大棚内的温湿度检测与数据处理及显示界面设计 毕业设计.docx

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大棚内的温湿度检测与数据处理及显示界面设计毕业设计

题目:

大棚内的温、湿度检测与数据处理及显示界面设计

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摘要

温室大棚对现在的人们来说，是非常熟悉的一个名词，因为现在我们生活中的很多花卉、蔬菜、水果都是从温室大棚中种植出来的。

如何利用自动检测与自动控制系统有效的控制好温室大棚内的各种环境因子，以提高温室大棚环境的控制精度和效果，对我国温室业的发展有着不可估量的重要意义。

本设计采用西门子S7-300系列可编程控制器来实现自动化控制的温室大棚。

温度、湿度等环境因子在植物过程中起重要作用，在检测这环境因子的时候考虑到精度，反应速度，方便设备连接等问题，将采用温度传感器，湿度传感器对环境各项指标进行检测，传感器将检测的结果送入PLC中，由PLC将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动电机﹑卷帘等设备运行或停止来调节室内的温度、湿度，从而达到智能化，自动化控制的目的。

使用step7及winccflexible实现上下位连调，详细的介绍系统的特点，组成，硬件设计及软件设计等问题。

关键词：

蔬菜大棚；PLC；温湿度控制

Abstract

Greenhouseforthepeoplenowisaveryfamiliarnoun,becausenowweliveinalotofflowers,vegetables,fruitwhichfromgreenhouseshelterofplantingout.Howtouseautomaticdetectionandautomaticcontrolsystemofeffectivecontrolofgreenhousetrellisinside,inordertoimprovetheenvironmentalfactortrellisenvironmentcontrolprecisionofthegreenhouseeffectandhasbecomethegreenhouseindustryresearchinChinaatpresent.ThisdesignUSEStheSiemenss7-300PLCtorealizetheautomationcontrolgreenhousetrellis.Temperature,humidityenvironmentfactorsintheprocessofplantsplaysanimportantroleindetectingtheenvironmentalfactor,whenconsideringtheaccuracy,thereactionspeed,convenientdeviceconnectedbysuchissues,willthetemperaturesensor,humiditysensorsdetecttheindicatorsofenvironment,thesensorwilltestresultsbyPLCsentPLCcompareitwithsetting,thensendsoutthecorrespondingorder-drivenheatingelement,,thefan,ventilationwindow,fillinglightequipment,sunshadeshadeequipmentoperationorstoptoadjustindoortemperature,light,humidity,soastoachievethepurposeofintelligent,automationcontrol.DiscussPLCcontrolsystemapplicationinplantsgreenhousecanopy,Usethestep7andwinccflexibletoachievetheupperandlowersandhidetailedintroducesthecharacteristicsofthesystem,thecomposition,thehardwaredesignandsoftwaredesign.

Keywords:

Vegetablesgreenhouse；PLCsystem；Temperatureandhumiditycontrol

第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。

由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

当前农业温室大棚大多是中、小规模，要在大棚内引人自动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要，设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。

该系统采用传感器技术和PLC相结合，由上位机和下位机（都用单片机实现）构成，采用MPI网络进行通讯，实现温室大棚自动化控制。

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。

由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

1.2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。

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选题的目的和意义

大棚是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类作物对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，，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。

该系统可自动控制浇水、降温。

根据需要，通过按键将温度信息输入winccflexible，根据情况可随时调节环境。

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。

本文将使用PLC与上位机结合对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。

目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。

第二章系统的整体设计方案

2.1系统的设计任务

植物温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境，在温室大棚中，一般利用一些采光性较好和钢铁，还有遮阳性的材料作为主要结构材料。

它可以培养不适应在该季节下生长的植物，对农作物的生长因子进行调节，促进植物的生长发育，防止病虫害，以达到增加产量的目的。

温室中的温度，光照，湿度，CO2浓度，土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用，本设计主要研究温室控制的主要对象是温度，湿度，应用温度传感器，湿度传感器对各环境因子进行检测。

温度的调节主要通过卷帘的动作进行解决，湿度则由水泵电机的灌溉系统进行补偿，网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。

被控对象为10个蔬菜大棚的温湿度控制，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电机（水泵电机与卷帘电机可以实现就地控制，也可以实现远程计算机控制）。

