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湖 南 工 业 大 学本科毕业设计（论文）开题报告 （届）学 院 （部）： 电气与信息工程学院 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 年 月 日2011届毕业设计（论文）开题报告学院(部)： 专业： 指导教师学生姓名课题名称 温室自动控制系统设计内容及任务温室控制技术发展的背景 随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。温室大棚是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的理想场所。实现温室大棚环境智能控制的目的是主动地调节温度、湿度、光照和二氧化碳气体浓度等环境因素，以满足作物最佳生长环境的要求。其中，温度是最重要的环境因数。目前，我国绝大多数温室大棚设备都比较简陋，温室大棚环境仍然靠人工根据经验来管理。环境因素的自动调节和控制的研究正处于起步阶段，已严重影响了设施农业的大力发展。特别是北方地区因其纬度高，寒冷季节长，四季温差和昼夜温差较大，不利于作物生长，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用传统的温度检测。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要。国内外温室控制技术发展概况 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。目前，一些经济发达的国家和地区已经研制并实现计算机自动控制的现代化高科技温室，并且形成了令人惊羡的植物土厂。而我国的温室系统属于半开放系统，温室内环境控制水平比较低，仍靠人工根据经验来管理。而且，国内的控制系统主要用于单因子控制，因而设施现代化水平低，对温室环境的调控能力差，产品的质量和产量难以得到保证。正是这些塑料大棚和日光温室对于解决城乡人民的蔬菜供应发挥着主力军的作用。从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:手动控制、自动控制、智能化控制。 温室控制系统研制与开发的意义 温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温度是影响植物生长发育最重要的因子之一。植物生长的温度范围以1535摄氏度最适。为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制加热、降温、通风。；温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。改变传统的控制方式,实施温室环境的计算机监控,开发符合中国国情的温室自动控制系统,对加快中国温室生产的现代化水平和提高温室的经济效益具有重要意义。目前， 在市场流通的人工气候室， 均采用传统的模拟电路与小规模数字电路， 以通、断的方式进行控制。这种落后的控制方式导致了三个无法解决的问题： 温、湿度控制精度低； 温、湿度控制相互干扰； 能源浪费严重。同时还存在室内灯光的光谱与照度不能满足植物生长的要求； 对实验过程的数据无法进行检测、记录和处理等问题。而国外产品的价格高得惊人， 一般单位无力承受。由于较多的研究成果均基于单片机完成的， 虽然价格便宜， 但单片机的可扩展性较差， 而且同一个环境需要控制的参数较多（例如温度、湿度、有毒气体的浓度、噪音等）， 如果采用PLC 为核心， 则可以提高系统的性价比。本控制系统采用先进的智能传感技术， 采用PLC 作为控制核心， 就整个系统硬件与软件设计进行研究， 并在实验室进行了模拟监测， 控制效果好， 精度较高。自动控制系统功能及操作说明 温室通过人工干预的方式对指定区域内的温度、湿度、光照、土壤水分、养分和CO2 浓度等诸多环境因素进行调控，使之适合所培养作物的生长需求。温室尤其对需要人工培育且对生长环境要求苛刻的植物，如花卉、药材等，在温室中准确地控制植物生长所需的环境条件，具有重要作用。