《溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》9100字（論文）

溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要溫室大棚是用來(lái)培育作物的基礎(chǔ)設(shè)施，可以人為地改變農(nóng)作物所在的環(huán)境，從而創(chuàng)造一個(gè)全新的空間，溫室大棚可以對(duì)抗季節(jié)的變化和惡劣的氣候環(huán)境，制造出滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)的空間。溫室大棚是經(jīng)濟(jì)高效型農(nóng)業(yè)的組成，智能溫室也已成為農(nóng)業(yè)研究的重要方向。文中主要介紹了以PLC為核心進(jìn)行溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用CO?濃度傳感器、光照傳感器、溫度傳感器這些傳感檢測(cè)設(shè)備對(duì)溫室中的每一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)送入PLC中，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比并做出判斷，從而控制外部設(shè)備調(diào)整溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了溫室管控的智能化。通過(guò)PLC和傳感器可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的人機(jī)界面，達(dá)到溫室大棚的智能控制。驗(yàn)證結(jié)果表明，系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)溫室大棚內(nèi)的參數(shù)，可以達(dá)到對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控優(yōu)良，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：溫室大棚；傳感器；可編程控制器PLC目錄TOC\o"1-3"\h\u20481一、緒論 1108941.1研究背景及意義 1173201.1.1課題來(lái)源 262151.1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 2112841.2主要研究?jī)?nèi)容 3100871.3本章小結(jié) 43630二、總體設(shè)計(jì)方案 563442.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 583512.1.1設(shè)計(jì)要求 594352.1.2系統(tǒng)總體方案 5196672.2硬件設(shè)計(jì) 6243402.2.1硬件選擇 6208022.2.2電路設(shè)計(jì) 8270362.3軟件設(shè)計(jì) 10222262.3.1總體思路 1091062.3.2程序及軟件流程圖 1168072.4本章小結(jié) 133691三、系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證 1456873.1驗(yàn)證內(nèi)容 14192423.2驗(yàn)證過(guò)程 1494003.2.1硬件驗(yàn)證 14221553.2.2軟件驗(yàn)證 15325143.3驗(yàn)證結(jié)果 1527766四、工作總結(jié)和展望 19139974.1工作總結(jié) 1993424.2展望 1922224參考文獻(xiàn) 22一、緒論1.1研究背景及意義農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)構(gòu)建的重要組成。在適宜的氣候和生態(tài)環(huán)境下生長(zhǎng)是培育農(nóng)作物的重要條件和基本保障。我國(guó)幅員遼闊大部分地區(qū)都存在山多土地少、土質(zhì)貧瘠營(yíng)養(yǎng)成分低、土壤資源匱乏、陰雨寒冷天氣較多等情況，這些不良的環(huán)境破壞了農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)出。所以，我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化管控是今后農(nóng)業(yè)的科技發(fā)展方向，而智能溫室控制就能滿(mǎn)足以上的要求。智能溫室大棚就是制造一個(gè)使農(nóng)作物茁壯生長(zhǎng)的空間，它是由光照、溫度、CO?濃度等諸多環(huán)境參數(shù)組成的。智能溫室主要控制溫室中的溫度，濕度和光照，使農(nóng)作物可以在惡劣的氣候和不良的條件中生長(zhǎng)，從而增加農(nóng)作物的品質(zhì)。這樣可以促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、減少農(nóng)作物遭受病蟲(chóng)害的程度以及提高農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)效益的目的?，F(xiàn)代化溫室中擁有調(diào)控溫室內(nèi)的溫度、光照、CO?濃度等條件的設(shè)備，采用PLC作為總控制，人工創(chuàng)造出作物茁壯成長(zhǎng)的環(huán)境。溫室智能控制系統(tǒng)是一種用于管理的智能系統(tǒng)，二十一世紀(jì)自動(dòng)控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)飛速發(fā)展在許多領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)也受其影響得以進(jìn)一步發(fā)展。溫室大棚控制系統(tǒng)通過(guò)大棚內(nèi)安裝的傳感設(shè)備來(lái)檢測(cè)溫室內(nèi)的溫度、光照強(qiáng)度、CO?