畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要隨著數(shù)字化的快速發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字化和信息化手段應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域之中。傳統(tǒng)的澆灌方式灌水量多、耗水量大，不能適時(shí)適量的澆灌，造成了水資源的極大浪費(fèi)，與我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略極不協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)澆灌設(shè)備大多采用繼電器控制，調(diào)試與維護(hù)苦難，靈敏度不夠高，不能實(shí)現(xiàn)根據(jù)外界環(huán)境變化控制澆灌。可編程控制器（PLC）具有提高可靠性、增加靈活性和適用于各種環(huán)境條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下，可以通過(guò)更改軟件設(shè)置來(lái)適用多種運(yùn)行方式的需要、是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品。本課題以PLC為核心，外圍由溫度、濕度傳感器及必要輸入輸出設(shè)備電路、水泵等組成。通過(guò)相應(yīng)的傳感器獲取外界環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過(guò)一定的邏輯運(yùn)算后控制水泵的啟動(dòng)或者停止來(lái)進(jìn)行自動(dòng)的澆灌。為防止水泵過(guò)于頻繁的啟停，應(yīng)在控制邏輯決策時(shí)加入一定的簡(jiǎn)單控制策略。本系統(tǒng)能夠在自動(dòng)模式與手動(dòng)模式之間進(jìn)行自由切換。該系統(tǒng)能夠提高灌溉效率，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的，同時(shí)，能減輕澆灌人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，將科學(xué)的澆灌經(jīng)驗(yàn)固化在控制器中，降低了對(duì)種植經(jīng)驗(yàn)的要求，有利于提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：PLC，溫度、濕度傳感器，水泵。目錄TOC\o"1-3"\h\u22790第1章緒論 5108231.1課題背景及目的 564591.2課題研究現(xiàn)狀 5271721.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 531441.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 6237301.3目的和意義 698961.3.1研究目的 6143631.3.2研究意義 74847第2章系統(tǒng)器件選擇設(shè)計(jì) 8320862.1PLC的選型 851632.1.1PLC機(jī)型的選擇 8147182.1.2PLC容量的選擇 821132.2電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式 9110592.2.1電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇 9292752.1.2電動(dòng)機(jī)電氣控制電路 10132752.2.3電動(dòng)機(jī)的PLC控制程序編寫 10301132.3溫度、濕度傳感器的選型 11317292.3.1溫度傳感器的選擇 11109562.3.2濕度傳感器的選擇 13109512.4模塊的選擇 15203202.4.1模塊的認(rèn)識(shí) 15218652.4.2EM235配置 179002.5系統(tǒng)所需電源的選擇 189600第3章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 19132693.1常用PLC程序的設(shè)計(jì)方法 191033.2溫度監(jiān)控程序的設(shè)計(jì) 19303823.3濕度監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 2230673結(jié)論 268368參考文獻(xiàn) 27

