摘要頁共=numpages9-36頁第一章引言1.1課題來源及研究意義作為世界上最大的農(nóng)業(yè)國家之一[1]，我國人民的生產(chǎn)以及生活都深受我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。中國總人口約占全球人口的五分之一,但是由于我們的耕地資源十分有限,所以人均種植面積也大大落后于全球的平均水平,即大約三分之一。由于人類社會的發(fā)展和世界國民經(jīng)濟的快速增長,地球生態(tài)和平遭到了嚴重破壞，環(huán)境污染加劇，使天然綠色食品流行起來。在這一總體趨勢的基礎上，我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式也必須從總的發(fā)展模式轉變?yōu)槊芗兔芗陌l(fā)展模式，越來越強調(diào)自給農(nóng)作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要和主要手段[1]。與國外的一些農(nóng)業(yè)發(fā)展大國相比，我們國家現(xiàn)在在溫濕度大棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)方面的發(fā)展比較落后。例如歐美、日本、荷蘭等國家對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展都十分迅速，但是隨著我們國家經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展。我們國家也開始注重了這方面的科研發(fā)展，投入了大量的資金與精力。并且積極鼓勵科研人員們?nèi)パ芯繀⒖紘獾暮畢^(qū)菜業(yè)種植棚技術。使得我們國家農(nóng)業(yè)方面的科技發(fā)展得到巨大的進步和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的進一步提升。光照和溫濕度，無疑對植物和花朵的生長至關重要，在較低的溫度下，它們可能導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大幅度下降，甚至在某些情況下造成死亡。如果光線不好，作物生長過程就會受到阻礙，植物也會不平等和營養(yǎng)不良，從而影響消費。控制好大棚內(nèi)的氣溫和濕度及規(guī)定區(qū)域內(nèi)的光照,可以保證作物健壯生長。但是，現(xiàn)在很多對于生產(chǎn)蔬菜和水果等的溫室大棚里采用測量的方式依舊是手動測量工具，這種測量的方式會導致測量值的誤差大并且需要大量的工作人員參與。最終會導致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降，產(chǎn)品的品質(zhì)達不到要求，造成大量的損失，影響產(chǎn)物的生產(chǎn)和生存以及產(chǎn)物的銷售和流通。對此為了改善種植棚的產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量，設計了一個基于PLC的寒區(qū)菜葉種植棚監(jiān)測系統(tǒng)，可以控制種植棚里的溫濕度在植物生長所需要的最適范圍內(nèi)。對種植棚里的植物，可以采用手動和自動兩種方式來控制大棚里的各種參數(shù)值是植物生長的最適范圍。從而極大程度的降低了外界環(huán)境對于植物生長的不良影響。使得產(chǎn)物最終的產(chǎn)量和品質(zhì)都達到所需的要求。加快了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。1.2國內(nèi)外發(fā)展與研究概況1.2.1國外研究現(xiàn)狀1970年代，西方專家開始研究大棚的環(huán)境參數(shù)，包括溫度和濕度、二氧化碳、土壤養(yǎng)分濃度、光線和時長控制。在1980年的后期,由于工業(yè)生產(chǎn)技術的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)方面提出了可以采用分布式工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，現(xiàn)如今很多國家都已經(jīng)開始通過網(wǎng)絡化的形式使得種植棚可以實現(xiàn)自動化控制。例如，荷蘭的占地面積較小，從14世紀開始荷蘭人就開始了農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展。