濃度、土壤的溫度等，傳感器將檢測(cè)的參數(shù)送入PLC，PLC通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析做出響應(yīng)，當(dāng)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)偏離控制范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)控外部設(shè)備調(diào)整溫室環(huán)境，保持溫室環(huán)境穩(wěn)定，農(nóng)作物在人工創(chuàng)造的環(huán)境中生長(zhǎng)提高作物出產(chǎn)量。智能控制系統(tǒng)將信息技術(shù)與自動(dòng)控制傳感技術(shù)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)做出改變，也是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體方向。溫室的建設(shè)就是為農(nóng)作物的創(chuàng)造一片獨(dú)立的空間，并利用科學(xué)技術(shù)改變農(nóng)作物所在的環(huán)境，使其客服外部條件的約束，最終實(shí)現(xiàn)作物反季節(jié)出產(chǎn)，獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的結(jié)果。溫室大棚中影響農(nóng)作物的是溫度的高低、光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱、CO?濃度的多少，所以溫室大棚智能控制的就是要能對(duì)溫度、光照強(qiáng)度、CO?濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。1.1.1課題來(lái)源科技不斷發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)傳感技術(shù)在航天、工業(yè)、水利多個(gè)方面得到了廣泛運(yùn)用，農(nóng)業(yè)也深受其影響，研究溫室大棚及其運(yùn)用也是農(nóng)業(yè)的重要課題。在自動(dòng)控制的環(huán)境下，各種稀有花木、反季節(jié)的果蔬等得以出現(xiàn)在人們的生活中。智能控制在溫室大棚中的應(yīng)用可以滿(mǎn)足人們物質(zhì)生活和精神的需要，同時(shí)也使智能控制在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方面得到發(fā)展。智能控制在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣與運(yùn)用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得簡(jiǎn)單高效，而更加成熟的自動(dòng)控制技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合也成為了重要課題。溫室大棚用于建立適合作物生長(zhǎng)的可控氣象空間，使農(nóng)作物可以反季節(jié)出現(xiàn)，改變農(nóng)作物對(duì)自然環(huán)境的依賴(lài)提高人們的生活質(zhì)量豐富人們的生活。溫室大棚應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管控，大大提高了溫室大棚的利用率，自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖、生態(tài)漁業(yè)等方面有著廣泛的運(yùn)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。科學(xué)技術(shù)的深入探索為農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用帶來(lái)了更多的方法和方向?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)最重要的部分是運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)控制溫室內(nèi)的參數(shù)。以農(nóng)作物的自身適應(yīng)性為基礎(chǔ)創(chuàng)造適合其生長(zhǎng)的環(huán)境，這是溫室大棚智能化生產(chǎn)和管理的基本保證。1.1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1.1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)的農(nóng)業(yè)建設(shè)也逐漸向自動(dòng)化科技化邁進(jìn)。目前，我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)也已轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)良高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，改變了傳統(tǒng)的耕作方式，并應(yīng)用了一些現(xiàn)代技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)等手段檢測(cè)和控制農(nóng)作物的生長(zhǎng)。在此過(guò)程中，在溫室中培育農(nóng)作物最有效方法是建立可控且恒定的室內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境。溫室種植不僅限于糧食、果蔬等作物的種植，也可以種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的花卉、樹(shù)苗等。