基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1課題背景及目的我國(guó)水資源短缺，利用率低，水浪費(fèi)嚴(yán)重，供需矛盾突出。傳統(tǒng)灌溉設(shè)備單一，灌溉難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此需要合理灌溉，發(fā)展自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。發(fā)展自動(dòng)灌溉系統(tǒng)對(duì)于緩解水資源緊缺矛盾、節(jié)約勞動(dòng)力，擴(kuò)大灌溉面積、實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)轉(zhuǎn)變”、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力具有十分重要的意義。合理的灌溉是農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育并獲得高產(chǎn)的重要保證，可取得良好的生理效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，增產(chǎn)效果顯著。國(guó)外一些噴灌系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，其安裝和維護(hù)過(guò)程都很復(fù)雜，不適合在我國(guó)使用。我國(guó)制造的噴灌設(shè)備成本相對(duì)低廉，但是由于絕大多數(shù)采用的是普通繼電器控制系統(tǒng)，調(diào)試與維護(hù)困難，靈敏度不夠高，不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量噴灌，其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率很低。PLC具有體積小、功能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、可靠性高和組裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、電力和通訊等領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域很少應(yīng)用?？删幊炭刂破?PLC)應(yīng)用在節(jié)水灌溉控制工程設(shè)計(jì)中能夠簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，具有提高可靠性、增加靈活性和適用于各種環(huán)境條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下，通過(guò)更改軟件設(shè)置來(lái)適應(yīng)多種運(yùn)行方式的需要，是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品，尤其在農(nóng)田水利系統(tǒng)的小型泵站中可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值或半無(wú)人值守，具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。1.2課題研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀目前世界上灌溉技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家主要是西歐的荷蘭、法國(guó)、英國(guó)、意大利、西班牙，美國(guó)，中東的以色列，亞洲的日本等。這些國(guó)家自動(dòng)灌溉的研究起步早，發(fā)展快，綜合環(huán)境技術(shù)水平高。一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家在自動(dòng)灌溉控制發(fā)展的基礎(chǔ)上，更不斷研究各種最新的灌溉控制技術(shù)及不同作物的不同營(yíng)養(yǎng)液配方及營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)混合技術(shù)，并及一步發(fā)展成灌溉專家系統(tǒng)。同時(shí)不斷的把先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)中。世界上灌溉技術(shù)的發(fā)展最具有代表性的國(guó)家首推以色列。以色列擁有像耐特費(fèi)姆、普拉斯托、美滋一雷鷗等多家世界著名灌溉公司。并已經(jīng)出現(xiàn)了在家罩利用電腦對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行全部控制(無(wú)線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主。以色列開發(fā)出多個(gè)系列的農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉的配套閥門，如電動(dòng)和水動(dòng)遙控電磁閥、減壓閥、調(diào)壓閥、安全或止回閥、逆止閥和流量控制閥等。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前我國(guó)現(xiàn)代自動(dòng)灌溉技術(shù)的發(fā)展主要是在引進(jìn)、消化技術(shù)的基礎(chǔ)上，從無(wú)到有，逐步被人們認(rèn)識(shí)和接受。1985年福建省龍溪地區(qū)引進(jìn)安裝了當(dāng)時(shí)達(dá)世界先進(jìn)水平的美國(guó)整套微噴灌設(shè)備，大大促進(jìn)了我國(guó)微噴灌技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。到1991年，我國(guó)微灌使用面積已有2萬(wàn)多公頃，過(guò)去的20多年里，在設(shè)備研制和經(jīng)驗(yàn)積累等方面都為我國(guó)微灌的進(jìn)一步發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。最近幾年，由于國(guó)家的重視和實(shí)際的需要，各地大力發(fā)展節(jié)水灌溉，微灌在我國(guó)進(jìn)入了快速增長(zhǎng)階段。盡管設(shè)旎栽培灌溉技術(shù)近十幾年來(lái)在我國(guó)得到了較快的發(fā)展，但是綜合環(huán)境控制水平還很低，自動(dòng)灌溉及施肥控制技術(shù)的發(fā)展目前還只限于引進(jìn)吸收階段。目前，我國(guó)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)相對(duì)于先進(jìn)國(guó)家所存在的差距是：1.還不能實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)混合控制。營(yíng)養(yǎng)液混合還停留在使用施肥器完成液體肥和水的混合，然后通過(guò)管網(wǎng)送到作物周圍的階段。2.自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，除個(gè)別引進(jìn)國(guó)外成套設(shè)備以外，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成型的產(chǎn)品，生產(chǎn)中使用的基本上還是人工操作閥門的設(shè)備。3.灌溉停留在單個(gè)因子的調(diào)節(jié)上，不能實(shí)現(xiàn)與其他環(huán)境因子的綜合控制。4.不能實(shí)現(xiàn)灌溉專家系統(tǒng)。灌溉控制主要還是依照人的經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行，離技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家還有差距?？傊诂F(xiàn)代灌溉的開發(fā)與技術(shù)方面，我國(guó)還落后于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)代灌溉的現(xiàn)狀，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還很多，尤其是自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些技術(shù)在我國(guó)還處于研究和待開發(fā)階段，不能滿足灌溉的需要。1.3目的和意義1.3.1研究目的農(nóng)業(yè)是人類社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)自動(dòng)溉控制技術(shù)。1.3.2研究意義現(xiàn)代智能型控制器是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能。

