畢業(yè)論文《智能溫室控制系統(tǒng)設計》.doc

畢業(yè)論文智能溫室控制系統(tǒng)設計摘要 我國農(nóng)村使用的簡易日光溫室絕大部分采用手動控制，生產(chǎn)效率地下，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高。隨著溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，溫室作物趨向于多樣化，對溫室的控制要求也隨之提高，手動控制因其控制精度低已開始不能滿足溫室生產(chǎn)的需求，需要設計一種控制器減少手動控制。智能化溫室是集農(nóng)業(yè)科技上的高、精、尖技術和計算機自動控制技術于一體的先進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技向產(chǎn)業(yè)轉化的物質基礎。本文主要介紹以PLC為核心，以溫度、濕度等傳感器為主要外圍元件的蔬菜大棚自動控制系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的特點、組成、硬件設計、實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。對溫室的溫度、濕度、光照、土壤水分和CO2濃度等參數(shù)進行實時監(jiān)測由PLC對這些參數(shù)進行實時控制，使之能滿足系統(tǒng)的控制要求。節(jié)省了人力，提高了控制質量產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。關鍵詞：PLC，傳感器，自動控制系統(tǒng)目錄第一章 緒論11.1研究的目的與意義11.2論文的主要內容2第二章 智能溫室控制系統(tǒng)總體設計32.1溫室環(huán)境特點32.2系統(tǒng)總體設計思路32.2.1 系統(tǒng)分析32.2.2系統(tǒng)的特點42.2.3 系統(tǒng)的工作原理42.3系統(tǒng)總體設計方案52.3.1 系統(tǒng)的組成52.3.2 系統(tǒng)的硬件接線圖62.3.3 PLC的選擇標準62.3.3 本系統(tǒng)PLC的選擇72.4 系統(tǒng)主電路的設計82.5 控制電路原理圖9第三章 智能溫室控制系統(tǒng)設計103.1 基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設計103.1.1 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP8103.1.2 程序設計103.1.3 主程序設計143.1.4 子程序設計15參考文獻16致謝18智能溫室控制系統(tǒng)設計第一章 緒論 智能溫室也稱作自動化溫室，是指配備了由計算機控制的可移動天窗、遮陽系統(tǒng)、保溫、濕窗簾/風扇降溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng)、移動苗床等自動化設施，基于農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的高科技“智能”溫室。智能溫室的控制一般由信號采集系統(tǒng)、中心計算機、控制系統(tǒng)三大部分組成。智能溫室系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設施農(nóng)業(yè)技術，它是在普通日光溫室的基礎上，結合現(xiàn)代化計算機自控技術、智能傳感技術等高科技手段發(fā)展起來的。自上世紀90年代以來，我國農(nóng)業(yè)工程技術人員在吸收發(fā)達國家高科技溫室生產(chǎn)技術的基礎上，對溫室溫度、濕度、C02濃度和光照等環(huán)境因子控制技術的研究，研制開發(fā)了我國自己的智能溫室控制系統(tǒng)。1.1研究的目的與意義 溫室環(huán)境控制是一項綜合性工程，它是當代農(nóng)業(yè)生物學、黃靜工程、自動控制、計算機網(wǎng)絡、管理科學等多種技術的綜合應用，旨在為作物創(chuàng)造最佳生長條件，避免外界四季變化和惡劣氣候的影響，以達到調節(jié)產(chǎn)期，促進生長發(fā)育，防治病蟲及提高農(nóng)作物質量。產(chǎn)量。產(chǎn)值等目的。 近兩年來，農(nóng)作作為國家優(yōu)秀發(fā)展產(chǎn)業(yè)正受到各級政府的高度重視，增加8億農(nóng)民收入是我們國家當前的基本國策，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化使我們追求的目標?；谟嬎銠C和自動化技術的智能溫室是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要方面。 