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基于PLC的智能温室环境控制系统


前  言

增加 ,为提高农作物的产量和品质 , 工作人员必须时 刻对温室的温湿度进行监测和控制 。为解决这一问 题 ,介绍一种基于 PLC 和温湿度传感器的智能温室 控制系统 ,该系统实现了温室内温湿度的自动测量和 调节 。 鉴于 PLC 模拟量输入输出模块价格昂贵 , 本系 统采用自行设计的 ADC0809 与光电耦合器组成的模 拟量输入接口电路 ,代替了 PLC 模拟量输入模块 , 从 而降低了成本 。

本系统主要由温度传感器 ( LM35 ) 、 湿度传感器 ( SY - HS - 220 ) 、 ( LM358 ) 、 /D 转 集成运算放大器 A (ADC0809 ) 、 ( TLP521 ) 和 PLC (三菱 换器 光电耦合器 FX1N - 40MR )组成 。温度 、 湿度传感器分别采集温 室内温度 、 湿度信号 ,经 ADC0809 转换成 8 路并行数 字信号 ,信号通过光电耦合器传入 PLC, PLC 再将采 集的信号经转换后与温湿度设定值进行比较 。

转换后的温度信号若高于设定温度上限 ,则开窗 降温 ; 若低于设定温度下限 ,则关窗并驱动加热设备 。 转换后的湿度信号若高于设定湿度上限 , 则启动风 扇 ; 若低于设定湿度下限 , 则启动湿帘和风扇 。其系

第 21 卷   4 期 第 机械研究与应用 Vol 21  No 4                  2008 年 8 月 M ECHAN I CAL RESEARCH & APPL ICATI N O 2008 2 08 ? 检验与控制 ?

基于 PLC 的智能温室环境控制系统
周   ,王   ,梁秀英 笛 奇
(华中农业大学 工程技术学院 ,湖北 武汉  430070)

摘   : 研究并设计一种基于 PLC的温室小气候温湿度自动控制系统 , 该系统主要包括自行设计的输入 、 要 输出接口模 块、 数码管显示模块 、 外围驱动设备等 ,并说明了其硬件结构 。实验证明 ,该方法能使 PLC 对多路模拟量信号 进行采集 ,降低系统成本 ,结构简单 ,运行可靠 ,易于实现 。

关键词 : PLC; 接口电路 ; 温室 ; 温湿度

中图分类号 : TP273        文献标识码 : A        文章编号 : 1007 - 4414 ( 2008 ) 04 - 0107 - 02

In telligen t greenhouse env ironm en t con trollable system ba sed on PLC Zhou  D i, W ang Q i, L iang Xiu - ying

( Eng ineering and technology depa rt en t of Huazhong ag ricu ltu ra l un iversity, W uhan Hubei 430070, Ch ina) m

随着农业科技的不断发展 ,农作物温室数量不断

1  工作原理

3 基金项目 : 华中农业大学创新实验项目

Abstract: In this paper, a system , which can autocontrol the m ircoclim ate temperature and hum idity of a greenhouse, is stud2 ied and designed based on PLC. The system includes self - designed I/O interface modules, digital disp lay modules and other - channel analog signal, and could greatly reduce system cost, meanwhile, it is simp le and reliable, and easy to be realized. drivers, whose hardware structures are described in detail Experi ents p rove that this method can help PLC to gather the multi . m Key words: PLC; interface circuit; greenhouse; temperature and hum idity

统工作原理图如图 1 所示 。

图 1  系统工作原理图

2  硬件设计

2. 1   信号的采集

温湿度信号分别由温度 、 湿度传感器采集并转化

为电 压 信 号 , 经 运 算 放 大 器 放 大 后 分 别 接 入
ADC0809 的 I 0、I 1 号通道 。 PLC 输出口 Y0 通过 N N

3

输出电路接到 ADC0809 的地址选择输入端 ( A ) , 控 制具体模拟量信号的转换 。
2. 2   输入接口电路设计

在输入采样阶段 , PLC 首先扫描所有输入端子 ,将

各输入状态存入内存中的各对应的输入映像寄存器中 (例如按钮 SB1 接点闭合 ,就将 1写入对应表示输入继

[1] 电器 X0所示的位上 , SB1 接点断开 ,则写入 0 ) 。为 了保证输入灵敏度 , 当输入电流在 4. 5mA 以上 ( X10

以后为 3. 5mA 以上 ) 时 ,就把 1 写入相应的输入映像 寄存器中 ,当输入电流在 1. 5mA 以下时 ,就把 0 写入

收稿日期 : 2008 - 05 - 26 作者简介 : 周   ( 1987 - ) ,男 ,湖北武汉人 ,本科在读 ,研究方向 : 机械设计制造及其自动化 。 笛

?107?

