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论文知识案例-基于plc控制的花草自动浇灌系统设计

2021-05-22 11:27:08

  突飞猛进的数字化进程是当前时代的主题之一。在各个领域已经实现了数字化和信息化。传统灌溉方式灌溉用水量大且灌溉时间不准确,不可持续使用,与我国建设节约型社会的发展战略不一致。本设计使用单片微型计算机和湿度,光照和温度传感器的组合,提高了灌溉效率,以实时检测和生长最适合它们的环境中的花朵,实现自动浇灌。本设计组成部分分两种。AT89S52型号的单片机,可循环充电电池导电回路,时钟导电回路,复位导电回路,温度测量装置,湿度测量装置,光检测导电回路,步进电机驱动导电回路,电磁阀控制导电回路,窗口控制导电回路等内容属于硬件部分。温度传感器DS18B20程序,步进电机正反转程序,窗口打开和关闭程序,电磁阀程序控制等微软件部分。

  在人类文明的数千年中,我国的第一产业规模居于世界前列。从改革开放以来,我国的经济愈加发达,国家力量逐步强大,第一产业的科技含量逐步提高。在工业和服务业发展迅速的背景下,我国想要科学的可持续发展,第一产业一直是重中之重。我国长时间致力于第一产业科技化的研究。现在,已经取得一定的成果,不过仍然存在着许多的难关。最近几个世纪,伴随着两次工业革命,人口自1804年的10亿急剧增长到2018年的75.9亿,让如此多的人生存下去是世界各国的一大难题。我国人均资源紧缺,第一产业的开发存在着不小的难度。低质量,低化肥使用;自然环境如湿地、森林被大量破坏;作业者的作业效率不足。种种的不良现象对我国的伟大复兴造成了巨大的阻碍。在第一产业方面,我国的规模宏大,但由于作业资料原始,在科技层面上与发达国家还有着不小的差距。农民由于知识层面的不足,以及缺乏先进的作业设备,造成了事倍功半的结果,不利于我国的科学发展。为了扭转这种局面,需要投入大量的资金,对第一产业的生产技术进行全方面的革新,将原始的第一产业慢慢的向着发达国家靠近,这是我国实现伟大复兴的必由之路。仅仅依靠金钱无法达成第一产业赶超发达国家这一崇高的目的,还必须有着高端技术的鼎力相助。而高端技术是人研发出来的,为此,我们一定要使出全部的力量,贯彻科学发展观,保护好生态环境,认清只有一个地球的客观事实,让人类和大自然和平共处,将科技与生态结合,实现可持续发展。其他的发达国家致力于第一产业的工程技术,与传统相比,相同的时间与土地、水等资源,可以收获更多的食物。与此同时,中国也进行了相关的研究,一定程度上改善了过去的浪费现象。由此可见,我国想要改变过去传统的第一产业,只通过节约并不能达成目的,更重要的是致力于高科技的开发。我们可以根据中国的特色,将第一产业的开发科技化,解决中国第一产业发展面临的各种矛盾。

  自然资源中有一种极为重要,甚至可以说是最重要的资源,那就是水。在水里面发生了人类社会的大部分的化学反应。如果没有水,营养就无法吸收,氧气无法输送到预定位置,营养和激素也无法获得,新陈代谢停止,人们死亡。

  在现代工业中,没有工业就没有水。工业与水共存。借助水来冷却设备和产品是大部分企业的重要手段。不仅如此,水通常用作产品,清洁设备或地板的清洁剂或清洁剂。所有工厂都需要使用不同的水功能来维持正常生产。几乎所有生产过程都涉及水。水作为人类宝贵的资产而受到关注。经常使用的“水资源”一词,它已经存在了将近10年。水资源有数十种定义,更普遍的看法是“人们每年可以正常使用和回收的水量”。这通常称为淡水。除了微咸水,却不包括难以到达的冰川和地下水。