隨著我國(guó)科學(xué)不斷進(jìn)步現(xiàn)代溫室技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，我國(guó)也建立了一個(gè)比較完善的現(xiàn)代科技產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)溫室建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)。溫室大棚的自動(dòng)控制方面，我國(guó)通過(guò)科學(xué)研究和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)也取得了很多進(jìn)步。我國(guó)一些公司引進(jìn)美國(guó)生產(chǎn)的可以通風(fēng)并保持溫度的通風(fēng)扇。我國(guó)還自主研發(fā)高性能的灌溉系統(tǒng)，濕簾和風(fēng)扇相結(jié)合迅速降低溫室溫度的冷卻系統(tǒng)，以及促進(jìn)作物生長(zhǎng)的二氧化碳發(fā)生器和空氣補(bǔ)充系統(tǒng)，以微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主體結(jié)合噴灌、施肥等外部設(shè)施綜合應(yīng)用。但我國(guó)一些溫室控制系統(tǒng)常以單片機(jī)控制系統(tǒng)為主體，形成的的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，不能廣泛用于大規(guī)模推廣中，自動(dòng)控制模式操作不便。目前，我國(guó)溫室的管控手段還比較不足，溫室種植園無(wú)法充分發(fā)揮溫室的功能和最大作用。一些大型農(nóng)業(yè)公司無(wú)法獲得收益，從而使智能溫室產(chǎn)業(yè)一體化的好處減少。而且在進(jìn)行溫室建設(shè)時(shí)，我國(guó)復(fù)雜的土地情況也不利于溫室的建設(shè)和使用。1.1.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀西方的國(guó)家溫室智能建造起步較早。一些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的西方國(guó)家美國(guó)、加拿大等，都使用電子計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)對(duì)溫室進(jìn)行控制，種植、培育和收割過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。此后，控制技術(shù)隨著互聯(lián)網(wǎng)等多種通訊技術(shù)有了更多的發(fā)展。美國(guó)大豆小麥等農(nóng)作物的種植方式已經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)綜合溫室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將環(huán)境氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉農(nóng)藥噴灑和農(nóng)作物肥料供應(yīng)于一體，通過(guò)傳感器的輸入和控制器的輸出來(lái)調(diào)節(jié)各部分進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，以達(dá)到溫室控制的經(jīng)濟(jì)化和高效化。以色列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在溫室中運(yùn)用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等控制系統(tǒng)，使用優(yōu)秀的溫室建造結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫室內(nèi)的溫度和濕度控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境因子。計(jì)算機(jī)傳感器監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)控制器連接通訊設(shè)備更加直觀(guān)形象高效的調(diào)控灌溉和施肥系統(tǒng)，增加資源的使用效率。此外，國(guó)外建造和管理溫室的方法也向智能化發(fā)展。結(jié)合遙測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、控制局域網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用極大提高農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程。利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并連接有多個(gè)通訊平臺(tái)，使用戶(hù)直觀(guān)形象的了解和控制溫室的情況，極大地節(jié)約了人力資源。1.2主要研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)所要研究的內(nèi)容是：通過(guò)溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO?濃度傳感器實(shí)時(shí)接收溫室中空氣的溫度、CO?濃度及光照等參數(shù)，將收集的參數(shù)轉(zhuǎn)變成物理量電信號(hào)送入PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比做出判斷，控制外部電氣設(shè)備的啟動(dòng)和停止，達(dá)到調(diào)控溫室環(huán)境的目的。通過(guò)控制使溫室的參數(shù)保持穩(wěn)定，使農(nóng)作物能夠在合適的條件中生長(zhǎng)。本文主要以PLC為核心，用傳感設(shè)備檢測(cè)溫室內(nèi)的環(huán)境變化，信息傳入GM235經(jīng)信息轉(zhuǎn)變送入PLC，PLC進(jìn)行信息分析處理，輸出端下達(dá)指令，驅(qū)動(dòng)電路控制執(zhí)行設(shè)備，然后實(shí)現(xiàn)智能溫室控制，并具有良好的人機(jī)界面?