某室内植物园温湿度控制系统设计

1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 摘要随着工业生产自动化程度的不断提高，模糊控制技术已得到了广泛的推广和应用。这种建立在模糊控制理论基础上的控制技术为工业控制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的控制方法，并具有很大的实用意义和前景。本设计根据室内植物园环境控制的特点，应用模糊控制理论，对植物园内的温度、湿度环境因子进行自动控制，完成了整个控制系统的软、硬件设计。第一章对室内植物园智能控制系统的发展现状作了一个简单介绍，并确定了本设计的研究目标；第二章对三菱FX2N系列PLC做了简单介绍，并设计了PLC的接口电路；第三章应用模糊控制理论，介绍了室内植物园温度、湿度模糊控

2、制器的设计和实现；第四章介绍了系统的硬件设计；第五章介绍了系统软件的设计；最后对整个系统的完成作出了总结。关键词：室内植物园,模糊控制技术,PLC河南城建学院本科毕业设计（论文） Abstract AbstractWith industrial production increasing the degree of automation, fuzzy control technology has been widely promoted and applied. This built on the fuzzy control theory based on the control techno

3、logy for industrial control, home appliances and instrumentation intelligent application provides a new, effective control method, and has great practical significance and prospects.The design according to the characteristics of indoor environmental control Botanic Gardens, the application of fuzzy

4、control theory, the Botanical Garden of the temperature and humidity automatic control of environmental factors, the completion of the entire control system software and hardware design.The first chapter of the indoor botanical garden intelligent control system development status made a brief introd

5、uction, and to determine the design of the research objectives; second chapter Mitsubishi FX2N Series PLC madea brief introduction, and the design of the PLC interface circuit; Third Chapter fuzzy control theory, introduced the indoor botanical garden temperature and humidity fuzzy controller design

6、 and implementation; fourth chapter describes the system hardware design; fifth chapter describes the system software design; final completion of the entire system to make a summary .Keywords: Indoor Botanical Garden; fuzzy control technology; PLCI河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 设计背

7、景11.2 系统总体方案设计11.2.1 确定系统的控制任务11.2.2 输入输出接口设计22 微型计算机选择52.1 三菱FX2N-48MR PLC 介绍52.2 三菱FX2N-48MR PLC技术参数62.3 三菱FX2N-48MR PLC开发环境62.4 三菱FX2N-48MR PLC规格参数73 控制算法设计83.1 温室温度模糊控制器及系统设计83.1.1 模糊控制器的结构设计83.1.2 温度对植物生长发育的影响93.1.3 精确量的模糊化103.1.4 模糊控制规则113.1.5 模糊控制算法设计123.2 空气湿度模糊控制器设计133.2.1 湿度对植物生长发育的影响133.2

8、.1 湿度模糊控制144 硬件设计164.1调控方式选择及硬件总体设计164.1.1温度的调节与控制164.1.2 湿度的调节与控制164.1.3 硬件总体设计174.2 信号采样电路设计174.2.1 温度传感器的选择184.2.2 温度检测电路的设计194.2.3 湿度传感器的选择214.2.4 湿度检测电路的设计224.3 执行机构及电气控制设计234.3.1执行机构的选型234.3.2电气控制电路设计274.4 PLC输入输出接线图295 软件设计315.1 PLC输入输出地址分配325.2 程序编写335.2.1 程序流程图335.2.2 程序中用到的指令介绍345.2.3 源程序设

9、计356 总结41参考文献42致谢44附录A45附录B46附录C47河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论1 绪论1.1 设计背景PLC (Programmable Logic Controller)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、校拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。原始的植物园湿温度的控制系统是应用手动控制，后来又发展到机械设备，到20世纪70年代计算

