温室大棚自动控制系统设计说明书

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计 题 目 温室大棚自动控制系统设计 学生姓名 马海祥 学 号 专业班级 08级自动化（2）班 指导教师 王志文 学 院 电气工程与信息工程学院 答辩日期 70兰州理工大学毕业设计说明书摘 要进入21世纪以后，我国温室种植技术得到了迅速的发展。以反季节蔬菜种植为主的温室大棚种植对科学技术的依赖有了更高的要求，温室大棚成为种植植物必不可少的设施之一。温室大棚的自动控制系统就是利用科学技术对温室大棚内的环境参数（包括温度、湿度、光照以及二氧化碳浓度等）进行控制，使植物能够更好更快的生长。温室种植有利于提高农作物的质量和产量，创造更多的经济效益。本次温室大棚自动控制系统的设计是采用西门子公司S7-200型号的PLC为核心来完成的。控制系统由PLC、传感器、执行机构等组成。根据植物生长的最佳环境条件编制出温室大棚植物生长最佳环境管理程序表，储存在电子计算机的记忆装置中，电子计算机及根据程序表确认温室内参数，并给终端控制系统指令。传感器向PLC输送监测的环境参数信息，根据PLC的指令输出来控制执行机构，使温室内的环境参数达到植物生长最佳环境。关键字： 温室; 传感器; 环境参数; 可编程控制器; AbstractAlong with get into 21 century, the development of greenhouse is very fast in our country. Greenhouse is dependence on the higher requirement of science and technology. Greenhouse is growing plants one of the necessary facilities. Greenhouse of the automatic control system is the use of science and technology in the greenhouse environment parameters (including temperature, humidity, light and carbon dioxide concentration, soon)control ,and make plant can be better and faster growth. It is to raise the quality and yield of crops, and create more economic benefit.The greenhouse design of an automatic control system be used Siemens S7-200 PLC to finish. Control system by PLC, sensor, actuating mechanism etc. According to the growth of a plant optimal environment conditions had compiled for greenhouse plants grow best environment management program table stored in compute. The compute is according to the table send instructions of control system. The sensor is to transport the environmental parameters of PLC monitoring information, according to the instructions of the PLC to control the actuating mechanism, and make the environmental is to plant growth optimal in the greenhouse.Key Words: Greenhouse; Sensor; Environment Parameters; Programmable Logic Controller;目录第一章 绪 论11.1温室大棚自动控制技术发展的背景11.2温室大棚在国内外的发展概况11.3温室控制系统研究与开发的意义3第二章 设计方案42.1方案论述42.1.1系统设计任务42.2温室大棚自动控制系统设计方案52.2.1基于PLC为基础的温室大棚自动控制系统设计52.2.2基于单片机为基础的温室大棚自动控制系统设计6第三章 硬件设计93.1 PLC的简介93.1.1 PLC的概述93.1.2基本结构93.1.3工作原理103.1.4功能特点113.1.5选型规则123.1.6西门子S7-200153.2温度传感器163.2.1温度控制163.2.2 DS18B20的主要特性173.3湿度传感器173.3.1 湿度定义173.3.2湿度传感器的分类183.3.3 TRS-1 土壤水分传感器193.4光照强度传感器203.4.1光照强度传感器的简介203.3.2 HA2003 光照传感器213.5二氧化碳浓度传感器223.5.1 二氧化碳浓度传感器的工作原理233.5.2 GRG5H 型红外二氧化碳传感器243.6 EM 235模拟量输入模块253.7 温室自动控制系统的控制量与控制措施263.7.1 灌溉系统263.7.2 温度控制273.7.3 湿度控制273.7.4 光照强度控制273.7.5 二氧化碳控制273.8硬件总体设计283.8.1 I/O分配表283.8.2硬件接线图29第四章 系统软件设计304.1 软件结构304.2温度控制软件设计304.2.1温度控制原理304.2.2温度控制流程图304.2.3温室温度控制梯形图324.3湿度控制软件设计344.3.1湿度控制原理344.3.2湿度控制流程图344.3.3温室湿度控制梯形图364.4光照强度控制软件设计384.4.1光照强度控制原理384.4.2光照强度控制流程图394.4.3温室光照强度软件控制流程图404.5二氧化碳浓度控制软件设计424.5.1二氧化碳浓度控制原理424.5.2二氧化碳浓度软件控制流程图434.5.3温室二氧化碳浓度控制流程图44总 结46参考文献47附录A 外文文献49附录B中文翻译61致 谢71第一章 绪 论1.1温室大棚自动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，已经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。实现温室大棚环境自动控制的目的是自动地调节温室内的温度、湿度、光照和二氧化碳气体浓度等环境因素，以满足温室作物最佳生长的环境要求。其中，温度和湿度是最重要的环境因素。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、湿度检测系统大多采用传统的温度、湿度检测。这种温度、湿度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温、测湿电缆，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。