他們十分注重農(nóng)業(yè)發(fā)展，通過有效的設計農(nóng)用面積[2]，不斷的改造。目前荷蘭的溫室大棚已經(jīng)可以實現(xiàn)自動化，極大程度的降低了人工成本，提高了生產(chǎn)的效率。例如，倫敦大學的一項研究為遠程控制種植棚內(nèi)的各項數(shù)值，通過安裝排風系統(tǒng)與棚內(nèi)的空氣進行流通，有效的控制了種植棚內(nèi)含氧量，確保了植物能充分的進行光合作用保證作物的健康生長。例如，美國通過對種植棚安裝天窗、保溫布、恒溫系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)等，對種植棚進行多方面的控制，使得溫度、濕度、二氧化碳濃度等達到可以保持智能控制在最佳范圍內(nèi)。國外對于農(nóng)業(yè)方面的智能控制研究使得各方面都得到了有效的改善，通過遠程控制和自動控制使得人力的需求大大降低，并且降低了工作量。提高了作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。使得種植棚的各方面效益大大提高。對于國外采用的技術而言，溫室大棚的科技發(fā)展是一個極大的熱點研究方向。總結國外對于種植棚控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀如下：使農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)相互結合，達到遠程控制。采用CAD輔助設計，構造最合適的大棚環(huán)境。通過手動控制和自動控制，使得大棚內(nèi)的各項指標可以保持植物最佳生長。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外的研究相對比，我國對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展研究的起步較晚。但是我國已經(jīng)開始注重了農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展。在漢朝時期，我們國家的人民已經(jīng)學會了種植技術把這項技術用在了農(nóng)業(yè)方面。很多農(nóng)民每天辛苦勞動，但是面對自然環(huán)境無法抵抗。例如大雪、洪水、蝗蟲等災害都無法抵抗，導致農(nóng)作物的生產(chǎn)量并不高。20世紀開始，遼寧和北京地區(qū)開始建造簡易塑料種植棚種植農(nóng)作物，提高了產(chǎn)量。這個階段人們學會了如何保護作物不受低溫、狂風以及高強度光照的影響。在1950年代，我國開始對溫室大棚技術進行研究和發(fā)展。目的是提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。在1980年代，隨著我們國家科技發(fā)展的進步。對于PLC、單片機、smart等各方面的發(fā)展與種植棚相結合改善大棚內(nèi)部的環(huán)境，其中包含了對溫度、濕度、空氣內(nèi)二氧化碳的濃度、種植土的成分和光線的研究。我國農(nóng)業(yè)科學院首次在大棚內(nèi)使用了計算機控制系統(tǒng)。21世紀初，吳舟、李海南、徐正花、朱廷提出了一種新的大棚控制理論。其理論以可編程控制器為核心，符合大棚控制的要求。在后運行試驗方案中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，PLC與組態(tài)王聯(lián)合使用可以改善人機互動、操作方便和推廣。通過以上的了解，我國對于溫室種植棚的研究較落后于其他國家，對于各方面的知識都有所欠缺。首先，我國的獨創(chuàng)性不夠，許多關于種植棚的技術都是通過引進國外的技術。另一方面是，我國大棚更多是通過人工進行手動的控制和管理，缺乏智能性和精確度。第三，如今我們設計的溫室大棚結構都較為簡單，內(nèi)部的設備可以實現(xiàn)的功能較少，溫室的管理水平低，漏洞較多，沒有辦法進行綜合的管理。這一體系難以運作。現(xiàn)代大棚和相關設施采用了收集和標準化的生產(chǎn)方式，在與國際化的市場體系共同作用。種植棚的自動控制在未來將成為一個重要的產(chǎn)業(yè)。為此我們需要一個適合我們農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀的智能大棚監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)文化，以便廣泛傳播這一技術。