10、机的应用替代了原始的机械设备的控制，使温室控制进入了一个新的时期。美国、以色列、日本、荷兰等国均致力干该项技术的研究，并取得了公认的成就。国外的高档温室已达到了工厂化管理的程度，对多种环境因子能够进行集中调控。我国植物园的整体水平与世界上发达国家相比差距较大，表现在设施结构、配套设备、环境调控、管理技术等方面。高档温室基本上靠进口，价格昂贵，其自动化控制与监控系统更是如此。目前智能温室的发展趋势是采用各种传感器检测温室环境参数，自动调节各个设备的工作状况，从而达到全天气候无人监控条件下的植物园控制系统能正常运行，并且能够实现远程监控和管理。1.2 系统总体方案设计1.2.1 确定系统的控制任务

11、 本设计实例的对象是包括两个展览区的室内植物园，每个展览区包括一个独立的温室，分别是热带雨林区、沙生植物区。各温室的温湿度既可自行设定，也可以人工设定，并能够自动调节。要求系统能够对植物园内的温湿度进行准确的测量和有效的控制，要求系统能够自动关窗、给水、送风等。所要控制的设备主要有水泵、三相异步电机等。本系统不仅要考虑对空气温湿度的控制，还要考虑对土壤温湿度的控制，不考虑对光照、CO2浓度等参数的控制。综上所述，本系统应完成的主要任务有：1) 两个温室的温湿度数据采集和闭环控制。2）电机和水泵的启停控制。3）温湿度的显示和人机交互的实现。此外，还要实现系统的越限和故障报警等功能。对于温室内温湿

12、度控制，温湿度必须进行多点采样。考虑在温室内各处安装温湿度传感器，对温室内各参数进行监测，选用数据采集器进行数据采集及通讯，通过485总线传输数据。通过监测程序对数据进行分析、处理。温室常用设备有双向天窗、侧窗、内/外遮阳幕、内保温幕、多级风扇、湿帘、湿帘外翻窗、微雾降温加湿系统、环流风扇、补光灯、空调、热风机、C02补气、水暖混水阀、水暖循环泵、负压变频调速风机(用于检疫隔离温室)、灌溉阀、灌溉水泵等。对温室内各参数进行监测，同时对现场设备(如风机、喷淋、温控)进行自动控制。根据以上分析，可初步画出系统构成粗框图如图1.1所示。下面根据图1.1再逐步进行系统的分析、设计。温度传感器采样保持器

13、AD转换器CPU温湿度设定人机交互界面继电器保温被喷水泵通风机湿帘遮阳幕侧窗双向天窗加热炉多路切换器湿度传感器图1.1 系统构成框图1.2.2 输入输出接口设计（一）温湿度检测模拟输入接口设计 一个温室里面使有多个传感器采集点，通过RS485将采集数据统一汇聚到集采设备，工业集采设备采用232/485通信方式与无线通信模块进行连接，对传感器数据进行集中轮询后将数据通过串口送往无线通讯模块。采用标准的工业串口通信，即插即用，使用高规格的模具设计，方便维护，工程人员无需太多的专业知识，在短时间内即可实现系统的安装与运行。并且可以灵活解决项目点不断增多的需求，可随时对现有的系统新增监控点而且对现有系

14、统无任何影响。RS232/485接口如图1.2所示。 1RXD 2TXD 3 4GND 5 6 7 8 912 RXD3 TXD45 GND678912345A 678B 9A (红线)B (黑线) 接口：RS232 接口：RS485图1.2 RS232/485接口电路（二）人机交互接口设计人机界面（Human Machine Interface）又称为人机接口，简称为HMI。从广义上说，HMI泛指计算机与操作人员交换信息设备。在控制领域，HMI一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。人机界面是按工业现场环境应用来设计的，正面的防护等级为IP65，背面的防护等级为IP2

15、0，坚固耐用，其稳定性和可靠性与PLC相当，能在恶劣的工业环境中长时间连续运行，因此人机界面是PLC的最佳搭档。综上所述，本设计拟采用HMI触摸屏系统实现人机交互。PLC与HMI触摸屏之间用串口连接线连接。如图1.3所示。PLCHMI串口连接线 图1.3 人机交互界面通信线路设计HMI触摸屏系统包括两个部分：检测装置和控制器。触摸屏检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，在将该处的信息传送给触摸屏控制器。控制器接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给PLC。他同时能接收PLC发来的命令并加以执行，如动态的显示开关量和模拟量等。PLC工作时，

