場的SIMATIC S3，它實際上是帶有簡單操作接口的二進制控制器； 1979年，S3系統(tǒng)被SIMATIC S5所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處

48、理器； 20世紀80年代初，S5系統(tǒng)進一步升級U系列PLC，較常用機型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U 1994年4月，S7系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級、安裝空間更小、更良好的WINDOWS用戶界面等優(yōu)勢，其機型為：S7-200、300、400 1996年，在過程控制領域，西門子公司又提出PCS7（過程控制系統(tǒng)7）的概念，將其優(yōu)勢的WINCC（與WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場總線）、COROS（監(jiān)控系統(tǒng)）、SINEC（西門子工業(yè)網(wǎng)絡）及控調(diào)技術溶為一體 現(xiàn)在，西門子公司又提出TIA（Totally Integrated Aut

49、omation）概念，即全集成自動化系統(tǒng)，將PLC技術溶于全部自動化領域。 德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應用也相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3、歐姆龍PLC簡介 OMRON（立石公司）PLC

50、概述 日本OMRON（立石公司）電機株式會社是世界上生產(chǎn)PLC的著名廠商之一。 OMRON C系列PLC產(chǎn)品門類齊、型號多、功能強、適應面廣。大致可以分成微型、小型、中型和大型四大類產(chǎn)品。整體式結構的微型PLC機是以C20P為代表的機型。疊裝式（或稱緊湊型）結構的微型機以CJ型機最為典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC機以P型機和CPM型機最為典型，這兩種都屬堅固整體型結構。具有體積更小、指令更豐富、性能更優(yōu)越，通過I/O擴展可實現(xiàn)10140點輸入輸出點數(shù)的靈活配置，并可連接可編程終端直接從屏幕上進行編程，CPM型機是OMRON產(chǎn)品用戶目前選用最多的小型機系列產(chǎn)品。OMRON 中型機以

51、C200H系列最為典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型號產(chǎn)品。中型機在程序容量，掃描速度和指令功能等方面都優(yōu)于小型機，除具備小型機的基本功能外，它同時可配置更完善的接口單元模塊，如模擬量I/O模塊、溫度傳感器模塊、高速記數(shù)模塊、位置控制模塊、通訊聯(lián)接模塊等?？梢耘c上位計算機、下位PLC機及各種外部設備組成具有各種用途的計算機控制系統(tǒng)和工業(yè)自動化網(wǎng)絡。 4、A-B PLC簡介 A-B(艾倫-布拉德利Allen-Bradley)是Rockwell自動化公司的知名品牌。羅克韋爾自動化是一家工業(yè)自動化跨國公司，為制造業(yè)提供一流的動力、控制和信息技術解決方案

52、。羅克韋爾自動化公司整合了工業(yè)自動化領域的知名品牌，致力于打造全方位自動化解決方案，幫助客戶提高生產(chǎn)力。這些品牌包括艾倫布拉德利Allen-Bradley的控制產(chǎn)品和工程服務、道奇品牌Dodge的機械動力傳輸產(chǎn)品、瑞恩電氣Reliance Electric制造的電機和驅(qū)動產(chǎn)品以及羅克韋爾軟件Rockwell Software生產(chǎn)的工控軟件。松下PLC FP1產(chǎn)品規(guī)格及性能介紹5、 松下PLC FP1產(chǎn)品規(guī)格及性能介紹 FP1是日本松下電工生產(chǎn)的小型PLC，該產(chǎn)品有C14、C16、C24、C40、C56、C72多種規(guī)格，形成系列化。雖然是小型機性能價格比卻很高，特別適合于中小企業(yè)。FP1硬件配置除主機外還可加I/O擴展模塊，A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）模塊等智能單元。最多可配置幾百點，機內(nèi)有高速計數(shù)器，可輸入頻率高達10kHz的脈沖，并可同時輸入兩路脈沖，還可輸出頻率可調(diào)的脈沖信號（晶體管輸出型）。該機型具有8個中斷源的中斷優(yōu)先權管理。允許輸入最小脈沖寬度為0.5ms?？烧{(diào)輸入延時濾波功能可以使輸入響應時間隨外圍設備情況而調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍在1128ms之間。手動撥盤式寄存器功能，可通過調(diào)節(jié)面板上的電位器，使特殊寄存器DT90409043中的數(shù)值在0255間改變，實現(xiàn)從外部進行輸入設定。此外，該機型還具有強制置位、強制復位控制功能、口令保護功能