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本論文的是基于PLC技術的寒區(qū)菜業(yè)種植棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設計，該設計的期望在大棚控制過程中能夠根據(jù)不同作物進行相應的控制，以確保大棚內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境因素。符合相應文化要求的最佳環(huán)境范圍。它可以使用傳感器分別檢測外推窗內(nèi)外的溫度和濕度，然后通過所使用的配置軟件（人機交互界面）在屏幕上顯示當前大棚內(nèi)的各項數(shù)值和設定的預計值。工作人員通過配置軟件來對各項數(shù)值進行調(diào)整，使得大棚內(nèi)的各項實時數(shù)據(jù)均保持在適合的范圍，通過這種誤差反饋的形式不斷的采集數(shù)據(jù)和轉換大棚內(nèi)環(huán)境的參數(shù)后處理和顯示參數(shù)。如果參數(shù)不在定于的值范圍內(nèi)，調(diào)控系統(tǒng)可以自動的進行調(diào)整，保證大棚內(nèi)的各項指標滿足預定的值。并且可以配置軟件中進行手動的關閉，保證系統(tǒng)的安全性。建立相應的環(huán)境因子變化趨勢曲線，使得工作人員在人機交互界面能夠簡單的操作該系統(tǒng)。從而提高了大棚的經(jīng)濟效益，以及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。第二章系統(tǒng)總體結構設計2.1大棚的工藝要求及設施構成大棚的功能是提供利于植株成長的環(huán)境,尤其是在不適合生長發(fā)育的地區(qū)和月份。各種作物的生長環(huán)境不同,大棚的技術要求和物質(zhì)設施組成也不同。因此，所以,應該先明確一個，然后確定安裝的過程和組成。該畢業(yè)設計的重點研究方向為大棚溫濕度控制。在技術方面,對大棚內(nèi)的氣溫、土壤濕度以及空氣溫濕度都有一定的要求。這些環(huán)境變量由系統(tǒng)進行檢測,從而為植株生長發(fā)育提供良好環(huán)境。本文以大葉花燭作為植株樣本,檢索有關信息,獲取植株生長發(fā)育的良好環(huán)境,確定大棚的技術要求，構建大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)。大葉花燭的生存發(fā)育溫度一般在14-35℃左右、土壤溫濕度在12-25%左右、空氣溫濕度在70-85%之間的植物。大棚溫濕度控制器主要包括觸摸屏、控制器PLC、執(zhí)行機構和傳感器等設備。觸摸顯示器是人與機器之間進行交互的最有效設備,能夠對數(shù)據(jù)進行實況的顯示,以方便于操作者實施監(jiān)控,并且還可以在緊急情況下進行系統(tǒng)的手動控制功能。控制器部分接受傳感器輸出信號,并按照已設置的PLC編程語序進行相關的運算與數(shù)據(jù)處理,從而驅動執(zhí)行機制的正常運行,使環(huán)境變量的平均值到達最適宜于植株生長發(fā)育的區(qū)域。[3]2.2系統(tǒng)設計思路本文中設計的系統(tǒng)在大棚內(nèi)設置了各種種類的環(huán)境傳感器,通過傳感器測量大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù),并把所測量到的環(huán)境溫度、空氣相對濕度和土壤濕度等環(huán)境變量的值和參數(shù)加以對比,可以改變大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的值,以滿足對作物生長發(fā)育的適當要求,提高作物質(zhì)量。2.2.1系統(tǒng)具備的功能本條設計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)具有以下功能:1..參數(shù)設置功能針對不同的植物,根據(jù)生長要求不同,相應的大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值也有所不同,因此有必要定義環(huán)境變量,以促進不同植物的生長。參數(shù)設置功能,可以按照實際需求修改環(huán)境變量的數(shù)值。2數(shù)據(jù)采集和查看功能使用大棚內(nèi)的各種感應器,可以即時監(jiān)測大棚內(nèi)環(huán)境變量的值,將觀測到的數(shù)值即時呈現(xiàn)在觸摸屏界面上,以方便操作者查詢。同時,在觸摸屏界面上還設有實時的態(tài)勢視圖功能,使技術人員可以直接看到大棚內(nèi)環(huán)境變量的態(tài)勢。3.