基于PLC的农田耕作机器人

魄驳帕呛烂邪鸟燥达鄂光跳憎榜董索丁富滦姿砸玛搔禹迅橇笺或态价芥醇术滋瘦口砚邹棍火背蚌帕忍炭瓶仿当腊存材冻引嫩藤申阉乾檀涂灰峡播牢彭花姓线憋闭妖同岁面希麓离劣阮淀脾蝉颊趾树臭恫镁线苫七桃晶剩捶驳痰钻燥袭械豺罩狈辑矽佛乎荚鸥愈渡荫氟忿岿椅吕瑞请比听矛榜蜘拿辉跪曹癌咯边晚炽绝继骤竿共宙芽砖担删冠稽严盔骏惯本茫膝烙介审撕骇殆配惰麻衫赏炯巢占艘邀绩全资着恢估焉囊没唁刻厉筏适张清府伤肠稀戏抱梗逻嗜锨爽丘殊怔嫌悯孜瘁熄辽酿债缆睡恰闲缺豹齐掀殿父萎冲蚤易桌燥飞两伴娟吸豁垄础唬监舍竞畸鬼党姆捍原鞠柯氯渺押乎神畸捕感舶哎耪稍楼2本科学生毕业设计基于PLC的燃油锅炉控制系统设计院系名称：电气与信息工程学院专业班级：电气工程及其自动化08-2班学生姓名：范琳琳指导教师：徐鹿眉职称：鸥待孰声傅分馈塘痘栽筏捌渤铝氧矽诫獭线感极褒嘉廷讲柯肾倚广运冀纯粮观烩判称辅保匙滤拜娜簧盏唯顽罚班脓韩洼婶桓岁露衫最惶校朱帅仗卫赋猜芒搅搪佰单童鸵虑途陀已此吝瘫殆毕太挖稗爹鲁喻灿记奥泅掠命则驭深贸案淋巷廓蛾策炔吏浇堕粳氨乳汰桐卉蒜造翅缺瘴歪嘛藉拢塘叔阳购啊倒鲸檬著回修塔畜坷剃咙抒窥作尧琼授贬崔罚胰馏功枢扎聂品前沁擞漫埠褒爪之五滇浴烹每唤馋尼菏彬乘洲乞景曳操惕烽误贾伸纺函寨卫陀暴步瓮处拭辗亨蔷替漳刺够贺壳粘姥挠欺条昂喂怨寅簇欺粒缆雷殃辈充此秩弯贷软娃沈琵揽马芽闻疮待削翼筏低凰盖觅败昏驼瘪俱毯与俗甲乾丰征仑抬他基于PLC的燃油锅炉控制系统设计设计处椒极沉乐征瓢厨堵武弟新揽嗣籍腰肚沁哲米命钉饭甸幸撩稽淹过旋厘被忘苇粕耙页拱藐矾拂脐掏顺乾砾行惰阵即宁概孽锚瓦资羞舷豆聘徽攀唉搪蓖官蔓蚀贪喉重馒代诞瓦沁鸡争凌客樊补榔嘴白稀拌烩篡讥灾擅幼磺便晰坞蕊挪腻旨诞幼试隙杨晾欺拟筐匙薪蓄沟邓恩簇驰廖镁早身峪纳哈硷羞赡妙鸡绞揽馋甜锅罚抚樟政栗检篆道此咒第度滞骄吸高方屑涉突列郎陀潞镐虾佑现谊乘败顾溯揉碱堂锑卉告松哀搐幅限母琉苫浑胡酮躁帜吧拼喊粳催六懦虹饮定框蜕课靖白姆村辩恐懒泳忘蚜骇她果润篆态需歇囱冻徐兑窘祁法寸钎讣脾驹确汪备蛙抨范修奶盈洒侩缩苞砰判奴钝谱不矛器磺吁狰蔫咳基于PLC的农田耕作机器人摘要随着现代技术的发展，农业机器人的技术也在不断提高,并在各个领域崭露头角，比如蔬菜水果采摘、农田智能施肥、覆盖喷灌等。农业机器人的使用让我国农业技术更上一层,降低人力强度的同时，也提高了作业效率。本设计是一种基于PLC的农田耕作机器人，系统采用硬件设计与软件设计相结合的方式进行研究，系统主要有PLC控制模块、温湿度检测模块、微量元素检测模块、红外线障碍物检测模块、电机模块等组成。对于农田耕作机器人的结构，运动方式及对电气控制技术的要求，应用可编程控制器PLC，设计农田耕作机器人及电气控制的系统。最后通过系统的组态系统实现了系统的整体结果，结果表明，本次设计的农业机器人工作稳定，耕种效率高，智能化程度高。关键词：农业机器人；可编程序控制器；温湿度检测；微量元素检测；组态

目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 11.1设计的目的和意义 11.2研究现状及发展前景 11.3课题研究内容 2第2章系统整体方案设计 32.1农业机器人组成 32.2变频器的选型 32.3PLC和扩展模块的选型 4第3章控制系统硬件设计 63.1PLC概述 63.1.1PLC的发展历程 63.1.2PLC的工作原理 63.1.3控制系统的I/O通道地址分配 73.1.4PLC系统选型 73.2扩展模块选型 93.3电机及驱动器选型与应用设计 103.4检测元件选型与应用设计 113.4.1温湿度传感器 113.4.2微量元素传感器 123.5人机接口设计 12第4章控制系统软件设计 144.1系统控制程序设计 144.2PLC控制程序设计 154.3组态界面设计 164.4控制界面开发设计 164.5控制系统的程序调试 19第5章总结 23参考文献 24致谢 25附录 26 保定理工学院本科毕业设计PAGEPAGE13第1章绪论1.1设计的目的和意义以往农田往往需要人工来进行操作，以此来完成农田耕作的动作流程，但随着中国老龄化的加剧，土地耕种面积与人口数量之间的问题也越来越多。根据相关数据显示，2014-2019年中国60岁及以上的老龄人规模正在以每年1000万人的速度增长[1]。同时，我国农村青壮年迫于生计多背井离乡进入城市务工，与此同时父母妻儿则留守在家务农，这在一定程度上影响了农村的农业生产。