  1.2研究意义和目的

  传统的灌溉自动化效率非常低。严格来讲,这是一个手动的操作。即使在操作过程中也无法有效地控制一定量。需要自动控制灌溉系统以提高灌溉效率,减少工作时间并节省水资源。由于经济限制和缺乏认识,农业灌溉技术的现代化水平较低。在中国的广大的西部地区,一般来讲是黑河-腾冲线,即胡焕庸线以西,普遍采用传统的灌溉方式作业,普遍是重力灌水法。水从地表进入田间,通过重力和裂缝润湿土地。这种方式对水资源的利用粗犷,浪费巨大,不符合科学发展观。对此,我国有必要改善,采用合适的灌溉方法,将其配置,节约我国本就匮乏的人均水资源。当前,我国从事第一产业的农民,由于缺乏先进的机械设备,往往只能借助于前辈以及自己积累下来的经验进行作业,相比之下作业效率并不高。农作物的增产,方法有很多,借助盆栽可以广泛地提高第一产业的生产效率。所以借助盆栽对我国来说是必须的。我国的人工林面积世界处于榜首位置,但目前的灌溉方法相对落后,灌溉的面积不均匀,过于多的或不合时宜的灌溉是传统手动灌溉的缺点。部分贵重的花朵和罕见的药材对于传统灌溉方法的过灌或缺灌极难耐受。在不断增长的环境条件下,土壤水分的水分含量非常高。如果土壤中的水分含量过高,则土壤中的空气含量会不足,从而影响作物的根系,导致疾病和腐烂。如果土壤湿度过低,则根系会撒水并降低产量。与常规定时系统控制方法和手动系统控制方法相比,自动灌溉系统可以实时检测作物根部周围的土壤水分。可用作农作物的主要灌溉。在这种情况下,我们将这些珍贵的水资源实现最大的有效运用。寻找出最佳的方式方法是盆栽的自动灌溉系统的长处。自动灌溉系统的突破取决于传感技术,定量控制技术和高精度传感技术。自动灌溉系统提高农作物的产量,并且可以节约水资源。已经有记录证明其对灌溉精度的把握以及节水效果远远高于传统灌溉模式。

  1.3当前阶段的进展

  1.3当前阶段的进展

  在上个世纪50年代时,开展了大量的科学研究,用以制定关于灌溉对于农作物之间的供给关系,这就是中国的国家灌溉测试数据库。

  在上个世纪70年代,我国开始致力于系统的节水灌溉。这一工程的研究项目主要由三大部分组成,即对于灌溉时间的研究、对于灌溉量的研究、以及没隔多久进行一次灌溉的研究。其内容是在水资源不充足的情况下,拒绝饱和供水,结合农作物生长与灌溉量的联系,保证在维持大部分甚至全部的产量的前提下,实现微灌溉。虽然这期间的实验并不属于高度的现代化,但却也大大的提高了生产效率,增强了经济。

  从上个世纪80年代开始,为了进一步的实现节水作业,我国放缓了传统的灌溉实验,开始向着微灌的彻底实现而努力。经过多次理论结合实践的研究,发现,尽管缩减了灌溉时的供水量,但对于农作物产量并没有多大的差距。节水灌溉便从那个时候开始高速发展。目前,地球上最先进的灌溉技术是微灌和喷灌,可以极大地节约水资源。并且实现了多种灌溉模式。相关实验调查了最大温差和最大相对湿度,洒水灌溉时间,洒水压力,风向,风向和光强度之间的关系。对于冬小麦的生长发育做了研究是针对于喷灌的硬件。低压管道喷洒及其节水高产机理的研究,稻田自动灌溉系统中径流不均的研究,研究还将灌溉和耕地管道结合,对于灌溉的自动化的研究;GPS节水灌溉系统研究。中国的微灌技术是在1970年代研发的。中国的第一个渗透灌溉项目是山西省临汾市的永子春季转换项目,以及河南省晋源市的禾洼灌溉排水项目。从上个世纪70年代开始,我国对于渗透灌溉的研究分别在各地开展。当时的实现相对传统,且并未商用。

  我国处于并长期处于灌溉自动化研究的初级阶段。浇灌流程比较传统,截至目前,自动灌溉系统尚且处于实验状态。2000型温室自动灌溉系统是我国研发的标杆性作品。灌溉系统可以手动控制,程序控制和自动控制,适应性强,可以在不同的情况下作业。虽然价格比较高昂,但效果较佳,推荐在温室中使用。监控是自动灌溉系统的一个核心关节,能够对照需求进行检查,代表作品微灌系统,分为集中和分散两种选择,极大地遏制住了事故的发生。8098单片机是其最主要的配件。以8031单片机为关键,研制出的自动灌溉系统,能够在各个线路进行自动灌溉,并对其完成监视。不过,其组成环节较多且波动大。采取PC功能,联络功能,自动化模式,生态农业技术使其模块化,这是福建水利技术部门研制的自动浇灌系统,具有节水特性,可以固定时间灌溉,控制湿度,也可以由人工操作,完美涵盖了三个农业作业方式。