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)閉環(huán)的控制過(guò)程：溫室溫度控制：溫度低時(shí)，啟用加熱設(shè)備打開(kāi)遮陽(yáng)簾進(jìn)行升溫；溫度過(guò)高，啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備打開(kāi)遮陽(yáng)簾遮擋陽(yáng)光進(jìn)行降溫。溫室CO?濃度控制：CO?濃度不足是，開(kāi)啟CO?發(fā)生器產(chǎn)生CO?補(bǔ)足濃度。溫室光照度控制：充足的光照可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，光照強(qiáng)度不足的時(shí)候，補(bǔ)光設(shè)備作為補(bǔ)充光源，光照充足時(shí)關(guān)閉設(shè)備。1.3本章小結(jié)本章論述了溫室大棚對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響。智能溫室控制將是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，智能溫室可以增產(chǎn)提高質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的成本。國(guó)內(nèi)外的溫室大棚的控制方式和智能程度進(jìn)行了比較，了解溫室大棚控制的方式和溫室大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)施，最后介紹了研究的方向和內(nèi)容。二、總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的溫室大棚以控制管理更加精細(xì)化智能化為要求，使溫室大棚控制輕松高效增產(chǎn)增量。設(shè)計(jì)方案是以PLC為核心的溫室智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)當(dāng)前溫室的溫度、光照強(qiáng)度和CO?濃度。當(dāng)溫室環(huán)境發(fā)生改變偏離設(shè)定范圍，系統(tǒng)可以做出一系列響應(yīng)改變溫室環(huán)境，使得更加適合作物生長(zhǎng)。溫室大棚的設(shè)計(jì)以PLC為控制核心，通過(guò)溫度傳感器、光照傳感器、CO?傳感器來(lái)檢測(cè)溫室內(nèi)對(duì)應(yīng)的參數(shù)信息，進(jìn)行參數(shù)采集后將測(cè)量結(jié)果送入PLC中進(jìn)行對(duì)比，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比然后發(fā)出指令，控制溫室的外部設(shè)備調(diào)整溫室的參數(shù)，最終制造出適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境。2.1.2系統(tǒng)總體方案溫室大棚總體設(shè)計(jì)是以PLC為核心，通過(guò)溫度、光照、CO?濃度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的參數(shù)變化，傳感器不斷采集數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)變將參數(shù)信息送入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，控制器控制外部設(shè)備調(diào)控溫室環(huán)境，從而達(dá)到控制溫室環(huán)境變化的目的。圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2.1，包括觸摸屏、PLC控制器、光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、CO?濃度傳感器、降溫設(shè)備、升溫設(shè)備、CO?發(fā)生器、補(bǔ)光設(shè)備、遮光設(shè)備以及模擬量輸入模塊。圖2.2硬件接線(xiàn)PLC接收各種傳感器檢測(cè)的數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并做出判斷，發(fā)出指令調(diào)控相應(yīng)外部設(shè)備的啟動(dòng)和停止。降溫設(shè)備為風(fēng)扇和冷風(fēng)機(jī)，用來(lái)降低溫度；升溫設(shè)備為熱風(fēng)機(jī)和加熱器，用來(lái)升高溫度；遮光設(shè)備為遮陽(yáng)簾，用來(lái)控制溫室的光照強(qiáng)度；補(bǔ)光設(shè)備為補(bǔ)光燈，用來(lái)補(bǔ)足光照強(qiáng)度；CO?發(fā)生器產(chǎn)生CO?，提高溫室內(nèi)的CO?濃度。觸摸屏作為人機(jī)交互界面記錄檢測(cè)參數(shù)，也可以根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要自行輸入?yún)?shù)值。硬件設(shè)施連接無(wú)誤后通過(guò)step7-micro/win編程軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)，是由西門(mén)子公司研究開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，可以用梯形圖、語(yǔ)句表進(jìn)行編程。2.2硬件設(shè)計(jì)2.2.1硬件選擇1.PLC控制器的選擇S7-200系列在工業(yè)自動(dòng)控制中最為常用。應(yīng)用涵蓋范圍非常廣泛，應(yīng)用于與自動(dòng)控制相聯(lián)系的領(lǐng)域，包括很多機(jī)床、機(jī)器、電氣設(shè)備等。