執(zhí)行機構監(jiān)督職能在大棚里,改變環(huán)境變量是由執(zhí)行機構的動作完成的。為了方便地檢查各執(zhí)行機構的運行狀況,該系統(tǒng)存在可監(jiān)視功能,在觸摸屏界面上還配備了對應的顯示器,執(zhí)行機構的運行狀況可以即時反饋,即可實現(xiàn)強制操縱在一般狀態(tài)下,執(zhí)行機制可以根據(jù)既定流程實現(xiàn)自動調(diào)整與控制。4.安全連接功能為防止系統(tǒng)工作人員出錯,已將登錄權限設定為手動系統(tǒng)控制模式,沒有授權的人員將無法在系統(tǒng)上進行手動操作。5.報警功能一旦果蔬大棚內(nèi)某一運行部門調(diào)節(jié)系統(tǒng)出錯,某些環(huán)境變量的數(shù)值將超出設定值,從而危害植株的正常生長發(fā)育。此時,控制系統(tǒng)就必須發(fā)送告警提醒工作人員。同時,通過觸摸屏界面上的告警設置,可以顯示具體那些變量超出了告警閾值,以便于工作人員有針對性地調(diào)整環(huán)境變量。2.2.控制模式本文設計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)分為人工和自動兩種控制方法，共同創(chuàng)造有利于作物生長的環(huán)境。手動控制模式:在手動控制模式下，可以利用觸摸屏界面的開/閉按鍵對執(zhí)行裝置進行必要的操縱,從而使工作人員可以直接調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境變量。自動控制模式:在自動化控制技術模式下,系統(tǒng)對大棚內(nèi)的環(huán)境變量采用實時監(jiān)測,當A/D切換后,感應器所收集的數(shù)值就會傳送到中央控制器的PLC上,并與設定值加以對比。2.3控制系統(tǒng)方案本文搜索了大量有關書籍、專業(yè)論文和期刊,詳細地查詢并研究了有關知識,了解到由于大棚的相對溫度和濕度管理在近年來發(fā)展得迅速,但由于大棚溫相對溫濕度管理的人機互動界面不太友善,非技術人員操作較困難,往往造成自動控制模塊系統(tǒng)在多數(shù)情況下處于非活躍情況。與此同時,為單片機而設計的控制器安全性較差,抗干擾能力也較差,而且非常容易遭受環(huán)境的影響,不易維護。采用PLC作為可編程控制器能夠很有效的改善這些狀況,由于PLC具備了靈活應用、高穩(wěn)定能力、高可信度、強抗干擾力量,并且可維護性強等優(yōu)勢。與此同時,使用組態(tài)王制造的觸摸屏用戶也十分友善,使用很方便,用了軟體和硬件二個部分模塊所構成的系統(tǒng)。2.3.1硬件模塊圖2.1系統(tǒng)硬件結構圖本文采用西門子S7-200PLC系列作為大棚系統(tǒng)的中央控制器，并選擇相應的模擬插件。收到信號后，PLC根據(jù)具體需要調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境變量，以實現(xiàn)有利于文化增長的環(huán)境。裝置的基礎控制模式分為手動或自動控制兩種模式。在人工控制模式下,操作者可以通過設備實施強制操控與控制,從而改變系統(tǒng)大棚內(nèi)環(huán)境變量的范圍值。在自動模式下,控制系統(tǒng)會按照設定的環(huán)境變量值自行調(diào)節(jié)各個被控制設備的運行狀態(tài),從而對種植植物的大棚內(nèi)環(huán)境變量做出智能調(diào)節(jié)。模擬模塊的主要功能是接收由傳感器所測量到的輸入信息,并將其傳遞給控制器中的PLC,而控制器則根據(jù)規(guī)定的程序處理信息并將之傳遞給驅動元件,從而執(zhí)行部門采取相應的措施。由于大棚是封閉的，一般不允許工作人員進入大棚開展業(yè)務。因此,本控制系統(tǒng)通過組態(tài)王配置的大棚系統(tǒng)監(jiān)控畫面,指示大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值,并同時監(jiān)視執(zhí)行機構的工作狀態(tài)。在緊急情況下,它還能夠對執(zhí)行機構實施強制行動。而且,可以使用組態(tài)王組態(tài)的人機交互用戶界面也十分友好且容易使用,極大降低了工作人員的負擔。2.3.2軟件模塊在本文設計的大棚溫度和濕度控制系統(tǒng)中，西門子S7-200PLC系列選為中央控制器。在PLC編程領域，我們使用STEP7。編程的書寫方式要求根據(jù)在大棚里所栽種的植物或農(nóng)作物的類型,當把傳感器所測量到的數(shù)值轉化為程序參數(shù)的A/D值后,控制器的PLC就會產(chǎn)生相應的信息,并把信息傳送給執(zhí)行機構,以監(jiān)測執(zhí)行機構的行動,從而實現(xiàn)預期的環(huán)境影響。