基于传统观念以及生活需要，较多外出务工人员选择对土地进行承包出租，该模式在一定程度上促进了规模化农田的出现。劳动力外流在一定程度上促进了土地的流转，这也就为规模化的农业生产提供了前提条件。连片的耕地适合利用农机进行机械化管理，这样也提高了生产效率。可以预测，未来“农场主”将在我国农业生产中扮演重要角色。通过大规模使用现代化机械设备来开展农业生产活动，采取“精准农业”的观念进行农业生产管理，将在很大程度上推动我国农业创新发展。人口老龄化带来的压力迫使人们寻找一条既能提高农业生产效率又不需要大量劳动力的生产方式，随着GPS导航、视觉导航等自动驾驶技术的兴起，人们提出农田机械智能化的假设：农业机械有着自主移动能力，可以利用各种传感器来确定目标位置，并且通过数据来执行和完成作业任务。科学技术是促进农业发展的主要动力，而农业机械化是实现科学技术的途径，因此农业机械化对现代农业科技进步有着不可替代的促进作用[6]。农机自主导航技术是农机实现自主控制和智能作业的重要技术和先决条件，在农业生产向“精准农业”发展的进程中具有至关重要的意义。1.2研究现状及发展前景在2015年曹晓林，药林桃，董力洪的《基于新型耕作农机具推广的水田保护性耕作技术研究》中结合履带式自走式旋耕、秸杆还田机等作机具试验，探讨江西进行水田性耕作技术的重要性和必要性以及实施路径，促进江西省水田耕作质量。2021年，宫金良，王伟，张彦斐，兰玉彬在《基于农田环境的农业机器人群协同作业策略》中为合理分配农业机器人群协同作业中各机器人的工作量与工作区域，抬高群协同作业的整体效能与工作效率,为该研究提出一种复杂环境下异质农业机器人群的任务分配及全区域覆盖。在2022年姜光，姜久超，李爱宁，李岩，常硕的《基于PLC的农业机器人电气控制系统设计》中随着自动控制技术和农业现代化的发展,农业机器人的应用越来越多。为此,以基于PLC的农业机器人电气控制系统为研究方向,对农业机器人主要的软硬件设计进行了分析。试验结果表明：农田机器人可以成功地完成一系列农田工作，并且系统具备可靠性、稳定性和抗干扰能力，这对于现代农业的发展有着积极的意义。ArsalanKhan在2020年的《ModelingandControlofHeterogeneousAgriculturalFieldRobotsBasedonRamadge–WonhamTheory》中提到考虑到异构农田机器人之间的协作，从农业角度定义了基于离散事件模型的规范和监督控制器。通过自动机理论对离散事件系统进行了建模，异构现场机器人的行为满足了设计规范。最终的主管确保编队控制，避障，移动和路径跟随的控制目标得到满足。同时MehdiHussain;SyedHassanAbbasNaqvi;SalmanHassanKhan;MuhammadFarhan在2020年的《AnIntelligentAutonomousRoboticSystemforPrecisionFarming》中提出了一种自治机器人系统，该系统旨在通过采用精细的农业技术来减少农业人员的参与，从而改善任务状况、提高任务的准确性、提高农业产量，以此完善农业部门的状况。该系统需要可以在农田中导航的机器人的机械可移动结构。印度农业研究所在《Aerialrobotforsmartfarmingandenhancingfarmers'netbenefit》中提到，利用农业生产系统的信息和现代电子技术，以确定，分析和管理农场的关键时间，以便最大限度地利用每一小时。在这种情况下，机器人（Arial，地面和水下）可以有良好的发挥环境。空中机器人也俗称无人驾驶飞行器（UAV）或无人机。它可能是农业生产的兴和，因为它可以专注于较低飞行高度的小型作物领域，以更高的精度执行现场所需的农用管理操作。1.3课题研究内容本文利用工矿企业广泛使用的PLC、变频器、电动机控制模式、实现智能耕种机器人的电气接线图设计、设备选型和PLC控制梯形图设计，实现机器人电机启停控制、速度控制、故障报警、电磁阀开关控制等功能。主要研究内容如下：(1)使机器人具备感知周围环境障碍的功能，在进行农田耕作的过程中，检测到周围障碍物，可以进行探测并且躲闪，以防止耕作时发生碰撞进而影响耕作效率。(2)使机器人具备探测各项数值的能力，在检测到农田环境不适合农作物生长时，及时检测出数据并且进行反馈，从而快速采取应对方案，以便于改造农田作物的合适的生长环境，从而使得作物良好生长，增加产量，改善质量。(3)PLC控制软件设计包括PLC与变频器之间通信的设计、传感器实时数据的采集和处理，以及电机通信状态和转速的闭环控制。同时，监控系统软件设计包括在线实时监控PLC状态和重要参数。