  总体来说,我国虽然已经开发出了许多的自动灌溉系统,但规模不大,且并未大规模商用。科研需要大量的金钱,因为投入多,造成了商品并不廉价,难以勾起人们的兴趣,商用化困难。

  在最近的数十年间,一些国家凭借着历史积累,在这一方面取得了明显的进展。目前,微灌溉技术正在约80个国家和地区推广。美国,俄罗斯的喷灌面积占灌溉总面积的四成,一些国家的灌溉几乎完全采取了喷灌作业的模式,例如英国和日本。多功能压力和流量控制设备广泛用于洒水灌溉系统,这种情况广泛存在一些发达国家。例如,法国和日本已经开发并正在使用多功能压力和流量控制消火栓,它们集成了消火栓,压力控制,流量显示和水量控制功能。可以节约消耗并且稳定。日本,这个亚洲为数不多的发达国家,压力罐控制对旱地进行浇灌。美利坚合众国以及中东地区惟一的发达国家-以色列在微灌领域取得了巨大进展。为了增产,这两个国家在水里面掺杂一定量的肥料,通过灌溉系统输送到农作物根部附近的土壤,使其完美搭配。在以色列这个极为缺乏水的国家,划出了大量的资金农业技术进行了突破,能够进行节水灌溉,对外出口。该公司的微型灌溉系统生产的举世闻名的Netfim灌溉,其基本上由计算机控制和操作。对于产能做出了极大地促进。美、法、英、日以及以色列的灌溉管理模式自动化。这些高科技国家摒弃了传统的灌溉系统。为了达到节水的功能,提前对农作物的需求进行判断,并对其实施监管,研制了诸多传感器对农作物的生长需求管理,例如检测土地的含水量,其使用的是一种多功能且功能强大的优秀灌溉系统。以色列国对微灌技术有着很深的理解,排在世界前列,它可以由灌溉系统提供各种物资给农作物,例如水、肥料。对于节水部分的技术极为高超,同时提高了农作物的产量,这源于自动灌溉系统能够将水从管道中发送到农作物根部,效率更高。由PC端对灌溉模式进行控制,其微灌溉方法通常由计算机控制,在北美等国家大量采用。与土地湿度相关的内容由湿度传感器检测,它们通常被埋在地下。这个浇灌系统借助观察农作物的根部粗细,以及果子的大小,以此可以判断出多久进行一次浇灌。在一些密闭的空间中,例如大棚,因为频繁的使用灌溉程序,能够大致推算出浇灌的间隔时间。对于非大规模的工作具有积极的效应。PC端由于其严谨的特性,在自动浇灌的时候量把握的好,可以节约工作量。在以色列,一些农民使用计算机控制在家中的灌溉过程。

  简而言之,现在国内与国外的自动浇灌系统差距还比较大,不够成熟。现在发展的趋势是自动浇灌系统多的体积变小,分散化控制。一般情况下,浇灌系统可以和PC端通讯,同时也可以采取手动操作。

  抛开国内,与国际对轨,还有以下诸多的问题存在着:

  1.从整个中国灌溉系统设计行业的产品开发角度。

  我国由于资金、积累等原因,主动或被动地对一些发达国家进行假冒。

  2.对科研人员的扶持度不足。

  科研作业具有极大的不可预知性。而且科研作业态度不够严谨,没有能够发现不良,极大的增加了科研成本,对于生活使用中,也具有危险性。

  3.对于自动浇灌系统的开发投入尚浅。

  在科学研究之前,准备工作不足。在科研过程中,操作不够标准化。

  4.商业化准备工作不充分。

  对于市场的判断不够精确,在之前的数年之中,情报工作没有做到位,都是些近期的计划。

  5.开发团队所涉猎的项目过多,没有集中力量做大事。

  6.高科技人才不足。

  没有对技术工人提供充足的物质保障,人们不愿意从事此类工作。

  2系统总体设计

  2.1系统的预定功能和技术标准

  2.1.1系统的预期功能

  我们所处于的这个世界,存在着许多的标准,鲜花绽放所需要的温度、空气中的湿度,以及光线的强度,都有一定的范围。高于或低于这个预定值将影响花的发育。对于花朵所处于的环境,该系统将进行检测,通过观察和收集花朵的各种因素,对PC进行输出,以此完成对温度、空气以及光线的控制。以节约用水,节约能源,时间。