温度控制精度为：

±0.5℃，土壤湿度控制精度为：

±5%。

可以加入空气湿度控制，其精度为：

3%RH（需要加入喷雾控制）。

 尝试构建该系统的分布式控制结构,保证各子系统的相对独立性,使系统具有可靠性高，拓展性强的特点。

2.2控制系统核心部件的选择

2.2.1通讯方式简介

MPI网络是是基于MPI（MultiplantInterface）多点接口协议的通信网络，当通信速率要求不高、通信数据量不大时一种简单经济的通信方式。

MPI通信主要的优点是CPU可以同时与多个设备建立通信联系，即编程器/上位机、HMI设备和其他的PLC可以连接在一起并同时运行。

每个控制点是同级的，对每个大棚的PLC赋予不同的地址，都由上位机来控制。

相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。

由于西门子PLCS7-200/300/400CPU上的RS485接口不仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实现PG/OP、全局数据通信以及少量数据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S以及RS485中继器等网络元器件。

MPI网络最多可以连接32个节点。

MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置为PROFIBUS接口的MPI网络才支持最大的12Mbit/s的通信速率。

。

普通PC需要通过MPI/PROFIBUS通信卡（如CP5512/CP5611/CP5613等）联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。

2.2.2温室控制系统硬件配置

在工业自动控制系统中，单片机控制与PLC控制是最常用的自动控制系统，但与单片机相比，PLC具有极高的可靠性、灵活性、编程相对简单、扩展模块丰富等等优点，能够广泛应用到实际生产中。

由德国SIEMENS系列产品产品具有功能强大，可靠灵活，实用性强等特点。

从系统的整体性出发，考虑到经济性、适用性、功能性等各方面原因，我们选用西门子公司的产品，以最优的性能/价格比进行系统配置。

本系统可以实现各个子系统的单独调用，通过通讯网络由总控制室统一管理，便于实现多路控制。

S7-300系列的PLC是一种中等PLC系统，其功能非常强大，针对中小型自控应用，是面向生产制造领域的最佳系统解决方案。

1）功能强，性能价格比高

2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

3）可靠性高，抗干扰能力强

4）系统的设计、安装、调试工作量少

5）编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

6）维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

7）体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。

8）与时俱变，能实现网络通讯

PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。

9）提升产品技术含量，增加产品形象！

10）对未来机械升级很方便

高效率的组态和编程，基于世界标准的STEP7更高的可用性，基于强大的集成的诊断功能，高效的处理速度可极大的缩短设备的循环时间，节省空间，模块化设计，没有槽位规则。

基于以上优点本设计采用S7-300系列的PLC。

本系统选用SIMATICS7-300系列PLC作为现场控制设备，因为该系列PLC具有较高的性价比，且具有强大的网络通信功能。

同时配置了空气温度传感器﹑土壤湿度传感器用于检测温室内环境变量；装备了水泵﹑卷帘等设备，用于改变温室内各环境变量的数值；网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。

2.3．控制方案

植物的生长是在一定环境中进行的,在生长过程中受到环境中各种因素的影响,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。

环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大,对植物生长极为不利。

现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。

因此,本系统就是利用PLC作为控制器，采用传感器对温室温度、温度等环境因素进行巡回测量，并将结果送到PLC中，由PLC对结果进行处理，然后调控各设备对环境因子进行补偿。

现场可采用现场控制箱控制，PC通过MPI网络实现远程监控。

其硬件连接方式如下：

图2.1硬件连接方式示意图

2.4.系统工作原理

系统由温度传感器，湿度传感器，PLC系统，加温设备，加湿设备，通风设备等几个部份组成。

系统的工作过程如图所示：

图2.2系统的工作过程

该温室控制系统是利用PLC模块将湿度传感器，温度传感器采集的有关参数转换成数字信号，并且把采集的参数与已设定的值进行比较，再经过PLC的比较后，给出相应的的控制信号对执行机构进行控制。

在此系统中还可以通过串口的形式与PC机相连，从而实现实时数据的管理与存储，以后植物生长的研究带来宝贵资料。

传感器把生物有关的环境因子（湿度，温度）参数转换成为电信号，其中温度传感器的输出电压对应一个温度，并且具有测量精度高，测量范围广，构造简单，价格低廉等特点，可以把-10℃～100℃的温度转换成0～5V的电压，在湿度传感器测量中可以将相对湿度0%～100%的相对湿度转换成0～5V的电压信号。

