【《单片机控制的鸡舍环境监控系统硬件和软件设计案例概述》8400字】

1绪论单片机控制的鸡舍环境监控系统硬件和软件设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u5472单片机控制的鸡舍环境监控系统硬件和软件设计案例概述 [5]。S7-200PLC系统组成如图4-1所示。图4-1S7-200PLC系统组成2.2下位机PLC程序流程图设计2.2.1手动/自动控制程序流程图鸡舍环境监控系统的设计可以选择手动控制和自动控制两种控制方式。当选择手动控制时，传感器部分对鸡舍进行数据采集，系统运行手动程序，工作人员便可以对采集到的数据进行分析从而启动相应的控制模块。当选择自动控制时，系统会运行自动控制程序，传感器部分对鸡舍环境进行数据采集，然后传送到PLC控制器，再由PLC控制器传送到上位机，上位机对数据进行处理和分析，然后将分析结果传输给PLC控制器，从而自动驱动控制模块的运行。自动控制与手动控制的程序流程图如图4-2所示。图4-2自动/手动控制流程图2.2.2温度控制流程图当选择自动启动时，系统将处于自动运行状态。系统对于温度的控制主要有两个流程，分别为降温流程和加热流程。系统采用温湿度传感器对鸡舍内的温度进行测量，当鸡舍内的温度大于所设定的温度上限值时，降温流程启动，系统将自动打开风机，风机运行直到鸡舍温度降至温度上限值以下，延迟10秒后风机停止运行；当鸡舍内的温度小于设定的温度下限值时，加热流程启动，系统将自动打开加热装置，加热装置持续加热直到鸡舍温度增至温度下限值以上，延迟10秒后加热器停止运行。具体流程如图4-3所示。图4-3温度控制流程图2.2.3湿度控制流程图当选择自动启动时，系统将处于自动运行状态。系统对于湿度的控制主要有两个流程，分别为降湿流程和加湿流程。系统采用温湿度传感器对鸡舍内的湿度进行测量，当鸡舍内的湿度大于所设定的湿度上限值时，降湿流程启动，系统将自动打开风机，风机运行直到鸡舍湿度降至湿度上限值以下，延迟10秒后风机停止运行；当鸡舍内的湿度小于设定的湿度下限值时，加湿流程启动，系统将自动打开加湿装置，加湿装置持续加湿直到鸡舍湿度增至湿下限值以上，延迟10秒后加湿器停止运行。湿度控制具体流程如图4-4所示。图4-4温度控制流程图2.2.4氨气浓度控制流程图当选择自动启动时，系统将处于自动运行状态。本系统使用氨气传感器对鸡舍内的氨气进行测量，当氨气浓度大于设定的上限值时，系统将自动打开风机，风机持续运行，直到将鸡舍内的氨气值降至设定的下限值以下时，风机将停止运行。氨气的控制具体流程如图4-5所示。图4-5氨气浓度控制流程图2.2.5光照度控制流程图当选择自动启动时，系统将处于自动运行状态。我们将控制光照的遮光板设备设定了四个位置。当光照强度大于80时，我们采用行程开关将遮光板控制于遮光板反限位位置；当光照强度小于80，大于等于70时，遮光板将位于遮光板2_3位；当光照强度小于70，大于等于60时，遮光板将位于遮光板1_3位；当光照强度小于60时，遮光板将位于遮光板正限位；当光照强度小于20时，系统将启动补光灯。具体流程如图4-6所示。图4-6光照强度控制流程图2.3下位机PLC程序设计2.1.1子程序的设置本监控系统设置了自动和手动两种模式，还需要对鸡舍环境的模拟量进行采集，因此本监控系统一个设置了三个子程序，分别为自动子程序，手动子程序和模拟量子程序，子程序的调用梯形图如图4-7所示。图4-7子程序调用梯形图2.1.1传感器值的读取与转换鸡舍环境监控系统设计中，传感器采集的模拟量需要通过模拟模块EM231进行模拟量转换，从而输入到中央处理单元CPU中，然后在CPU中通过计算得出真实的温度、湿度、氨气和光照值。