第2章系統(tǒng)器件選擇設(shè)計(jì)2.1PLC的選型2.1.1PLC機(jī)型的選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性價(jià)比。選擇時(shí)應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)。合理的結(jié)構(gòu)形式：PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)形式。整體式PLC的每個(gè)I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能拓展靈活方便，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)不足時(shí)，只需要加入I/O拓展模塊就可以了，現(xiàn)已開發(fā)了許多實(shí)用的模塊，在模塊的選擇上有很大的余地，而且模塊的維修方便簡(jiǎn)單，廠家提供維修服務(wù)。此類形式常用于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。安裝方式的選擇：PLC的安裝方式分為集中式，遠(yuǎn)程I/O式以及多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)分布式。集中式安裝不需要裝配驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)反應(yīng)能力強(qiáng)，安裝成本低；遠(yuǎn)程I/O式適用于大型系統(tǒng)的安裝，系統(tǒng)的部件裝置可以分布在很廣的范圍內(nèi)，可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝控制裝置，這樣可以得到一個(gè)連接短的系統(tǒng)，但需要額外的裝設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程I/O電源；多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)分布式被應(yīng)用于多臺(tái)設(shè)備技能分別獨(dú)立控制，又得把他們互相聯(lián)系起來(lái)的系統(tǒng)中，在此方式下必須用到通訊模塊來(lái)連接各部分的設(shè)備。3）功能要求：一般小型的PLC都能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開關(guān)控制的設(shè)備都可以滿足。對(duì)于以開關(guān)量為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)可選用中高檔PLC。中高檔PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。2.1.2PLC容量的選擇PLC容量的選擇包括I/O點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量選擇兩方面。1）根據(jù)對(duì)控制設(shè)備的分析，有被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10%~15%的余量來(lái)確定所需的I/O點(diǎn)數(shù)，另外注意，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)不得超過(guò)總輸入點(diǎn)的60%。PLC的輸出點(diǎn)可以分共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。2）存儲(chǔ)容量的選擇：存儲(chǔ)容量的計(jì)算我們不可能做到精確，粗略計(jì)算時(shí)就要留很大的余量。在只有開關(guān)量控制的系統(tǒng)中，可以用輸入量總點(diǎn)數(shù)*10字/點(diǎn)+輸出量的總點(diǎn)數(shù)*5字/點(diǎn)來(lái)估算；計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（3~5）字/個(gè)來(lái)粗略估算；需要進(jìn)行運(yùn)算處理時(shí)按（5~10）字/量來(lái)粗略估算：在有模擬量控制的系統(tǒng)中，可以按每個(gè)接口200字以上的數(shù)量估算。最后，一般在經(jīng)過(guò)以上估算后容量的基礎(chǔ)上再加50%~100%的余量。本設(shè)計(jì)采用德國(guó)西門子S7-200PLC。S7-200PLC是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性價(jià)比。S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。本系統(tǒng)選用S7-200CPU224，S7-200CPU224本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。2.2電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式2.2.1電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇為了使水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小，因此選用Y-Δ起動(dòng)的方式啟動(dòng)水泵，對(duì)于正常運(yùn)行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如果在起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，起動(dòng)完畢后再接成三角形，就可以降低起動(dòng)電流，減輕它對(duì)電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動(dòng)方式稱為星三角減壓起動(dòng)，或簡(jiǎn)稱為星三角起動(dòng)（Y-Δ

起動(dòng)）。采用星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流只是原來(lái)按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3。如果直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流以6～7Ie

