摘 要

恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要有稳定而精确的温度。在本设计中，通过对恒温箱温度的检测与变送传到PLC，与给定值进行比较，PLC对数据进行处理，根据偏差信号的大小驱动控制发热丝或冷水泵，从而达到恒温箱内温度恒定控制的目的。

本次恒温箱系统将基于PLC设计完成。设计过程中将应用温度传感器、数码显示管、加热装置、冷却水泵、冷却器、储水箱、温度显示、阀门及状态指示部件。恒温系统要求控制恒温箱水温在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，采用电加热升温。当水温高于设定值时，放出部分热水，启动冷却水泵使水流经冷却器向恒温箱供水降温。本系统以PLC控制器为核心，设计控制系统的硬件电路和软件程序，完成要求的控制任务。

关键词：恒温箱；PLC；传感器

ABSTRACT

Constant temperature equipment is widely used in the production, life, and experiments. In the medical, aquatic products, specialty industrial, industrial radiography, photographic and other industries, need to have a stable and accurate temperature. In this design, through the detection and transmission of the incubator temperature to the PLC, compared with a given value, the PLC for data processing control of the heating wire or cold water pump drive according to the size of the deviation signal to achieve the incubator a constant temperature control.

The incubator systems, PLC based design. Design during application of temperature sensor, digital display tube, the heating device, cooling water pumps, coolers, storage tanks, temperature display, valves and status indicator components. The thermostat system requirements to control the water temperature of the incubator to a set value in the range of 20 ~ 80 ℃. Two digital display tubes were used to display the set temperature and display the test temperature. When the water temperature below the set value, the electric heating to heat up. When the water temperature is higher than the set value, to release some hot water, and start the cooling water pump so that flow through the cooler cooling water supply to the incubators. This system as the core of the PLC controller, the design of control systems hardware and software program to complete the requirements of control tasks.

Keywords: Incubator; the PLC; Sensor

第一章 绪论

1.1 引言

现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。在恒温箱领域更是达到了更新周期为三年左右。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。同时在对于恒温箱发展起很大影响的温度传感器同样是日新月异。利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器温度测量仪表的核心部分，品种繁多。恒温箱在实验研究、工业生产、民生工程方面都发挥着重要的作用。恒温箱对于我们国家的科技水平更加高新、国民经济的更加繁荣、民生健康等方面时刻显现着其重要性。而从国家的有关政策上看，国家现阶段在科技创新的政策是提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。企业提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。为此我们有必要在恒温箱的研究应用上花费应有的人力物力财力。

1.2 恒温箱的作用和意义

恒温箱的使用大部分是在实验室、工业、医药中。

在实验室中，特别是生物实验室，我们为了得到更加准确的实验数据，对于恒温实验环境要求严格。所以针对实验室来说，恒温箱的作用显得相当重要，对于我们实验室的研究过程以及研究结果将产生很大的影响。同时更加准确的研究结果对于我们由此产生的试验成果的实际运用产生积极的作用。对于我们的生物、农业、渔业的发展产生巨大的推进作用。

在工业生产中，恒温箱的应用是广泛的，直接产生产品的。所以我们更注重恒温环境的保持，恒温环境的稳定保持对于我们工厂车间的产品以及由此相关的工业生产都是基于恒温环境的后续发展。所以恒温箱的作用在工业中更是处于举足轻重的地位。同时在工业生产过程中我们对于恒温箱的要求也相对更加严格，比如质量的可靠性、恒温箱的维护管理费用、恒温箱的本身价位等，这些对于工业上的批量生产产品的企业都是相当重要的。

在医药方面，医用恒温箱主要用于药品，试剂的储存，运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温等。 由以上我们可以明显的看出恒温箱的重要作用。对于医药方面，恒温箱永远处于相当重要的地位。在关系民生的医药行业，药品、试剂、疫苗、血液等是最终要用于民的。所以在关系患者生命健康的这类药品的储存显得尤为重要。所以，恒温箱在实验研究、工业生产、民生工程方面都发挥着重要的作用。恒温箱对于我们国家的科技水平更加高新、国民经济的更加繁荣、民生健康等方面时刻显现着其重要性。

1.3 恒温箱的现状和发展

从各个角度上看上看，我国恒温箱仪器仪表产品还存在不少问题。产品稳定性，长期以来没有得到根本解决，严重影响到我国其他有关行业的发展。而对于大型精密仪器我们还没有达到理想的水平，国内对于恒温箱的需求几乎全部依赖进口。如果我国对于恒温箱的研究依然处于此水平的话，那么我国不仅仅是仪表仪器此等行业，更重要的需要以恒温箱为基础的其他各项行业都将得不到更加深入更加远的发展，严重制约着我国各项有关事业的发展。

