戚洪峰

（青岛工学院，山东 青岛 266300）

1 绪论

蔬菜大棚存在的价值就是为蔬菜提供最适宜的生长环境，从而避免了气候的差异和恶劣的天气环境。虽然我国是世界第一农业大国，但由于我国对蔬菜大棚的控制技术研究比较晚，所以我国蔬菜大棚的控制大部分处于手动控制阶段，主要靠农民师傅的实际经验来完成，技术比起发达国家还相对落后。无法发挥大棚的高效性，影响了农业现代化进程的发展。

本设计主要研究蔬菜大棚恒温恒湿的控制问题。其核心部件是PLC，PLC作为一款工业微型控制器，其结构可靠而且它使用较高的供电电压，减少了外设的驱动电路，解决了很大一部分的外设问题。

（1）掌握蔬菜大棚的主要功能及控制系统设计。

（2）对蔬菜大棚的运行模式进行逻辑分析并选择合理的控制方式。

（3）对PLC的硬件部分进行设计。

（4）对整个系统做整体的测试分析。

2 系统硬件设计

蔬菜大棚的控制系统是用于控制蔬菜的温湿度，可以用来完成信息采集、信息处理。本设计可以使大棚的温湿度到达指定参数。

本设计由TM200CE40RS可编程控制器、触摸屏、传感器、报警器和输出设备组成。采用两组温湿度传感器并且布置在不同的位置，来测量出大棚的温度和湿度情况。传感器将所测量的信息发送给PLC，PLC将其测量值与设定值进行比较，从而发出对应的指令来调整大棚内部的温湿度。

其完成的功能如下：

（1）能够实时采集与显示环境温度、湿度等参数。

（2）能够根据要求变化通过键盘输入改变对参数的设置，以满足不同的要求达到最佳效果。

（3）声音报警功能。

（4）根据检测到的信号，实时控制执行机构的开启与关断。

伴随着PLC技术的不断发展，可编程控制器的种类和型号也越来越多，它们的功能、价格、使用条件也各不相同。由于本设计的控制对PLC要求不是很高，调试和故障查找非常方便，而且价格低廉与和同类型的PLC相比，施耐德公司生产的PLC质量好、运行速度快、可扩展性强、抗干扰能力强。因此本设计采用施耐德公司生产的PLC。

采用TM200CE40R型PLC，此类型的PLC是施耐德公司生产的一种小型的PLC，其功能不比大、中型PLC的水平差，而且TM200CE40R型PLC价格低廉，完全在农民师傅的经济承受能力之内。当时刚刚推出此产品就引起了自动化工作者的广泛好评。在本设计中共用到了十个输入，九个输出，其中有八个输入分别给两路温度和湿度传感器。

触摸屏人机界面模块可以操控PLC，通过触摸屏上的按键完全可以实时调控和监视大棚内的参数，使该设计系统能达到自动化甚至是无人化的控制。考虑到蔬菜大棚内的环境因素，如果在大棚内安装各种电气设备则会在大棚中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输的错误故采用RS485实现触摸屏与PLC的通讯。RS485协议下数据信号采用差分传输方式，这样可以有效的解决共模干扰问题，其最大传输距离可以达到一千二百米，而且同一条总线上可以连接多个收发设备。RS485协议设备价格低廉性能可靠适合小企业安装。

温湿度传感器的种类很多，其测量精度、性能也不尽相同，而且传感器会受到各种因素的影响。所以传感器的选择对测量的精度起着关键的作用。这就需要根据实际的环境，多方面的考察，选择最合适的传感器。

传感器的精度是控制系统重要的性能指标，它就相当于人的眼睛一样重要。传感器精度越高测量越准确价格愈昂贵，所以传感器的精度选择只要满足整个系统的精度要求即可。传感器的稳定性是本设计的关键，稳定性除了受到自身结构的影响还与其所在的环境有着密切的关联。因此，这就要求所选择的传感器应具备较高稳定性较强的抗干扰能力灵敏度高等特点。

（1）温度传感器。本设计采用PT100温度传感器来测量大棚的温度。采集大棚的温度时要考虑两种情况，一类是大棚内的土壤温度另一类是大棚内部空气温度。经过详细的勘察两个温度并没有太大的差别故温度传感器直接悬空测量即可。根据传感器所能采集的范围和精度来选择传感器的个数。两路温度传感器足以覆盖整个蔬菜大棚。