1.2温室大棚在国内外的发展概况 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，增加经济效益为目的。而温室设施的关键技术是环境参数的控制，该技术的最终目标是提高控制与调节精度。随着现代农业科学化的发展，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大棚控制技术发展很快，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大棚，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（1）手动控制。 这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借着长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制。 这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制。 这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。1.3温室控制系统研究与开发的意义 温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，它的作用是用来改变植物的生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响 ,为植物生长创造适宜的良好条件。温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料 ,它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 ,从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。温室环境指的是作物在地面上的生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的。温室控制主要是控制温室内的温度、湿度、通风与光照。 虽然有些温室也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备 ,但其主要操作大多仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时 ,操作人员的劳动强度很大 ,而且也无法达到对温、湿度的准确控制。 本设计是基于PLC和温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器的温室控制系统的设计。该系统实现了室内温度、湿度、光照以及二氧化碳浓度的自动测量和调节,大大降低了操作人员的劳动强度，从而提高了控制的精度。本次设计采用水泵作为改变温室湿度环境的方法节约了水资源。充分利用太阳能节约了能源。第二章 设计方案2.1方案论述2.1.1系统设计任务温室大棚的作用是用来改变植物生长环境，同时为了避免外界四季变化和恶劣气候对植物生长的不利影响，为植物的生长创造了最佳的生长环境。温室环境就是农作物在地面上的生长空间，它可以在冬季或者其他不适应植物露地生长的季节种植植物，从而使植物调节长期、促进生长发育、防止病虫害以及植物产量的提高。温室大棚控制主要是控制温室大棚内的温度、湿度、通风以及光照。温室大棚自动控制系统就是利用温室内外安装的温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤PH值传感器、室外气象站等或观测温室大棚内外的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤PH值等温室环境参数信息，通过控制执行设备对温室保温被、通风窗、遮阴帘、喷灌等驱动执行机构的控制，使温室环境气候和灌溉施肥进行调节控制，以便达到栽培作物生长发育的需要，为作物生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和质量。为了实现温室大棚自动环境监控，本次毕业设计建立了温室环境控制参数的长时间在线计算机自动控制系统。实现了温室大棚内温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤PH值等环境参数的长期监测。并可根据温室大棚温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度的需求，对天窗、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。为了确保控制系统的可靠性，温室设备的控制采用手动自动切换方式，即在某些特殊情况下系统可以切换成手动，使用灵活方便。能够更好的对温室大棚内的环境参数自动控制。自动控制模式采用计算机自动控制模式，通过各类传感器对温室大棚环境参数进行检测，并与设定的上限值和下限值进行比较，当检测到某一的参数不再设定值的范围之内，便发出相应的控制信号自动的对驱动设备进行开启和关闭，从而使温室大棚内环境参数保持在设定范围之内。自动控制模式不需要大量的人力，运行成本低，节约了大量的劳动力，减轻劳动强度。温室自动控制系统应是一种具有良好控制精度、较好的动态品质和良好稳定性的系统。按照系统的控制目的，温室控制系统主要由气候监控系统构成气候监控系统对影响作物生长的外界环境因素进行实时、动态的测量与分析，包括温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度的检测等，通过控制天窗的开、关的角度和遮阴帘的开合、通风、喷灌等措施达到最佳控制状态,使温室大棚环境达到植物最佳生长环境。控制系统由中心计算机和PLC组成， PLC对温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等气象环境因子进行监测并对温室内的设备进行控制。针对智能温室的特点，智能温室控制系统应是一种具有良好控制精度、较好的动态品质和良好稳定性的系统。因此，温室控制系统是由3个部分组成：1 信号采集输入部分：包括温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境因素的检测。2 信号转换与显示处理部分：将采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的量，并由计算机进行处理来控制执行机构。3 输出及控制部分：控制加热泵、湿帘、遮阳网、天窗的开关等系统。这种分布式测控系统有以下的特点：1 智能化的控制方式在控制软件中加入了智能化处理能力，可根据用户的参数设定值选取最优化的控制方式，有效避免执行机构的频繁启动，延长设备的使用寿命。2 具有良好的可扩展性上位机与各个温室中的现场控制器采用计算机网络通信方式，用户可在此范围内增加现场控制器来扩展自动控制器的数量，而不用在控制室中增加任何设备。3 强大的数据处理功能上位计算机可对温室中的温度、湿度、光照度、土壤湿度、二氧化碳浓度、PH值等数据进行长期的保存。对于己保存的数据，用户可方便地随时按时间进行查询和分析比较，从中寻找出最有利于作物生长的环境参数。