  2.1.2系统的技术规格

  下图2-1是夏天的技术规格。对于农作物的不同,可以采取不同的控制参数。图中的%RH(相对湿度)是相对百分比,非绝对值。单一生产和批量生产所产生的硬件成本有一定差异。

  表2-1系统技术指标

  2.2系统设计总体方案

  采取PLC成为自动灌溉系统的关键部分,可以适应农作物的需求。灌溉系统的电源采取生活中常用的220V交流电源,控制器fx2n-32mr-001,开始和停止开关。对数据收集的元件采取,数据采集器件选用液位开关,实时。运行部分的组成包括电磁阀(Electromagnetic valve),电动机驱动的轴流泵。下图2-2所表示的是控制器的组成部分.

  图2-2闭环控制逻辑原理框图

  (1)设计温度、湿度和光照检测和控制系统,保障花卉生长环境可以发育。整个系统的硬件组成如图2-3所示。(2)硬件电路以AT89S52单片机为核心。(3)软件采用C语言作为编程语言,选择构件化结构设计。

  2.2.1 AT89C51微型计算机组成的最小单元

  决定要不要增加这个单芯片微型计算机的片外程序和时序逻辑电路,需要参考技术规格。如有必要,可借助片外时序逻辑电路对AT89C51微型计算机进行开拓,这就组成了灌溉控制系统的基础单元。否则,其最小的硬件部分就是单片机,震荡导电回路,复位导电回路。

  2.2.2信息获取部分

  作为由一个比较器和DA转换器采取逐次比较逻辑组成的元器件,ADC0809具有8个带某一范围内锁存控制的模拟开关和8个外部模拟传输,在一定的情况下,能够在相同时间聚集最大8个单位为0至5V的模拟传输电压信号。最多采取2个传输线路——INO和IN1,目的能够完成变动。拥有8位解析度的DC0809转换器,其不可调整的最大误差小于±1 LSB,供电系统采用+5 V的单电源进行供电,15 mW是其额定负载。并不要进行调试,无论是0还是满刻度。ADC0809转换器的传输内存资料寄存器拥有能够控制的的三种形态的传输能力,同时传输存在着TTL三态锁存器、缓冲器,所以它的8位信息传输引脚能够径直继承联结至信息总线。一定要外部操作转换启动信号来完成变化,这是A/D转换器的特性。中央处理器供给这个变化启动信号。转换开始信号的要求因A/D转换器的类型而异。分为脉冲以及和电平两种开始模式。使用脉冲开始变化ADC0809的,要开动A/D转换器来完成变化,须要将正脉冲信号传送至输入引脚(A/D转换器启动控制转换(START))。变化行为启动,变化完成信号(EOC)终于转化为相对低的电平,变化完成之后,EOC重新变动为相对高的电平,同时告诉PC采集变化完成后的信息。这个信号能够用以查询A/D转换器的形态信号。把它拿来结束申请信号。

  ADC0809时钟单位时间内变动差异范围一定要在10-1280kHz之间。AT89C51迷你计算机上ALE引脚的单位时间的频数是微控制器时钟单位时间的频数的1/6。想要获取A/D转换信息,一定要推迟100U。

  ADC0809的8个信息传送引脚能够径直继承联络到信息的总线,位置还原管脚A,B以及C各个联络至74LS373的A,B以及C,以此来判断使用INO-IN7线路。AT89C51 AT 2.6采取作为选片信号,同时在AM启动变化的时间内,采取迷你计算机传输信号WR以及p2。操作ADC位置锁存以及启动变化。因为ALE以及START二者之间可以交流,所以ADC0809在锁存线路位置的相同时间内开始变化,同时采取迷你计算机获得信号RD和p2,传输变化成果。NOR门在引脚电平上产生的正脉冲用作OE信号来启动三态传输锁存器。