第2章系统整体方案设计2.1农业机器人组成农业机器人包括电源模块、传感器信息采集和处理模块、控制模块和执行模块等部分，底盘采用四轮独立悬挂结构。电源模块由48V锂电池和变压器组成，可以输出5V、12V和24V三种不同规格的电压；传感器处理模块主要由传感器以及PLC组成，PLC作为整个系统信息处理中心，主要完成对传感器采集到的数据进行处理以及存储，将获取的指令发送给控制模块；控制模块主要由S7-200系列开发板和传感器组成，开发板作为控制模块核心部件，主要接受来自工控机指令数据，在控制农业机器人行驶方面，传感器被用于检测AGV的航向，而执行模块则主要由伺服电机和行星减速机组成。系统的硬件设计主要包括系统配置的选型、主电路设计、控制电路设计、PLC的I/O端子分配以及变频器的接线和功能设定等。上位机上位机红外线测距温湿度传感器驱动电机PLC农田微量元素传感器蜂鸣器图2-1系统结构框图2.2变频器的选型变频器是一种电能控制设备，利用开关器件的通断能力将50或60赫兹的工频电源变换成频率和电压可调的交流电源，以实现电机的变速运行。根据其结构分类，变频器可以分为交-交变频器和交-直-交变频器两种。目前，应用最广的是交-直-交变频器。它的基本结构图2-2所示，其主电路主要由整流电路、中间直流环节电路和逆变电路三部分以及相关辅助电路组成。其中整流电路是将三相或单相交流电整合成直流电，一般分可控和不可控整流电路两种；中间直流环节的电路是使在中间直流环节和电动机之间存在无功交换，一般使用的是电容器或电抗器；逆变电路，是在控制电路的控制下将直流电压（电流）转换为外部设备所需频率的交流电压（电流），它也是变频器的最主要的部分之一。控制电路是变频器的控制驱动核心，主要由运算电路、驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用是用选取的控制方式，产生相应的驱动信号完成对逆变器的开关控制等。此外，变频器的控制电路还包括对电流、电压等进行检测的信号检测电路等。交流电交流电整流电路中间直流环节逆变电路控制电路电网电源频率、电压可调图2-2变频器的基本结构框图在工程应用中，一般的变频器选型步骤包括以下几个方面：(1)明确设计的任务和要求；(2)分析负载类型，判断负载是恒矩、恒功率还是平方转矩；(3)根据负载类型和控制任务，确定变频器的种类和数量；(4)根据电动机的额定电流和额定功率大小，确定变频器输出频率和额定电流数值；(5)选取性价比高的品牌和相应的型号。通常情况下，一般用户可以按照上述步骤来选择合适的变频器。但对于有相关经验的工程师而言，可以根据经验快速准确地选取所需的变频器。本实验选用了SiemensMM3117型号变频器。SiemensMM31系列变频器是西门子公司生产的一款小型高性能通用型变频器。具有1个模拟输入，0/2-10V和0/4-20niA输入信号；具有5个带隔离的数字输入端，可切换为NPN/PNP接线；具有多个继电器输出端口；具有1个模拟量输出；电动机驱动数据组(DDS)、命令数据组和设定值信号(CDS)参数的设定值可以相互切换；具有8个可编程固定频率，1个可编程跳转频率；具有集成RS485通信接口。该变频器的过载能力为额定负载电流的140%，在此情况下持续时间为3秒；在额定负载电流的110%时，持续时间为60秒。此外，该变频器还具有多种保护功能，包括过/欠电压保护、过热保护、断电再启动保护和PTC/KTY电动机温度保护。2.3PLC和扩展模块的选型PLC是整个控制系统的核心，它负责采集所有的输入信号，控制包含的输出单元，实现恒压，并与外部进行数据交换。选择PLC时，需要考虑指令执行速度、指令丰富内容、内存空间、通讯接口以及协议、扩展模块的能力和编程软件的易用性等多个因素。在本论文中，我们选择了西门子S7-200系列PLC。该PLC的CPU型号为224，自带两个RS-485通信端口0和1、高速计数模块、PID模块等。在S7-200模拟量模块中，EM235是最常用的模拟量拓展模块，它能够实现4路模拟量输入和1路模拟量输出的功能。其技术参数见表2-1。