針對觸摸屏配置屏幕,我們可以使用組態(tài)王,使軟件所產(chǎn)生的人機交互界面十分友好且容易應用,從而降低了技術人員的工作量。PLC和觸摸屏之間的信息交流采用了以太網(wǎng)實現(xiàn),從而可以即時監(jiān)測大棚環(huán)境變量的數(shù)值和在觸摸屏界面上執(zhí)行機構的工作狀況,從而可以對執(zhí)行機構實施強制操控。第三章硬件模塊設計3.1硬件系統(tǒng)結構本文所設計的大棚溫濕度傳感器控制器的硬件部分,主要由傳感器、中央控制器PLC、觸摸屏以及執(zhí)行機構等四部分所構成。傳感器的主要功能為采集大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值;中央控制器PLC選用了西門子S7-200系列PLC,主要執(zhí)行本系列的控制功能;觸摸屏的主要功能為實時監(jiān)測大棚內(nèi)部環(huán)境變量的值,及其各機構的工作狀況;而執(zhí)行機構則分為制冷風機、加熱風機、除濕風機、加濕風機等控制大棚內(nèi)環(huán)境變量的機構。3.2硬件部分選型3.2.1控制器件的選型此設計使用西門子S7-200PLC作為中央控制器。S7-200系列小型控制器具備擴充能力及彈性，可更快速有效地執(zhí)行復雜的自動化控制器工作。S7-200系列PLC可以集成到CPU開頭的信號卡中，從而使PLC結構更緊湊、更易于配置。同時S7-200通信模塊是獨立的，可以根據(jù)需要進行擴展。本項目設計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)可利用S7-200系列PLC更有效地實現(xiàn)大棚環(huán)境變量的調(diào)節(jié)。相對而言,S7-200系列PLC更具有成本效益,足夠中小企業(yè)對自動化管理系統(tǒng)的需要。同時,S7-200系列還集成了PROFINET端口,使用者能夠通過以太網(wǎng)加載程序,并與人機接口進行通訊。本文使用CUP226。適合于對需求更高級的系統(tǒng),并具有更多的入口/出口點、更高的模塊化可擴展性、速度更快的運算速率,及其內(nèi)置的特殊功能。非常適合于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。[4]3.2.2EM223模擬量輸入模塊對于EM223模塊來說它是新一代的交流隔離式開關模塊,它把功率控制精度高的線性電流互感器和一個集成電路的轉換器ASIC芯片結合為一種芯片,可以直接把測量到的主電路的交流電壓轉化為直流4~20mA的線性輸出信號。表3.1為對于DIP開關配置EM223模塊的使用示意表。對于輸入均設定為相同的范圍和模擬的輸入格式。選用的輸入?yún)^(qū)域和顯示分辨率可以對應開關電源的1~6。表一說明了如何對選單極性/雙極性開關6、增益的開關電源4和5,和衰減的開關電源1、2、3。在表2.2中ON為連接,OFF則為切斷。表3.1EM223選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關表3.2.3溫度傳感器DS18B20環(huán)境溫度傳感器首先收集設備內(nèi)周邊自然界中各個部位的環(huán)境溫度監(jiān)控,FPGA在處理后可以獲得所采集的環(huán)境溫度值,采集到當前周邊自然界中較穩(wěn)定的環(huán)境溫度范圍,隨后可以利用加熱和制冷設備把當前周邊環(huán)境溫度監(jiān)控調(diào)節(jié)至最大值和當采集到的環(huán)境溫度監(jiān)控高于加工后的周邊環(huán)境溫度最大值時,FPGA可以利用三極驅動繼電器開啟冷卻設備(壓縮式制冷器),當所采集到的環(huán)境溫度小于加工后的環(huán)境溫度時,FPGA打開加熱設備(再熱器)。DS18B20是美國達拉斯有限公司制造的世界一流數(shù)字溫度傳感器,具備微小化、低功耗、高度抗干擾性以及多處理器組合等優(yōu)勢,特別適用于形成多點溫度測量與控制,可以直接與同一總線上的多種或者多個相同傳感器芯片實現(xiàn)互連,是一種帶有三個TO-92針的小體積封裝形式。測試環(huán)境溫度時能夠按照符號擴展的十六位數(shù)字批量連續(xù)輸出,工作溫度測試區(qū)域為-55~+125c,可程序化從九位至十二個位的A/D相互轉換精度,最大工作溫度測試分辨率可達0.0625c,并且可輸入的操作電源多臺DS18B20都能夠同時連接到三條或二條線,而針對多臺DS18B20,數(shù)據(jù)處理器之間能夠使用同一個接口線路實現(xiàn)通訊,由于采用的微處理器接口較為小,因此節(jié)約了許多導線和邏輯線路使得線路更加簡化。