16、将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需输入继电器、输出继电器的数据取自于IO映像区，而不直接与外部设备发生关系。 在运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是不断的重复执行。通过HMI触摸屏上按键与变量建立连接，按下触摸屏上的按键，触摸屏控制器做出反应，给PLC发出信号，然后PLC做出反应，驱动各自控制的内部继电器动作。

17、3河南城建学院本科毕业设计（论文） 微型计算机选择 2 微型计算机选择计算机控制系统各主机有各自的特点： ·PLC专为在工业环境下应用而设，可靠性高，编程容易，功能完善，扩展灵活，安装调试方便。 ·工控机是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机，配有丰富的外围接口，具有可靠性高，可维修性好，环境适应力强，控制实时性强,输入输出通道完善等优点。 ·单片机体积小、功能全、价格低、软件丰富、面向控制、开发应用方便。 ·DSP采用改进型的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，光泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理。 &

18、#183;智能调节器是一利数字化的智能仪表，以微处理器或单片微型计算机为核心。具有数据通信功能，能完成生产过程1-4个回路直接数字控制任务，在DCS的分散过程控制级中得到广泛应用口 考虑成本、开发周期、应用、安装调试和扩展性等方面，在本设计中采用PLC来作为控制系统主机。目前生产PLC的厂家较多，但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有： 德国西门子公司、日本OMRON公司、美国莫迪康公司(施奈德)、美国AB（AlienBradley）公司、日本三菱公司等。其中日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多

19、，后又推出FXZ机，性能有很大提高。在国内有很好的使用基础，并且有较高的性价比。考虑到双栋温室开关量输入的点数以及必要的点数冗余，本设计选用三菱FX2N型号的PLC。FX2N是FX系列中功能址强、速度最快的微型可编程序控制器，它的基本指令执行时问高达0.O8us每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。PLC具体配置：FX2N-48MR(控制单元)和FX2N-485-BD(通讯板)。这款PLC具有控制能力强、操作灵活方便、可靠铃高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制。2.1 三菱FX2N-48MR PLC 介绍1)灵活的配置 除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的

20、每个单元可扩展至256I/O接点。 2)高速运算 基本指令:0.08us/指令,应用指令:1.52至几百us/指令。3)突出的寄存器容量 FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。 4)丰富的元件资源 3072点辅助继电器,256点计时器,235点计数器,8000数据存储器。2.2 三菱FX2N-48MR PLC技术参数FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。系统

21、配置既固定又灵活：在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能程序容量：内置800步RAM（可输入注释），可使用存储盒，最大可扩充至16K步。2.3 三菱FX2N-48MR PLC开发环境可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的的关系。继电器室一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重地影响生产。如果工艺要求发生

22、变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠，更容易维护，更能适应经常变动的工艺条件，因此在1969年，美国数字设备公司根据要求研制出世界上第一台可编程控制器。在20世纪70年代后期，随着微电子技术，计算机技术和数字控制技术的迅速发展，人们为了与电脑区分，就把可编程控制器称为PLC。2.4 三菱FX2N-48MR PLC规格参数产品名称：三菱PLC型号规格：FX2N-48MR-001最大的输入/输出点数: 48 点电源电压: 100240 V AC输入点数: 24 点输出点数: 24 点输出类型: 继

23、电器耗电量: 50VA重量(kg): 0.85尺寸 (W x H x D)mm: 182 x 90 x 87三菱FX2N-48MR PLC实物图如下：图2.1 三菱FX2N-48MR PLC实物图产品单价：1400元人民币（来自淘宝网店49河南城建学院本科毕业设计（论文） 控制算法设计 3 控制算法设计A/D模糊控制器执行机构D/A被控对象传感器给定值 +对于温室内的温湿度这一对被控对象，由于两个参量间的非线性耦合关系，使得被控对象的精确数学模型难以建立。如果采用模糊控制系统，却可以取得令人满意的控制效果。而且模糊控制器对被控对象参数的变化有较强的鲁棒性，对干扰有较强的抑制能力，因此本设计将基