計(jì)，則在星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流才2～2.3

倍。這就是說(shuō)采用星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降為原來(lái)按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3。適用于無(wú)載或者輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。并且同任何別的減壓起動(dòng)器相比較，其結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，價(jià)格也最便宜。除此之外，星三角起動(dòng)方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電動(dòng)機(jī)在星形接法下運(yùn)行。此時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩與負(fù)載可以匹配，這樣能使電動(dòng)機(jī)的效率有所提高，并因之節(jié)約了電力消耗。2.1.2電動(dòng)機(jī)電氣控制電路圖2.1電動(dòng)機(jī)電氣控制電路2.2.3電動(dòng)機(jī)的PLC控制程序編寫I/O地址分配圖2.2I/O地址分配程序圖圖2.3星-三角降壓?jiǎn)?dòng)程序圖2.3溫度、濕度傳感器的選型2.3.1溫度傳感器的選擇DS18B20原理與特性：本系統(tǒng)采用了DS18B20單總線可編程溫度傳感器,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換，大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。首先來(lái)介紹一下DS18B20這塊傳感器的特性及其功能：DSl8B20的管腳及特點(diǎn)DS18B20可編程溫度傳感器有3個(gè)管腳。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位只讀內(nèi)部存儲(chǔ)器、溫度傳感器、溫度上/下限報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、暫存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖2.4所示圖2.4DS18B20的外形及管腳排列圖圖2.5DS18B20內(nèi)部功能模塊GND為電源接地線，DQ為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入/輸出端，通過(guò)一個(gè)較弱的上拉電阻與PLC相連。VDD為外接供電電源輸入端，范圍3．O～5.5V。DS18B20內(nèi)部功能模塊如2.5圖所示。DS18B20的工作原理：DS18B20的測(cè)溫原理與DS1820相同，只是因分辨率不同得到的溫度值的位數(shù)DS18B20為9位～12位，而DS1820為9位，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間變?yōu)?50mS,DS18B20的測(cè)溫原理圖如圖2.6所示。雖然現(xiàn)在高精度芯片的采用,但由于技術(shù)問(wèn)題在實(shí)際情況上比較難實(shí)現(xiàn),而實(shí)際精度不能達(dá)到很高的數(shù)值，不過(guò)溫度寄存器中的數(shù)值基本可確定為所測(cè)溫度。斜率累加器的作用就是為了減少這一誤差，它能夠補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的誤差，修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。圖中低溫度系數(shù)振蕩器的晶振振蕩頻率受溫度影響很小，固其能夠產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，用于計(jì)數(shù)器1的輸入。而高溫度系數(shù)振蕩器的晶振振蕩頻率隨溫度變化有著明顯的改變，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用于計(jì)數(shù)器2的輸入。預(yù)置計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器的一個(gè)基數(shù)值，為在－55℃所對(duì)應(yīng)時(shí)。低溫度系數(shù)振蕩器晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器1的減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減到0時(shí)，溫度寄存器中的數(shù)據(jù)值將加1，重新裝入計(jì)數(shù)器1的預(yù)置，低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器1的減法計(jì)數(shù)，循環(huán)執(zhí)行，直到計(jì)數(shù)器2內(nèi)的數(shù)據(jù)減到0時(shí)，停止溫度寄存器內(nèi)值的累加，此時(shí)溫度寄存器內(nèi)的數(shù)值就是現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得溫度。DS18B20的寄存器結(jié)構(gòu)的配置，低五位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式或測(cè)試模式。在其出廠時(shí)改為被設(shè)置為，用戶不要改動(dòng)。R1和R0用來(lái)設(shè)置分辨率。圖2.6DS18B20的測(cè)溫原理框圖2.3.2濕度傳感器的選擇濕度的測(cè)量有很多種方法，濕度傳感器的工作原理是其內(nèi)置的物質(zhì)從周圍環(huán)境中吸收水分后引起的物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，將這種變化以某種等價(jià)方式獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。最常用的有電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件，分別是根據(jù)其內(nèi)置物質(zhì)吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積的變化而測(cè)量得到濕度的。下面介紹HS1100（頂端接觸）/HS1101（側(cè)面接觸）濕度傳感器的特性及其應(yīng)用。1.主要特性（1）不需校準(zhǔn)的完全互換性；（2）可靠性高和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；（3）響應(yīng)時(shí)間快速；（4）使用方便體積??；（5）能夠適用于線性電壓和頻率兩種輸出電路；（6）適宜于流水線自動(dòng)插件的制造和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度的范圍是0~100%RH，電容量的變化為16pF變到200pF，其誤差為±2.5%RH、反應(yīng)時(shí)間小于5S、溫度系數(shù)為0.04pF/℃，可見其有較高的精度。2.工作原理HS1100/HS1101電容傳感器，在電路圖中就是一個(gè)電容器件，這個(gè)電容有著其自身特點(diǎn)：隨著空氣中濕度的改變其電容量也就改變，如何把電容的變化量等價(jià)的轉(zhuǎn)換為能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào)，常用的方法是將該濕敏電容連接在555振蕩電路中，555振蕩電路的連接如圖所示，其可以把電容值的變化量轉(zhuǎn)為易于被計(jì)算機(jī)識(shí)別的與之成反比的電壓頻率信號(hào)。HS1100/HS1101濕度傳感器在不同的相對(duì)濕度中其電容值是不同的，而電容值得改變使電路輸出的頻率也發(fā)生相應(yīng)的改變，HS1100/HS1101的容值隨著相對(duì)濕度的增大而增大，而輸出頻率與之成反比，因此輸出頻率的變化是隨著相對(duì)濕度值的變大而變小，即頻率降低。圖2.7給出了輸出頻率的典型值。圖2.7典型頻率值（參考點(diǎn)：25℃，相對(duì)濕度：50%，輸出頻率：6728KHZ)圖2.8給出了HS1101典型頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路，集成定時(shí)器555未接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成對(duì)C的充電回路并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1用于平衡溫度系數(shù)。圖2.8HS1101典型555應(yīng)用電路2.4模塊的選擇2.4.1模塊的認(rèn)識(shí)每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊，按擴(kuò)展模塊的先后順序進(jìn)行排序，其中，模擬量根據(jù)輸入、輸出不同分別排序。模擬量的數(shù)據(jù)格式為一個(gè)字長(zhǎng)，所以地址必須從偶數(shù)字節(jié)開始，精度為12位；模擬量值為0-32000的數(shù)值。輸入格式：AIW[起始字節(jié)地址]如AIW0輸出格式：AQW[起始字節(jié)地址]AQW0每個(gè)模擬量輸入模塊，按模塊的先后順序地址為固定的，順序向后排。例：：AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。