以温度传感器的读取和转换为例，其数据对应关系如图4-8所示。同样的道理，氨气传感器、湿度传感器、光照强度传感器的数据分别输出到VD4、VD8、VD12寄存器中。在梯形图程序的设计中，我们使用S_ITR模块，其中Input为线性转换的输入，ISH为输入值的上限，ISL为输入值的下限，OSL为输出值的下限，OSH为输出值的上限，Output为线性转换后的值。S_ITR模块的设置如图4-9所示。图4-8温度与AIW0值对应关系图图4-9S_ITR模块的设置图温度传感器的读取和处理梯形图设计如图4-10所示。图4-10温度传感器的读取和处理程序图2.1.2设置自动和手动按钮本设计系统分为手动模式和自动模式，通过手动模式和自动模式的子程序的设计可以使系统方便切换。当选择按下I0.0开关时，为系统选择手动运行，手动指示灯亮；当选择按下I0.1开关时，为系统选择自动运行，自动指示灯亮。手动模式和自动模式的切换梯形图如图4-11所示。图4-11手动模式/自动模式切换程序图2.1.3控制设备的运行本监控系统设计中，设置了手动模式和自动模式，因此无论在哪种模式下，都要求控制设备可以可靠的运行，以风机运行为例，当系统为手动模式时，线圈M0.0得电，当系统为自动模式时，线圈M1.0得电，无论哪一个线圈得电都可以使风机启动。风机运行程序梯形图如图4-12所示。图4-12风机运行程序图2.1.4控制设备参数的设置与处理本监控系统设计中，需要设置温度、湿度、氨气和光照的上下限值，使鸡舍环境维持在合适的条件下，在自动模式下，控制设备需要自动启动运行，来控制鸡舍环境的参数。以温度控制为例，当温度大于监控系统设定的上限值时，风机运行；当温度小于监控系统设定的下限值时，加热器运行。温度控制程序梯形图如图4-13所示。图4-13温度控制程序图2.1.5控制设备的故障显示当控制设备出现故障时，与之对应的故障灯则会有相应的显示。以风机故障为例，当风机发生故障时，热继电器FR1闭合，中间继电器KA4线圈得电，KA4常开触点闭合，风机故障灯亮起。风机故障显示程序图如图4-14所示。图4-14风机故障显示程序图2.1.6遮光板的控制本监控系统的遮光板部分一共设置为四个位置，采用行程开关对其位置进行控制。四个位置分别为遮光反限位、遮光1_3位、遮光2_3位和遮光正限位。以遮光反限位为例，当按下行程开关SQ1，输入I1.6得电，令遮光反限位为位置3，将3写入Vw100。当系统自动运行时，光照度大于80时，系统将3写入Vw102，然后系统将Vw100与Vw102中的内容进行比较，从而控制遮光板电机的正反转。当目标位置Vw102大于遮光位置Vw100时，电机反转；当目标位置Vw102小于遮光位置Vw100时，电机正转。遮光板控制程序图如图4-15所示。图4-15遮光板控制程序图2.1.7温度、湿度与氨气的耦合控制由于本监控系统的温度控制模块、湿度控制模块和氨气控制模块的控制设备都包含有风机这一控制设备。当温度、湿度、氨气其中任意一个因素的当前值大于设定的上限值时，风机均会启动，但只有当其三者当前值都小于所设定的下限值时，风机才会停止运行。其三者的耦合控制梯形图如图4-16所示。图4-16温度、湿度与氨气的耦合控制程序图3鸡舍环境监控系统组态部分设计3.1上位机组态界面的开发和设计3.1.1组态王数据词典的建立数据库是组态王软件的核心部分，是联系上位机和下位机的桥梁。在数据词典中需要定义变量，如选择手动的命令，变量类型选择I//O离散，采集频率设置为100毫秒，选用寄存器M10.0。数据词典的建立如图5-6所示。图5-6数据词典的建立本鸡舍监控系统一共定义了41个变量，数据词典如图5-7所示。