毕业论文《智能温室控制系统设计》.doc

毕业论文智能温室控制系统设计摘要 我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制，生产效率地下，单位产品的生产成本高。随着温室产业的发展，温室作物趋向于多样化，对温室的控制要求也随之提高，手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求，需要设计一种控制器减少手动控制。智能化温室是集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础。本文主要介绍以PLC为核心，以温度、湿度等传感器为主要外围元件的蔬菜大棚自动控制系统，详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统。对温室的温度、湿度、光照、土壤水分和CO2浓度等参数进行实时监测由PLC对这些参数进行实时控制，使之能满足系统的控制要求。节省了人力，提高了控制质量产生了良好的经济效益，不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。关键词：PLC，传感器，自动控制系统目录第一章 绪论11.1研究的目的与意义11.2论文的主要内容2第二章 智能温室控制系统总体设计32.1温室环境特点32.2系统总体设计思路32.2.1 系统分析32.2.2系统的特点42.2.3 系统的工作原理42.3系统总体设计方案52.3.1 系统的组成52.3.2 系统的硬件接线图62.3.3 PLC的选择标准62.3.3 本系统PLC的选择72.4 系统主电路的设计82.5 控制电路原理图9第三章 智能温室控制系统设计103.1 基于PLC的智能温室控制系统设计103.1.1 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP8103.1.2 程序设计103.1.3 主程序设计143.1.4 子程序设计15参考文献16致谢18智能温室控制系统设计第一章 绪论 智能温室也称作自动化温室，是指配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，基于农业温室环境的高科技“智能”温室。智能温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成。智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。自上世纪90年代以来，我国农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，对温室温度、湿度、C02浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了我国自己的智能温室控制系统。1.1研究的目的与意义 温室环境控制是一项综合性工程，它是当代农业生物学、黄静工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术的综合应用，旨在为作物创造最佳生长条件，避免外界四季变化和恶劣气候的影响，以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫及提高农作物质量。产量。产值等目的。 近两年来，农作作为国家优秀发展产业正受到各级政府的高度重视，增加8亿农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化使我们追求的目标。基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。 研究开发并推广使用性能优越、运行可靠的温室智能控制系统将是温室生产走向产业化和有效农业化的必由之路，而温室内环境因子（温度、湿度、CO2浓度等）的综合自动控制是实现温室种植物高产、优质、高效的关键。在农业发达的国家，其现代化温室已基本实现了自动控制，但这些温室产品的成本相对较高，如加拿大ARGUS公司，每套温室控制器的价格在十万元左右；以色列国家农业中心的一片玻璃试验温室，每间造价高达上百万美元。另外，由于气候条件不同，地理环境差异以及种植农作物的不同，在客观上限制了国外温室产品在我国的运用，国内已有的一些温室存在技术水平发展缓慢，管理体系落后等缺点，不能满足现代农业和温室自动控制发展的要求。因此，研究开发适合我国国情、具有独立知识产权、高效率、低成本运行的温室控制系统显得尤为重要。 只能温室经自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了有力的科学手段，通过参数设置及自动数据记录，为农业工作者完成相关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法改进，都提供了简便、准确的手段。因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。1.2论文的主要内容 1、根据外界环境对花卉生长的影响因素，选择作物环境条件的实时检测系统、智能温室控制系统两部分。自动检测系统包括：温度、湿度，光照、C02、等传感器与变送器。智能控制系统包括：双向天窗角度开闭驱动，遮阳网驱动，通风机，喷灌滴灌控制，节能加温、降温控制等。 