华玲芳

（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州 215000）

1 集成温湿度传感器现状

温度传感器是用于检测被测物体温度的器件，意大利物理学家伽利略最早发明了一种气体膨胀式温度传感器，到了公元1821年，德国物理学家塞贝发明了热电偶传感器，第一次真正意义上将温度变成了电信号。公元1871年，西门子公司创始人西门子发明了工业中使用最多的铂电阻。温度传感器经历了三个发展阶段：分离式温度传感器、集成温度传感器和智能温度传感器。

湿度表示空气的干湿程度，实际空气中水蒸气的含量占空气中饱和水蒸气的含量的比值就是相对湿度。湿度的检测相比于温度检测更为复杂，因为它受太阳辐射、风和周围环境等因素的影响，而温度是一个独立系统。达芬奇运用羊毛制成毛发湿度计，开辟了湿度检测方法的先河。

2 温湿度中央监测硬件设计

中央监控温湿度监测系统，主控制器采用S7-200系列的CPU224XP的CPU，选用西门子QFM2160温湿度传感器对温度和湿度进行检测，模拟量输入选用4×12位的EM231扩展模块，能够将模拟信号转化为数字信号，选用西门子Smart700触摸屏进行人机界面的设计，PC上位机用于监测室的监控，电源模块选用24V直流开关电源。硬件结构逻辑如图1所示。

图1 硬件结构逻辑图

（1）温度传感器的选择与设计。系统选用西门子温湿度传感器QFM2160用于相对湿度和温度的检测，该传感器有4个接线端子，其中两个端口G1、G2用于相对湿度和温度的模拟信号输出口，另外两个端子G、G0用来接直流24V电压，为传感器提供工作电压。温度检测范围为0℃到50℃，精度可以达到±0.1℃，湿度测量范围为0%到100%，精度可以达到±1%。其工作过程可以概述为：将检测到的温度通过比例转化为对应的电压信号。同理将检测到的湿度通过比例转化为对应的电压信号，将输出的电信号传出到A/D转换器中，再将数字信号输入到处理器中，就能将温湿度的实际值存储到处理器的变量中，再经过比例换算转化为实际值，用于显示与控制。

（2）PLC及其扩展模块。①PLC模块。 选用西门子公司的小型PLC，其型号为SIMATICS7-200，选用的 CPU型号为CPU224XP主，该模块有14个输入点、10个输出点，共计24点。CPU224XP相比之前的同一产品具有较大的存储量，做多可以连接7个扩展模块，用于输入输出口的扩展。其内部集成了时钟，有2输入和1输出的模拟量单元模块和两个通信接口，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多S7-200产品。②模拟量扩展模块。选用A/D转化器为 EM231模拟量输入模块,该模块共有4个通道用于模拟量转换，数字量的位数可以达到12位，精度较高。其内部结构包括A/D转换器、放大器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，其信号不需要经过放大器，直接与传感器和PLC相连。它将集成温湿度传感器输出的模拟信号经过数字信号转换后，传递给PLC，PLC将输入的数字信号再乘以比例系数转化为实际的温湿度。通过拨码开关可以设置模拟量输入范围、极性和最小分辨率等参数。③触摸屏模块。人机界面是在操作人员与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，操作人员可以通过人机界面很方便的观察机器设备的运行状态，如果出现不正常情况时可以及时采取必要的补救措施。本系统的人机界面采用西门子Smart700触摸屏。其内部结构包括显示器/触摸屏、安装密封垫、安装卡钉的凹槽、R542 2/R5485接口、电源连接器、铭牌、接口名称、DIP开关和功能接地连接等装置。它与PLC可以通过以太网或者PPI线缆进行连接。

3 温湿度中央监测软件设计

中央监控温湿度监测系统软件设计，运用西门子编程软件STEP7-Miro/WINV4.0软件对西门子S7-200PLC进行编程以及实时监测，通过西门子WinCCflexible2008触摸屏组态软件对Smart700触摸屏进行组态监测设计。最终完成整个组态软件的设计。

（1）S7-200PLC编程。选用梯形图编程语句对其进行编程，一共12个模拟量需要12个通道，因此选用3个EM231模拟量输入扩展模块。经过A/D转换的数据存在AIW4、AIW6、AIW8、AIW10、AIW12、AIW14、AIW16、AIW18、AIW20、AIW22、AIW24、AIW26中，再经过模拟量处理模块将数字量转换为实际的湿度和温度值，并放入变量VD100、VD104、VD108、VD112、VD116、VD120、VD124、VD 128、VD132、VD136、VD140、VD144中。

（2）模拟量处理模块。模拟量处理模块有3个输入端口，分别是输入值、实际量最小值和实际量最大值。将整型数据转换为实数，减去零，再除以32000，再乘以实际量最小大值和实际量最小值的差，最后加上偏移量，最终得到实际量。

4 系统测试

根据实际现场要求，将触摸屏、传感器和服务器等安装好后，将湿度和温度数据读到PLC中，再将PLC中存放的数据变量读入到触摸屏和服务器中，最终得到触摸屏显示的超元半导体温湿度智能检测系统画面如图2所示。

图2 控制系统运行

从图2中可以看出，设置的温度在20~24℃，湿度为50%~60%，当湿度大于设定值时，报警提示湿度高。实验表明，该设计系统能够满足中央监测系统的要求，能够对温湿度进行实时监测。