1、題目一、情景描述：設(shè)計一個液位高度控制器，提出兩種方案進行對比，然后畫出你認(rèn)為最優(yōu)方案的電氣原理圖。 水箱水位控制圖方案一：浮球開關(guān)控制一種是帶著大金屬球的浮球開關(guān)，浸在液體中時浮力大，可以控制兩個液位，比如液體滿了，浮球因為浮力而上升，帶動球閥運動，使閥門關(guān)閉，停止進水，當(dāng)水少了，浮球下降，閥門打開，又再進水，如此循環(huán)。這種方式較多應(yīng)用在煮開水器上。另一種是帶干簧管的微型浮球開關(guān)，由外面的帶有磁性小浮球使桿里面的干簧管閉合，從而控制液位，多數(shù)應(yīng)用在清水的液位控制，一般幾塊錢就有交易了，但易受污物影響。還有一種是電纜式浮球開關(guān)，該裝置通過一彈性電線與水泵連接，可用于水塔、水池各種浮球開關(guān)水位高

2、低的自動控制和缺水保護，允許接的用電器是220V,10A左右，平衡錘或彈性電線的某一固定點到浮筒間的電線長度，決定水位的高低。這種水位開關(guān)應(yīng)用廣泛，價格便宜，對于一些要求不太嚴(yán)格的場合適用。但存在這樣的問題：有一定耐污能力，浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，而且多數(shù)直接接220V,存在一定的安全隱患，終有一天因為電線破損而漏電電人。所以電纜式浮球開關(guān)一般有這樣的警告：電源線是本裝置的完整部分，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電線受損，本裝置應(yīng)被替換，不準(zhǔn)對電線進行修理。方案二：基于單片機實現(xiàn)的液位控制器該控制器以單片機為核心，通過外

3、圍硬件電路來達到實現(xiàn)控制的目的。可根據(jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時具備報警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制。應(yīng)用范圍更廣，會逐漸取代浮球開關(guān)控制的。下面主要介紹這種控制方案。利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進行液位的調(diào)整，最終達到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)

4、對水箱液位的監(jiān)控。1 原理框圖2 工作原理 基于單片機實現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運算放大電路放大后變成幅度為05 V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任

5、意控制水位高度。3 硬件設(shè)計    液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。1）單片機    單片機采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖1所示。其中，P0口用于AD轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個3×5的鍵盤；P2口用于控制電磁閥和水泵動作；P3口用于上、下限指示燈，報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。2）傳感器    傳感器使用SY一9411LD型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美

6、國SM公司生產(chǎn)的5552型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標(biāo)定(O70)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3所示。1腳為信號輸出(一)；2腳為信號輸出(一)；3腳為激勵電壓；4腳為地；5腳為信號輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。    在水箱底部安裝1根直徑為5 mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。3）鍵盤電路    P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。結(jié)構(gòu)上采用行列方式

7、，可定義鍵盤布局。4）液位顯示電路    液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖，5）AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出    AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控

8、制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。6）軟件設(shè)計由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，09號為數(shù)字鍵，1015號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：            A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：題目二、設(shè)計一個流量模擬量檢測與控制器，提出控制方案并說明，然后畫出你的方案電氣原理圖。設(shè)計方案：基于PLC的流量控制流量控制系

9、統(tǒng)主要有流量變送器、變頻器、恒流控制單元、電動機組成。這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關(guān)。基于PLC的流量控制系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、流量變送器和水泵電機一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

10、，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一個水泵電機組成，它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速，以達到控制管道水流量的目的。(2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉(zhuǎn)換。(3) 控制機構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個部分?？刂破魇钦麄€流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉ο到y(tǒng)中的流量信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機

11、構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵電機)進行控制；變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制。流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口管道的實際流量跟隨設(shè)定的水流量。設(shè)定的水流量可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。水流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖給定水泵電機變頻器流 量流量變送器+PID水流量控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的流量變送器實時地測量參考點的水流量，檢測管道出水流量，并將其轉(zhuǎn)換為420mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D

12、轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，進而控制管道中的水流量，實現(xiàn)水流量恒定。根據(jù)基于PLC的流量控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖可編程控制器(PLC)A/D模塊流量變送器變頻器水泵電機1系統(tǒng)主要設(shè)備由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵電機、(4) 流量變送器。主要設(shè)備選型如表主要設(shè)備型號可編程控制器（PLC）Siemens CPU 224模擬量擴展模