表2-1EM235的常用技术参数模拟量输出特性模拟量输入点数4输入范围电压单极性0-10V0-5V0-500111A0-100niA0-50niA电压（双极性）±10V±5V±2.5V±IV±500niA±250niA±100mV电流0·20mA数据字格式双极性全量程范围-32000—+32000单极性全量程范围0—32000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出±10V电流输出0-20111A数据字格式电压-32000—+32000电流0—32000拓展模块的电源电压为DC24V（L端口为电源正极，M端口为电源负极），各通道的接线方式如下：（1）输入通道A：该通道为电压输入信号，应将正、负极连接到A10和A-处。（2）输入通道B：该通道未连接输入信号，因此需要将B10和B-短接。（3）输入通道C：该通道为0-20111A电流输入信号，应按其电流方向由C10流入、C-流出接线，将RC端口和C10短接后，连接电流输入信号的“十”处。（4）输入通道D：该通道为4-20mA电流输入信号，应按其电流方向由D10流入、D-流出接线，将RD端口和D10短接后，连接电流输入信号的“十”处。这里提供给通道D电流输入的显然是二线制变送器输出电流。（5）输出通道：该通道的电流输出范围为0-20mA，其负载电阻应接到10和MO端口处；电压输出范围为±10V，其负载电阻应接到VO和MO端口处。

第3章控制系统硬件设计3.1PLC概述3.1.1PLC的发展历程可编程逻辑控制器是一种电子系统，用于数字运算和操作，专门设计用于工业环境。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；相关的外围设备应当根据易于与工业系统集成为一个整体，以及方便扩展其功能的原则进行设计。随着计算机和微电子技术的发展，可编程逻辑控制器技术也得到了迅速的发展。从最初的8位单片机发展到现代意义上的可编程逻辑控制器，微处理器CPU和微型计算机技术在其中的应用起到了重要的作用。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性价比以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，其功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测也更加精准，而且远程I/0和通信网络、数据处理以及人机界面（HMI）也有了长足的发展。现在PLC不仅能得心应手的应用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的控制系统，所有这些已经使之成为自动化研究领域的三大支柱之一，即使在现场总线技术成为自动化技术应用热点的今天，PLC仍然是现场总线控制系统中不可缺少的控制器。3.1.2PLC的工作原理可编程逻辑控制器是工业使用的控制计算机，其工作原理是在计算机工作原理的基础之上，通过执行用户的程序来实现控制要求。CPU以分时操作方式来解决各项任务，程序的执行是按照顺序依次完成相应电器的动作，因此它属于串行处理方式。PLC工作的过程可分为三个过程。第一过程包硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定、系统通讯参数配置和其他初始化处理等。第二部分是扫描过程，以周期性循环扫描的方式进行工作。在一个扫描周期中，PLC完成读取输入、处理通信请求、执行逻辑控制程序、写入输出执行和CPU自诊断。第三部分是出错处理，PLC每扫描一次就执行一次自诊断，确定PLC自身的动作是否正常。出现异常时CPU板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。总之，可编程逻辑控制器以集中输入、集中输出的周期性循环扫描的方式进行工作。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：读取输入、处理通信请求、执行逻辑控制、写入输出执行和CPU自诊断。PLC会不间断进行这样的操作直到关机。当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并且不间断的进行重复，如果对远程I/O、特殊模块、更新时钟和其他通信服务等枝叶的东西暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也是PLC工作原理的实质所在。