24、于模糊控制理论，设计出以智能性的模糊控制器为核心的微型计算机控制系统。模糊控制器的基本结构如图3.1所示。图3.1 模糊控制系统框图3.1 温室温度模糊控制器及系统设计模糊控制器(Fuzzy Controller)在模糊自动控制系统中占有举足轻重的地位，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。 模糊控制器的设计包括以下几项内容: 1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量； 2）设计模糊控制器的控制规则； 3）建立模糊化和反模糊化的方法； 4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子)； 5）编制模糊控制算法的应用程序；6）合理选择模

25、糊控制算法的采样时间。3.1.1 模糊控制器的结构设计模糊控制器有两种组成方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法；另一种是用微处理器组成硬件系统，用软件来实现模糊控制算法，这种模糊控制器的特点是资源开销小、灵活性高、通用性强、应用范围广。在本设计的控制系统中，模糊控制器采用第二种方式实现。 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器的输入一般有三个:偏差、偏差的变化及偏差变化的变化，输出变量选择控制量的变化。本设计采用的是二维模糊控制器，控制器的输入变量选偏差及偏差的变化，以控制量的变化为输出变量。 根据本系统的特点

26、及控制要求，模糊控制器选用二维结构，其结构如图3.2所示。输出给定输入R +模糊控制器被控对象图3.2 二维模糊控制器结构框图根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器采用双输入单输出结构，分别用偏差和偏差的变化率。作为输入变量，以控制量u作为输出变量。3.1.2 温度对植物生长发育的影响 温度是影响植物生长发育的最敏感的环境因素。植物的光合作用，呼吸作用等各种生理活动都需要适宜的温度条件才能顺利进行。每一种植物的生长发育对温度都有一定的要求，都有温度的“三基点”:即最低温度，最适宜温度和最高温度。超出最高温度或最低温度的范围，生理活动就会停止，甚至会全株死亡。不同植物，不同生长发育阶段都有其适宜

27、温度和界限温度，温带植物三基点温度如表3.1所示。表3.1温带植物三基点温度温度功能生长发育呼吸作用光合作用最高 （）40503540适宜 （）253536462025最低 （）-10-10053.1.3 精确量的模糊化在温室温度模糊控制器里，将触摸屏输入的温度值作为给定值T，由传感器测量得到的温度值记为，则误差及误差的变化为: 式（3.1） 式（3.2）将和作为温度模糊控制器的输入变量，输出变量为加热器及风机等的通断状态。根据温室的实际工作情况，从温带植物三基点温度如表3.1所示，可以看出其适宜温度变化值在10左右，考虑到实际检测条件和适当的控制精度，将温度误差的基本论域定为一5+5，温度误

28、差变化的基本论域定为-1+1。 为提高控制精度和响应速度，将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制区，以温度设定值的±5为界。温度在设定值的±5以内为模糊控制区，以外为确定控制区。在确定控制区，系统将进行强制冷却或加热，并发出温度超标报警信号。而在模糊控制区，将温度偏差、偏差变化率的模糊集合分为7个模糊子集，分别为PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。选取语言变量、的论域均为: = -4，-3，-2，-1，0, 1 ，2, 3, 4。温度偏差、偏差变化率的隶属函数赋值表如表3.2所示。表3.2 、的隶属函数赋值表 论域

29、子集-4-3-2-101234NB10.50000000NM0.20.610.60.20000NS000.510.50000Z0000.510.2000PS00000.510.500PM00000.20.610.60.2PB00000000.51 控制量的隶属函数形状可以是三角形、梯形、单点或其它形状。采用单点为控制量在实际处理时较为方便，因为这时只要知道控制量的模糊量也就知道了实际用于控制的论域元素。本系统控制量的模糊划分采用单点，分为7个模糊子集，分别为PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。选取语言变量的论域为:-3，-2，-1, 0

