温室大棚自动控制系统设计说明书.doc
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LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
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08220221
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
72
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;
Abstract
Alongwithgetinto21century,thedevelopmentofgreenhouseisveryfastinourcountry.Greenhouseisdependenceonthehigherrequirementofscienceandtechnology.Greenhouseisgrowingplantsoneofthenecessaryfacilities.Greenhouseoftheautomaticcontrolsystemistheuseofscienceandtechnologyinthegreenhouseenvironmentparameters（includingtemperature,humidity,lightandcarbondioxideconcentration,soon）control,andmakeplantcanbebetterandfastergrowth.Itistoraisethequalityandyieldofcrops,andcreatemoreeconomicbenefit.
ThegreenhousedesignofanautomaticcontrolsystembeusedSiemensS7-200PLCtofinish.ControlsystembyPLC,sensor,actuatingmechanismetc.Accordingtothegrowthofaplantoptimalenvironmentconditionshadcompiledforgreenhouseplantsgrowbestenvironmentmanagementprogramtablestoredincompute.Thecomputeisaccordingtothetablesendinstructionsofcontrolsystem.ThesensoristotransporttheenvironmentalparametersofPLCmonitoringinformation,accordingtotheinstructionsofthePLCtocontroltheactuatingmechanism,andmaketheenvironmentalistoplantgrowthoptimalinthegreenhouse.
KeyWords:
Greenhouse;Sensor;EnvironmentParameters;ProgrammableLogicController;
目录
第一章绪论 1
1.1温室大棚自动控制技术发展的背景 1
1.2温室大棚在国内外的发展概况 1
1.3温室控制系统研究与开发的意义 3
第二章设计方案 4
2.1方案论述 4
2.1.1系统设计任务 4
2.2温室大棚自动控制系统设计方案 5
2.2.1基于PLC为基础的温室大棚自动控制系统设计 5
2.2.2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 9
3.1PLC的简介 9
3.1.1PLC的概述 9
3.1.2基本结构 9
3.1.3工作原理 10
3.1.4功能特点 11
3.1.5选型规则 12
3.1.6西门子S7-200 15
3.2温度传感器 16
3.2.1温度控制 16
3.2.2DS18B20的主要特性 17
3.3湿度传感器 17
3.3.1湿度定义 17
3.3.2湿度传感器的分类 18
3.3.3TRS-1土壤水分传感器 19
3.4光照强度传感器 20
3.4.1光照强度传感器的简介 20
3.3.2HA2003光照传感器 21
3.5二氧化碳浓度传感器 22
3.5.1二氧化碳浓度传感器的工作原理 23
3.5.2GRG5H型红外二氧化碳传感器 24
3.6EM235模拟量输入模块 25
3.7温室自动控制系统的控制量与控制措施 26
3.7.1灌溉系统 26
3.7.2温度控制 27
3.7.3湿度控制 27
3.7.4光照强度控制 27
3.7.5二氧化碳控制 27
3.8硬件总体设计 28
3.8.1I/O分配表 28
3.8.2硬件接线图 29
第四章系统软件设计 30
4.1软件结构 30
4.2温度控制软件设计 30
4.2.1温度控制原理 30
4.2.2温度控制流程图 30
4.2.3温室温度控制梯形图 32
4.3湿度控制软件设计 34
4.3.1湿度控制原理 34
4.3.2湿度控制流程图 34
4.3.3温室湿度控制梯形图 36
4.4光照强度控制软件设计 38
4.4.1光照强度控制原理 38
4.4.2光照强度控制流程图 39
4.4.3温室光照强度软件控制流程图 40
4.5二氧化碳浓度控制软件设计 42
4.5.1二氧化碳浓度控制原理 42
4.5.2二氧化碳浓度软件控制流程图 43
4.5.3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2-1PLC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PLCCUP226。
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
3.1PLC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
3.1.1PLC的概述
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，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
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