S7-200系列CPU設(shè)備類(lèi)型分為CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。一般自動(dòng)控制系統(tǒng)中CPU設(shè)備類(lèi)型選擇為CPU224或CPU226，CPU224擁有較快的運(yùn)算能力和較強(qiáng)控制力的控制器，而CPU226擁有更強(qiáng)的拓展能力和復(fù)雜的控制能力。本文中為溫室大棚控制系統(tǒng)，對(duì)于控制系統(tǒng)的要求不高，而且根據(jù)控制系統(tǒng)所需的13輸入和9輸出的I/O點(diǎn)，CPU224正好符合設(shè)計(jì)要求，擁有足夠的存儲(chǔ)量和較強(qiáng)的控制能力性?xún)r(jià)比很高。2.溫度傳感器的選擇溫室大棚的溫度范圍為20℃~25℃，溫室使用是農(nóng)業(yè)需求，不需要高精度的溫度測(cè)量，所選擇的溫度傳感器是DS18B20型號(hào)的傳感器。DS18B20型號(hào)的傳感器接線(xiàn)簡(jiǎn)單，工人操作起來(lái)簡(jiǎn)單省時(shí)。對(duì)于外部環(huán)境的干擾抵抗力強(qiáng)體積小，適用于溫室中的環(huán)境變化不被其干擾，測(cè)溫范圍為-10℃~+60℃，能夠在溫室大棚中進(jìn)行溫度檢測(cè)。3.CO?濃度傳感器溫室大棚的CO?濃度設(shè)定范圍為1000ppm~1500ppm，所選用的CO?濃度傳感器是紅外型CO?傳感器CM1106，CM1106CO?濃度傳感器有穩(wěn)定的性能和低功耗的特點(diǎn)，適用于農(nóng)業(yè)溫室大棚的使用。CM1106CO?濃度傳感器量程為400~2000ppm與設(shè)定值相契合，且CM1106CO?濃度傳感易于安裝和操作價(jià)格適中適合農(nóng)業(yè)安裝使用。4.光照強(qiáng)度傳感器溫室大棚的光照強(qiáng)度設(shè)定范圍為25000Lx（勒克斯）~30000Lx，所選用的光照強(qiáng)度傳感器為HA2003光照傳感器。HA2003光照傳感器響應(yīng)速度快，使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單。體積小不受其他環(huán)境因素的影響，量程為0~70000Lx工作溫度為-20℃～60℃與溫室的溫度相契合。5.CO?發(fā)生器溫室大棚CO?濃度設(shè)定范圍為1000ppm~1500ppm，所選用的CO?發(fā)生器的為SS-ZFC-12型號(hào)的發(fā)生器，該發(fā)生器所產(chǎn)生的CO?干燥純凈，不會(huì)影響溫室內(nèi)其他的環(huán)境參數(shù)，使用起來(lái)方便省心，且成本低廉不受外部環(huán)境的影響，出氣均勻、純度高，可以穩(wěn)定的產(chǎn)生CO?從而增加農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。6.模擬量輸入模塊EM235傳感器收集信息后將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，而PLC輸入是電流信號(hào)，因此需要模擬輸入模塊對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)變。在控制系統(tǒng)中有光照、溫度、CO?濃度三個(gè)輸入信號(hào)，所以選擇EM235模擬量輸入模塊。EM235模擬量輸入模塊擁有4個(gè)輸入和1個(gè)輸出，可以將傳感器檢測(cè)物理信息調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，變送為4-20mA的DC電流，并連續(xù)傳輸至接收設(shè)備。模塊使用DC24V的工作電源，工作過(guò)程穩(wěn)定。2.2.2電路設(shè)計(jì)溫室大棚的實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，所以輸入端和輸出端的I/0分配如表2.1和表2.2所示，其中輸入端有9個(gè)按鈕進(jìn)行控制，3個(gè)傳感器，1個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制遮陽(yáng)簾的正反轉(zhuǎn)，2個(gè)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行限位控制確保遮陽(yáng)簾在到達(dá)上下位限制時(shí)電機(jī)自動(dòng)停止工作，輸出端9個(gè)接觸器做出響應(yīng)。表2.1系統(tǒng)輸入端I/O分配表序號(hào)輸入端信號(hào)符號(hào)01I0.0手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕SB102I0.1總啟動(dòng)按鈕SB203I0.2總停止按鈕SB304I0.3遮陽(yáng)簾打開(kāi)單刀雙擲開(kāi)關(guān)SB405I0.4遮陽(yáng)簾關(guān)閉單刀雙擲開(kāi)關(guān)SB406I0.5通風(fēng)扇啟停按鈕SB507I0.6熱風(fēng)機(jī)啟停按鈕SB608I0.7冷風(fēng)機(jī)啟停按鈕SB709I1.0加熱器啟停按鈕SB810I1.1補(bǔ)光燈啟停按鈕SB911I1.2CO?發(fā)生器啟停按鈕SB1012I1.3遮陽(yáng)簾開(kāi)限位限位開(kāi)關(guān)SQ113I1.4遮陽(yáng)簾關(guān)限位限位開(kāi)關(guān)SQ214AIW0溫度傳感器15AIW2光照傳感器16AIW4CO?濃度傳感器表2.2系統(tǒng)輸出端I/O分配表序號(hào)輸出端信號(hào)符號(hào)01Q0.0遮陽(yáng)簾打開(kāi)接觸器KM102Q0.1遮陽(yáng)簾關(guān)閉接觸器KM203Q0.2通風(fēng)扇接觸器KM304Q0.3熱風(fēng)機(jī)接觸器KM405Q0.4冷風(fēng)機(jī)接觸器KM506Q0.5加熱器接觸器KM607Q0.6補(bǔ)光燈接觸器KM708Q0.7CO?發(fā)生器接觸器KM809Q1.0啟動(dòng)指示燈接觸器KM9風(fēng)扇、加熱器、CO?