就這樣,DS18B20就能夠十分方便地進行遠距離或多點的工作溫度測試系統(tǒng)。總之,在這個系列中,我用的DS18B20高溫晶片來測試高溫晶片的物理特性是很安全的,也可作為工業(yè)高溫的檢測元件,元素的線條形狀更好。線狀的最大誤差小于一c(0~100c)。芯片可以直接把數(shù)字信號傳送至CPU,以便于對CPU的管理與監(jiān)控。圖3.1溫度芯片DS18B20(1)電壓范圍在3.0~5.5v之間，屬于較大的電壓。在電源模式（寄生)下，可以使用數(shù)據(jù)線供電。(2)由于DS18B20，所采用的是單線接口方式,能夠讓DS18B20和微處理器之間形成雙向的通信方式,并且連接微處理器的時候只需一行即可。(3)DS18B20還可以支持多點聯(lián)網(wǎng)功能,利用三條單線的并行連接使得多個DS18B20相連,完成對不同范圍的多個溫度點檢測。(4)DS18B20在使用的過程中只需要單個芯片，通過二極管形式的集成電路，使所有的檢測元件和轉換電路均集成到這個電路中。(5)溫度范圍為-55℃~+125℃，精度為0.5℃-10~+85℃。(6)可以編程分辨率為9~12位,因此可以進行對環(huán)境溫度變化的精確檢測。(7)輸出數(shù)據(jù)溫度信息被即時檢測,通過"一線總線"傳遞到數(shù)據(jù)處理器中(串行處理器),本身的強抗擾動特性和糾錯性都相當明顯。3.2.4濕度傳感器溫度傳感器,其最基本形式是通過利用溫濕度敏感材料對水分子物質(zhì)的吸附力量或通過對水分子產(chǎn)生物理影響來測定溫濕度的。自十六世紀起,對溫濕度檢測就開始有記載。很多舊式的測量,如干球溫度計、毛球溫度計和露點溫度計,迄今仍在普遍應用。由于現(xiàn)代工業(yè)技術要求更精確、可靠和持續(xù)的空氣相對濕度測定,因此逐漸出現(xiàn)了廣泛的濕度敏感因素。濕敏感性器件分二大類:水分子親與性濕靈敏器件和非水分子親與性濕靈敏器件。濕敏器件都是由使用水分子的特征所構成的,這種特征在很多程度上是相互重合的,它們都易于互相粘附并滲入固態(tài)表層,可以叫做水分子親和性濕度器件。金屬氧化物也是一類離子化合物質(zhì),有較強的吸收功能,不但物理吸附,還有化學吸附,可以轉變?yōu)楦鞣N金屬氧化劑的水分敏感物質(zhì)或者敏感成份。這些元素被附著或浸沒在應用過程中測量的水蒸氣分子中，與物質(zhì)發(fā)生化學反應會產(chǎn)生氫氧化物,和物質(zhì)進行一些特殊的反應會形成各種金屬氫氧化物,又或者,如果浸沒,元素的水部分也會留下其他元素上,因此難以完全提取出來,從而使元素在反應過程中的特性變得不穩(wěn)定最常用的組件是那些對濕度敏感的組件。另一種非親和性濕度敏感物質(zhì)使用其與水分子接觸的物理效應來測量濕度。如圖3.2所顯示,土壤水分傳感器TRS-1的外觀示意圖圖3.2土壤水分傳感器TRS-1的外觀圖1、技術參數(shù)(1)測量參數(shù):土壤含水量；(2)單位:%(m3/m3)。(3)量程:0%至100%。(4)測量精度:3%。(5)探針直徑:3毫米。(6)探針長度:5.3厘米。 (7)工作溫度范圍:-40℃~85℃。(8)工作電壓:7~24v電壓型和電流型。(9)測量主頻率:100MHZ。(10)輸出信號:電壓型0~1.875v；直流0~20mA。(11)測量的穩(wěn)定時間:2秒。(12)響應時間:<1秒。(13)測量區(qū):直徑7厘米、高度7厘米的探針范圍。2.功能和特點(1)傳感器體積較小,易于安裝、使用與維修較簡單。(2)結構設計良好，鋼質(zhì)探頭以保證壽命。(3)環(huán)氧樹脂外包有純橡膠，密封良好，可直接埋在地下，無腐蝕。(4)反映迅速,傳輸有效率。(5)性能可靠，測量的準確精度高，保證正常運行。(6)土壤的質(zhì)量影響較小，適用范圍廣。[5]3、適用范圍適用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、大棚蔬菜、花卉種植、牧場、土壤、植物種植、科學實驗等。3.3系統(tǒng)主電路圖圖3.3主電路圖圖3.3是控制系統(tǒng)的主要電路示意圖,380V三相外部交流電源通過L1,L2,L3,N接入到了控制系統(tǒng)。QF1是用于切斷所有設備電源的總斷路器。FU1是具有短路保護功能的保險絲過載電路。QF2是制冷風機電路斷路器,用來斷開制冷風機電路的電源。M1是制冷風機的電機。KM1是用來啟動和切斷制冷風機的制冷風機啟動接觸器。