除此之外，我国恒温箱产业创新能力不强，还无法紧追时代步伐或者说是生活工业实验研究的发展水平。国际上恒温箱研究创新水平发展极快，产品更新的周期为3年左右。而我国恒温箱产品不少还依赖于三十年前的产品。自主创新能力不强原因是多方面的，影响最大两条为：一是资金;二是观念。人的观念决定着是否花费大量资金用于研究以及是否主导研究人员的研究方向。但从国家的有关政策上看，国家现阶段在科技创新的政策是提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。企业提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。为此我们有必要在恒温箱的研究应用上花费应有的人力物力财力。

1.4 主要研究内容与安排

设计一种高精度、低成本的数据采集及显示与自动控制系统，即恒温系统自动控制。

恒温系统要求控制恒温箱水温在20～80℃之间的某些设定数值。显示设定温度。当测试温度与设置温度不相符时，报警。当水温低于设定值时，采用电加热升温。当水温高于设定值时，放出部分热水，启动冷却风扇使水流经冷却器向恒温箱供水。本系统以PLC控制器为核心，设计控制系统的硬件电路和软件程序，完成要求的控制任务。

本系统主要研究内容包括：

（1）所研究产品要可手动输入设定温度。

（2）可视的显示器显示设定温度。

（3）可视的显示器显示实时温度。

（4）设定温度与所测温度不相符时可报警。

（5）当水温高于设定值时，设备可自动启动水泵将冷水通过主体箱降低恒温箱内的温度。

（6）当水温低于设定值时，系统自动启动加热装置及水泵将热水注入主体箱的热水管提高恒温箱内的温度。

本系统章节安排如下：

第一章：本文首先论述了恒温箱设计所需的主要软硬件，同时阐述恒温箱的在现实社会中的作用和意义，最后对恒温箱的研究现状及以后发展做了详细说明。

第二章：本章主要介绍了本课题总体方案的设计。首先拟定所需的各个模块，然后根据题目要求逐个模块进行论证和选择，确定最终的设计方案。

第三章：本章介绍了各个模块的硬件部分，包括硬件需求及作用说明、硬件各个部分的结合方式、硬件之间的各自作用，最后给出直观的组态图。

第四章：本章将对系统的控制要求进行介绍，最重要的是对控制梯形图的编写。

第五章：本章将对软件系统进行精密的测试，同时检验软硬件之间的结合是否完美。

第六章：本章开始将对本次设计之中碰到的问题以及解决方法予以总结。接下来将就恒温箱以后的研究发展做出合理的预测方向。

第七章：本章将把自己在系统设计过程中所参考的文献资料详细列出来。

致谢：感谢我的指导老师，将把师生在系统设计过程中碰到的问题以及师生情谊表现出来。

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。

图2-1 系统模块框图

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。

图2-2 按键实物图 图2-3 微型小水泵

2.2.7 水泵模块

因为本次所设计的恒温箱体积较小，故此，在选用水泵方面，我们要考虑水泵的功率与体积要适合我们设计。由以上的分析，我们选择微型小水泵，如图2-3所示。

2.2.8 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 硬件系统的设计

3.1 系统总体构成

本设计采用PLC作为控制部分，控制部分通过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。完成恒温系统要求控制恒温箱水温在20～80℃之间的某些设定数值。显示设定温度。当测试温度与设置温度不相符时，报警。当水温低于设定值时，采用电加热升温。当水温高于设定值时，放出部分热水，启动冷却风扇使水流经冷却器向恒温箱供水。本系统以PLC控制器为核心，设计控制系统的硬件电路和软件程序，完成要求的控制任务。

系统方案基本组成框图如图3-1所示。

图3-1 系统最终方案框图

3.2 硬件需求列表

隔热效果好的金属箱体1个；

PLC仪器；

温度传感器1个；

数码显示管2个；

加热装置1个；

水泵2个；

良好导热性能的金属管若干；

储水箱3个；

蜂鸣器1个；

状态指示灯3个。

3.3 硬件作用说明

3.3.1 PLC原理

现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。在建材，化工，食品，机械，钢铁，煤矿等工业生产中广泛应用带式运输机运送原料物品。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

可编程程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应该易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

（1）PLC在输入采样阶段

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

(2)PLC在程序执行阶段

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

(3)输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

PLC数字量输入电路图如图3-2所示。

图3-2 PLC数字量输入电路图

3.3.2 传感器原理

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

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。

④在测温范围内化学物理特性稳定。

目前，在工业中应用最广的热电阻的材料是铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。

铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0～630.74℃范围内可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2)在-190～0℃范围内为Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3) 。

式中：R0、Rt为温度0℃及t℃时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.9684×10-3/℃，B=-5.847×10-7/℃2，C=-4.22×10-l2/℃3。由公式可看出，当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。