研究開發(fā)并推廣使用性能優(yōu)越、運行可靠的溫室智能控制系統(tǒng)將是溫室生產(chǎn)走向產(chǎn)業(yè)化和有效農(nóng)業(yè)化的必由之路，而溫室內環(huán)境因子（溫度、濕度、CO2濃度等）的綜合自動控制是實現(xiàn)溫室種植物高產(chǎn)、優(yōu)質、高效的關鍵。在農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家，其現(xiàn)代化溫室已基本實現(xiàn)了自動控制，但這些溫室產(chǎn)品的成本相對較高，如加拿大ARGUS公司，每套溫室控制器的價格在十萬元左右；以色列國家農(nóng)業(yè)中心的一片玻璃試驗溫室，每間造價高達上百萬美元。另外，由于氣候條件不同，地理環(huán)境差異以及種植農(nóng)作物的不同，在客觀上限制了國外溫室產(chǎn)品在我國的運用，國內已有的一些溫室存在技術水平發(fā)展緩慢，管理體系落后等缺點，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和溫室自動控制發(fā)展的要求。因此，研究開發(fā)適合我國國情、具有獨立知識產(chǎn)權、高效率、低成本運行的溫室控制系統(tǒng)顯得尤為重要。 只能溫室經(jīng)自動化技術引入了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)科研活動提供了有力的科學手段，通過參數(shù)設置及自動數(shù)據(jù)記錄，為農(nóng)業(yè)工作者完成相關農(nóng)藝科學研究，了解不同生產(chǎn)條件對作物的生長、品質影響及生產(chǎn)方法改進，都提供了簡便、準確的手段。因此，研究該課題具有深遠的理論意義和重大的現(xiàn)實意義。1.2論文的主要內容 1、根據(jù)外界環(huán)境對花卉生長的影響因素，選擇作物環(huán)境條件的實時檢測系統(tǒng)、智能溫室控制系統(tǒng)兩部分。自動檢測系統(tǒng)包括：溫度、濕度，光照、C02、等傳感器與變送器。智能控制系統(tǒng)包括：雙向天窗角度開閉驅動，遮陽網(wǎng)驅動，通風機，噴灌滴灌控制，節(jié)能加溫、降溫控制等。 2、根據(jù)檢測和控制對象，采用PID控制算法建立溫室溫度參數(shù)控制系統(tǒng)數(shù)學模型，使用組態(tài)軟件對其進行仿真測試。 3、研制與開發(fā)基于PLC的溫室智能控制系統(tǒng)。4、開發(fā)智能溫室組態(tài)監(jiān)控界面。第二章 智能溫室控制系統(tǒng)總體設計2.1溫室環(huán)境特點 溫室氣候環(huán)境作為計算機控制系統(tǒng)的控制對象，有以下特點： 1、非線性系統(tǒng)。溫室內部的氣候處于熱平衡混沌狀態(tài)。大量隨機的、不確定性因素使得對其精確建模比較困難。 2、分布參數(shù)系統(tǒng)。由于溫室面積比較大，造成溫室內部各個物理量的分布是不均勻的。比如溫度，溫室內部各點溫度都不一樣，四周一般都比中間的低，項部和底部也有一定差別，其值的大小依賴于空間位置和氣流的方向等各種因素，在溫室中的氣候分布是緩慢變化的。 3、時變系統(tǒng)。作物在生長周期的不同階段，其光合作用能力、吸熱散熱能力等均有所差別。因而，溫室系統(tǒng)是一個參數(shù)隨著時間變化的動態(tài)系統(tǒng)。 4、時延系統(tǒng)。對于外界所施加的作用，溫室系統(tǒng)并不立即響應，而是經(jīng)過一段時間的延遲才有反應。比如，在溫室加熱系統(tǒng)中，對系統(tǒng)加熱升溫，熱量傳到溫室的各個部分需要經(jīng)過很長一段時間的延遲，溫度才會有所提高。 5、多變量藕合系統(tǒng)。溫室系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)各變量之間并不是互相獨立，各個子系統(tǒng)的控制回路彼此禍合在一起。對系統(tǒng)任一目標的控制，都會影響其它目標的變化。 綜上所述，溫室環(huán)境系統(tǒng)是個復雜的大系統(tǒng)，建立精確的控制模型很難實現(xiàn)。由于作物對環(huán)境各氣候因子的要求并不是特別的精確，而是一個模糊區(qū)間，比如作物對溫度的要求，只要溫度在某一時間段在某一區(qū)間內，該作物就能很好地生長，因此，也沒有必要將各種參數(shù)進行精確控制。2.2系統(tǒng)總體設計思路2.2.1 系統(tǒng)分析本系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子溫度、光照、水分、CO2等，以適應不同的生物生長繁育的需要，它由相關的智能控制單元組成，按照事先設定的程序，精確測量溫室氣候和土壤參數(shù)，并啟動或關閉不用的電動外圍設備，程序所需的參數(shù)通過傳感器采集所得。2.2.2系統(tǒng)的特點1、預測性：通過對氣候參數(shù)的分析，可以預測控制設備的運行情況，提高設備的利用率，降低能耗。