2.2温室大棚自动控制系统设计方案2.2.1基于PLC为基础的温室大棚自动控制系统设计温室的作用是用来改变植物的生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响 ,为植物生长创造适宜的良好条件。温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料 ,它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 ,从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。温室环境指的是作物在地面上的生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的。温室控制主要是控制温室内的温度、湿度、通风与光照。图2-1 PLC控制方案原理框图2.2.2基于单片机为基础的温室大棚自动控制系统设计基于单片机为基础的温室大棚自动控制系统设计是通过传感器采集温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照强度，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理, 通过通信线路将信息上行到PC机,在PC机上可对温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度的信号进行任何分析、处理。用户可以通过下位机中的键盘输入温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度的上下限值, 也可通过上位机进行输入, 从而实现上位机对大棚内作物生长的温室环境参数控制。如果环境的实时参数超越上下限值, 系统自动启动执行机构调节大棚内温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度状态, 直到环境参数状态处于上下限值内为止。上位机即PC机使用DELPHI 软件编写的一个数据库管理系统,可直接设置温度的上下限值和读取下位机的数据,并对下位机内的控制设备进行操作,从而调节大棚内环境参数状态。形成作物生长的走势图, 从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最佳环境参数条件,为今后的温室种植提供参考。 图2-2 单片机控制原理框图本次的毕业设计提出了两种设计方案，基于PLC的温室大棚自动控制系统设计和基于单片机的温室大棚自控控制系统的设计。对于基于PLC的温室大棚自动控制系统设计来说，PLC就是这个控制系统的核心部件，一切的控制都是有PLC来操作完成。当传感器检测到环境参数的信号后就发送到PLC中进行处理，PLC将对接受的参数和设定的参数进行比较后发出相应的信号指令，再有这些指令去控制执行机构完成对环境参数的控制，是环境参数调整在设定的范围之内。基于的单片机的温室大棚自动控制系统设计则的是基于单片机的温室大棚自动控制系统设计，在这个方案中单片机是本次设计的核心 ，整个温室大棚的自动控制都是有单片机来接受和发出相关的控制信号。当温室大棚内的环境参数发生变化时，传感器就会检测到这些变化的参数。传感器把这些变化了的参数输送到单片机，单片机接收到这些信号以后就会和储存在单片机内的设定值进行比较，通过比较后单片机就会发出相应的控制信号，让这些控制信号去控制执行机构，是的温室大棚内的环境参数适合植物生长的最佳环境参数。通过对本次毕业设计中的基于PLC的温室大棚自动控制系统设计和基于单片机的温室大棚自动控制系统设计的比较，我们可以知道本次设计无论采用拿个方案都是合理的。两个方案中改变的只是控制核心，基于PLC的温室大棚自动控制系统设计是采用PLC作为控制核心部件的而基于单片机的温室大棚自动控制系统设计则采用了单片机。它们都是接受都是传感器检测的环境参数的信号，然后将接受的数值和设定值进行比较后发出相应的控制信号去控制执行机构，使得温室大棚内的环境达到植物生长的最佳环境。由于本次设计的温室大棚自动控制系统是一个比较简单的控制系统，而且检测的环境参数只有温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度，所以本次设计选用了方案A的基于PLC的温室大棚自动控制系统。PLC相比较与单片机而言它的接口要比单片机少很多，本次采用的S7-200系列的PLC CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路的数字量I/O点或35的路模拟量I/O点。因此本次的毕业设计选用的PLC是CPU226型号的S7-200。第三章 硬件设计3.1 PLC的简介 西门子PLC外观图如图3-1所示图3-1 西门子PLC外观图3.1.1 PLC的概述可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），它采用一类可编程的逻辑控制器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。3.1.2基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： （1）电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。（2）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （3）存储器 1.存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 2.存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （4）输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。（5）功能模块（6）通信模块3.1.3工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这与立即输入有些区别。 （3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 3.1.4功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点（1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 （2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。（3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。3.1.5选型规则 在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。 1.输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 （1）运算功能 简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 （2）控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 （3）通信功能 大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。