相应的输入映像寄存器中。 PLC 等效控制电路如图 2 所示。

  在输入接口电路中用到的光电耦合器型号为 TLP521,一般 TLP521 的工作电压为 5V (最大值为 24V ) ,通过二极管的典型 电流值为 16mA (最大值为 20mA ) ,此时三极管导通 , 其集电极电流的典型值为 1mA ( 最 大 为 10mA ) 。 TLP521 芯 片 内 部 结 构 如

图 3 所示 。    如图 4 所示 , 为保证 ADC0809 正常工作 , 采用 1M 的有源晶振 , 经 74LS74 二分频后接到 CLK 端 。 模拟量经 ADC0809 转化为八路数字信号 , 若某一路 (D0 )为高电平 , 经 400 限流电阻后 , 光电耦合器 Ω TLP521 的发光二极管导通发光 ,使 TLP521 另外一端 的三极管导通 ,为保证三极管导通电路中的电流大于 4. 5mA 能被 PLC 读入 1 信号 , 且不至于过大烧坏三 极管 , 接入 4K 限流电阻 。若为低电平 , 发光二极管 不导通 ,三极管截止 , PLC 读入 0 信号 。 图 4 中只画出数字信号从 D0 路到 PLC 的 X10 输入端的电路 , 剩下七路的电路与 D0 路的一样 , 这 里就不再给出 。 2. 3   输出接口电路设计 如图 2 所示 , PLC 输出端一般是几个输出继电 器共用一个公共端 , 以便使用不同的电压等级 , 对于 FX1N 型 PLC,具体对应关系如下 : COM0 —Y0  COM1 —Y1 COM2 —Y2、 Y3 COM3 —Y4 ~Y7 COM4 —Y10 ~Y13 COM5 —Y14 ~Y17 如图 4 所示 , COM0 接直流电源 + 5V ,当 Y0 闭合 时 ,光电耦合器 TLP521 的发光二极管导通发光 , 使 ?108?

Vol 21  No 4 机械研究与应用 第 21 卷   4 期 第                  2008 2 08 M ECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATI N O 2008 年 8 月
图 2  PLC等效控制电路 [ 1 ] 图 4  输入输出接口电路

TLP521 另外一端的三极管导通 , ADC0809 地址选择

线输入端 A 置低 , 对 I 0 号输入端的模拟量进行转 N 换 ; 当 Y0 断 开 , 发光 二 极 管 不 导 通 , 三 极 管 截 止 , ADC0809 地址选择线输入端 A 置高 , 对 I 1 号输入 N 端的模拟量进行转换 , 这样就实现了对温度 /湿度信 号的采集 。其输入输出接口电路图如图 4 所示 。

2. 4   数码管显示电路

利用数码管可以显示设定的温湿度和经转换后 实测的温湿度 ,便于对温湿度的设定和观察 。译码器 采用 CD4511 芯片 , 显示采用四位数码管 , 输出端口
Y10 - Y13 接 CD4511 的 A、 、 、 管脚 ,控制显示具 B C D

图 3  TLP521

体某个数字 , Y5 - Y7 控制位选 。 PLC 输入输出点分 配图如图 5 所示 。

(下转第 111 页 )

凸形状 ,使用中没有问题 。但安装在常温环境中 , 如 环境温度为 0 ~50 ℃ 5 ~10 ℃ ,床身上 、 或 时 下有温度 差存在 ,形成自上而下的温度梯度 。夏季导轨上表面 温度高 ,下表面温度低 。温度差 t1 - t2使上表面伸长 大于下表面 ,呈上拱形状 。而到冬季刚好相反 , 由于 t2 - t1 温度差存在 , 下表面的收缩大于上表面 , 导轨 呈下挠形状 。 为克服由于导轨上下温差所导致的导轨直线度 误差 ,可使用数段成一体的床身 , 不使用其连接处用 螺栓产生塑性变形 ,使其成为弹性的连接 。环境温度 变化时能伸缩自如 , 目的是使床身连接处成为铰交 点 ,使每段床身成为不连续的简支梁 。这样才能使导 轨调成中凸更方便 ,而每段床身变形也更自如 。如某 数控龙门铣床床身全长 35m , 每段长 7m , 床身高为 700mm ,上下表面温差 Δ t = 5 ℃。床身是在自由状态 下调平的 ,温差引起的变形为 : Δh =α 2Δ t / ( 8 ) Η L - 6 2 = 8. 7 × 10 × 7000 × / ( 8 × ) 5 700
= 0. 3806mm