30、, 1, 2, 3。控制量的隶属函数如图3.3所示。 -3 -2 -1 0 1 2 3NB NM NS PS PM PBZ图3.3 的隶属函数3.1.4 模糊控制规则 模糊控制规则实际上是总结有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出的一条条模糊条件语句的集合，通常简写成一个表，即模糊控制规则表。确定模糊控制规则的原则必须是系统输出响应的动静态特性达到最佳。当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。根据经验，经过总结和归纳可以得到温室温度的模糊控制规则表如表3.3所示。表3.3 模糊控制规则表 NBNMNSZPSPMP

31、BNBPBPBPBPBPMZZNMPBPBPBPBPMZZNSPMPMPMPMZNSNSZPMPMPSZNSNMNMPSPSPSZNMNMNMNMPMZZNMNBNBNBNBPBZZNMNBNBNBNB3.1.5 模糊控制算法设计控制算法是模糊控制的关键，通常可根据不同的系统情况选用不同的控制算法，常用的有查表法和公式法。本设计采用查表法实现模糊控制算法。 查表法是根据模糊控制规则表，求出输入量论域元素和输出量论域元素之间的关系，形成一个表格，这个表格称为控制表。产生控制表的方法有两种，一种是间接法，首先求出模糊关系R，再根据输入的偏差和偏差变化率求出控制量，最后把控制量精确化，由此得到控制表

32、；另一种是直接法，直接从控制规则即推理语句中求取控制量，由此产生控制表。本文采用直接法。 本系统中，由于偏差和偏差变化率的离散论域都有9个元素-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，在输入时或的精确值都会量化到9个元素之中的任何一个。这样和的输入组合就有种。求出这81种输入组合及其对应的输出控制量，即可形成相应的模糊控制表。例如:根据表3.2和表3.3可知，当，对于偏差有:NB=1，NM=0.2,其余的隶属度为0。当，对于偏差变化率有：NB=1，NM=0.2，有4条控制规则有效，它们分别是： 对于第一条第一条规则，控制量 式（3.3）对于第一条第一条规则，控制量 式（3.4）同理， 式（3

33、.5），式（3.6）所以总控制量 式（3.7）在式（3.7）中，是的0.2截集，根据图3.3，由于PB是单点，其对应元素为3，所以。根据上述方法，求出其它控制量，列出模糊控制表如表3.4所示。表3.4 模糊控制输出表-4-3-2-101234-433331.671.67100-433331.671.67100-22.52.52.52.5110.33-0.5-0.5-12.52.522.50.50.4-0.25-1-101.51.50.80.20-0.2-0.8-1.5-1.51110.25-0.4-0.5-1.5-2-2.5-2.520.50.5-0.33-1-1-2.5-2.5-2.5-2.

34、5300-1-1.67-1.67-3-3-3-3400-1-1.67-1.67-3-3-3-3查询表可以事先离线计算好，将其存于ROM存储器的某一位置。在实际控制过程中，可以对该表进行优化，根据查表的结果求出控制量，去控制或驱动执行机构，实现对温室温度的智能控制。3.2 空气湿度模糊控制器设计3.2.1 湿度对植物生长发育的影响 湿度也是温室环境控制中一个相当重要的参数。温室内植物对水分的要求也就是对空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度大，会减少植物蒸腾量，植物不易缺水，光合作用也会增强，有利于植物的生长发育；但空气湿度过大，则会使植物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响植物的开花结果。此外，湿度过高

35、还易促成病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍，而过低的湿度将使作物生长受阻。土壤湿度对植物的影响也很大，如果温室中排水不良，或者灌水不当，土壤渗水性不好，造成土壤水分过剩，湿度过高，使土壤中的氧气减少，植物根部呼吸困难，从而危害作物的生长发育。 多数作物光合作用的适宜空气相对湿度为60%85%，当空气相对湿度低于40%或高于90%时，光合作用受到阻碍，从而使作物生长发育受到不良影响。当然不同植物种类，或同一种类不同品种以及不同发育阶段的植物对空气相对湿度的要求不尽相同。有关方面如表3.5所示。植物病虫害的发生与空气相对湿度有密切的关系，大多数植物病虫害的发生要求空气相对湿度在80%以上。因此，