發(fā)生器、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈都屬于開(kāi)關(guān)設(shè)備，通過(guò)一個(gè)繼電器來(lái)控制，主要控制電機(jī)通斷。如圖2.3為開(kāi)關(guān)設(shè)備的電路原理圖，SB1開(kāi)關(guān)的是手動(dòng)/自動(dòng)功能交換。自動(dòng)控制時(shí)按下SB2總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，接觸器KM9得電KM9常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。KM9和M0.3閉合接觸器KM5得電，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，按下SB3總停止按鈕于是接觸器KM9失電設(shè)備停止。手動(dòng)控制時(shí)按下SB6，接觸器KM5得電設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，按下SB3設(shè)備停止運(yùn)行。圖2.3開(kāi)關(guān)設(shè)備電路原理圖遮陽(yáng)簾是正反轉(zhuǎn)設(shè)備，接觸器控制遮陽(yáng)簾電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；熔斷器在電路中起到過(guò)電流保護(hù)應(yīng)對(duì)短路的作用；熱繼電器可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。如圖2.4為遮陽(yáng)簾的控制電路原理圖，SB1為手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，SB2為總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，SB3為總停止開(kāi)關(guān)。自動(dòng)控制時(shí)按下SB2接觸器KM9得電常開(kāi)觸點(diǎn)KM9閉合形成自鎖，常開(kāi)觸點(diǎn)KM9閉合根據(jù)控制所需觸點(diǎn)M2.2或M2.3閉合設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行。手動(dòng)控住時(shí)根據(jù)環(huán)境所需將雙擲開(kāi)關(guān)SB4打到所需的位置上設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行。SQ1和SQ2為限位開(kāi)當(dāng)達(dá)限位值時(shí)斷開(kāi)，設(shè)備停止運(yùn)行。圖2.4遮陽(yáng)簾電路原理圖2.3軟件設(shè)計(jì)2.3.1總體思路在控制系統(tǒng)的工作模式自和手動(dòng)控制，自動(dòng)模式為一般的運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)模式用于設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或檢修過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)在自動(dòng)工作時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行傳感設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)的數(shù)值并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC。溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù)大于設(shè)定值，則PLC控制外部設(shè)備風(fēng)機(jī)和通風(fēng)扇，吹冷空氣并排出熱空氣降低溫室內(nèi)的溫度降到合適范圍設(shè)備停止運(yùn)行；溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù)低于設(shè)定值，PLC控制的外部設(shè)備加熱器和風(fēng)機(jī)添加熱空氣，溫室開(kāi)始升溫溫度到達(dá)設(shè)定溫度設(shè)備停止運(yùn)行。光照傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)低于設(shè)定值，PLC控制外部設(shè)備關(guān)閉遮陽(yáng)簾并打開(kāi)補(bǔ)光燈通過(guò)燈光和日光提高光照強(qiáng)度；光照傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)高于設(shè)定值，PLC控制外部設(shè)備打開(kāi)遮陽(yáng)簾遮蔽日光。CO?濃度傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)小于設(shè)定值，外部設(shè)備CO?發(fā)生器啟動(dòng)開(kāi)始補(bǔ)充CO?。溫室內(nèi)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，使農(nóng)作物穩(wěn)定的生長(zhǎng)。不同的溫室作物具有不同的適應(yīng)環(huán)境，所以所控制的值取中間區(qū)間作為設(shè)定值。作物生長(zhǎng)所需溫度要求大多數(shù)在20°C~31°C，本系統(tǒng)取值范圍為20°C~25°C；光照強(qiáng)度單位為L(zhǎng)x（勒克斯），控制系統(tǒng)取光照強(qiáng)度取值為2.5萬(wàn)~3萬(wàn)Lx；夏季陽(yáng)光最強(qiáng)烈時(shí)，光照強(qiáng)度達(dá)到7萬(wàn)~9萬(wàn)Lx，多云天氣時(shí)0.1萬(wàn)~1.2萬(wàn)Lx。CO?濃度單位為ppm，空氣中含量為300-400ppm，作物生長(zhǎng)所需的CO?