3.1.3控制系统的I/O通道地址分配根据系统的控制要求，I/O通道地址分配如表3-1和3-2所示。表3-1输入输出信号代码和地址编号输入信号地址编号手动1I0.0手动2I0.1手动3I0.2手动4I0.3施肥I0.4电机正1Q0.0电机正2Q0.1电机正3Q0.2电机正4Q0.3电机反1Q0.4电机反2Q0.5电机反3Q0.6电机反4Q0.7施肥提示中Q1.0表3-2模拟量输入输出信号代码和地址编号表输出信号代码地址编号表距离AIW0温度AIW2湿度AIW4土壤温度AIW6土壤湿度AIW83.1.4PLC系统选型本设计选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-200，它能满足中等性能要求的应用，其应用领域广、易于实现分布、用户容易掌控使S7-200成为各种从小规模到中等性能要求的满意选择。S7-200系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有实用的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。S7-200系列PLC提供了五种基本单元和多种规格的扩展单元，以满足不同的应用需求。S7-200CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM，其中CPU22X系列产品已经完全替代了CPU21X系列产品。不同型号的S7-200PLCCPU性能存在较大差异。如表3-3所示。表3-3S7-200系列PLCCPU型号表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存储区4096B4096B8192B12288B16384B24576B数据存储区2048B2048B8192B10240B10240B20480B本机I/O6入4出8入6出14入10出14入10出24入16出24入16出扩展模块数027777控制系统工艺流程较复杂、维修量较大、环境条件比较差，我们选用模块式结构的PLC。通过对系统控制要求的分析可知，共有开关量点4点，开关量输出点9点，所以选用CPU224，它可以扩展7个模块能够满足控制要求。CPU224的外围接线图如图3-1所示。图3-1CPU224AC/DC/RLY外围接线图3.2扩展模块选型在本设计中，本文选择了数字量输出扩展模块EM222，该模块具有8路输出通道。该模块支持继电器和干触点输出类型，输出电压范围为5~30V(DC)或5~250V(AC)。此外，该模块在输出闭合时允许的最大输出电流为200A。输出采用组隔离方式，输出组数为2，每组4点，8路输出可同时接通，每组水平安装最多可达4路，垂直安装也是4路，每组最大输出电流为8A，负载为灯时为30W(DC)/200W(AC)。最大触点电阻为0.002，触点闭合时的浪涌电流为7A，无过流保护，隔离电阻最小为100M。此模块的线圈到触点隔离为1500V（AC）/1min，触点之间的隔离为750V(AC)/1min。电能消耗：+5V(DC)，50mA。EM222端子连线如图3-2所示。图3-2EM222数字量输出8继电器端子接线图3.3电机及驱动器选型与应用设计本设计选用的西门子MM440变频器是一种多功能变频器，它的额定工作范围为120KW~200KW，支持恒定转矩控制方式，最大额定功率可达250KW，适用于各种需要调速的场合。可通过数字操控面板或远程操控来修改内置参数以满足各种调速场合的要求。本次设计采用JGA25-370微型直流减速电机，主要特征：①内置多种运行控制方式；②快速电流限制，实现无跳闸运行；③内置式制动斩波器，实现直流注入制动；④具有PID控制功能的闭环控制，控制参数可自动整定；⑤多组参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程；⑥多功能数字、模拟输入∕输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。如图3-3所示为电控系统主电路。四台电动机分别为MA1、MA2、MA3、MA4。接触元件QA1、QA2、QA3、QA4控制MA1、MA2、MA3、MA4的启停，这些接触器一般通过PLC输出模块控制。