基于單片機與PLC的農業大棚溫濕度控制系統設計

摘要：設計了一種基于Atmegal16L單片機和西門子S7-300 PLC的農業大棚溫濕度控制系統。以DHT11為系統的溫濕度傳感器，單片機為采集和數據處理單元，采集的數據通過D/A轉換傳送給執行控制器S7-300 PLC，通過觸摸屏TP177B可以對系統進行模式設定和運行狀態監控。該控制系統人機界面良好、操作簡便、自動化程度高，具有良好的應用前景和推廣價值。

關鍵詞：單片機；PLC；農業大棚；溫濕度

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0448-03

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

農業大棚控制系統目前大多采用計算機作為上位機和微控制器作為下位機相結合的方法[1]。下位機將采集到的數據經過處理后通過數據線傳送給上位機，由上位機實現對溫濕度的控制。采用這種結構的系統可以采集多點數據，因此可以對較大范圍內的作物環境進行溫濕度的監測與控制。為了實現大棚數據的多點采集以及提高系統的可靠性，設計了一種基于單片機和PLC的大棚溫濕度控制系統，該系統采用觸摸屏作為系統的人機交互界面。

1 系統的技術指標

1.1 系統功能

系統有自動和手動兩種工作模式，處于自動模式時，通過溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準脈沖信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有單總線信號輸出、響應快、抗干擾能力強等優點[2]。各站點溫濕度傳感器采集的信號經過整形處理電路后傳送給站點單片機，站點單片機對數據進行優化處理后將數據通過串行通訊的模式傳輸給PLC[3]，控制器PLC發出命令給風機控制器和溫濕度調節裝置，實現大棚加濕、通風和溫度調節。

1.2 技術指標

S7-300 PLC（CPU314C-2DP）的工作電壓為直流24 V，Atmegal16L單片機工作電壓為直流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，當系統采集到當前溫濕度參數低于下限值20%或超過上限設定值的20%時，人機界面HMI的報警指示燈開始閃爍。

2 系統硬件的設計

2.1 系統的組成原理

用戶可以通過人機界面參數設定I/O域輸入溫濕度的上下限值，也可以通過HMI觀測當前的數據參數，從而實現農業大棚環境設定和監視。處于自動模式時，控制器PLC系統根據當前環境設定的上下限值自動控制執行機構調節大棚內溫度和濕度，直到參數處于上下限定范圍內為止。系統處于手動模式時通過觸摸屏TP177B可手動控制執行機構[5]，實現對大棚環境參數的調節。

2.2 系統硬件的設計

系統的硬件部分主要由人機界面、執行控制器PLC、下位機單片機和執行機構4部分組成。傳感器檢測到的數據經過整形放大信號處理電路后，將數據傳給單片機[6]，單片機將接收到的數據進行D/A轉換后傳送給執行控制器S7-300 PLC，PLC根據編寫的程序輸出相應的指令實現對執行器的控制[7]，從而實現對大棚參數的調節（圖1）。

2.3 TP177B觸摸屏畫面

人機界面為西門子的TP177B觸摸屏，根據不同的生長季節和時期作物對生長環境的需求不同，通過觸摸屏可以設置大棚溫濕度的上下限參數，調整農作物生長的環境；通過人機界面顯示當前大棚的溫濕度實時參數，也可在TP177B上進行手動調節，通過風機、加溫器和噴霧加濕器調節大棚溫濕度（圖2、圖3）。觸摸屏參數的設定和顯示界面可以進行手動切換。

2.4 執行控制器S7-300 PLC

該系統的執行控制器PLC采用的是西門子S7-300 PLC（CPU314C-2DP），單片機實時采集DHT11發送的數據，經過D/A轉換，將溫濕度的模擬量發送給PLC，并通過人機界面TP177B顯示，PLC接收來自單片機或HMI的數據，經過程序處理后發出指令控制執行器調節農業大棚的環境參數。系統的電氣原理圖如圖4所示。

3 系統的軟件設計

系統軟件采用C語言設計，程序由主程序、數據采集程序、D/A轉換程序和輸出執行程序模塊構成（圖5）[8]。系統上電后，主程序先完成系統初始化，調用數據采集模塊讀取傳感器的數據，采集數據時，單片機通過連接DHT11數據的I/O口向傳感器發送一個不小于18 ms的低電平信號進行數據請求[9]，然后I/O口作為輸入等待傳感器的DATA數據，單片機采集到傳感器DHT11傳送的數據后對其進行D/A轉換，將得到的模擬量信號傳送給執行控制S7-300 PLC，然后繼續返回重新讀取數據，如此進行循環[10]。

4 小結

設計的農業大棚溫濕度控制系統可以對農業大棚環境的溫濕度進行實時監測和調節，系統的硬件為DTH11溫濕度傳感器、Atmegal16L單片機、S7-300 PLC和TP177B人機界面。傳感器分散式多點采集溫濕度參數，單片機為數據采集處理器，PLC為系統的執行和控制器，人機界面進行監測和調控。該系統安全、可靠、易于操作，控制效果良好，具有推廣價值。

參考文獻：

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