  2.2.3显示部分

  发光二极管显示板(LED panel)、LCD显示器作为将所获取信息呈现出来的元件,普遍应用在控制器的检测和操控单元中。线路不复杂,能源损耗低,价格低廉以及使用周期久,是以上两个显示面板的长处。4个发光二极管对本单元的信息传输提供支持。辉光管有2种作用,阴和阳。8个共阴发光二极管被应用在本设计中,每个辉光管有8个LED,公共端(电力线路中多个线路公用的物理端)有8个发光通过二极管阴极联结到低电平(GND):各个发光二极管能不能发光关键在a-dp引脚在不在高点。

  在发光二极管的数字管组成部分,外部有10个引脚,引脚3和引脚8是公共端,或者可以说是位选择端,其余8个引脚称为段选择端。一定要选择和数字显示号码互相关联的8位分段选择源文件(或者可以说是字形源文件)把号码((0-9)中随便哪一个)放入这个数码管的分段选择器中,可以向选择器添加一个较低的级别。

  2.2.4供电电源单元

  它由变压器,整流器,滤波器和稳压导电回路构成,可为上述部件给予所需的电压,并可提供+5V,+12V,+40V的稳定电压。电压源是现成的装置,可以在市面上购买。

  2.3系统的工作原理

  电池的输出通过电压调节器模块以避免电压的大幅变化。电池为整个系统提供电力。在完成对室温、湿度以及光照度的检查后,监测装置把检查完的项目的各个参数变化成电压数据,把它变化成0-1数字信号,并将其发送给SCM,来操作预期的各项理论数值。这一操作可以被控制。在单片机AT89S52里面预留好各项数据,控制目标电机和电磁阀对应的相应温湿度值,驱动电力系统进行相应的运动,并与微控制器中设定值的差值对应,当温度超过预定数值时,进行调节。时刻检查并核对温度和湿度,完成动态稳定。

  3系统的硬件设计

  3.1单片机控制系统设计

  3.1.1单片机的选择

  电池的输出通过电压调节模块,以避免电压发生较大变化。本设计的电源是电池。对温度,湿度以及光照完成检查后,测量装置把被检查各项参数变化成电压数据,把它变化成数字信息0-1,并将其发送到SCM以执行预定的温度和湿度值。根据AT89S52微控制器中设置的参数控制目标电动机和电磁阀的相应温度和湿度值,驱动电源系统执行相应的运动,并与微控制器设置值调整。它持续检测并控制温度和湿度,以实现动态平衡。

  3.1.2AT89S52简介

  AT89S52是一款能耗小,高性能CMOS 8位微型计算机。包括8KB ISP(可在系统中编程)。程序图3-1显示了AT89S52的内部结构。AT89S52微控制器具有40个引脚,并且是CMOS双列直插式封装(DIP)。图3-1显示了引脚分配。

  图3-1 AT89S52外部引脚

  3.1.3存储器的配置

  AT89系列存储器中使用的程序存储器和数据存储器是分开处理的。具有自己的寻址系统,控制信号和特定功能。数据结构和信息保存在物理和思维的规则上具有两个位置区域。内部储存以及外部储存。本设计源文件比较小,只需要AT89S521芯片就能够实现256字节RAM的储存,并不要增加片外只读存储器和随机存取存储器。

  3.1.4时钟电路与复位电路的设计

  (1)时钟电路设计

  AT89S52微控制器具有一个内置振荡器,可用作中央处理器的晶体震荡器。本设计的时钟采取内部策略。AT89S52采用单个高增益反相扩大元件。在XTAL1以及XTAL2传输时,当成并联反馈元件,外部晶体(或陶瓷谐振器)以及电容器C1和C2形成并联谐振导电回路。如图3-2所示,自由运行的振荡器的内部振荡器产生一个时钟。

  图3-2时钟电路

  (2)重置电路设计

  在引导过程中还需要重置89系列微控制器,同时从起步情况下消除中央处理器和系统组件,并从初始状态引导。按下SW按钮为C充电并快速启动RST引脚。释放按钮C时,释放内部电阻并返回低电平以复位微控制器。在正常情况下,选择470 ohm R1,R2 22 F,8.2KC。下图3-3是AT89S52按钮的复位导电回路。该电路不复杂但稳定性高。