濃度為1000ppm~1700ppm，控制系統(tǒng)取的CO?濃度值范圍為1000ppm~1500ppm。2.3.2程序及軟件流程圖1.溫度控制流程圖，如圖2.5所示圖2.5溫度控制流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始檢測(cè)溫度，溫室溫度參數(shù)通過(guò)傳感器檢測(cè)，檢測(cè)值送入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比并控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。傳感器輸出值低于設(shè)定值，溫度太高需降低溫度，冷風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇啟動(dòng)開(kāi)始降低溫室內(nèi)的溫度，溫度降到適合作物生長(zhǎng)的范圍；傳感器輸出值高于設(shè)定值，溫度太低需升高溫度，熱風(fēng)機(jī)和加熱器啟動(dòng)開(kāi)始升溫，溫度上升到適合作物生長(zhǎng)的范圍。2.光照強(qiáng)度控制流程圖，如圖2.6所示。圖2.6光照強(qiáng)度控制流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始檢測(cè)溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度，溫室的光照參數(shù)通過(guò)傳感器檢測(cè)，檢測(cè)值由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比并控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)即為光照強(qiáng)度過(guò)高需要遮光，遮陽(yáng)簾啟動(dòng)從大棚頂落下遮蔽陽(yáng)光；當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)即為光照強(qiáng)度過(guò)低需要陽(yáng)光，遮陽(yáng)簾收起補(bǔ)光燈啟動(dòng)開(kāi)始補(bǔ)足光照，光照強(qiáng)度到達(dá)設(shè)定的作物所需值時(shí)停止。3.CO?濃度控制流程圖，如圖2.7所示。圖2.7CO?濃度控制流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始檢測(cè)CO?濃度，溫室的CO?濃度參數(shù)由CO?濃度傳感器檢測(cè)輸出值低于PLC設(shè)定的值，即為CO?濃度不足，CO?發(fā)生器工作開(kāi)始補(bǔ)充CO?，CO?濃度到達(dá)設(shè)定的作物所需值時(shí)停止。編程軟件選擇了STEP7-Micro/WIN32編程軟件，該軟件是由西門(mén)子為S7-200所研發(fā)設(shè)計(jì)的，功能十分強(qiáng)大可以監(jiān)控程序運(yùn)行狀態(tài)。2.4本章小結(jié)本章介紹了智能溫室系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、硬件選擇設(shè)計(jì)、軟件選擇設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。選擇合適的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)和流程圖，用編寫(xiě)軟件編寫(xiě)程序，使得控制系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。三、系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證3.1驗(yàn)證內(nèi)容本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限硬件不足缺少模擬量采集模塊，所以驗(yàn)證執(zhí)行部分是溫度調(diào)試、光照強(qiáng)度調(diào)試和.CO?濃度調(diào)試。主要驗(yàn)證內(nèi)容為：1.溫度調(diào)試，溫度高于或低于設(shè)定的值時(shí)降溫和升溫設(shè)備是否啟動(dòng)。2.光照強(qiáng)度調(diào)試，當(dāng)光照強(qiáng)度不足或太強(qiáng)時(shí)補(bǔ)光設(shè)備和遮光設(shè)備是否啟動(dòng)。3.CO?濃度調(diào)試，當(dāng)CO?濃度不足時(shí)CO?發(fā)生設(shè)備是否啟動(dòng)，尋找系統(tǒng)中存在的問(wèn)題并及時(shí)解決。3.2驗(yàn)證過(guò)程3.2.1硬件驗(yàn)證電源檢查和元器件極性測(cè)試，使用+5VDC電源，并通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)元器件引腳的電壓值和極性是否處于正確范圍。發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)檢查排除并加以更改，正確使用元器件。斷開(kāi)電源，按照順序安裝元器件，接通電源后檢查數(shù)值是否正確。3.2.2軟件驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證，以輸出區(qū)的指示燈作為實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果。用電纜將實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)相連接，將STEP7編寫(xiě)的程序編譯無(wú)誤后導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)箱中。由于輸出接口不足，分批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖3.1編譯正確通過(guò)I/O分配表進(jìn)行接線(xiàn)將輸入端接好開(kāi)關(guān)，輸出端連接指示燈。