36、作物适宜的空气相对湿度为60%80%。表3.5 植物对空气相对湿度的基本要求类 型较高湿型 中等湿型 较低湿型较干湿型适宜相对湿度85907080556545553.2.1 湿度模糊控制表3.6 湿度误差的隶属函数赋值表 论域子集-3-2-10123NB10.500000NS00.510000Z000.510.500PS000010.50PB000000.51表3.7 湿度误差变化的隶属函数赋值表 论域子集-3-2-10123NB1000000NS0110000Z0001000PS0000110PB0000001表3.8 湿度模糊控制规则表NBNSZPSPBNBOFFOFFOFFOFFOFFN

37、SOFFOFFOFFOFFONZOFFOFFOFFONONPSOFFOFFONONONPBOFFONONONON湿度误差的基本论域定为-5%+5%,湿度误差变化的基本论域定为-1%+1%。湿度误差及误差变化的模糊语言变量值都取为NB，NS，Z，PS，PB，它们的论域都取为-3，-2，-1，0, 1, 2, 3。湿度的控制量是加湿器的开与关，故语言变量取为ON，OFF。湿度误差和湿度误差变化的隶属函数赋值表见表3.6,3.7所示，湿度的模糊控制表见表3.8所示。河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 4 硬件设计4.1调控方式选择及硬件总体设计4.1.1温度的调节与控制 与其他环境因子比较，

38、温度是设施栽培中相对容易调节控制的环境因子。温室内温度的调节和控制包括保温，加温和降温3种。温度调控要求达到能维持适宜于植物生育的设定温度。温度的空间分布均匀，时间变化平缓。(1)保温，为了提高温室的保温能力，常采用各种保温覆盖。具体方法就是增加保温覆盖的层数，采用隔热性能好的保温覆盖材料，以提高设施的气密性。(2)加温，我国传统的单屋面温室，大多采用炉灶煤火加温。近年来也有采用锅炉水加温或地热水暖加温的。大型连栋温室和花卉温室，则多采用集中供暖方式的水暖加温，也有部分采用热水或蒸汽转换成热风的采暖方式，本系统采用电炉水暖加温。(3)降温，保护设施内降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自

39、然通风不能满足作物生育要求时，必须进行人工降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差;屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后丙送入室内，达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。本系统采用室外挂遮光幕除温。4.1.2 湿度的调节与控制 土壤湿度与空气相对湿度协调一致才能达到温室湿度的有效控制，空气湿度调控范围一般在60%RH80%RH，精度为±5%。湿度

40、的调控影响温度，要求湿度与温度的调控需按一定的程序进行。常用的湿度调节方式是加湿和去湿。(1)加湿，一股常用的方法是水喷雾法和蒸汽加湿。水喷雾法采用双位或多位控制来实现；蒸汽加湿则采用电极加湿器或浇蒸加湿器实现。本系统采用水喷雾法加湿。(2)去湿,在温室中去湿常用以下三种方式:加热控制法、吸附法化学除湿器和排湿换气。在湿度的调节系统中，温室内的加湿和去湿则由温室内的调节部件完成，这些部件有天窗、侧窗、湿帘、风机等。本系统采用排湿换气法去湿。4.1.3 硬件总体设计 本系统完成以下功能:可对温、湿度进行多点自动检测、显示、报警和调控。当温、湿度超过上、下限设定值时，可自动发出声光报警，并进行温、

41、湿度调节控制，直到报警消除，报警的上下限值可通过触摸键随时设定。为实现以上功能需安排以下五个部分组成整个控制系统如图4.1所示。系统的硬件组成；（1）信号采样电路（2）PLC基本系统（3）A/D转换电路（4）人机交互界面（5）执行电路图4.1 硬件整体框图4.2 信号采样电路设计 采样电路在整个控制装置中占据着十分重要的地位，采样值是PLC主要处理的数据，是实施控制的依据，所以保证采样电路的准确是进行良好控制的基础。4.2.1 温度传感器的选择传感器的选用首先应考虑安装使用方便，变换电路简单等特点。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶

