基于三菱PLC的一種溫室溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)

【摘要】本文以三菱FX3U為工控核心，對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)及其數(shù)字傳感器件進(jìn)行分析和選擇，提出了一種利用DS18B20、DHT11傳感器為節(jié)點(diǎn)、有效采集溫室溫度和濕度的技術(shù)方案。同時(shí)，提出的技術(shù)方案對(duì)溫度控制和濕度控制進(jìn)行了流程設(shè)計(jì)，為后續(xù)模塊化功能設(shè)計(jì)做了基礎(chǔ)研究。另外，對(duì)于系統(tǒng)中上位機(jī)和下位機(jī)的通信，我們也在研究中考慮為系統(tǒng)將來進(jìn)一步技術(shù)完善而預(yù)留了空間。

【關(guān)鍵詞】三菱PLC；DS18B20；DHT11；溫濕度監(jiān)測(cè)

一般而言，溫度和濕度是溫室大棚最容易控制和調(diào)節(jié)的環(huán)境因子。溫室大棚對(duì)溫度控制及調(diào)節(jié)主要有下面三種形式：增溫、降溫、恒溫。溫度的控制與調(diào)節(jié)要確保大棚內(nèi)的作物能茁長(zhǎng)生長(zhǎng)，棚內(nèi)溫度分布要均勻，變化范圍要小，不影響作物的生長(zhǎng)。而溫室內(nèi)的濕度分為空氣濕度和土壤濕度，調(diào)節(jié)好兩種濕度方能更好地控制棚內(nèi)的濕度，濕度的調(diào)控范圍一般在20%RH～90%RH之間，其精度則為±5%。濕度調(diào)控和溫度調(diào)控之間可能會(huì)相互影響，所以我們?cè)O(shè)計(jì)一種利用三菱PLC為工控核心的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室內(nèi)溫度和濕度的有效監(jiān)控。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分構(gòu)成：人機(jī)界面、PLC主控制器、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。各種傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)大棚內(nèi)溫度因子進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳入給單片機(jī)，完成了環(huán)境數(shù)據(jù)采集；主控制器為PLC，監(jiān)控模塊則由PC機(jī)和組態(tài)軟件組成，兩者通過串口進(jìn)行通信來控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)了控制過程的智能化、人性化。

采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分布在大棚內(nèi)部，通過節(jié)點(diǎn)模塊上的傳感器采集大棚內(nèi)各個(gè)位置溫度值、濕度值和光照強(qiáng)度值，通過單片機(jī)處理后傳給輸入端口，輸入端口再傳給PLC。PLC將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，取其計(jì)算平均值作為棚內(nèi)實(shí)際值，PLC程序處理平均值后得到相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，通過輸出端口傳輸給采集節(jié)點(diǎn)，然后節(jié)點(diǎn)再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備，并通過人機(jī)界面觸摸屏反應(yīng)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

一、系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

采用上位機(jī)三菱GT系列觸摸屏和下位機(jī)三菱FX-3U系列可編程控制器、STC系列單片機(jī)組成分布式溫室控制系統(tǒng)的硬件部分。智慧大棚溫室系統(tǒng)監(jiān)控和環(huán)境參數(shù)的設(shè)置由觸摸屏完成，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)溫室參數(shù)信息采集，控制中心PLC負(fù)責(zé)接收，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而控制設(shè)備運(yùn)行。由于PLC的生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且PLC在使用已形成一個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，使用過程中隨時(shí)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，方便可靠，成本較低，所以控制系統(tǒng)選擇以PLC為主控器進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

二、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件的選擇，選擇三菱GT系列觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，三菱3U系列PLC作為下位機(jī)系統(tǒng)軟件，觸摸屏的監(jiān)控程序則由觸摸屏相應(yīng)編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC的控制程序則采用GXWork2編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。系統(tǒng)軟件的選擇立足于滿足對(duì)溫室環(huán)境因子檢測(cè)和監(jiān)控，同時(shí)也要完成上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，而且整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面簡(jiǎn)單顯示，環(huán)境因子控制能簡(jiǎn)單方便，同時(shí)滿足適用性好、通用性強(qiáng)的軟件開發(fā)原則，為系統(tǒng)以后功能的擴(kuò)充和進(jìn)一步開發(fā)留下余地。

