摘要：設(shè)計(jì)了一種基于Atmegal16L單片機(jī)和西門子S7-300 PLC的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)。以DHT11為系統(tǒng)的溫濕度傳感器，單片機(jī)為采集和數(shù)據(jù)處理單元，采集的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換傳送給執(zhí)行控制器S7-300 PLC，通過觸摸屏TP177B可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模式設(shè)定和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。該控制系統(tǒng)人機(jī)界面良好、操作簡便、自動(dòng)化程度高，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PLC；農(nóng)業(yè)大棚；溫濕度

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）02-0448-03

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)蔬菜和瓜果的需求日益增加。為了滿足這一要求，采用農(nóng)業(yè)大棚種植蔬菜和瓜果得到了廣泛推廣和應(yīng)用。農(nóng)業(yè)大棚中的作物生長需要滿足一定的環(huán)境條件，其中對(duì)作物生長影響最大的是環(huán)境溫度和濕度。在作物生長的不同階段，環(huán)境溫度和濕度應(yīng)保持在一定范圍，才能滿足作物生長要求。因此對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，使環(huán)境的溫度和濕度適合作物的生長，從而對(duì)提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的意義。

農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)目前大多采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)和微控制器作為下位機(jī)相結(jié)合的方法[1]。下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過數(shù)據(jù)線傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制。采用這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可以采集多點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此可以對(duì)較大范圍內(nèi)的作物環(huán)境進(jìn)行溫濕度的監(jiān)測與控制。為了實(shí)現(xiàn)大棚數(shù)據(jù)的多點(diǎn)采集以及提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和PLC的大棚溫濕度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

1 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，處于自動(dòng)模式時(shí)，通過溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有單總線信號(hào)輸出、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。各站點(diǎn)溫濕度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過整形處理電路后傳送給站點(diǎn)單片機(jī)，站點(diǎn)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理后將數(shù)據(jù)通過串行通訊的模式傳輸給PLC[3]，控制器PLC發(fā)出命令給風(fēng)機(jī)控制器和溫濕度調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)大棚加濕、通風(fēng)和溫度調(diào)節(jié)。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

S7-300 PLC（CPU314C-2DP）的工作電壓為直流24 V，Atmegal16L單片機(jī)工作電壓為直流5 V[4]，溫濕度傳感器DHT11的工作電壓為直流5 V。溫度檢測范圍為0～50 ℃，溫度控制誤差為±2 ℃；濕度檢測范圍為0%～90%RH，濕度誤差為±5%RH；溫濕度顯示方式為觸摸屏顯示，當(dāng)系統(tǒng)采集到當(dāng)前溫濕度參數(shù)低于下限值20%或超過上限設(shè)定值的20%時(shí)，人機(jī)界面HMI的報(bào)警指示燈開始閃爍。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成原理

用戶可以通過人機(jī)界面參數(shù)設(shè)定I/O域輸入溫濕度的上下限值，也可以通過HMI觀測當(dāng)前的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境設(shè)定和監(jiān)視。處于自動(dòng)模式時(shí)，控制器PLC系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境設(shè)定的上下限值自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度，直到參數(shù)處于上下限定范圍內(nèi)為止。系統(tǒng)處于手動(dòng)模式時(shí)通過觸摸屏TP177B可手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由人機(jī)界面、執(zhí)行控制器PLC、下位機(jī)單片機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分組成。傳感器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過整形放大信號(hào)處理電路后，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)[6]，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后傳送給執(zhí)行控制器S7-300 PLC，PLC根據(jù)編寫的程序輸出相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制[7]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚參數(shù)的調(diào)節(jié)（圖1）。

2.3 TP177B觸摸屏畫面

人機(jī)界面為西門子的TP177B觸摸屏，根據(jù)不同的生長季節(jié)和時(shí)期作物對(duì)生長環(huán)境的需求不同，通過觸摸屏可以設(shè)置大棚溫濕度的上下限參數(shù)，調(diào)整農(nóng)作物生長的環(huán)境；通過人機(jī)界面顯示當(dāng)前大棚的溫濕度實(shí)時(shí)參數(shù)，也可在TP177B上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過風(fēng)機(jī)、加溫器和噴霧加濕器調(diào)節(jié)大棚溫濕度（圖2、圖3）。觸摸屏參數(shù)的設(shè)定和顯示界面可以進(jìn)行手動(dòng)切換。

2.4 執(zhí)行控制器S7-300 PLC

該系統(tǒng)的執(zhí)行控制器PLC采用的是西門子S7-300 PLC（CPU314C-2DP），單片機(jī)實(shí)時(shí)采集DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將溫濕度的模擬量發(fā)送給PLC，并通過人機(jī)界面TP177B顯示，PLC接收來自單片機(jī)或HMI的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序處理后發(fā)出指令控制執(zhí)行器調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)的電氣原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言設(shè)計(jì)，程序由主程序、數(shù)據(jù)采集程序、D/A轉(zhuǎn)換程序和輸出執(zhí)行程序模塊構(gòu)成（圖5）[8]。系統(tǒng)上電后，主程序先完成系統(tǒng)初始化，調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊讀取傳感器的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過連接DHT11數(shù)據(jù)的I/O口向傳感器發(fā)送一個(gè)不小于18 ms的低電平信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求[9]，然后I/O口作為輸入等待傳感器的DATA數(shù)據(jù)，單片機(jī)采集到傳感器DHT11傳送的數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，將得到的模擬量信號(hào)傳送給執(zhí)行控制S7-300 PLC，然后繼續(xù)返回重新讀取數(shù)據(jù)，如此進(jìn)行循環(huán)[10]。

4 小結(jié)

設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的硬件為DTH11溫濕度傳感器、Atmegal16L單片機(jī)、S7-300 PLC和TP177B人機(jī)界面。傳感器分散式多點(diǎn)采集溫濕度參數(shù)，單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集處理器，PLC為系統(tǒng)的執(zhí)行和控制器，人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控。該系統(tǒng)安全、可靠、易于操作，控制效果良好，具有推廣價(jià)值。

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