（4）编程功能 离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（5）诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 （6）处理速度 可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。 3.1.6西门子S7-200图3-2 S7-200外观图S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如表3-1所示。表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本论文采用的是CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.2温度传感器温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，FPGA获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，FPGA通过三极管驱动继电器开启降温设备 (压缩制冷器) ，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时 ,FPGA通过三极管驱动继电器开启升温设备 (加热器) 。3.2.1温度控制DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给CPU处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向CPU传输数字信号，便于CPU处理及控制。图3-3温度芯片DS18B203.2.2 DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.3湿度传感器3.3.1 湿度定义空气的干湿程度叫做湿度，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示通常空气的温度越高，最大湿度就越大。干空气与湿空气（Dry air and Wet air）通常把不包含水汽的空气称为干空气，把包含干空气与水蒸汽的混合气体称为湿空气。饱和蒸汽压（Saturation pressure of water vapor）由饱和蒸汽产生的部分压力，称为该温度下的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压强仅与空气的温度有关，不受压力影响。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下， 每单位体积（1m3）的混合气体中所含水蒸汽的质量（g），单位为g/m3，一般用符号AH表示。它的极限是饱和状态下的最高湿度绝对湿度只有与温度联系起来才有意义，因为空气中湿度随温度而变化其表达式为： v=PvMRT 式中的M为水汽的摩尔质量，R为理想气体常数，T为空气的绝对温度。相对湿度（Relativehumidity）相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，常表示为RH，亦即 相对湿度=(PvPw)r100%RH 式中Pw只为与待测空气温度T同温时水的饱和水气压。由于水汽的饱和气压会随着气温增高而增加，因此相对湿度相同的情况下，气温高时空气中的水汽重量比气温低时大，平时我们说空气很湿，就是表示空气相对湿度较大。根据气体定律, 水蒸气的质量正比于水蒸气分压，所以，气体中的水蒸气分压（e）与该温度气体饱和水蒸气压（s）的比，用百分比表示。表示RH=e/es100%。相对湿度最常用。 相对湿度为100的空气就是水蒸气饱和的空气相对湿度同样也与温度联系起来才有意义通过相对湿度和温度也可以换算出表示温度的其他参数相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。 3.3.2湿度传感器的分类 湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关 湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地 测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。 湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。金属氧化物是离子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生 化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前 应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。3.3.3 TRS-1 土壤水分传感器如图3-4所示，土壤水分传感器TRS-1的外观图图3-4 土壤水分传感器TRS-1的外观图1、技术参数（1）测量参数：土壤容积含水率;（2）单 位：%( m3/m3)。（3）量 程：0100%。（4）探针长度：5.3cm。（5）探针直径：3mm。（6）测量精度：3%。（7）工作温度范围：-4085。（8）工作电压：724V（电压型;724V（电流型。（9）测量主频：100MHZ。（10）输出信号：电压型01.875V DC； 电流型020mA直流。（11）测量稳定时间：2秒。（12）响应时间：1秒。（13）测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径7cm、高7cm的圆柱体。 2、功能及特点 （1）本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。 （2）结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。 （3）外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。 （4）土质影响较小，应用地区广泛。 （5）测量精度高，性能可靠，确保正常工作。 （6）响应速度快，数据传输效率高。3、适用范围适用于节水农业灌溉、温室大棚蔬菜、花卉园艺、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等领域。3.4光照强度传感器3.4.1光照强度传感器的简介 光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器的不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。他在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于各种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的高度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急