13、塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵電機水泵1臺（0.37KW）流量變送器電磁流量傳感器SHLDG、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ12系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計基于PLC的水流量控制系統(tǒng)主電路圖水泵電機為M1； QS1為變頻器主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用單泵變頻運行方式，即1臺水泵在變頻器控制下作變速運行。3 PLC程序設(shè)計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FBD)語言。語句表(STL)語言類似于

14、計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FBD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序

15、構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值VD120積分時間TiVD104裝入回路設(shè)定值VD124微分時間TdVD108回路累加器I0.0啟動運行VD112回路增益KcI0.1停止運

16、行VD116回路采樣時間Ts流量PID控制程序分為3部分，每部分流程圖如下：（1）主程序調(diào)用模塊主程序開始首次掃描：1） 調(diào)用子程序0進行啟動計算和初始化2） 調(diào)用子程序0初始化定時中斷主程序結(jié)束（2）主程序調(diào)用子程序啟動子程序設(shè)置PID參數(shù)： 裝入回路設(shè)定值=75% 回路增益KC=0.25 裝入回路采樣時間TS=1s 裝入積分時間TI=3min設(shè)定定時中斷0的時間為100ms子程序0結(jié)束（3）中斷子程序模塊啟動中斷子程序0定時中斷計數(shù)器值加1計數(shù)器值到達了嗎？計算PID公式：Mn=Kc*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)中斷子程序0結(jié)束是否其中，各符號名說明如下：Mn 在第n采

17、樣時刻，PID回路輸出的計算值；Kc PID回路增益；en 在第n采樣時刻的偏差值；en-1 在第n-1采樣時刻的偏差值；KI 積分項的比例常數(shù)；MX 積分項的前值；KD 微分項的比例常數(shù)。編程 (1) 主程序部分(2) 子程序SBR_0(3) 中斷程序INT_0部分題目三、設(shè)計一個控制器，提出兩種方案進行對比，然后畫出你認(rèn)為最優(yōu)方案的電氣原理圖。1分揀氣缸 2傳輸帶 3需要分揀工件4分類帶 5已分揀工件自動分揀系統(tǒng)有超過10種不同型式，基本分為直線型分揀系統(tǒng)和環(huán)型分揀系統(tǒng)兩種類型。直線型分揀系統(tǒng)主要包括滑塊式分揀機、滾輪分揀機、滾筒分揀機等；環(huán)型分揀系統(tǒng)主要包括翻盤式分揀機和交叉帶式分揀機；

18、其他還有推桿式分揀機和垂直分揀機。貨物傳送裝置：鋼帶輸送機、膠帶輸送機、托盤輸送機、輥柱輸送機等。常見的自動分揀機構(gòu)有推出式、浮出式導(dǎo)輪轉(zhuǎn)向盤、傾盤機構(gòu)等。1設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖材料分揀裝置PLC 輸入/輸出端子分配表及PLC輸入輸出接線端子圖西門子PLC(I/O)分揀系統(tǒng)接口(I/O)備注 輸 入 部 分I0.0UCP(計數(shù)傳感器)接旋轉(zhuǎn)編碼器I0.1SN(下料傳感器)判斷下料有無I0.2SA(電感傳感器)I0.3SB(電容傳感器)I0.4SC(顏色傳感器)I0.5SD(備用傳感器)I0.6SFW1(推氣缸1動作限位)I0.7SEW2(推氣缸2動作限位)I1.0SFW3(推氣缸3動作限位)

19、I1.1SFW4(推氣缸4動作限位)I1.2SFW5(下料氣缸動作限位)I1.3SBW1(推氣缸1回位限位)I1.4SBW2(推氣缸2回位限位)I1.5SBW3(推氣缸3回位限位)I1.6SBW4(推氣缸4回位限位)I1.7SBW5(下料氣缸回位限位)I2.0SB1(啟動)I2.1SB2(停止) 輸 出 部 分Q0.0M(輸送帶電機驅(qū)動器)Q0.1YV1(推氣缸1電磁閥)Q0.2YV2(推氣缸2電磁閥)Q0.3YV3(推氣缸3電磁閥)Q0.4YV4(推氣缸4電磁閥)Q0.5YV5(下料氣缸電磁閥)Q0.5YV5(下料氣缸電磁閥) 2傳感器原理及使用方法1）旋轉(zhuǎn)編碼器是與步進電機連接在一起，在本