2、根据检测和控制对象，采用PID控制算法建立温室温度参数控制系统数学模型，使用组态软件对其进行仿真测试。 3、研制与开发基于PLC的温室智能控制系统。4、开发智能温室组态监控界面。第二章 智能温室控制系统总体设计2.1温室环境特点 温室气候环境作为计算机控制系统的控制对象，有以下特点： 1、非线性系统。温室内部的气候处于热平衡混沌状态。大量随机的、不确定性因素使得对其精确建模比较困难。 2、分布参数系统。由于温室面积比较大，造成温室内部各个物理量的分布是不均匀的。比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周一般都比中间的低，项部和底部也有一定差别，其值的大小依赖于空间位置和气流的方向等各种因素，在温室中的气候分布是缓慢变化的。 3、时变系统。作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、吸热散热能力等均有所差别。因而，温室系统是一个参数随着时间变化的动态系统。 4、时延系统。对于外界所施加的作用，温室系统并不立即响应，而是经过一段时间的延迟才有反应。比如，在温室加热系统中，对系统加热升温，热量传到温室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，温度才会有所提高。 5、多变量藕合系统。温室系统是一个多输入多输出系统，系统各变量之间并不是互相独立，各个子系统的控制回路彼此祸合在一起。对系统任一目标的控制，都会影响其它目标的变化。 综上所述，温室环境系统是个复杂的大系统，建立精确的控制模型很难实现。由于作物对环境各气候因子的要求并不是特别的精确，而是一个模糊区间，比如作物对温度的要求，只要温度在某一时间段在某一区间内，该作物就能很好地生长，因此，也没有必要将各种参数进行精确控制。2.2系统总体设计思路2.2.1 系统分析本系统可以模拟基本的生态环境因子温度、光照、水分、CO2等，以适应不同的生物生长繁育的需要，它由相关的智能控制单元组成，按照事先设定的程序，精确测量温室气候和土壤参数，并启动或关闭不用的电动外围设备，程序所需的参数通过传感器采集所得。2.2.2系统的特点1、预测性：通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。2、强大的扩展功能：通过控制不同的外围设备，可以控制环境及灌溉、施肥等。3、完善的资料处理功能：通过中央控制软件，可以不间断的记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。4、远程监控功能：即工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的设备的参数进行监控和控制。2.2.3 系统的工作原理本系统是利用PLC把传感器采集的有关参数转化为数字信号，并把这些数据暂存起来，与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据传送至上位机，从未完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能，闭关可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。传感器将温度、湿度等转化为电压信号。经过运算放大器组成的信号处理电路换成压平转化器（V/F）需要的电压信号。系统工作时，PLC通过传感器来测量温室内的相应数据并于设定值比较，如果温室内的环境超过了设定的范围上下限值，PLC就输出指令，控制接通相应的设备。当温室环境条件在设定范围内，PLC就输出指令，切断设备电源。如图2-1所示。 图2-1 系统的工作原理图2.3系统总体设计方案2.3.1 系统的组成智能温室系统主要由自动控制系统、通风系统、遮阳系统、供热系统、自动喷灌系统等五个部分组成，如图2-2所示图2-2智能温室控制系统组成2.3.2 系统的硬件接线图本系统由上位机PC机，PLC可编程控制其，各类传感器，PLC扩展模块，驱动及执行部分等组成。因为在设计中用到电感性负载，因此电路中设计了电容和电阻串联对电动机进行保护，当电机启动或断开电源的时候由于电动机会突然断电或试点，线圈会产生很大的感应电流。会对电路中的电机产生大的危害。系统具体硬件接线图如图2-3所示。图2-3 智能温室系统硬件接线图2.3.3 PLC的选择标准 1.PLC机型的选择：（1）PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高，但是考虑到稳定性、可维护性等因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。（2）PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块等方面综合考虑。PLC机型的选择基本原则是再满足功要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性价比。2.3.3 本系统PLC的选择1、I/O点数的估计 根据实际情况对I/O点数进行估计，具体点数估计如表2-1所示表2-1 I/O点数的估计2、输入量与输出量的I/O地址分配输入量与输出量的I/O地址分配如表2-2所示表2-2 输入量与输出量的I/O地址分配3、扩展模块的选择 因为S7-244集成了14输入/10输出，他最多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力。