温室控制执行机构包括卷帘﹑水泵、电磁阀等。

系统开始工作时，PLC通过温度传感器，湿度传感器来检测温室内的温度，湿度与设计值相比较，如果温度，湿度超出设定值上下限值，PLC就会输出指令，控制动作相应的执行设备。

相反，如果测量值在设定值范围内则发出指令停止相应的设备。

第三章硬件系统的研究与设计

3.1PLC的选型

系统选用西门子公司的S7-300PLC实现集中监控。

根据系统控制要求并考虑留有一定的裕量，PLC由电源模块PS307﹑CPU模块CPU313c-2DP﹑I/O模块（1块模拟量输入SM331）组成，具体硬件配置如下：

1.电源模块PS307：

输入电压为220VAC，输出电压为24VDC，输出电流为5A，向其他PLC模块供电。

PLC内部的电源可分为：

内部——开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。

外部——可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。

西门子PLC有多种24-VDC电源模块可用于S7-300PLC和传感器/执行器。

本次设计中考虑到带负载能力等电源选择5A电源模块6ES7307-1EA00-0AA0即可，其属性如下：

输出电流为5A

输出电压为24VDC；短路和断路保护

与单相交流电源连接（额定输入电压120/230VAC，50/60Hz）

安全隔离符合EN60950

可用作负载电源

2.CPU模块

CPU——是PLC的核心部分。

与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。

其功能：

（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；

（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；

（4）在PC进入运行状态后：

a）执行用户程序——产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）

b）进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务

c）更新输出状态——输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）

本次设计大棚温湿度控制系统中输入输出IO点数由紧凑型PLC支持足以，并且由方案论证中可知PLC选择的是西门子公司的S7-300系列，考虑到价格、存储、通信方式等，CPU型号选择为313C-2DP型，带集成数字量输入/输出和一个MPI接口和一个DP接口的紧凑型CPU，带有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务和连接单独的I/O设备，32kBRAM，24VDC电源，内置16DI/16DO。

3.I/O模块

PLC系统的输入信号包括各个大棚的温度及湿度信号﹑电机启动停止信号﹑自动手动转换开关信号﹑现场远程转换开关信号。

温湿度模拟量信号用模拟量输入模块SM331来扩展。

由输入点数以及考虑到10%-20%的冗余，扩展模块选择为模拟量输入模块SM331;AI8x16位；（6ES7331-7NF10-0AB0），其属性为：

•4个通道组中的8点输入

•测量值精度=15位+符号（独立于积分时间）

•每个通道组的可选测量方法：

–电压

–电流

•用户定义的测量范围设置和每个通道组的过滤/刷新率

•可编程诊断

•可编程诊断中断

•带限制值监视功能的2个通道

•超限时的可编程中断

•与背板总线接口电气隔离

•通道间的允许CMV：

最大50VDC

3.1.1I/O地址分配

由系统设计需要输入信号有启动、停止、温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器等；输出信号被控对象有卷帘电机、水泵电机、电磁阀、报警装置等，其I/O地址分配表如下：

表3-1I/O分配表

输入信号

类型

名称

符号

端子分配

备注

数字量输入信号

转换开关

SA1

I0.0

就地远程转换开关就地

转换开关

SA1

I0.1

就地远程转换开关远程

按钮

SB1

I0.2

总启动按钮

按钮

SB2

I0.3

总停止按钮

按钮

SB3

I0.4

急停按钮

行程开关

SQ1

I0.5

卷帘上限位开关

行程开关

SQ2

I0.6

卷帘下限位开关

模拟量输入信号

传感器

L1

PIW256

温度传感器1

传感器

L2

PIW257

土壤湿度传感器1

传感器

L4

PIW259

空气湿度传感器1

传感器

L5

PIW260

温度传感器2

传感器

L6

PIW261

土壤湿度传感器2

传感器

L7

PIW262

空气湿度传感器2

输出信号

类型

名称

符号

端子分配

备注

数字量输出信号

继电器

K1

Q0.0

卷帘电