式中 :Δh 为温差引起的变形 , mm;α为铸铁导轨线膨 - 6 胀系数 ,α = 8. 7 × 10 ; L 为每段床身长度 , mm; H 为 床身高度 , mm;Δ t为上 、 下表面温差 , ℃。
(上接第 98 页 )

本文中标准件库的创建 ,具有良好的开放性和可扩展

性 ,结合 UG有关评价信息的输出 , 为节筒坡口加工 机床总体的虚拟设计和虚拟开发创造了条件 。同时 , 其参数化设计方法也适用于相似机构的设计和开发 。 参考文献 :

当系统启动时 , 操作人员首先对 PLC 进行温湿 度设定 ,然后 PLC 通过温湿度传感器来采集温室内 的温湿度 ,并与设定值相比较 , 如果温室内的温度或 湿度超出了设定范围的上下限值 , PLC 就输出指令 , 控制接通相应的设备 , 直到温度或湿度达到设定范 围 ; 当温室的温度和湿度都在范围内时 , PLC 间隔 5m in 对温室的温湿度进行采样处理 。其具体 I/O 分 配如图 5 所示 ,系统工作流程图如图 6 所示 。

第 21 卷   4 期 第 机械研究与应用 Vol 21  No 4                  2008 年 8 月 M ECHAN I CAL RESEARCH & APPL ICATI N O 2008 2 08 其理论计算值和复测值基本相符 。当最大温差 值 Δ t = 1. 5 ℃, 导轨呈中凸形 。机床导轨下挠值太 大 ,将影响机床的运行精度 , 如产生低速重载下的爬 行 。为此 ,将导轨调成微凸 。Δh = 0. 03mm 这个微凸 值 ,在环境温度较低时 (冬季 ) 机床运行精度得到保 证 。而当环境温度较高时 (夏季 ) 呈中凸最大值 , 经 计算 Δhm ax = 0. 144mm ,其对加工精度亦不构成影响 , 因为在重力 、 切削力作用下 ,中凸值会明显减小 ,从而 保证了一年四季机床的运行精度 。

5    结 语

对于集机 、 、 、 电 液 气于一体的大型数控机床的验 收 ,无论是预验收 , 还是终验收 , 都十分重要 , 它直接 关系到机床的功能 、 可靠性 、 加工精度和综合加工能 力 。验收时必须对机床的几何精度 、 位置精度及工作

精度全面检测 ,采用的手段和检测仪器 、 工具应尽量 先进 ,只有这样才能保证大型数控机床的工作性能 。 参考文献 :

[ 1 ]  熊  军 . 数控机床原理与结构 [M ]. 北京 : 人民邮电出版社 , 2007. [2]  韩鸿鸾 . 数控机床的结构与维修 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 2004.

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[ 2 ]   [美 ]Unigraohics Solutionns Ins 张   . 琴译 . UG相关参数化设计

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[ 3 ]   [美 ]Unigraohics Solutionns Ins 赵   . 波译 . UG高级装配培训教

程 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 2002. 版社 , 2002.

[4]  王荣桥 ,朱   . UG零件设计教程 [M ]. 北京 : 北京希望电子出 凯

[ 1 ]     . 基于 UG客车底盘三维参数化总布置设计系统 [ J ]. 汽 张 健

(上接第 108 页 )

3  软件设计

[2 ]

4    总 结

本系统实现了对温室内温湿度的自动测量和调 节 ,提高了温室的管理水平 ,降低了成本 ,具有操作简

单 ,运行稳定等优点 。设计的输入输出接口电路结构 简单 ,扩展性强 ,能广泛运用于其它外围电路的设计 。 参考文献 :

[1]  王阿根 . 电气可编程控制原理与应用 [M ]. 北京 . 清华大学出版

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[2]  秦曾煌 . 电工学 (第六版下册 ) [M ]. 北京 . 高等教育出版社 ,

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