三、傳感器件的選擇

傳感器系統(tǒng)的主要功能是將傳感器采樣得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫室現(xiàn)場(chǎng)控制器所需要的信號(hào)。溫室環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)中，傳感器位于作物需要檢測(cè)的位置，一般通過雙絞線的方法將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給溫室控制器。考慮到傳輸距離的問題，本文設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)的輸出電流都控制在0～10mA，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性。傳感器型號(hào)的選用應(yīng)該首先考慮使用方便，變換電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。溫度傳感器DS18B20是電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出量作為溫度指示，其電流溫度靈敏度為1μA/k。它的輸出電流精確地正比于絕對(duì)溫度，可以作為精確測(cè)溫元件。DS18B20只需要一個(gè)電源（3.0-5.5V/DC），即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流源的轉(zhuǎn)換，使用方便。DS18B20的校準(zhǔn)精度可達(dá)±0.5℃，當(dāng)其在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后，測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。作為一種正比于溫度的高阻電流源，它克服了電壓輸出型溫度傳感器在長(zhǎng)距離溫度遙測(cè)和遙控應(yīng)用中電壓信號(hào)損失和噪聲干擾問題，不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，因此，除適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量外，特別適用于遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制。因此，選用DS18B20傳感器可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

另外，設(shè)計(jì)時(shí)選用的DHT11傳感器是一種數(shù)字溫濕度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度信號(hào)共同檢測(cè)和傳遞，DHT11主要采用了特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和專業(yè)的溫濕度傳感技術(shù)，保證了該傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。DHT11傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件組成，同時(shí)可以連接一個(gè)8B性能的單片機(jī)。同時(shí)，DHT11還有傳感器使用單線串行接線端口，使系統(tǒng)連接和控制更加簡(jiǎn)單方便。DHT11傳感器的測(cè)量范圍：濕度量程為20%RH～90%RH，精度為±0.5RH；溫度量程為0℃～50℃，精度為±2℃。

四、節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境的需求，把STC89C52單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的核心元件，集成DS18B20溫室傳感器、LCD1602字符型液晶顯示器等元器件，最終運(yùn)用Proteus電路仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如圖1所示，采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分布在溫室內(nèi)，通過節(jié)點(diǎn)模塊上的傳感器采集大棚內(nèi)各個(gè)位置溫度值、濕度值，通過單片機(jī)處理后傳給輸入端口，輸入端口再傳給PLC。PLC將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，取其計(jì)算平均值作為棚內(nèi)實(shí)際值，PLC程序處理平均值后得到相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，通過輸出端口傳輸給采集節(jié)點(diǎn)，然后節(jié)點(diǎn)再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備，并通過人機(jī)見面觸摸屏反應(yīng)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

PLC軟件設(shè)計(jì)了按下啟動(dòng)按鈕，PLC卡隨即開始掃描，溫度傳感器將溫濕度測(cè)量值信號(hào)送到PLC中，與PLC設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比分析，最后將得到的分析結(jié)果輸出給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如果分析結(jié)果值高于設(shè)定值，則控制打開通風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)，如果分析結(jié)果值等于設(shè)定結(jié)果等于低于設(shè)定值，則打開供熱設(shè)備。假設(shè)風(fēng)機(jī)、供熱設(shè)備或傳感器出現(xiàn)故障的時(shí)候就發(fā)出聲光報(bào)警?？諝鉂穸葌鞲衅鲗z測(cè)的溫室參數(shù)送到PLC中，PLC將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果空氣溫度高與設(shè)定值，則控制打開風(fēng)機(jī)進(jìn)行去濕，如果測(cè)量值等于設(shè)定值，則關(guān)閉風(fēng)扇和風(fēng)機(jī)；如果測(cè)量值低于主設(shè)定值，則發(fā)出指令控制打開空氣濕度電磁閥，對(duì)空氣進(jìn)行噴霧。土壤濕度傳感器檢測(cè)的值先送到PLC中，與PLC設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比分析，如果測(cè)量值高于設(shè)定值，則由PLC發(fā)出控制，關(guān)閉控制土壤濕度的電磁閥；如果電磁-閥發(fā)生故障則會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)。

五、溫度控制流程設(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，溫度傳感器對(duì)大棚內(nèi)的溫度值進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算處理后傳給PLC，與PLC設(shè)定好的溫度值進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)檢測(cè)值等于設(shè)定值，則保持大棚的溫度不變；當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)定值，則打開加熱器對(duì)大棚進(jìn)行加熱；當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值，則運(yùn)行散熱風(fēng)扇對(duì)大棚降溫。溫室控制工作流程如圖2所示。

六、濕度控制流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始工作時(shí)，濕度傳感器對(duì)大棚環(huán)境濕度進(jìn)行檢測(cè)?？諝鉂穸葌鞲衅骱屯寥罎穸葌鞲衅鲗y(cè)量結(jié)果送到PLC中心后，PLC將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果測(cè)量值等于或大于設(shè)定值，則關(guān)閉噴灌電磁閥；當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，則打開噴灌電磁閥。濕度控制流程圖如圖3所示。

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作者簡(jiǎn)介：高毅（1978—），男，苗族，貴州貴陽(yáng)人，碩士，貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，副教授，研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。