本设计课题以PLC为控制核心，选择合适的参数检测元件，对温室的温度、湿度、光照、土壤水分、养分和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。温室控制系统的组成该人工气候室主要由自动控制系统、通风系统、遮阳系统、供热系统等四个部分组成，如果是用在农业的温室育苗和种植大棚，则还需要一个自动喷灌系统。如图 1 所示。通风系统遮阳系统供热系统温室控制系统 图 1 人工温室系统组成温室的自动系统硬件接线图系统的硬件接线图如图2所示。温度传感器湿度传感器光照传感器风速传感器风向传感器测雨传感器温度传感器温度传感器湿度传感器二氧化碳传感器限位传感器EM231西门子可编程控制器上位机EM231开窗电机遮阳电机通风电机湿度调节器水热加热器图 2 控制系统的硬件结构框图各部分的构成与功能在本设计中 人工气候室控制系统由工业控制计算机传感器 数据采集卡 PLC 及相应的执行机构组成 如图 传感器人工温室气候系统组成传感器数据采集卡显示器工控机MCGS实时监控PLC打印机传感器一、 工业控制计算机。本系统采用工控机。软件是在Windows XP 上运行、MCGS 组态软件环境下开发的工业控制软件。二、 传感器。人工气候室目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等参数的监控， 主要用温度传感湿度传感器、土壤水分传感器以及光照强度传感器进行监测。 湿度传感器： 湿度检测的工作原理是采用电容式相对湿度传感器电容值随着湿度的变化而线性变化， 通过信号检测和转换电路将变化的电容转换成与之对应的变化的电压。本系统的湿度传感器采用高精度的HS11000 型电容式湿度传感器。它采用电容式湿度敏感元件， 其特点是尺寸小、响应时间快、线性度好、温度系数小、可靠性高和稳定性好。在相对湿度位0100RH 范围内， 电容量由162PF 变化到200PF 时，其误差不大于2RH， 而且响应时间小于5s， 湿度系数为0.04PF/。可见该湿度传感器受温度的影响是很小的。 温度传感器： 测试温度的传感器有很多， 普遍使用的是热电偶和热电阻传感器。利用电阻随温度变的特性制成的传感器叫做热电阻传感器。本系统采用LT/W 型温度传感器。由铂电阻构成， 精度高、稳定性好、可靠性高， 在0630.74 范围内， 铂电阻与温度的关系可以采用下式表示：R（t）=R0（1+At+Bt2）式中： R（t）温度t时的电阻值； R0为温度0时的电阻值； A、B 为常数。人工气候室的控制温度在050之间， 属于铂电阻的有效范围， 故温度传感器可以采用铂电阻传感器。温度变送器是采用先进的电路组成， 与不同的温度传感器相连接， 可适用于不同的温度测量。该变送器体积小巧、轻便、安装方便。该传感器的特点是的特点是： 宽区特性好， 输入两、三线可选， 可以克服引线电阻；输出二线420mA， 远距离传输； 高精度、可靠性高、安装方便， 抗干扰能力强。 光照强度传感器： 光照强度传感器采用LT/G 型三线光照强度传感器。其主要技术指标有： 光照强度范围： 20 万LX； 输出值： 420mA； 05V； 准确性为5000LX； 电源为1224V DC。 二氧化碳浓度传感器： 本设计采用GMW120 二氧化碳浓度， 性能指标如下： 测量范围： 02000ppm；在20ppm 时的精度： 20ppm读数的1.5； 重复性： 20ppm； 热漂移： 2ppm/； 测量技术：单束非发散性红外光； 取样方式： 无方向性随机取样； 长期稳定性： 100ppm/5a； 响应时间： 60s（10%90%响应）； 输出信号：420mA 或05V； 电源： 24VDC/VAC（030V）。数据采集卡。数据采集卡采用PCL-812PG 型数据采集卡， 它是一种能 用IBM PC/XT/AT 以及其它兼容机的高性能、高速、多功能数据采集卡， 是一种工业I/O 接口产品， 可直接插入PC 机的扩展插槽。PCL-812PG 型数据采集卡可以输入16 路单端模拟信号进行A/D 转换； 由软件可编程增益； 16 路数字量输入和输出_通道； 有2 路12 位单片D/A 输出通道， 并且有可编程定时、计数功能。