每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊至少占兩個(gè)通道，即使第一個(gè)模塊只有一個(gè)輸出AQW0(EM235只有一個(gè)模擬量輸出)，第二個(gè)模塊模擬量輸出地址也應(yīng)從AQW4開始尋址，以此類推。

模擬量輸入模塊可以通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置為不同的測(cè)量方式（電流電壓）。模塊開關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個(gè)模塊，一個(gè)模塊只能設(shè)置為一種測(cè)量范圍；而且開關(guān)設(shè)置只有在重新上電后才能生效。只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。

EM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。EM235模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入X＋和X－；對(duì)于電流信號(hào)，將RX和X＋短接后接入電流輸入信號(hào)的“＋”端；未連接傳感器的通道要將X＋和X－短接。

注意：為避免共模電壓，須將M端與所有信號(hào)負(fù)端連接，未連接傳感器的通道要短接。當(dāng)模擬量輸入PLC接收到一個(gè)變動(dòng)很大的不穩(wěn)定的值時(shí)，原因之一：你可能使用了一個(gè)自供電或隔離的傳感器電源，兩個(gè)電源沒(méi)有彼此連接，所以由此產(chǎn)生了一個(gè)很高的上下振動(dòng)的共模電壓，影響模擬量輸入值。原因之二：可能是模擬量輸入模塊接線太長(zhǎng)或絕緣不好。所以解決方法：1.連接傳感器輸入的負(fù)端與模塊上的公共M端以補(bǔ)償此種波動(dòng)。（注意：事前要確定這是兩個(gè)電源間的唯一連接。如果另外一個(gè)連接已經(jīng)存在了，當(dāng)再添加公共連接時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多余的補(bǔ)償電流。）

當(dāng)出現(xiàn)模擬量輸入PLC接收到信號(hào)變化很慢，這可能是你使用了濾波器，可以通過(guò)降低濾波采樣數(shù)，或取消模擬量濾波方式解決。

EM235不是用于與熱電阻連接測(cè)量溫度的模塊，勉強(qiáng)使用容易帶來(lái)故障。模擬量輸入模塊使用前應(yīng)進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其實(shí)出廠前已經(jīng)進(jìn)行了輸入校準(zhǔn)，如果OFFSET和GAIN電位器已被重新調(diào)整，需要重新進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其步驟如下：

A、切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。

B、接通CPU和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘。

C、用一個(gè)變送器，一個(gè)電壓源或一個(gè)電流源，將零值信號(hào)加到一個(gè)輸入端。

D、讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝贑PU中的測(cè)量值。

E、調(diào)節(jié)OFFSET（偏置）電位計(jì)，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。

F、將一個(gè)滿刻度值信號(hào)接到輸入端子中的一個(gè)，讀出送到CPU的值。

G、調(diào)節(jié)GAIN（增益）電位計(jì)，直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。

H、必要時(shí)，重復(fù)偏置和增益校準(zhǔn)過(guò)程。

假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0—Am（如：4—20mA），A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為D0—Dm（如：6400—32000），設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)＝f（D）可以表示為數(shù)學(xué)方程：

A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0。

根據(jù)該方程式，可以方便地根據(jù)D值計(jì)算出A值。將該方程式逆變換，得出函數(shù)關(guān)系D＝f（A）可以表示為數(shù)學(xué)方程：

D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0。具體舉一個(gè)實(shí)例，以S7-200和4—20mA為例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：