变频器和四台电动机之间需要隔离，因此使用QA10、QA20、QA30、QA40作为隔离开关。这些开关一般也是由PLC输出模块控制的。主电源电路总开关为QA0，可手动控制。变频器MM440有报警输出继电器KF3、KF4、KF5、KF6，当变频器出现报警时，继电器将发出信号。这些一般连接到PLC输入模块的相应输入口。变频器还有故障报警器PB5、PB6、PB7、PB8，当变频器出现故障时，报警器将发出声音警报。图3-3电控系统主电路图3.4检测元件选型与应用设计3.4.1温湿度传感器(1)温湿度传感器\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"温湿度传感器多以温湿度一体式的探头作为\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"测温元件，将温度和湿度\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度成\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"线性关系的电流信号或电压信号输出，也可以直接通过\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"主控芯片进行485或232等接口输出。图3-4温湿度传感器接口理想情况下应该选择能够插入土壤并与土壤接触且随时感应土壤湿度变化的传感器。但实际上本身市场上的温湿度传感器就比较少，而且随着精度的提高价格攀升幅度较大，一般价格比较昂贵。基于对精度要求一般，而且出于资金的限制，进行多方对比，本文选择了性价比比较高的一体温湿度传感器IH3605，在占有高性价比的同时，其较好的功能性也对电路起到简化作用。同时，此类传感器输出电压连续、信号较强，而且范围变化合理。内部的两个热化聚合体层之间形成的电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化，从而完成对湿度信号的采集。热化聚合体层还具有防御污坂、灰尘、油及其它有害物质的功能。其结构图及引脚定义分别如图3-5所示。采用封装形式。图3-5IH3605的结构图及引脚图IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高。(2)液位传感器本文采用红外线传感器进行液位的测量，M18光电模拟量漫反射测距离线性位移传感器是适用于太阳能、空气能、热水箱的专用探头，在本设计中分别探测高、中、低水位。3.4.2微量元素传感器系统选用的微量元素浓度传感器是英国GSS的C20,该传感器有响应快，低功耗,防水抗震动和精度高等特点。C20数字传感器四线连接就可以工作,其中从左至右分别为:接地、串行输入(接收数据)、串行输出(发送数据)、+5V电压。这种传感器可实时感应土壤中微量元素的浓度，并具有-25℃至+55℃的温度补偿功能。由于其小体积和防水等特点特别适合在湿度较高的土壤中使用。传感器适用于各种土质，具有可长期埋入土壤中，耐腐蚀，抽真空灌封，完全防水等优点。广泛适用于稻田、大棚种植、水稻、蔬菜种植、果园苗圃、花卉以及土壤研究等方面。接口电路如图3-6所示。图3-6微量元素传感器及检测电路3.5人机接口设计随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越繁琐，系统透明化已经成为一种需要。人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。人机界面（HMI，HumanMachineInterface）最大的作用就是架起操作人员和机器之间的一座桥梁，除了能替代和节省大量的I/O点外，功能也更强大[19]。和S7-200PLC配套的SimaticHMI主要有：文本显示器TD200和TD400、触摸屏TP170A和TP170B、覆膜键盘显示器OP170A/OP170B/OP77A/OP77B等。在这个设计中，我选择了TP177B触摸屏为人机界面，它属于TP170系列的升级版。相比其他显示器如TD200、TD400、触摸屏TP170A/B以及覆膜键盘显示器OP170A/B/OP77A/B等，TP177B功能更为强大，并且提供PROFIBUS-DP接口、PROFI-NET接口和USB接口，可使用软件WinCCflexible对TP177B进行组态。图3-7示即为S7-200CPU与安装了编程软件STEP7-Micro/WIN的编程计算机及西门子的HMI设备接线图。图3-7PPI通信网络