  图3-3按键复位电路

  3.2数据采集电路的设计

  3.2.1温度传感器的选择

  监测装置技术是现代信息技术的三大支柱之一,如图3-7所示。

  图3-7信息的三大支柱

  检测装置也被称为中国设施农业中的变送器,探头。监测装置的框图如图3-8所示。

  图3-8传感器的原理

  在日常生活中,温室的环境变化范围为0℃-40℃,温度变动区间不大,温度变化速度慢,因此监测装置的数据采集速度也不需要太快。在分析上述几种温度传感器的性能之后,考虑了集成温度传感器的选择。在模拟数据的常规大距离温度检查单元里,目的是达成更优秀的检查精度,一定要攻克放大导电回路技术的精准度补偿、多点检查切换精准度低和零点漂移精准度低一系列的难题。

  DS18B20和DS1820是相同的。DS18B20也支持单线总线接口。温度区间为-55+C到+125度,精度为+/-0.5度,温度范围为-10至c85到C,现场温度直接由“一总线”传输,提高了系统的抗干扰能力。

  能够在环境控制差、设备或过程控制不利的情况下进行现场温度检查。与上一代产品不同,新产品支持的电压区间是3V到5V,使系统设计更加灵活。很方便,而且新一代的产品价格低廉,尺寸变小。下图3-9是DS18B20的内部组织。DS18B20引脚如图3-10所示。DS18B20组成一个温度检查系统。一个简单的上拉电阻可以用来实现微控制。下3-11是标准的温度检查导电回路之间的通信线路。

  图3-9 DS18B20的内部结构

  图3-10 DS18B20外部引脚

  图3-11温度检测电路

  3.2.2湿度传感器的选择

  湿度是空气中水蒸气的量。它通常出现在绝对和相对情况下。影响植物生长的湿度是相对湿度。以较快的速度和较为精准的算法来测量花朵发育环境的湿度数据,可以判断出当前的各项参数是否适合花朵的发育对。用于室内湿度传感器,可应用于在线监测,自动化程度高,灵敏度高,精度高,湿度区间宽,0-100%湿度区间,使用周期长,稳定性高,线性检查装置输出湿度高。快速而准确地测量土壤水分决定了土壤水分在生长和发育过程中的重要作用,因此及时确定了灌溉,施肥和排水措施。

  当前,土壤水分测量的主要方法是干法(SA),间接石膏块法,电容法,张力计法,中子计法和时域反射计(TDR)。考虑到电路的成本和复杂性,该系统可以用简单的电路实现,并且可以控制60-80%的土壤湿度。土壤水分检测导电回路由V1,V2和一些外部组件组成。石墨电极的体积电阻随湿度的变化而变化。如果土壤潮湿,则高基极电位会关闭V1并打开V2,从而降低集电极输出并增加体电阻。当土壤水分降至正常水平时,基础电位下降时,V1接通,V2接通。V2收集器输出高电平。微控制器控制电磁阀打开和关闭水并将土壤湿度降低到设定值。在传感器的导电回路的V2二极管传送高功率时,低电平借助逆变器U6传送至迷你计算机的P2.5端子,元器件电磁阀闭合。借助改变RES的电阻值,能够把土地湿度数据要求在60%到80%内。在随后的实验中确定电阻率。图3-12显示了土地湿度测量装置导电回路。

  图3-12湿度传感器电路组成

  3.2.3光照检测电路的选择

  光线是种植农作物的必要条件。它是植物营养的能源。没有光,就无法进行光合作用,从而影响作物的发育。它们是将光信号(红外,可见光,紫外线)转换为电信号的设备。它可用于非电光检测,例如光强度,照明,辐射温度测量,气体成分分析等。它还可以用于检测其他非电子输入光的变化。光电检查装置具有非接触,响应速度快和性能稳定的优点。本设计里的光学检查导电回路借助LM324当比较器,同时投入光电晶体管当光电检测装置。在亮度发展至预定数值时,光电晶体管打通,LM324输出低电平。图3-13显示了光电检测器电路。

  图3-13光照检测电路

  3.3输出控制电路的设计

  自动控制系统通过传感器实时收集被控对象的相关参数信息数据,将数值转换为单片机CPU进行必要的处理,并采取相应的动作来驱动执行装置或机构控制对象会调整测量参数的最终目标,以使受控参数始终在所需的值或范围内。

  当MCU完成控制过程时,MCU总是通过I/O线或数据总线将数字信号输出到控制目标。控制设备的驱动器通常使用模拟或数字输出驱动器。但是,在单片机的实际测量和控制系统中,数字输出控制,尤其是开关输出的驱动和控制,变得越来越广泛。传输控制导电回路的设计主要解决输出隔离和抗干扰电源驱动的难关。逻辑图如图3-14所示。