系统的控制功能本系统根据数据采集卡采集到的各种参量， 进行如下几方面控制调节。（1） 温度控制。本系统可进行变温管理， 实现上午、下午、前半夜、后半夜、凌晨五段变温控制。还可根据人工气候室的具体用途， 根据实际情况来进行变更变温时段。（2） 湿度控制。湿度是建筑环境工程（如空气调节）、气象、仓储管理（如粮食、药品） 等、产品加工（如食品、化工） 等许多行业中的重要的状态参数， 常常需要对它进行监测与控制。本系统的湿度控制采用对除湿设备进行控制， 来确保人工环境的恒定湿度。（3） 光控。本系统主要通过对遮阳幕的启闭进行控制， 达到对光照强度的控制。实际在育苗、种植大棚中， 为了能使植物得到良好的光照， 避免超过光饱和点， 利用遮阳幕来遮挡阳光， 同时还可在晚上或阴天，通过控制系统来开启人工照明设备， 实现对常日照作物进行人工照明。（4） 二氧化碳含量控制。本系统可以对人工环境中的二氧化碳含量进行实时的监控， 当二氧化碳的含量高于一定值时， 就起动通风电机， 对人工环境换风， 保证环境的空气新鲜。如果在农业人工环境中， 要求有较高的二氧化碳含量才能增施气肥， 就应该在二氧化碳含量低于设定值时打开二氧化碳发生器， 确保环境的二氧化碳含量达到预定要求。系统的软件设计为了使系统具有直观的监控画面， 本系统的监控软件采用MCGS 组态软件完成， 使用组态软件可以免除繁琐的编程任务， 并可以设计出形象、精美的人机界面。由于系统中使用了数字量和模拟量输入输出参数，本系统采用了研祥的PCL-818L 接口卡。该接口卡共有16 路模拟量输入， 输入模拟电压范围为-10+10， 1 路模拟量输出， 16 路数字量输入和16 路数字量输出，TTL/DTL 电平兼容。将该接口卡安装在计算机箱内的ISA 扩展槽上。为便于对象与PCL-818L 板卡之间接线，板卡的生产厂家提供了相应的接线端子板， 端子板可安装在机箱外适当处。DO 通道选用了16 路继电器输出端子板PCLD-785， 该端子板输出触点负载为DC： 30V/1A， AC120V/0.5A， 完全满足本系统的负载需要。AI 通道选用了PCD-880 端子板。PCL-818L 与AI 端子板PCD-880 之间通过37 芯D 型接头连接， 与DO 输出端子板PCLD-785 之间用20 芯扁平电缆连接， 对象与接线端子板之间用导线连接。PCLD-785 的每个DO 通道上有一个单刀双掷继电器， 每个继电器对应常断、公共、常通三个端子（触点）。若计算机向它输出“0”，常断端子与公共端子之间为不通即触点断开， 若计算机向它输出“1”， 常断端子与公共端子之间导通即触点闭合。常通端子的情况刚好相反。该组态软件的功能包括控制面板、系统监控、报警、历史趋势曲线、输出报表等几个部分。（1） 控制面板。控制面板主要完成人工气候室的各个监控参数的设定以及对各个参数的当前值进行实时的显示。（2） 系统监控。系统监控主要实现对人工环境的各个单元的参数值以及控制设备的当前状态完成实时显示。（3） 实时趋势与历史趋势曲线。实时趋势曲线可以将系统采集到的数据以实时曲线的方式显示出来以便于观察系统状态。历史趋势可以显示出各测量点的日、月、季度、年参数变化趋势， 根据这些曲线可以合理的设置系统参数值。（4） 报警及输出报表。实施报警功能可完成在测量的同时如发现有测量结果超出设定的报警上下限时立即进行报警的功能， 并且在CRT 上显示报警值及报警点。系统测量结果可直接送入EXCEL 中进行数据分析或报表输出， 同时将报表打印出来。本文的创新之处 本设计是应用计算机技术实现的一个快速、准确、性能良好的人工气候室环境调控自动化系统。该系统可完成人工环境的内部温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等室内参数的控制。本文的创新之处在于大量采用了各种智能传感器进行参数的采集， 首次利用MCGS 组态软件实现实时数据的采集、显示， 实时数据曲线的绘制，控制参数的实时修改， 完成人工环境的实时监控与控制功能。本控制系统在实验室内已经进行了模拟运行， 效果良好， 具有较强的推广价值和实际使用价值。拟达到的要求或技术指标1设