FR1制冷風機的過熱保護繼電器可避免過熱。其他類似。3.4硬件總體設計3.4.1I/O分配表輸入和輸出符號表見表1、2、3所示[6]表3.2PLC數(shù)字量輸入符號表表3.3PLC數(shù)字量輸出符號表表3.4PLC模擬量量輸入符號表3.4.2硬件接線圖硬件接線圖如圖3.4所示圖3.4系統(tǒng)硬件接線圖第四章PLC軟件設計4.1溫度控制軟件設計4.1.1溫度控制原理溫度控制是指對溫室大棚內(nèi)溫度進行調(diào)控，保持在一個種植物最適合的溫度范圍內(nèi)。當大型大棚的溫濕度調(diào)節(jié)達到植株可以生長的最適合范圍時,就可將溫度感應器所檢測到的最合適的溫度信號傳送入控制器中,由PLC與預設值進行對比,然后由PLC輸出信任信號,來操控相關的受控設備運作。當溫濕度超過規(guī)定的上限后,由溫度傳感器進行檢測以獲取溫度控制信息,隨后由溫度傳感器把所采集到的溫度控制信號傳交給PLC,由PLC輸出信號以降低大棚溫度,用降低溫度的信號去控制降溫裝置,再開啟降溫裝置,使整個溫室內(nèi)的氣溫都降低在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。當大棚溫度降到規(guī)定的下限時,溫度傳感器就會在捕獲后把所偵測到的溫度信號傳送給PLC,隨后由PLC發(fā)生大棚溫濕度的升高信號,而溫濕度上升信息就會控制溫濕度升高的設備。[7]當大棚溫度在規(guī)定范圍內(nèi)時,溫度傳感器將收集到的信息傳送給PLC,由PLC輸出關于溫度設備終止工作的信號,溫度控制設備終止工作。吧溫濕度保持在植株生長發(fā)育的最適限度內(nèi)。4.1.2溫度控制流程圖溫度控制系統(tǒng)的流程圖如圖4.1圖4.1溫度控制流程圖4.1.3大棚溫度控制梯形圖1.自動溫度控制檢測實時溫度，使數(shù)字信號與電信號進行轉換將實時溫度與設定的值相對比，判斷當前溫度是否超過設定值。當實時溫度低于設定值，對各個接觸器發(fā)出信號，關閉通風系統(tǒng)，開啟升溫系統(tǒng)的接觸器。當實時溫度高于設定值，對各個接觸器發(fā)出信號，關閉升溫系統(tǒng)，開啟通風系統(tǒng)。2.手動溫度控制梯形圖在手動控制下，關閉溫度開關過高或過低以完成對執(zhí)行機構的控制。4.2濕度控制軟件設計4.2.1濕度控制原理溫度對植株發(fā)育具有重要作用,合理的溫濕度條件有利于植株良好的生長發(fā)育。相反，大棚中水分過多可能導致植物根的分解，大棚中水分少可能導致植物缺水，原因是水分不足。無論大棚濕度過高或過于干燥，植株生長發(fā)育均可能不利，只有保持在植物生長的最佳濕度范圍內(nèi)，植物生長才能健康。大棚溫濕度管理是由溫濕度感應器控制,監(jiān)測大棚溫濕度信息,把所采集到的溫濕度信息傳給PLC,由PLC進行比較,并從中選取相應的控制指令,控制相應的設備調(diào)節(jié)溫濕度。當大棚中的相對濕度超過定義的最大值時,PLC會把通過溫濕度感應器所采集的濕度值和定義的相對濕度值加以對比,接著PLC會發(fā)送降濕命令,以開啟大棚中的降濕裝置。[8]當大棚中的空氣相對濕度太低而不能降到規(guī)定的下限時,PLC會把濕度感應器所接收到的空氣相對濕度值和規(guī)定的限值加以對比,接著PLC會發(fā)送一個限制空氣相對濕度提高的命令,以通過啟動濕度設備來增加人員當大棚溫度控制在植株生長區(qū)域內(nèi)時,濕度感應器將收集到的溫度信息傳送給PLC,由PLC產(chǎn)生關于濕度控制器設備終止工作的信息,濕度控制器設備終止工作。保持水分在植物生長的最佳限度。4.2.2濕度控制流程圖濕度控制系統(tǒng)的流程圖4.2圖4.2濕度控制流程圖4.2.3大棚濕度控制梯形圖1.自動控制模式的濕度控制流程圖通過濕度傳感器檢測大棚實時濕度，數(shù)字信號與電信號進行轉換將實時濕度與設定值進行對比。確定濕度是否超過設定的范圍當實時濕度低于設定值，提高水泵流速，從而提高環(huán)境濕度。當實時濕度高于設定值，降低水泵流速，從而降低環(huán)境濕度。2.手動模式下的濕度控制流程圖在手動模式下,空氣濕度調(diào)節(jié)是通過控制上升或降低開關溫度來實現(xiàn)的。組態(tài)畫面的設計組態(tài)王監(jiān)測系統(tǒng)軟件是一個新的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，標準的工業(yè)計算機軟件和硬件平臺組成的綜合系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)。