（2）湿度传感器。湿度传感器即测量环境相对湿度的电子式敏感元器件。湿度传感器选用型号为HS1101的电容传感器。其湿度允许误差：±2%RH，量程为1%～99%RH。HS1101电容式传感器具有灵敏度高、互换性好、响应速度快等特点而且其抗干扰能力、防灰尘能力也特别强，可以抵抗如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等腐蚀性气体。经过实际应用发现其稳定性及可靠性也超出一般电阻式好多倍。所以选用HS1101电容式湿度传感器更实用。

根据大棚的面积和植物的高度选择合适的位置固定传感器，使得检测更准确。信息量的采集是本设计研究的关键。采集不到数据或者采集的数据不准确本设计就体现不了它的价值。首先是温、湿度采集的区域，起初将温湿度传感器放在一起但彼此之间会相互干扰，使得采集的数据失真。经过研究发现温度和湿度两类传感器要分别安放在不同的区域才能使采集的数据更精准。

四季的温湿度各有不同，考虑到这方面的因素，再结合师傅们的经验，选用人机界面进行控制。这样可以随时调节大棚内空气的温湿度其操作方式可以通过人机界面进行手动和自动两种模式的切换。

3 系统软件设计

本设计的关键问题在于控制大棚内的温湿度。这不仅需要传感器本身的精度和测量范围更需要程序的算法。

（1）信息采集功能：模拟量的采集需要温度和湿度两类传感器。两类传感器直接和PLC串口连接即可。

（2）时时通讯功能：手动的方式完成对大棚温湿度的调节。一年四季气候各异，每个季节都要需要按照植物的生长环境找到其适宜的生活条件调控好不同的温湿度，采用触摸屏人机界面完成对信息的监控和调试。其通讯方式采用RS485串口通讯。

（3）安全保障功能：本设计系统还有安全保障性能，如果在高温的天气下，降温效果不明显时，则开启有效的紧急措施，不仅打开风扇降温，还会开启水阀进行洒水。如果在断电的情况下会自动保存系统的数据不丢失。如果在大棚内温度特别高时烟雾报警模块便会启动，使整个大棚没有任何安全隐患。

系统开始工作时，温、湿度传感器将土壤的温、湿度测量值传送给PLC，PLC将检测到的温湿度与设定值进行逻辑运算。若测量值大于设定值，则打开通风扇降低室内温度并且打开除湿器。若测量值比设定值小，立即启动供热系统和洒水装置分别提高温度和湿度，当测量的温湿度达到设定值时，则停止供热和洒水。如果检测到的温湿度值等于设定值，则保持大棚的温湿度。

4 总结

本设计系统有两种工作模式分别是手动和自动。自动模式是系统正常运行下的状态，手动模式主要应用于应对一些突发的情况比如火灾。在正常运行的模式下，温度和湿度传感器实时采集数据并将采集到的数据传送给PLC，PLC再将测量值与系统的设定值进行简单的逻辑比较，若测量值低于设定值则开启加热器和热风机；若测量值高于设定值则开启风扇和空调降温；若大棚内的测量值与设定值之差在允许的波动范围之内，系统处于保持状态，输出设备不工作。

本设计是在前人原有经验的基础上，再结合农业知识和各种已经收集到的实验数据，来进行控制的。这种控制方式可以使系统更精确更稳定运行。为了满足蔬菜大棚在不同的反季节中有不同的温湿度的标准，我设计了可以通过人机界面自动调控蔬菜大棚内环境的温度和湿度，从而达到适宜植物生长的环境。蔬菜大棚的控制系统可以使大棚工作在经济节能的状态，而且无污染、寿命长、易更换，操作简单。其发展前景很乐观。未来，随着对可编程控制器的深入了解，还可以丰富远程控制模块，通过计算机网络来实时监测和控制大棚内的温湿度。保证系统正常稳定的运行。也可以再增加多款PLC，通过构建复杂的多级网络来适应大型的农业控制，使该系统运行时更加稳定可靠，性能更加完善，最终达到智能化和无人化。