42、两大类。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。现存的温度传感器类型很多，性能参数参差不齐。下面将对市场上流行的温度传感器做一个性能参数对比，选出适合本设计的温度传感器。如表4.1所示。表4.1 常用温度传感器对比表 性能型号温度范围（）控温稳定 度总不确定 度工作电源类型优点生产厂家DS18B20-55+125±0.535V/DC热电偶方便多点组网DALLSP100-705000.04%10mA热电阻便

43、宜HeraousDHT112090%RH， 050±1%RH/年±5%RH， ±235V/DC温湿度复合传感器可同时对温湿度进行测量奥松TCN75AVOA-55+125±3°C2.75.5 V集成电路 (IC)体积小，安装方便MICROCHIPAD590-55+150±0.34 30 V集成电路 (IC)耐腐蚀，适合远距离传输ANALOG DEVICES对比以上传感器参数，AD590拥有跟灵活的电压选择范围和更精确的测量精度，其测量范围也完全满足温室温度测量要求。因此，尽管AD590售价更高，本设计也选择AD590作为系统温度测量所需

44、的温度传感器。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 µA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25°C)时输出298.2 µA电流。AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补

45、偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于AD590实现多路复用：输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。综上所述，温度传感器AD590是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1。它的输出电流精确地正比于绝对温度，可以作为精确测温元件

46、。A0590只需要一个电源(+4V+30V),即可实现温度到电流源的转换，使用方便。AD590的校准精度可达±0.3，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达±0.1。作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰等问题，不易受接触电阻、引线电阻和电压噪声的干扰。因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。因此，选用温度AD590传感器可达到设计要求。4.2.2 温度检测电路的设计传感器系统的主要功能是将传感器采样得到的模拟信号转换成温室现场控制器所需要的信号。温室环境参数的检测中，传感器位于作

47、物需要检测的位置，一般通过双纹线将检测的信号远距离传输到温室控制器内。 要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。本文设计了具有独立调节功能的测温电路，具体如图4.1所示。传感器AD590的输出电流(T为摄氏温度)，因此测得电压。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为:把AD590放于冰水混合物中，调节电位器R1,使；或者在室温(25)的条件下通过调节电位器R2,使电压,调整电位R3,使。这种调整的方法，可以保证在0或25附近有较高精度。9.5K+12VAD590100K10K10K10K10K10K10K20KOUTA1A2A3R1R

48、2R31K图4.2 温度传感器输入电路AD590温度与电流的关系如表4.2所示。表4.2 AD590温度与电流关系表摄氏温度AD590电流经10电压0273.2273.210283.2283.220293.2293.230303.2303.240313.2313.250323.2323.260333.2333.2100373.2373.24.2.3 湿度传感器的选择 在非电物理量的检测中，湿度的测量是比较困难的。湿度信号的传递必须靠水对湿敏元件直接接触来完成，因此湿敏元件只能直接暴露于待测环境中，而不能密封，这些都导致湿度传感器的寿命较短。目前己有几十种湿敏器件，按感湿材料来分，大致有四类:电

49、解质、半导体陶瓷、高分子和其它。本系统需要检测温室内空气的相对湿度，它是绝对湿度和饱和湿度之比。根据温室湿度控制的特点，本设计采用电容式湿敏元件作为湿度传感器。在电容式湿敏元件中，市场上比较多见的是HS1101，因此本设计选择HS1101作为湿度传感器。湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：1、 全互换性，在标准环境下不需校正；2、 长时间饱和下快速脱湿；3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸；4、 高可靠性与长时间稳定性；5、 专利的固态聚合物结构；6、 可用于线性电压或频率输出回路；7、 快速反应时间。HS1101的简单实物对照图如图4.3所示。图4.3 HS1101与HS1100的实物对照图相对湿度在0%100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/。可见其精度是较高的。其湿度电容响应曲线如图4.4所示。HS1101的一些常用参数如表4.3：表4.3 HS1101常用参