  图3-14输出通道控制

  系统的执行器和机构只有两个切换状态,切换模式的输出由控制目标通过I/O端口控制。根据输出控制,附加的功率放大器驱动器电路直接驱动执行器并直接驱动设备。控制目标。

  由于单片计算机与功率放大器导电回路互相很容易发生电磁干涉,必须采取光电耦合器隔离和其他抗干扰措施。开关输出电路的主要干扰是控制电源启动和关闭期间的冲击干扰。开关输出隔离的目的是中断MCU与执行器之间的直接电气连接,防止执行器由于接地电位差,外部电磁场和其他干扰因素而导致故障。当前使用的开关输出驱动隔离装置是功率晶体管,光电耦合器装置和继电器。

  功率晶体管在负载中需要的电流较小,适合用于驱动微继电器,LED显示器等的应用。光电耦合设备与输出和输入数据根本不干涉,具有良好的抗干扰作用。绝缘电压能够高于千伏。非接触式TTL导电回路,使用周期长,稳定性高,响应速度快,操作简单。他们有不同的驱动器。功率电路可直接控制,外围电路可灵活配置,大电流放大效果,开关输出分离和驱动装置极佳。

  该系统的控制目标需要使用电磁驱动,电磁阀约为5V/a,电动机约为10W/件,电磁阀是直流电磁阀,具有隔离驱动器和继电器隔离控制继电器的光电设备使用电磁继电器,并且在继电器两端连接了漏极二极管电路,以保护驱动器。

  4软件系统的设计

  4.1总体设计思想

  本设计的研制采取了通用的模块设计理论。软件程序的开发过程中,通过本设计的作用,能够把全部的软件单元拆成一个个互不干涉并易于操作的部分。各部分都是程序的完整,相对独立的部分,可以执行指定的任务并实现特定的功能。模块化程序结构清晰,灵活,可读,方便检查,稳定性高,方便开发和系统改善。这样设计的好处是方便在本地修改数据组成,另一方面也易于组织多次采用的例程。本设计的组织结构主要是以下模块:DS18B20温度采集,步进电机控制,继电器控制等图4-1显示了整个系统的主程序。

  图4-1主程序流程图

  4.2系统的主程序

  系统初始化后,将详细分析环境温度,土壤湿度和光强度。如果测量出的温度超出了预定值,微控器会为了降低温度而把散热装置启动。如相反的,CPU会将散热装置关闭。在传感器检测到土地湿度低于设置的数值时,启动灌溉和加湿模式。一旦发现光照不足,为了提升光照度,CPU就会发送指令,把窗户拉开;反之,就会将窗户闭合。在这一系列的预定设置后,各项数据严格按照花朵需要的维持,所以空间内处于让于花朵发育良好的优秀状态。

  4.3选择合适的模块

  参考先后的步骤,各个模块会进行组织,考虑到各不相同的传送过程,模拟量也分为不同。模拟量的信息结构是字长,所以位置一定要用12位精度的双数部分作为起始,同时模拟值要求为0至32000内的数据。传送结构输入:AIW[初始数据位置]传送结构输出,举例AIW0:AQW[初始数据位置]AQW0各项模拟量传送模块都拥有着根据模块先后顺序的稳定地址,同时顺序不一样。举个例子:AIW0,AIW2,AIW4...,AQW0,AQW2...

  各个增加的模拟模块最低数量是需求2个线路。哪怕首个模块仅仅具有单个传送AQW0(EM235仅有单个模拟传送输出),另一个模块的模拟传送位置也一定要从AQW4启动寻址。

  能够借助DIP开关把模拟量的传送构件配置为各种检查模式,即电流和电压。构件开关参数能够分配给全部模块,仅仅可以把构件配置成单个检查区域,同时开关配置只可以在再一次打开后才可以有作用。单次仅仅可以把传送配置成单个区域和构成,也就是没有差别的传送区域和解析度。

  作为使用最为广泛地模拟扩展构件,EM235能够将四个模拟传送输入和单个模拟传送输出实现。在EM235模拟量增加的构件的联结措施里,面向电压数据,正极和负极可以无障碍联结,面向电流数据,可以把RX跟X+短路,对于电流输入信号``+''连接到末端。没有传感器连接的X+和X-通道必须短路。