20、系統(tǒng)中可用來作為控制系統(tǒng)的計數(shù)器，并提供脈沖輸入。它轉(zhuǎn)化為位移量，可對傳輸帶上的物料進行位置控制。 傳送至相應(yīng)的傳感器時，發(fā)出信號到PLC ，以進行分揀，也可用來控制步進電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)選用E6A2CW5C 旋轉(zhuǎn)編碼器,原理如圖光電碼盤旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。編碼器如以信號原理來分，可分為增量脈沖編碼器（SPC）和絕對脈沖編碼器（APC）兩者一般都應(yīng)用

21、于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。工作原理，由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。 由于A、B 兩相相差

22、90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。分辨率：編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000線。信號輸出: 信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN），推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接：編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。

23、如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。A、B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。 A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。 對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。 對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米2）電感式接近開關(guān)屬于有開關(guān)量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。 它由LC 高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。 這個渦流反作用于

24、接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。 由此，可識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。本系統(tǒng)選用M18X1X40 電感傳感器。接線圖，原理圖由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是：無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；無輸入時有零位輸出電壓

25、，引起測量誤差；對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。3）電容傳感器也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關(guān)。 它的測量頭通常是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是待測物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控

26、制開關(guān)的接通和關(guān)斷。本系統(tǒng)選用E2KX8ME1 電容傳感器，接線圖，原理圖 用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在

27、有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到15 m數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 m，比前者提高了兩個數(shù)量級，最大量程為100±5 m，因此他在精密小位移測量中受到青睞。對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：(1)測量范圍大其相對變化率可超過100%；(2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數(shù)量級；(3)動態(tài)響應(yīng)

28、快，因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。4）選用TAOS公司生產(chǎn)的，型號為TCS230顏色傳感器。此傳感器為RGB(紅綠藍) 顏色傳感器，可檢測目標(biāo)物體對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。TCS230傳感器引腳如圖TCS230是美國TAOS公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。它把可

29、配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上還集成了紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器，16個光電二極管帶有綠色濾波器，16個光電二極管帶有藍色濾波器，

30、其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。當(dāng)入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的

31、濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可以作為片選信號；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。表2是S0、S1及S2、S3的可用組合。S0S1輸出頻率定標(biāo)S2S3濾波器類型LL關(guān)斷電源LL紅色LH20%LH藍色HL20%HL無HH1

32、00%HH綠色5）光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈做為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。本系統(tǒng)選用FPG系列小型放大器內(nèi)藏型光電傳感器。原理如圖，其中負載可接至PLC。光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光電傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件

33、3部分組成。光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光敏器件。它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多。傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來,隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電式傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格的產(chǎn)品，它在機電控制、計算機、國防科技等方面的應(yīng)用都非常廣泛。 3步進電機 步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)用于帶動傳輸帶輸送物料前行，與旋轉(zhuǎn)編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)，來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。 同時，可以通過控制脈沖頻率來控制材料分揀裝置的

34、可編程控制系統(tǒng)控制電機轉(zhuǎn)動的速度，達到調(diào)速的目的。電機選擇LINIX的單向感應(yīng)電動機，它具有功率效率高、功率消耗低、更低的噪聲以及在應(yīng)用中更易控制的優(yōu)點。型號為YN606 ，技術(shù)參數(shù)如下：功率W電壓V頻率HZ電流A極數(shù)P啟動轉(zhuǎn)矩mN.M(g.cm)額定轉(zhuǎn)矩mN.M(g.cm)額定轉(zhuǎn)速R/mim電容F/VAC6220500.15439(400)4713801/450輸入電壓AC220伏 ±15%輸出電壓DC24伏4分揀控制系統(tǒng)的分揀要求畫出控制系統(tǒng)的程序流程圖流程圖詳細的描述了材料分揀系統(tǒng)的工作過程，當(dāng)電源得電時，即流程圖開始的時刻，整個系統(tǒng)開始運行。首先由光電傳感器判斷有無材料，沒有