2、強大的擴展功能：通過控制不同的外圍設備，可以控制環(huán)境及灌溉、施肥等。3、完善的資料處理功能：通過中央控制軟件，可以不間斷的記錄各種傳感器的信息以及各種控制設備的動作記錄等。4、遠程監(jiān)控功能：即工作人員不在現(xiàn)場，也可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內的設備的參數(shù)進行監(jiān)控和控制。2.2.3 系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)是利用PLC把傳感器采集的有關參數(shù)轉化為數(shù)字信號，并把這些數(shù)據(jù)暫存起來，與給定值進行比較，經(jīng)一定的控制算法后，給出相應的控制信號進行控制。系統(tǒng)還可以經(jīng)過串行通信接口將數(shù)據(jù)傳送至上位機，從未完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計分析等更為強大的功能，閉關可以對數(shù)據(jù)進行顯示、編輯、存儲及打印輸出。傳感器將溫度、濕度等轉化為電壓信號。經(jīng)過運算放大器組成的信號處理電路換成壓平轉化器（V/F）需要的電壓信號。系統(tǒng)工作時，PLC通過傳感器來測量溫室內的相應數(shù)據(jù)并于設定值比較，如果溫室內的環(huán)境超過了設定的范圍上下限值，PLC就輸出指令，控制接通相應的設備。當溫室環(huán)境條件在設定范圍內，PLC就輸出指令，切斷設備電源。如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)的工作原理圖2.3系統(tǒng)總體設計方案2.3.1 系統(tǒng)的組成智能溫室系統(tǒng)主要由自動控制系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、自動噴灌系統(tǒng)等五個部分組成，如圖2-2所示圖2-2智能溫室控制系統(tǒng)組成2.3.2 系統(tǒng)的硬件接線圖本系統(tǒng)由上位機PC機，PLC可編程控制其，各類傳感器，PLC擴展模塊，驅動及執(zhí)行部分等組成。因為在設計中用到電感性負載，因此電路中設計了電容和電阻串聯(lián)對電動機進行保護，當電機啟動或斷開電源的時候由于電動機會突然斷電或試點，線圈會產(chǎn)生很大的感應電流。會對電路中的電機產(chǎn)生大的危害。系統(tǒng)具體硬件接線圖如圖2-3所示。圖2-3 智能溫室系統(tǒng)硬件接線圖2.3.3 PLC的選擇標準 1.PLC機型的選擇：（1）PLC在工業(yè)控制中應用多年，屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，其在生產(chǎn)、調試、應用、服務等方面都有一套完備的標準，所以產(chǎn)品質量穩(wěn)定、可靠性高，但是考慮到穩(wěn)定性、可維護性等因素，采用PLC比單片機具有較高的性價比。（2）PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊等方面綜合考慮。PLC機型的選擇基本原則是再滿足功要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性價比。2.3.3 本系統(tǒng)PLC的選擇1、I/O點數(shù)的估計 根據(jù)實際情況對I/O點數(shù)進行估計，具體點數(shù)估計如表2-1所示表2-1 I/O點數(shù)的估計2、輸入量與輸出量的I/O地址分配輸入量與輸出量的I/O地址分配如表2-2所示表2-2 輸入量與輸出量的I/O地址分配3、擴展模塊的選擇 因為S7-244集成了14輸入/10輸出，他最多可以有7個擴展模塊，有內置時鐘，有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。由于溫度、濕度、光照強度、CO2濃度均為模擬量，所以選EM231模塊作為模擬量輸入模塊。2.4 系統(tǒng)主電路的設計如圖2-4所示：圖2-4 主電路設計圖2.5 控制電路原理圖 如圖2-5所示：圖2-5 控制電路原理圖第三章 智能溫室控制系統(tǒng)設計3.1 基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設計3.1.1 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP8STEP 7 MicroWIN編程軟件基于Windows的應用軟件，有西門子公司專門為S7-200系列可編程控制器設計開發(fā)。它的功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子S7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具。