  为防止共模电压,一定要把M端子合并至一切负极端子的数据,然后把短路线路联结至检测装置。如果模拟输入PLC的值变化很大且不稳定,第一种可能:其也许采取独立供电也可以是独立的的监测装置电源,同时2个电源没有接上,所以垂直振动共模电压会干涉到模拟传送输入数据。第二种可能:模拟量传送输入构件的线路也许过长或破损。因此破解办法:1.将检测装置传送输入的负极端子和构件的公共M端子联结,来减少相同情况的变化。

  一旦模拟传送输入PLC获取一个跳动并不快的信号,也许采取了滤波器。破解措施是缩减甚至否决过滤。

  EM235这个构件的作用并不是检查是否和热敏电阻的连接性。所以,若采用它的机会不够,容易出故障。在采取模拟输入模块之前,必须执行输入调试。实际上,输入调试是在出厂前完成的,但是一旦变动了OFFSET和GAIN电位计,则一定要再做一次输入调试。以下是顺序:

  A.闭合构件然后判断所需的输入区间。

  B.启动中央处理器和构件,让它稳定一刻钟。

  C.采取变送器,电压源和电流源添加零值数据。

  D.解码得到中央处理器对应输入线路的测量数据。

  E.变动OFFSET电位器,直到读数为0或所需的数字理论值。

  F.将满量程值数据接线至传输端子之一,并获得发送到中央处理器的数据。

  G.调整GAIN电位器,持续至读数至32000或预定值。

  H.一旦需求,重复以上步骤。

  猜测模拟量的标准数据是A0-Am(4-20mA等),A/D变化完成后的数据是D0-Dm(例如:6400-32000)。推测A,A/D是模拟量的标准电数据。变化后的数据是D。因为这是线性组合,所以能够把函数关系A=f(D)写成数学表达式。

  A=(D-D0)x(Am-A0)/(Dm-D0)+A0

  参考这个公式,能够简单地从D值判断出A值。该方程的逆变换推测??,函数关系D=f(A)能够写成数学方程。

  D=(A-A0)x(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

  假设,根据S7-200和4-20mA,路过A/D变化6400-32000,也就是A0=4,Am=20,D0=6400,Dm=32000,以下是公式。

  A=(D-6400)x(20-4)/(32000-6400)+4

  假定模拟量对应于AIW0,一旦AIW0的数据是12800,那么相互关联的模拟电数据是6400×16/25600+4=8mA。另外,对于温度检测装置,-10-60°C对应于4-20mA,温度数据以T命名,AIW0是PLC模拟随机抽取数据参考本公式变化为:T=70 x(AIW0-6400)/25600-10,能够借助T直接显示温度数据。

  这个论文里,一定要检查两个温度和湿度的模拟数据,EM235有3个传输信号,3个模拟输入和一个模拟输出,EM235构件能够满足系统需要。

  4.4系统所需电源的选择

  尽管供电似乎很简单,但根据不同的系统要求,选择电源并不容易。选择随机电源会切断系统的供电,同时因为不能采取和PLC共同使用的电源而可能产生许多难关。

  该设计采取西门子S7-200PLC,输入电压是AC200V,输出电压是DC24V。本系统的内部电源是用于内部导电回路稳定电源。众多种类能够在外部给予24V DC稳压电源,能够给现场开关数据和外部监测装置提供电源。西门子PLC采取用于S7-200 PLC和监测装置的多种24V DC电源构件。还有,系统采取交流电动机以发动水泵,所以系统一定要380V三相交流电源才可以正常工作。

  4.5传感器控制模块设计

  通过转换传感器输入的模拟信号,进行分析并将其与预设参数限制进行比较,如果满足某些条件,则可以确定并执行相应的控制功能。相应的程序流程如图4-2,图4-3和图4-4所示。

  图4-2温度判定程序流程图

  图4-3土壤湿度判定程序流程图

  图4-4光照强度判定程序流程图

  4.6系统仿真

  写进本设计的梯形图,变化然后启动模拟,借助强制更改原件现在的数值,能够发现系统按照模拟能够完成A、B、C类植物的灌溉要求,另一方面,电动机根据设计完成了Y-△启动。

  在A类水生植物的水位比预定的理论数据小时,下液位开关S2则闭合,开关量信号发送给PLC把守水泵电机联结电源。在水位高出预定数值时,上液位开关S1则闭合,这个情况下开关数据输入PLC来影响水泵停止供电。