PT100铂电阻RT曲线图表如图3-3所示。

图3-3 PT100铂电阻RT曲线图表

PT100设计原理：PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

组成的部分：PT100感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成薄膜铂电阻。

PT100铂电阻温度与电阻值对照表如图表3-1所示。

表3-1 PT100铂电阻温度与电阻值对照表

3.3.3 数码显示管

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a、b、c、d、e、f、g、h来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。常用LED数码管显示的数字和字符是0～9和A～F。

图3-4 八段数码管原理图

LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类。图3-5是共阴极和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

图3-5 LED数码管的两种接法

LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是增加了硬体电路的复杂性。而动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a、b、c、d、e、f、g、h "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当PLC输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于PLC对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，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资料，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，而且功耗低。

LED数码管的接法：发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。LED数码管的两种接法下对应的段选码如下表3-2所示。

表3-2 LED数码管的段选码

8位数码显示管原理图如图3-6所示。

图3-6 键盘显示板原理图

该键数码显示管采用的是共阴极接法，该8位数码管采用LED数码管动态显示，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a，b，c，d，e，f，g，h的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制。

它的段码表如表3-3所示。

表3-3 键盘显示板的段码表

3.3.4水泵驱动电路

水泵驱动电路如图3-7所示，当控制口输出高电平信号时，三极管V121导通，继电器K102触点闭合，12V电压被加至水泵两端，水泵运转抽水。

图3-7 水泵驱动电路

3.4 硬件功能说明

PLC将用于STEP 7-MicroWIN V4.0软件程序的执行；

温度传感器将用于检测恒温箱内的温度，及时同设定温度相比较并及时调整恒温箱内的温度。

数码显示管1用于显示设定的温度。数码显示管2用于显示温度传感器的检测温度。

加热装置将用于当温度低于设定温度时通过加热储水箱2中的水来提升恒温箱内的温度。

水泵1将用于当温度高于设定温度时通过排除恒温箱内的热水及流进冷水来降低恒温箱内的温度。水泵2将用于当温度低于设定温度时通过加热储水箱2中的水来为提高恒温箱内的温度。

金属管1用于流通冷水；金属管2用于流通热水。

储水箱1用于储藏从恒温箱外抽取的冷水；储水箱2用于储存从恒温箱外抽取的热水；储水箱3用于储藏用于调节温度排除的废水。

蜂鸣器用于当实时温度高于或低于设定温度时报警。

状态指示灯1用于显示恒温箱是否处于工作状态；状态指示灯2用于显示是否处于降温阶段；状态指示灯2用于显示恒温箱是否处于升温阶段。

3.5 硬件部分的结合方式

以金属箱体为主体，若干金属管分两组密集分布于箱体内部五个面上（箱体内部左右表面、上下内部表面、后部内布表面）第一组金属管两个接口引出箱体外部，一个端口接上水泵1，然后接入储水箱1，另外一个端口接口放入储水箱3。第二组金属管两个端口同样引出箱体外围，一个端口接上水泵2，然后接入储水箱2，另外一个端口放入储水箱3。

温度传感器1放入箱体内部并接线至PLC仪器。

数码显示管1固定于主体上，并接线至PLC仪器。

数码显示管2固定于主体上，并接线至PLC仪器。

加热装置置于储水箱2中，并通过开关接线至PLC仪器。

水泵1与指示灯2并联，然后与PLC仪器连接。水泵2与指示灯3并联，然后与PLC仪器连接。

蜂鸣器与PLC直接相联。

指示灯1固定于主体上并接线至PLC仪器。

图3-7 系统组态图

3.6 各个硬件、各个部分的作用

第一组金属管用于降低箱体的温度。其与水泵连接是为了送入冷水来降低恒温箱内的温度。

第二组金属管用于提高箱体的温度。其与水泵连接是为了送入热水来提高恒温箱内的温度。

温度传感器与PLC仪器连接用于时刻检测恒温箱内的温度并传达数据给PLC仪器。

数码显示管1固定于主体上，主要是方便显示设定恒温箱的温度。

键盘显示板2固定于主体上，主要是显示箱体的实时温度。

加热装置置于储水箱2中，并接线至PLC仪器可以在恒温箱内的温度低于设定温度时通过PLC仪器的控制加热储水箱2中的水，并通过水泵2将热水送入第二组金属管中，以此提高恒温箱内的温度。