A＝（D－6400）×（20－4）／（32000－6400）＋4

假設(shè)該模擬量與AIW0對(duì)應(yīng)，則當(dāng)AIW0的值為12800時(shí)，相應(yīng)的模擬電信號(hào)是6400×16／25600＋4＝8mA。又如，某溫度傳感器，－10—60℃與4—20mA相對(duì)應(yīng)，以T表示溫度值，AIW0為PLC模擬量采樣值，則根據(jù)上式直接代入得出：T=70×（AIW0－6400）／25600－10可以用T直接顯示溫度值。本設(shè)計(jì)需要測(cè)量溫度、濕度兩路模擬量信號(hào)，EM235為三路模擬量輸入、一路模擬量輸出，EM235模塊能夠滿足系統(tǒng)的要求。2.4.2EM235配置圖2.9EM235的常用技術(shù)參數(shù)如圖2.10EM235模塊如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM235模塊如何用DIP開關(guān)設(shè)置如圖2.10所示。開關(guān)1～6可選擇模擬量的單/雙極性、增益、衰減性和輸入范圍。DIP開關(guān)SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)SW6為ON時(shí)為單極性輸入，SW6為OFF為雙極性輸入。SW4和SW5決定其增益的選擇，SW1,SW2,SW3共同決定了其衰減性的選擇，表中，ON為接通，OFF為斷開。2.5系統(tǒng)所需電源的選擇選好電源是PLC能穩(wěn)定可靠工作的前提，電源看似簡(jiǎn)單，但針對(duì)不同的系統(tǒng)要求，電源的選擇卻不能很隨意。如果隨便選個(gè)電源，那么很可能會(huì)造成系統(tǒng)供電崩潰的后果，由于沒(méi)有選擇PLC匹配的供電電源而導(dǎo)致出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。本系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC，其輸入電壓為200VAC，輸出電壓為24VDC。PLC內(nèi)部的電源可分為：內(nèi)部——開關(guān)穩(wěn)壓電源，供內(nèi)部電路使用，大多數(shù)機(jī)型還可以向外提供DC24V穩(wěn)壓電源，為現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)信號(hào)、外部傳感器供電。西門子PLC有多種24VDC電源模塊可用于S7-200PLC和傳感器。而本系統(tǒng)選用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵，因此系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)380V的三相交流電源。

第3章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1常用PLC程序的設(shè)計(jì)方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、電路轉(zhuǎn)換梯形圖法、邏輯設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：即根據(jù)前人總結(jié)的典型控制電路程序，再按照設(shè)計(jì)中被對(duì)象的具體要求，把典型程序進(jìn)行從新組合，而且需要反復(fù)調(diào)試和修改，得到現(xiàn)在系統(tǒng)所需要的梯形圖，有時(shí)僅僅這些還不能滿足要求，還需要增加中間環(huán)節(jié)，才能得出符合要求的系統(tǒng)。這種方法沒(méi)有一定的規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。2.繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。3.順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。4.邏輯設(shè)計(jì)法：通過(guò)中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來(lái)。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。本次設(shè)計(jì)采用的就是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。3.2溫度監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是對(duì)溫度的處理，需要用到傳感器采取電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬輸入模塊的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入PLC，假設(shè)物理量為A5，范圍為A0—Am，實(shí)時(shí)物理量為X，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為B0—Bm，實(shí)時(shí)電信號(hào)為Y，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0—Cm，實(shí)時(shí)數(shù)值為Z，由于是線性關(guān)系，可以得到方程式Y(jié)=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值的方程式可表示為Z=（Cm-C0）*(X-A0)/(Am-A0)+C0有此式就可以得出逆變換的方程式X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0在本設(shè)計(jì)中溫度傳感器的測(cè)量范圍為0～100℃，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為4～20mA，輸入信號(hào)的數(shù)字量為6400～32000。溫度的設(shè)定值為25℃，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量由轉(zhuǎn)換公式可得到為9600。由逆變公式可得到溫度的顯示數(shù)值為X=100*（Z-6400）/25600。環(huán)境的變化量可以為25℃，我們可以設(shè)置當(dāng)溫度大于等于30℃時(shí)，系統(tǒng)控制水泵澆灌。本設(shè)計(jì)采用的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，首先要建立回路表，初始化PID參數(shù)。該系統(tǒng)的控制過(guò)程：?jiǎn)?dòng)時(shí)，手動(dòng)控制加熱器使環(huán)境溫度達(dá)到要求值，在顯示器上顯示實(shí)時(shí)的溫度，然后切換到自動(dòng)方式。I0.0控制手動(dòng)/自動(dòng)的切換,0代表手動(dòng)，1代表自動(dòng)。當(dāng)工作在手動(dòng)方式下，可以把過(guò)程變量直接寫入回路表中的輸出寄存器（VD108）。其中主程序的功能是PLC首次運(yùn)行時(shí)利用SM0.1調(diào)用初始化子程序SBR0。子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立5S的定時(shí)中斷，并且開中斷。中斷程序INT0的功能是輸入測(cè)量值，并送入回路表，經(jīng)過(guò)PID計(jì)算將輸出值輸出，從而控制水泵澆灌。圖3.1溫度監(jiān)控程序梯形圖3.3濕度監(jiān)控程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中濕度傳感器的測(cè)量范圍是0到100%RH，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為4～20mA，輸入信號(hào)的數(shù)字量為6400～32000。濕度的設(shè)定值為50%RH，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量由轉(zhuǎn)換公式可得到為19200。由逆變公式可得到溫度的輸出顯示數(shù)值為X=100*（Z-6400）/25600。環(huán)境的變化量可以為45%RH，我們可以設(shè)置當(dāng)溫度大于等于55%RH或小于等于45%RH時(shí)，系統(tǒng)控制水泵澆灌。圖3.2濕度監(jiān)控程序圖