3.1.2 程序設計按下啟動按鈕，PLC卡是掃描，溫度傳感器將溫室溫度測量值信號送到PLC中，PLC再將信號值處理，在于設定值進行比較，最后將得到的結果輸出，如果比較結果高于設定值，則控制打開通風窗或風機，比較結果等于設定結果等于低于設定值，則打開供熱設備。假設風機，供熱設備，傳感器出現(xiàn)故障的時候就發(fā)出聲光報警?？諝鉂穸葌鞲衅鲗z測的溫室是瀆職送到PLC中，PLC將檢測值與設定值進行比較，如果空氣溫度高與設定值，則控制打開窗子且打開風機進行去濕，如果測量值等于設定值，則關閉窗子和風機；如果測量值低于主設定值，則發(fā)出指令控制打開空氣濕度電磁閥，對空氣進行噴霧。土壤濕度傳感器檢測的值首先送到PLC中，有PLC將其與設定值相比較，如果測量值高與設定值，則由PLC發(fā)出控制關閉控制土壤濕度的電磁閥；如果電磁閥發(fā)生故障則會發(fā)出聲光警報。光照傳感器將溫室內的光照強度測量值送到PLC中，由PLC將其與設定的光照強度進行比較，再將其比較結果送到執(zhí)行機構中去，對其進行動作，如果測量值高于設定值則控制關閉不光設備，同時拉上遮陽簾；如果則兩只等于設定值，則關閉不光設備；如果測量值地與設定值，那么則發(fā)出指令打開補光設備，同時打開遮陽簾。在這個過程中，如果遮陽簾電機，不光設備出現(xiàn)故障則出現(xiàn)聲光警報。其工作流程圖如3-1所示圖3-1 主控模塊流程圖1、溫度控制 當系統(tǒng)開始工作時，由溫度傳感器將溫室內的溫度測量參數(shù)傳給PLC，再由PLC將其檢測結果與事先設定好的溫度進行對比，如果測量值等于設定值則保持原來的溫室溫度；如果測量值與設定值不等，在判斷大于還是小于，當測量值大與設定值，則打開通風簾，當測量值小于設定值時，則打開供熱系統(tǒng)。當測量溫度達到設定值時就會關閉供熱系統(tǒng)或通風簾。其工作流程圖如圖3-2所示圖3-2 溫控子模塊流程圖2、濕度控制 系統(tǒng)開始工作，濕度傳感器考試對環(huán)境濕度進行檢測。土壤濕度傳感器，土壤濕度傳感器將測量結果送到PLC中心后，PLC將測量值與設定值進行較，如果測量值等于或大與設定值，則關閉噴灌電磁閥；當小于設定值時。則打開噴灌電磁閥。其工作流程圖如圖3-3所示圖3-3 濕控子模塊流程圖3、光照控制 系統(tǒng)啟動，光照傳感開始工作，將溫室內的光照強度測量值參數(shù)傳給PLC，由PLC將測量值與設定值進行比較，判斷測量值是否等于設定值，如果等于，則保持室內光照強度；如果測量值與設定值不等，在判斷大于還是小于，當測量值大與設定值，則關閉遮陽簾，當小于設定值時，則打開補光設備。其工作流程圖如圖3-4所示圖3-4 光控子模塊流程圖4、CO2濃度控制 系統(tǒng)啟動，CO2傳感開始工作，將溫室內的CO2濃度測量值參數(shù)傳給PLC，由PLC將測量值與設定值進行比較，判斷測量值是否等于設定值，如果等于，則保持室CO2濃度；如果測量值與設定值不等，在判斷大于還是小于，當測量值大與設定值，則打開天窗，當小于設定值時，則打開CO2補氣閥。其工作流程圖如圖3-5所示。圖3-5 CO2濃度控制子模塊流程圖 3.1.3 主程序設計3.1.4 子程序設計參考文獻1張路,何世鈞,徐軍峰,張弛.工控組態(tài)軟件在智能溫室控制系統(tǒng)中的應用J.基礎自動化,2000,02:55-56+59.2丁欣,孫智卿,郭鵬舉.基于ARM的智能溫室控制系統(tǒng)J.山西農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2010,01:56-60.3任博,郭佳,張侃諭.基于ARM+MCU的智能溫室控制系統(tǒng)的設計J.自動化與儀表,2010,10:34-37.4姚有峰,趙江東.基于單片機技術的智能溫室控制系統(tǒng)J.微型機與應用,2010,23:95-98.5張英梅,傅仕杰.STM32的智能溫室控制系統(tǒng)J.軟件,2010,12:14-18.6宋永飛.基于PLC和組態(tài)思想的智能溫室控制系統(tǒng)J.工業(yè)控制計算機,2009,01:7-9.7劉美琪,馬斌強,季寶杰,李聰,李勉.多信息融合的智能溫室控制系統(tǒng)研究J.河南農(nóng)業(yè)大學學報,2009,02:182-185.8謝向花.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設計J.機電信息,2009,24:129+140.9楊明,馬祖長,趙廣發(fā).基于溫濕度模糊控制的智能溫室控制系統(tǒng)J.機械工程師,2006,04:41-42.10楊明,馬祖長,趙廣發(fā).基于CAN總線的智能溫室控制系統(tǒng)J.自動化技術與應用,2006,04:50-51+63.11譚偉,姜楠.基于單片機的智能溫室控制系統(tǒng)研究與設計J.林業(yè)機械與木工設備,2007,11:41-42+52.12侯建華.基于CAN總線的智能溫室控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)J.電工技