蜂鸣器用于显示实时温度是否处于设定温度。

状态指示灯1用于显示恒温箱是否处于工作状态。

状态指示灯2用于显示是否处于降温阶段。

状态指示灯3用于显示恒温箱是否处于升温阶段。

第四章 软件系统设计

4.1 恒温箱的控制要求

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。

4.2 系统软件流程图

根据以上恒温箱的控制要求以及再设计过程中对于各个模块的分析与定义，系统软件设计流程图如图4-1所示。

图4-1 系统软件流程图

4.3 软件需求及作用及说明

软件需要STEP 7-MicroWIN V4.0软件。

STEP 7-MicroWIN V4.0软件是西门子S7-200系列的组态软件。STEP 7-MicroWIN V4.0组态软件为用户开发、编辑、和监控自己的应用程序提供了良好的环境。为了能够快捷高效的开发应用程序，STEP 7-MicroWIN V4.0软件为用户提供了三种程序编辑器。

STEP 7-MicroWIN V4.0软件用于编写本次恒温箱设计的主要程序。

4.4 主要控制梯形图

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。由PLC采集电压数据VD并存入VW38，根据图(4-2)公式(4-1)以及公式(4-2)

图4-2 PLC采样电路图

RT=(24-VD)/(VD/10) （4-1）

T=(RT-100)/0.38 （4-2）

得出实时温度。

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。

第五章 总结与展望

5.1 总结

通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。

毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综合性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。

在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我们的指导老师张老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

5.2 研究展望

恒温箱可广泛应用于植物培养、育种试验、药物、纺织、食品加工等无菌试验、广泛应用于医疗卫生、生物制药、农业科研、环境保护等研究应用领域；工业一般用在适用于电子电工、家用电器、汽车、仪器仪表、电子化工、零部件、原材料及涂层、镀层进行高低温、高低湿的实验、在航天、航空、船舶、兵器、电子、石化、邮电、通讯、汽车等领域。所以对于恒温箱以后的研究成果将不在于普遍性，而在于专门专业针对性。针对于各行各业专门设计出专业水平的恒温箱。比如针对生物实验室，针对医疗用品，针对工业加工等。比如手术室恒温箱蓄电池恒温箱等等。

参考文献

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[2] 梁森，欧阳三泰，王侃夫. 自动检测技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 张洪润，张亚凡，.传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[4] 严盈富，罗海平，吴海勤. 监控组态软件与 PLC 入门.北京：人民邮电出版社，2011.4

[5] 居里. 分析电力工业中的新型红外温度传感器[J].中国光学期.2011,(23):14-17.

[6] 宿元斌. 数字温度传感器LM83及其应用[J].仪表技术，2006,(04):26-28.

[7] 徐兴建，高峰. 基于DSP与数字温度传感器的温度控制系统[J].现代电子技术,2010(09)：23-25.

[8] 汪国平. 浅谈传感器技术在机电一体化中的应用[J].硅谷，2011,（05）:10-11.

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[10] 张月异. 《PLC技术应用》专业课程教学改革初探[J].中国科技教育.理论版，2011,(08)：12-14.

[11] 王俊. 可编程序控制器_PLC_概述[J].科技资讯，2010,(08):24-25.

[12] 李梅, 冯健雨. PLC在机械手自动控制装置中的应用分析[J].机床电器，2004，31（3）：36-37

[13] 陆贵友. 电加载机械传动试验台的设计.吉林工业大学自然科学学报.1999,29（3）：100-102

[14] plc恒温箱的设计：http://zhidao.baidu.com/question/392477745.html

[15] 机械毕业设计(PLC的恒温箱控制系统设计)：http://wenku.baidu.com/view/ef39d8e9e009581b6bd9eb87.html

[16] (李永忠)恒温箱PLC控制系统的设计: http://ishare.iask.sina.com.cn/f/17359070.html?from=like

[17] PLC应用系统设计及实例: http://www.docin.com/p-96121357.html

[18] 温度传感器：http://baike.baidu.com/view/66411.htm

[19] 基于PLC电阻炉温度控制系统：

http://wenku.baidu.com/view/c9a6c78202d276a200292e9d.html

[20] 基于PLC的智能温度控制器的研究:

http://www.dzsc.com/data/html/2011-12-1/99268_2.html

致谢

首先，我要感谢我的导师梁毓明，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢周围同学对我的帮助和指点。

毕业设计是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。我此次的任务是恒温箱的设计。虽说初看此次的毕业设计不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重，发现自己有好多的东西还是不那么的清晰明了。

当每次遇到不懂得问题时，我都会在梁老师安排的周三跟周五这两天请教老师，老师对于我提出来的问题都一一解答，从来都不会因为我的问题稍过简单加以责备，而是一再的告诫我做设计该注意的地方，从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，让人油然而生的敬佩。除此之外，我们和梁老师还有另外两个交流途径：打电话和上网，为此老师还特意建立一个群，以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料。多少个日日夜夜，梁老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向梁毓明老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢电气工程与自动化学院和我的母校江西理工大学四年来对我的栽培。

附录

软件程序：

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。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/4f3c554133687e21af45a97f.html