35、材料時系統(tǒng)直接進入一個循環(huán)周期，周期時間到的時候系統(tǒng)停止運行。當(dāng)有材料時，程序判斷YV5是否復(fù)位，當(dāng)它沒有復(fù)位時傳輸帶不運行，復(fù)位時，傳輸帶自動運行且氣缸自動將材料打出，并每隔一定時間打一次。在氣缸將材料送至傳送帶的過程中，傳送帶運行停止，當(dāng)氣缸復(fù)位時傳送帶正常運行。材料隨著傳送帶的運行而前進，遇到傳感器相對應(yīng)的傳感器時，傳感器給PLC發(fā)出信號，同時PLC給對應(yīng)的氣閥發(fā)出信號，于是同組的氣缸開始動作打出材料。如果氣缸沒有復(fù)位則傳送帶就停止運行。5控制系統(tǒng)程序設(shè)計1）主程序，首先I2.0啟動后，M0.1得電并自鎖，為之后電動機得電做好準(zhǔn)備，I2.1為停止按鈕。當(dāng)PLC處于RUN模式時，SM0.1

36、通電一個周期，Q0.0復(fù)位清零，并調(diào)用子程序。2）子程序，子程序中的高速脈沖指令，該程序先將控制脈沖指令的特殊功能寄存器進行初始化，然后當(dāng)I0.0（下料傳感器）檢測到有料時，啟動PLS（脈沖輸出）指令；如果I0.0檢測沒有物料時，啟動定時器T30，延時30秒自動停機。3）子程序中的高速計數(shù)指令，首先進行高速計數(shù)指令的初始化操作，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，帶動光電碼盤發(fā)出脈沖，并輸入PLC的接收端，由高速計數(shù)指令進行計數(shù)，計算步進電機轉(zhuǎn)過的步數(shù)，進行定位控制。其中設(shè)定預(yù)置值為50，當(dāng)計數(shù)至50時，調(diào)用中斷程序。4）中斷程序，當(dāng)高速計數(shù)指令計數(shù)至預(yù)置值時，這時物料移動至傳感器的位置，M0.0得電，導(dǎo)致高速脈沖

37、輸出停止，步進電機停轉(zhuǎn)。由于汽缸動作需要1秒，讓電機停轉(zhuǎn)一秒后繼續(xù)運轉(zhuǎn)。當(dāng)物料被相應(yīng)的傳感器檢測中后，相應(yīng)的汽缸動作，將物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7為汽缸的回位限位開關(guān)，初始狀態(tài)為閉合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2為汽缸的動作限位開關(guān)，初始狀態(tài)為關(guān)斷。汽缸動作時，回位限位開關(guān)關(guān)斷，到達動作限位開關(guān)時，動作限位開關(guān)閉合。題目四、自動往復(fù)工作臺控制，設(shè)計一個控制器，提出兩種方案進行對比，然后畫出你認(rèn)為最優(yōu)方案的電氣原理圖。方案一、簡單的自動往復(fù)循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計為了使電動機的正反轉(zhuǎn)控制與工作臺的左右運動相配合，在控制線路中設(shè)置了四個位置開關(guān)SQ1、S

38、Q2、SQ3和SQ4，并把它們安裝在工作臺需限位的地方。其中SQ1、SQ2被用來自動換接電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，實現(xiàn)工作臺的自動往返行程控制；SQ3、SQ4被用來作終端保護，以防止SQ1、SQ2失靈，工作臺越過限定位置而造成事故。在工作臺邊的T形槽中裝有兩塊擋鐵，擋鐵1只能和SQ1、SQ3相碰撞，擋鐵2只能和SQ2、SQ4相碰撞。當(dāng)工作臺運動到所限位置時，擋鐵碰撞位置開關(guān)，使其觸頭動作，自動換接電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，通過機械傳動機構(gòu)使工作臺自動往返運動。工作臺行程可通過移動擋鐵位置來調(diào)節(jié)，拉開兩塊擋鐵間的距離，行程就短，反之則長。自動往復(fù)循環(huán)控制線路原理圖如圖該系統(tǒng)的工作原理簡單，制作也容易，該系統(tǒng)的工作臺能實行自動往復(fù)循環(huán)控制該往復(fù)運動自動控制系統(tǒng)分成兩個部分：主電路和控制電路。 該電路采用強電控制強電方式，通過按鈕直接組成控制電路。其特點為成本最低，但是，調(diào)試安裝維護方面的安全性欠缺。 主電路 控制主電路手動、自動 采用的傳統(tǒng)繼電器控制線路，控制回路元器件多，連接導(dǎo)線也多，增加了故障的隱患，容易出現(xiàn)電氣故障，同時繼電器元件具有使用壽命短、耗能多、時間控制精度不高等缺點。基于以上的缺陷，而現(xiàn)在的新設(shè)備、新工藝、新知識、新技術(shù)又在社會上使用較多，下面使