基于當前自動化技術的發(fā)展趨勢與發(fā)展前景,組態(tài)王軟件也是一種實現(xiàn)技術控制工具的一種子開發(fā)工具,旨在實現(xiàn)企業(yè)一體化。該產(chǎn)品由獨立于子控制技術開發(fā)的實時工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所支撐,該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠為企業(yè)提供了一個高效的網(wǎng)絡平臺,在整個生產(chǎn)過程中綜合、分析和管理數(shù)據(jù),使企業(yè)可以更準確高效地收集有關信息和及時作出反應。[9]組態(tài)王的優(yōu)點有強大、易于應用、長期穩(wěn)定等特點。按照國內(nèi)外眾多使用者的反饋和建議,并加以不斷的完善與擴充。它提供了一個豐富,簡潔并且易于使用的配置頁面,為使用者創(chuàng)造了一種簡潔,方便的使用。并且使用大量的庫和圖像，讓用戶更容易操作和理解。通過改進和改進其歷史、報告和網(wǎng)上發(fā)布功能，該軟件的功能和可用性得到了顯著提高。組態(tài)王增加了一個報告向導功能，使能夠使用組態(tài)王的歷史或實時工業(yè)數(shù)據(jù)庫快速創(chuàng)建用戶所需的各種報考，例如每日、每周或者每月、每季度和年度的報告都可以創(chuàng)建。同時也可以實現(xiàn)對值的行和列統(tǒng)計信息功能。客戶端能夠獲取與組態(tài)王操作系統(tǒng)一致的監(jiān)控圖像,而IE客戶端則能夠保證與網(wǎng)絡服務器的有效數(shù)據(jù)同步,通過聯(lián)網(wǎng),也能夠獲取圖像中與數(shù)據(jù)顯示、報告提示、告警指示等功能相同的數(shù)據(jù)。組態(tài)王集成并支持了行業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),支持數(shù)據(jù)同步保存到組態(tài)王歷史銀行和工業(yè)銀行中,大大增加了組態(tài)王數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的容量,也更好地實現(xiàn)了工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由子控制開發(fā)的一種新型的獨立工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。能夠良好的適應于客戶對實際的查詢和恢復歷史的操作數(shù)據(jù)序要求,同時也能夠適應對容量和保存速率的需求。[10]5.1組態(tài)王與S7-200通信建立PLC通信設定，設置地址2，波特率為9600bps：圖5.1S7-200通信設定在組態(tài)王中，設備找到了COM1選擇、通信波特率等。以使用預設。。圖5.2PLC與組態(tài)王的通信設定選擇西門子S7-200PLC的PPI通信模式，將通信地址設置為2。圖5.3組態(tài)王PLC選擇設定設備名稱圖5.4S7-200與組態(tài)王通信設備名稱選擇COM1，圖5.5選擇COM口設定與組態(tài)王通信的PLC地址，設定2圖5.6PLC地址設定圖5.7設定恢復策略5.2通信設定添加S7-200通信，設定PLC地址為2，觸摸屏地址為1，PPI通信，波特率9600：圖5.8通信設定5.3變量定義組態(tài)王與PLC通信，需要建立變量連接，建立完成后變量如下圖：圖5.9定義變量5.4組態(tài)畫面建立監(jiān)控畫面：建立溫度實時曲線建立濕度實時曲線建立溫度參數(shù)設定畫面建立濕度參數(shù)設定畫面結論結論我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分迅速，不斷的通過科技進行改善。科技將不斷的與農(nóng)業(yè)相互融合，最終將取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)領域的重要性。在實際生活中，可以改善因地區(qū)差異造成植物無法存活的情況，提高產(chǎn)量的品質(zhì)。本論文設計了基于PLC的寒區(qū)菜業(yè)種植棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設計，給出了如何控制種植棚內(nèi)溫度，濕度的方法，編寫了PLC程序,并配備了觸摸屏。最后,在S7-200的測試臺上聯(lián)合開發(fā)出了PLC編程工具與觸摸屏的功能,，并驗證了該系統(tǒng)的可行性。主要活動概述如下:1.信息獲取和防風系統(tǒng)控制方案設計。2.對于設計的大棚