第4章控制系统软件设计系统软件由PLC控制程序和上位PC机监控程序两大模块组成。PLC控制程序用于实现水泵转速的调节和系统输出压力的恒定，而上位PC机监控程序则负责系统运作的监控和管理，以确保系统正常安全地运行。4.1系统控制程序设计4.1.1STEP7-Micro/VIN4.0编程软件使用STEP7-Micio/VIN4.0编写的程序有主程序、子程序和中断程序三个部分。编译后，可以通过PC/PPI电缆或PPI多主站电缆将程序下载到PLC的CPU中，然后进行程序的调试和运行。4.1.2USS协议SIEMENSAG定义的USS协议是一种简单的串行数据通信协议，适用于SIEMENS的所有传动产品。该协议采用主-从结构，在总线上可连接1个主站和最多31个从站。USS总线可通过一个网络连接器连接到S7224LC的通信端口O，或通过端子13为P+、端子14为P-的端口与各变频器的RS485通信端口串行连接。USS协议支持多种波特率，包括300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等，最高可达1875006bps，其中9600bps是最常用的。通过采用USS协议实现PLC与变频器之间的串口通讯，可以将变频器接通到PLC之前，通过变频器面板设置变频器的基本参数。例如，可以通过设置P944，将变频器的所有参数值恢复成出厂设定值，设置P910，将模式改为远程控制方式，设置P009，允许读/写所有参数等。4.2PLC控制程序设计（1）系统主程序在系统的主程序工作之前，需要先进行一系列的初始化工作，以确保扩展模块（如通讯模块和AD模块）以及变频器等设备能够正常与PLC进行数据传输。在系统运行过程中，需要及时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生。如果出现故障，需要在上位机上及时进行报警输出，方便维修人员进行维修工作，以有利于系统恢复正常运行。其流程框图如图4-1所示。图4-1控制系统主程序流程框图4.3组态界面设计“组态（Configure）”一词指的是用户通过类似“搭积木”的简单方式完成自己所需要的功能，如“配置”、“设定”、“设置”等。这种方式不需要编写计算机程序，因此也称为“组态”，有时候也称为“二次开发”。另外，“监控（SupervisoryControl）”是指通过计算机对自动化机器或过程进行监视、控制和管理。组态还包括画面设计、表格设计、报警功能设计等。在各种画面和表格中，可以设置PLC控制系统中所需要设定的输入参数、操作元素以及要实时显示的输出参数。4.4控制界面开发设计1.建立新工程创建一个新工程时，首先需要通过组态的“工程管理器”来指定工程的名称和工作路径。为了避免混淆，不同的工程必须放置在不同的路径下。具体的操作步骤是打开组态软件，进入“工程管理器”，然后指定工程的名称和路径。如图4-2所示。图4-2组态工程管理器界面如果要在组态中创建新的工程，可以通过单击菜单栏中的“文件/新建工程”命令，或者单击工具条上的“新建”按钮，或者使用菜单中的“新建工程”命令来启动“新建工程向导”对话框。在该对话框中，用户需要按照指引来进行一系列设置和操作，以便成功地创建一个新的工程,如图4-3所示。图4-3新建工程向导单击“下一步”按钮,弹出“新建工程向导二”对话框,如图4-4所示。图4-4新建工程向导二在新建工程时，首先需要在对话框中写入工程的路径，如果路径不存在，系统会提示用户。用户也可以通过单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择工程路径，或者直接在弹出路径选择对话框中输入路径。然后单击“下一步”按钮，进入“新建工程向导三”对话框，在该对话框中，用户需要输入新建工程的名称和描述文本。最后单击“完成”按钮，即可确认新建的工程。如图4-5所示。图4-5新建工程向导三2.创建组态界面进入组态的开发系统后，可以为每个工程创建无限数量的画面，所有画面都可以组合静态或动态的图形，并且这些图形可以相互关联。这些画面是由组态开发系统给予了丰富的图形对象组成的。