PLC處于運(yùn)行狀態(tài)，接線(xiàn)檢查無(wú)誤后開(kāi)始進(jìn)行驗(yàn)證。打開(kāi)總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)指示燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。先進(jìn)行溫度驗(yàn)證如圖3.3圖3.4，指示燈Q0.1為風(fēng)扇開(kāi)啟，Q0.2為風(fēng)扇關(guān)閉，Q0.3為冷風(fēng)機(jī)，Q0.4為熱風(fēng)機(jī)，Q0.5為加熱器。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)按下開(kāi)關(guān)I0.1代替?zhèn)鞲衅髦噶?，通風(fēng)扇和冷風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，指示燈點(diǎn)亮設(shè)備正常運(yùn)行；溫度低時(shí)按下I0.2代替?zhèn)鞲衅髦噶?，加熱器和熱風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，指示燈點(diǎn)亮設(shè)備正常運(yùn)行。圖3.2系統(tǒng)開(kāi)始工作圖3.3溫度過(guò)高風(fēng)扇和冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)圖3.4溫度過(guò)低熱風(fēng)機(jī)和加熱器啟動(dòng)進(jìn)行光照強(qiáng)度驗(yàn)證如圖3.5圖3.6，指示燈Q0.1為遮陽(yáng)簾打開(kāi)，Q0.2為遮陽(yáng)簾關(guān)閉，Q0.3為補(bǔ)光燈啟停。光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí)按下I0.1代替?zhèn)鞲衅髦噶睿陉?yáng)簾打開(kāi)遮蔽陽(yáng)光，指示燈點(diǎn)亮設(shè)備正常運(yùn)行；光照強(qiáng)度不足時(shí)按下I0.2代替?zhèn)鞲衅髦噶?，遮?yáng)簾關(guān)閉或處于關(guān)閉狀態(tài)補(bǔ)光燈開(kāi)始補(bǔ)光，指示燈點(diǎn)亮設(shè)備正常運(yùn)行。圖3.5光照過(guò)強(qiáng)遮陽(yáng)簾啟動(dòng)圖3.6光照不足遮陽(yáng)簾關(guān)閉補(bǔ)光燈啟動(dòng)進(jìn)行CO?濃度驗(yàn)證如圖3.7，指示燈Q0.1為CO?發(fā)生器啟停。作物進(jìn)行光合作用吸收CO?制造氧氣，所以不考慮CO?濃度過(guò)高的情況。CO?濃度不足時(shí)按下I0.1代替?zhèn)鞲衅髦噶?，CO?發(fā)生器啟動(dòng)開(kāi)始補(bǔ)充CO?，指示燈點(diǎn)亮設(shè)備正在運(yùn)行。圖3.7CO?濃度不足CO?發(fā)生器啟動(dòng)3.3驗(yàn)證結(jié)果通過(guò)對(duì)于控制系統(tǒng)的硬件和軟件的綜合調(diào)試，編程程序正確無(wú)誤，系統(tǒng)得以正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)基本完成了預(yù)期目標(biāo)。四、工作總結(jié)和展望4.1工作總結(jié)在整個(gè)設(shè)計(jì)文章中，首先討論了溫室的概述和工作原理。其次，討論了溫室自動(dòng)控制的工作原理和設(shè)計(jì)圖，以及硬件選擇設(shè)計(jì)、軟件選擇設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，然后討論了智能溫室控制系統(tǒng)的調(diào)試和檢查。查找設(shè)計(jì)中的不足之處，不斷完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后總結(jié)了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。智能溫室控制系統(tǒng)可以改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式方法，它是在一般培育作物的溫室上結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等科學(xué)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。節(jié)省了人力資源提高了經(jīng)濟(jì)效益。智能溫室所需要監(jiān)控調(diào)整的對(duì)象是溫度、光照強(qiáng)度、CO?濃度。通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)，得到的參數(shù)與設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行比較，從而判斷是否采取自我調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制。溫室大棚智能控制系統(tǒng)使用西門(mén)子S7-200系列PLC，完成溫室大棚智能控制的方案設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)使用兩種操作模式：手動(dòng)和自動(dòng)。自動(dòng)模式是正常工作狀態(tài)，而手動(dòng)模式是處理故障排除其他異常情況。在自動(dòng)工作模式下，傳感設(shè)備對(duì)溫度、光照、CO?濃度等影響作物生長(zhǎng)的數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比做出判斷，發(fā)出指令調(diào)控溫室環(huán)境參數(shù)，使溫室環(huán)境始終處于最合適的狀態(tài)，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)利益。