由于温度、湿度、光照强度、CO2浓度均为模拟量，所以选EM231模块作为模拟量输入模块。2.4 系统主电路的设计如图2-4所示：图2-4 主电路设计图2.5 控制电路原理图 如图2-5所示：图2-5 控制电路原理图第三章 智能温室控制系统设计3.1 基于PLC的智能温室控制系统设计3.1.1 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP8STEP 7 MicroWIN编程软件基于Windows的应用软件，有西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器设计开发。它的功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。3.1.2 程序设计按下启动按钮，PLC卡是扫描，温度传感器将温室温度测量值信号送到PLC中，PLC再将信号值处理，在于设定值进行比较，最后将得到的结果输出，如果比较结果高于设定值，则控制打开通风窗或风机，比较结果等于设定结果等于低于设定值，则打开供热设备。假设风机，供热设备，传感器出现故障的时候就发出声光报警。空气湿度传感器将检测的温室是渎职送到PLC中，PLC将检测值与设定值进行比较，如果空气温度高与设定值，则控制打开窗子且打开风机进行去湿，如果测量值等于设定值，则关闭窗子和风机；如果测量值低于主设定值，则发出指令控制打开空气湿度电磁阀，对空气进行喷雾。土壤湿度传感器检测的值首先送到PLC中，有PLC将其与设定值相比较，如果测量值高与设定值，则由PLC发出控制关闭控制土壤湿度的电磁阀；如果电磁阀发生故障则会发出声光警报。光照传感器将温室内的光照强度测量值送到PLC中，由PLC将其与设定的光照强度进行比较，再将其比较结果送到执行机构中去，对其进行动作，如果测量值高于设定值则控制关闭不光设备，同时拉上遮阳帘；如果则两只等于设定值，则关闭不光设备；如果测量值地与设定值，那么则发出指令打开补光设备，同时打开遮阳帘。在这个过程中，如果遮阳帘电机，不光设备出现故障则出现声光警报。其工作流程图如3-1所示图3-1 主控模块流程图1、温度控制 当系统开始工作时，由温度传感器将温室内的温度测量参数传给PLC，再由PLC将其检测结果与事先设定好的温度进行对比，如果测量值等于设定值则保持原来的温室温度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则打开通风帘，当测量值小于设定值时，则打开供热系统。当测量温度达到设定值时就会关闭供热系统或通风帘。其工作流程图如图3-2所示图3-2 温控子模块流程图2、湿度控制 系统开始工作，湿度传感器考试对环境湿度进行检测。土壤湿度传感器，土壤湿度传感器将测量结果送到PLC中心后，PLC将测量值与设定值进行较，如果测量值等于或大与设定值，则关闭喷灌电磁阀；当小于设定值时。则打开喷灌电磁阀。其工作流程图如图3-3所示图3-3 湿控子模块流程图3、光照控制 系统启动，光照传感开始工作，将温室内的光照强度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室内光照强度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则关闭遮阳帘，当小于设定值时，则打开补光设备。其工作流程图如图3-4所示图3-4 光控子模块流程图4、CO2浓度控制 系统启动，CO2传感开始工作，将温室内的CO2浓度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室CO2浓度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则打开天窗，当小于设定值时，则打开CO2补气阀。其工作流程图如图3-5所示。图3-5 CO2浓度控制子模块流程图 3.1.3 主程序设计3.1.4 子程序设计参考文献1张路,何世钧,徐军峰,张弛.工控组态软件在智能温室控制系统中的应用J.基础自动化,2000,02:55-56+59.2丁欣,孙智卿,郭鹏举.基于ARM的智能温室控制系统J.山西农业大学学报(自然科学版),2010,01:56-60.3任博,郭佳,张侃谕.基于ARM+MCU的智能温室控制系统的设计J.自动化与仪表,2010,10:34-37.4姚有峰,赵江东.基于单片机技术的智能温室控制系统J.微型机与应用,2010,23:95-98.5张英梅,傅仕杰.STM32的智能温室控制系统J.软件,2010,12:14-18.6宋永飞.基于PLC和组态思想的智能温室控制系统J.工业控制计算机,2009,01:7-9.7刘美琪,马斌强,季宝杰,李聪,李勉.多信息融合的智能温室控制系统研究J.河南农业大学学报,2009,02:182-185.8谢向花.基于PLC的智能温室控制系统的设计J.机电信息,2009,24:129+140.9杨明,马祖长,赵广发.基于温湿度模糊控制的智能温室控制系统J.机械工程师,2006,04:41-42.10杨明,马祖长,赵广发.基于CAN总线的智能温室控制系统J.自动化技术与应用,2006,04:50-51+63.11谭伟,姜楠.基于单片机的智能温室控制系统研究与设计J.林业机械与木工设备,2007,11:41-42+52.12侯建华.基于CAN总线的智能温室控制系统的设计与实现J.电工技