結(jié)論本課題以PLC為核心，外圍由溫度、濕度傳感器及必要輸入輸出設(shè)備電路、水泵等組成。通過(guò)相應(yīng)的傳感器獲取外界環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過(guò)一定的邏輯運(yùn)算后控制水泵的啟動(dòng)或者停止來(lái)進(jìn)行自動(dòng)的澆灌。為防止水泵過(guò)于頻繁的啟停，應(yīng)在控制邏輯決策時(shí)加入一定的簡(jiǎn)單控制策略。本系統(tǒng)能夠在自動(dòng)模式與手動(dòng)模式之間進(jìn)行自由切換。該系統(tǒng)能夠提高灌溉效率，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的，同時(shí)，能減輕澆灌人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，將科學(xué)的澆灌經(jīng)驗(yàn)固化在控制器中，降低了對(duì)種植經(jīng)驗(yàn)的要求，有利于提高生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)的寫作是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要不斷的進(jìn)行精心的修改，不斷地去研究各方面的文獻(xiàn)，認(rèn)真總結(jié)。歷經(jīng)了這么久的努力，終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的寫作的過(guò)程中，我擁有了無(wú)數(shù)難忘的感動(dòng)和收獲。通過(guò)此次的工作，我從中學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，也把以前學(xué)習(xí)到的知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本設(shè)計(jì)中成功的運(yùn)用了西門子S7-200PLC設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)監(jiān)控的環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PLC控制，得到了一個(gè)反應(yīng)比較迅速，控制精度比較高的控制系統(tǒng)。首先我學(xué)會(huì)了如何查閱參考資料，通過(guò)查閱資料我了解到了更多的基礎(chǔ)知識(shí)，豐富了我的見解，使我更加容易的做完畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中同學(xué)之間互相幫助，共同商量相關(guān)專業(yè)問(wèn)題,這種交流對(duì)于即將面臨畢業(yè)的我們來(lái)說(shuō)是一次很有意義的經(jīng)歷,大學(xué)都一起走過(guò)了,在最后我們可以聚在一起討論學(xué)習(xí),研究專業(yè)問(wèn)題,進(jìn)而更好的了解我們每個(gè)人的興趣之所在,明確我們的人生理想,進(jìn)而在今后的生活和工作中更好的發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì),學(xué)好自己的專業(yè),成為一個(gè)對(duì)于社會(huì)有用的人.在此更要感謝我的專業(yè)老師，是你們的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷，使我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。老師對(duì)于學(xué)生總是默默的付出,盡管很多時(shí)候我們自己并沒(méi)有特別重視設(shè)計(jì)的寫作,沒(méi)有按時(shí)完成老師的任務(wù),但是老師還是能夠主動(dòng)的和我們聯(lián)系,告訴我們應(yīng)該怎么樣修改設(shè)計(jì),怎么樣按要求完成設(shè)計(jì)相關(guān)的工作。老師的檢查總是很仔細(xì)的，可以認(rèn)真的看設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)小的格式要求，認(rèn)真的讀每一個(gè)同學(xué)的設(shè)計(jì)，然后提出最中肯的意見，這是很難得的。

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