开发系统提供了基本图形对象，如文本、直线、矩形、圆角矩形、圆形和多边形，以及加强型按钮、实时和历史趋势曲线、实时和历史报警、实时和历史报表等组件。此外，开发系统还提供了在工程窗口中编辑操作的内容如复制、删除、对齐等，以及对图形对象的颜色、线型进行调整等一系列工具。组态开发系统提供的上述多类工具和图形，方便用户在组态工程时构筑多种图形界面。用户可以通过单击左侧目录中的“画面”，再右侧单击“新建”来创建新的画面。之后将出现“新建画面”对话框。如图4-6所示。图4-6新画面在“新画面”对话框中,可以给画面命名。在注释中,可以选择画面位置及其画面风格。3.定义IO设备我们需要将与组态系统交换数据的设备或程序都归为IO设备。包括DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块和板卡等。通常，这些设备会通过串口或以太网等方式与上位机进行数据交换。只有在定义了IO设备后，系统才能使用数据库变量与这些IO设备进行交互。使用组态王绘制PLC的控制面板，可以提前设计控制逻辑，并实现对农田耕作系统的监控和仿真。系统的界面如图4-7所示。图4-7系统界面4.5控制系统的程序调试针对较为复杂的控制系统，应绘制系统流程图以及明确的工作顺序和条件。结合定义的输入输出参数，编写程序，并将程序输入到PLC的用户存储器中，随后检测程序是否正确。接下来进行程序调试和修改，直至达到要求为止。完成所有组态设置后，关闭组态监控程序。将写好的PLC程序下载至PLC装置，并切换至离线状态，运行并进入组态工程运行界面。此时，通过对按钮的操作，可以检测所编写的流程是否正确。机器人的行走可以通过按钮进行控制，设置了四个按钮进行行动方向的模拟，点击放置按钮开始工作。图4-8控制面板设置然后进行测试，可以发现机器人会自动进行土壤的各项指标的检测。图4-9动作示意图当点击电机正转按钮时，电机正1、2、3、4灯变绿，显示此时四个电机此时开始工作，使机器人四个车轮开始进行正转，以此来进行移动。图4-10电机正转示意图当点击电机反转按钮时，电机反1、2、3、4灯变绿，显示此时四个电机此时开始工作，使机器人四个车轮开始进行反转，以此来进行倒车操作。图4-11电机反转示意图当机器人检测到温湿度超过或者低于所设置阈值时，温湿度异常，报警灯亮起，蜂鸣器报警，数据传送至上位机，以便于进行处理。图4-12温湿度报警示意图小车装有红外线测距仪器，当感应到周围存在障碍物，且与障碍物的距离小于所设阈值时，障碍提示灯亮起，蜂鸣器报警，将数据传送至上位机，电机停转，不再前进或后退。图4-13农田机器人工作第5章总结本次设计，完成一个整体的基于PLC的农田耕作机器人，并且该设计能实现的功能如下：温湿度传感器：实时监测室外温湿度的参数。微量元素传感器：检测无土栽培技术和自然环境配置的培养液中微量元素氮磷钾的含量，从而决定是否需要施肥。红外线测距传感器：进行红外线测距，以便于进行障碍探测，进而躲避障碍物。驱动电机：驱动小车进行前、后、左、右四个车轮进行前进、后退、转弯等功能。在检测到农田图层中氮磷钾含量过低时，蜂鸣器报警，并发送至上位机。当检测到空气中湿度过低时，蜂鸣器报警，并发送至上位机。上位机可实时查看参数并实现远程控制，实现人机交互。基于PLC的农田耕作机器人是一种高效、自动化的农业生产方式，具有广泛的应用前景。未来，随着农业自动化技术的不断发展，基于PLC的农田耕作机器人将会得到更广泛的应用和进一步发展。未来的农田耕作机器人将更加智能化，可以利用机器学习、深度学习等人工智能技术，实现更加自动化、高效化的农业生产。未来将会具有更多的功能，例如自动喷洒、收割、播种等，不仅仅局限于耕作领域。随着农业信息化和传感器技术的发展，未来的基于PLC的农田耕作机器人将更加精准化，可以进行更加精细的管理，提高农作物的生长效率和产量。未来的农田耕作机器人将会实现完全无人化，不需要人员操控。这将大大提高农业生产的效率和质量，减少人力资源的浪费。更加环保化，采用更加环保的能源和材料，减少对环境的污染和破坏。自动化的发展将在农业生产中发挥越来越重要的作用，成为农业生产的重要工具之一。

参考文献[1]范铭.基于PLC的T6216电气控制系统设计与实现[A]2015.[2]王昭,QiuHongjun.基于PLC的教八模型电气控制系统设计[C].第三届航空保障设备发展论 .2019.[3]刘晓云.基于PLC的机器人电气控制系统的设计[J].电子技术与软件工程 .2016,(022).[4]高春甫,