图5-7数据词典3.1.2组态王的动画连接组态王的数据词典定义完成后，需要将数据词典的定义变量与组态王的界面部分建立动画连接。如组态王界面中的当前温度，当前温度的对象类型为文本，需要在开发系统中双击当前温度按钮，然后将模拟值输出和模拟值输入部分连接数据词典的当前温度变量。当对象类型为其它形式时，所需要动画连接的方法也不相同，又如当对象类型为按钮时，需要定义当按钮按下时、弹起时或按住时的命令语言，当对象类型为点位图时，可以设置闪烁、隐含或流动的动画连接。当前温度的动画连接具体操作如图5-8所示。图5-8当前温度的动画连接3.1.3组态王的命令语言组态王的命令语言类似于C语言的程序，工程人员通过这些命令语言来处理一些算法和操作。组态王的命令语言有多种实现方式，本监控系统选用在开发系统的画面属性中书写命令语言。本监控系统的命令语言如下：if(\\本站点\加热器运行==1)\\本站点\火焰=\\本站点\火焰+1;if(\\本站点\火焰>8)\\本站点\火焰=0;if(\\本站点\加湿器运行==1)\\本站点\加湿=\\本站点\加湿+1;if(\\本站点\加湿>7)\\本站点\加湿=0;if(\\本站点\风机运行==1)\\本站点\转动=\\本站点\转动+1;if(\\本站点\转动>1)\\本站点\转动=0;3.1.4组态界面的展示组态监控界面，通过CPU配合完成对鸡舍环境参数的监控。鸡舍组态监控界面主要包含：控制栏模块、状态栏模块、数据上下限设定模块等。控制栏模块包括选择手动/自动按钮，当选择手动按钮时，便可以通过手动操作风机、加热装置、加湿装置、遮光装置和灯管来达到控制鸡舍内环境的目的。当选择自动按钮时，可以选择自动启动和自动停止两个按钮，当自动启动时，自动控制装置会自动采集鸡舍内的温度、湿度、氨气和光照等环境因素，通过核心控制器把采集到的实际参数与系统预设的适宜参数范围进行比较，从而驱动继电器动作使各个装置工作，将鸡舍环境维持在一个适合鸡生长的条件。当按动自动关闭按钮后，自动控制装置将停止工作。控制栏模块如图5-9所示。图5-9控制栏模块状态栏模块包括手动/自动状态指示、装置故障显示以及各个装置的运行状态显示。控制栏模块如图5-10所示。图5-10状态栏模块数据栏模块包括温度、氨气、湿度和光照的当前值显示以及温度、氨气和湿度的上下限值设定。根据鸡生长的不同时期和不同的季节因素等，我们可以在数据栏设定不同的温度、氨气和湿度的上下限值。数据栏模块如图5-11所示。图5-11数据栏模块鸡舍环境监控模拟界面包含鸡舍画面，遮光板模块，风机模块，补光灯模块，加热器模块和加湿器模块。模拟界面如图5-12所示。图5-12鸡舍环境监控模拟界面3.2仿真的实现3.2.1S7-200模拟器b25c用西门子标准的编辑器STEP7-MICRO编辑好程序以后，将程序导出为AWL格式的文件，本软件可以识别AWL格式的指令，工作方式为解释执行。启动模拟器后，载入AWL格式文件，勾选运行框，模拟器开始工作，运行框旁边有绿色的工作指示灯，本仿真选用PPI协议，波特率设置为9600，PPI延时设置为70。S7-200模拟器b25c的运行界面如图5-13所示。图5-13S7-200模拟器b25c的运行界面3.2.2ConfigureVirtualSerialPortDriverVirtualSerialPortDriver是一款爱不释手的虚拟串口工具，简称为VSPD，是虚拟串口软件中的佼佼者。它支持快速调试代码、添加无限个虚拟串口、实时虚拟串口数据传输监控等多种功能。创建虚拟串口的方法为在软件界面找到端口一和端口二两个选型，根据自己的需要在下拉框中选择端口号，并添加串口。本仿真选用COM1和COM2两个虚拟串口。VirtualSerial