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基于单片机与PLC的农业大棚温湿度控制系统设计

作者：庞党锋 王东涛等

来源：《湖北农业科学》2013年第02期

摘要：设计了一种基于Atmegal16L单片机和西门子S7-300 PLC的农业大棚温湿度控制系统。以DHT11为系统的温湿度传感器，单片机为采集和数据处理单元，采集的数据通过D/A转换传送给执行控制器S7-300 PLC，通过触摸屏TP177B可以对系统进行模式设定和运行状态监控。该控制系统人机界面良好、操作简便、自动化程度高，具有良好的应用前景和推广价值。

关键词：单片机；PLC；农业大棚；温湿度

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）02-0448-03

随着生活水平的不断提高，人们对蔬菜和瓜果的需求日益增加。为了满足这一要求，采用农业大棚种植蔬菜和瓜果得到了广泛推广和应用。农业大棚中的作物生长需要满足一定的环境条件，其中对作物生长影响最大的是环境温度和湿度。在作物生长的不同阶段，环境温度和湿度应保持在一定范围，才能满足作物生长要求。因此对农业大棚温度、湿度等环境参数进行监测和控制，使环境的温度和湿度适合作物的生长，从而对提高作物的产量和品质具有重要的意义。

农业大棚控制系统目前大多采用计算机作为上位机和微控制器作为下位机相结合的方法[1]。下位机将采集到的数据经过处理后通过数据线传送给上位机，由上位机实现对温湿度的控制。采用这种结构的系统可以采集多点数据，因此可以对较大范围内的作物环境进行温湿度的监测与控制。为了实现大棚数据的多点采集以及提高系统的可靠性，设计了一种基于单片机和PLC的大棚温湿度控制系统，该系统采用触摸屏作为系统的人机交互界面。 1 系统的技术指标 1.1 系统功能

系统有自动和手动两种工作模式，处于自动模式时，通过温湿度传感器DHT11采集温湿度，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准脉冲信号输出的温湿度复合传感器，具有单总线信号输出、响应快、抗干扰能力强等优点[2]。各站点温湿度传感器采集的信号经过整形处理电路后传送给站点单片机，站点单片机对数据进行优化处理后将数据通过串行通讯的模式传输给PLC[3]，控制器PLC发出命令给风机控制器和温湿度调节装置，实现大棚加湿、通风和温度调节。

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1.2 技术指标

S7-300 PLC（CPU314C-2DP）的工作电压为直流24 V，Atmegal16L单片机工作电压为直流5 V[4]，温湿度传感器DHT11的工作电压为直流5 V。温度检测范围为0～50 ℃，温度控制误差为±2 ℃；湿度检测范围为0%～90%RH，湿度误差为±5%RH；温湿度显示方式为触摸屏显示，当系统采集到当前温湿度参数低于下限值20%或超过上限设定值的20%时，人机界面HMI的报警指示灯开始闪烁。 2 系统硬件的设计 2.1 系统的组成原理

用户可以通过人机界面参数设定I/O域输入温湿度的上下限值，也可以通过HMI观测当前的数据参数，从而实现农业大棚环境设定和监视。处于自动模式时，控制器PLC系统根据当前环境设定的上下限值自动控制执行机构调节大棚内温度和湿度，直到参数处于上下限定范围内为止。系统处于手动模式时通过触摸屏TP177B可手动控制执行机构[5]，实现对大棚环境参数的调节。

2.2 系统硬件的设计

系统的硬件部分主要由人机界面、执行控制器PLC、下位机单片机和执行机构4部分组成。传感器检测到的数据经过整形放大信号处理电路后，将数据传给单片机[6]，单片机将接收到的数据进行D/A转换后传送给执行控制器S7-300 PLC，PLC根据编写的程序输出相应的指令实现对执行器的控制[7]，从而实现对大棚参数的调节（图1）。 2.3 TP177B触摸屏画面

人机界面为西门子的TP177B触摸屏，根据不同的生长季节和时期作物对生长环境的需求不同，通过触摸屏可以设置大棚温湿度的上下限参数，调整农作物生长的环境；通过人机界面显示当前大棚的温湿度实时参数，也可在TP177B上进行手动调节，通过风机、加温器和喷雾加湿器调节大棚温湿度（图2、图3）。触摸屏参数的设定和显示界面可以进行手动切换。 2.4 执行控制器S7-300 PLC

该系统的执行控制器PLC采用的是西门子S7-300 PLC（CPU314C-2DP），单片机实时采集DHT11发送的数据，经过D/A转换，将温湿度的模拟量发送给PLC，并通过人机界面TP177B显示，PLC接收来自单片机或HMI的数据，经过程序处理后发出指令控制执行器调节农业大棚的环境参数。系统的电气原理图如图4所示。 3 系统的软件设计

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系统软件采用C语言设计，程序由主程序、数据采集程序、D/A转换程序和输出执行程序模块构成（图5）[8]。系统上电后，主程序先完成系统初始化，调用数据采集模块读取传感器的数据，采集数据时，单片机通过连接DHT11数据的I/O口向传感器发送一个不小于18 ms的低电平信号进行数据请求[9]，然后I/O口作为输入等待传感器的DATA数据，单片机采集到传感器DHT11传送的数据后对其进行D/A转换，将得到的模拟量信号传送给执行控制S7-300 PLC，然后继续返回重新读取数据，如此进行循环[10]。 4 小结

设计的农业大棚温湿度控制系统可以对农业大棚环境的温湿度进行实时监测和调节，系统的硬件为DTH11温湿度传感器、Atmegal16L单片机、S7-300 PLC和TP177B人机界面。传感器分散式多点采集温湿度参数，单片机为数据采集处理器，PLC为系统的执行和控制器，人机界面进行监测和调控。该系统安全、可靠、易于操作，控制效果良好，具有推广价值。 参考文献：

[1] 陈书欣，马洪涛，刘 玺. 智能温室大棚系统设计[J]. 河北工业科技，2011（7）：241-243.

[2] 王文成，常发亮. 温室大棚温湿度无线测控系统[J].仪表技术与传感器，2011（3）：98-103.

[3] 闫虎民，张永飞. PLC控制系统中模拟量采样的数字滤波算法研究[J]. 机电产品开发与创新，2007（7）：136-137.

[4] 马 潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 廖常初. 西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术[M].第二版. 北京：机械工业出版社，2010.

[6] 孙文志. PLC在大棚生产自动控制系统中的应用与实践[J]. 安徽农业科学，2011，39（1）：471-472.

[7] 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术[M]. 第二版.北京：机械工业出版社，2011. [8] SALKINTZIS A K，NIE H，MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stations[J]. IEEE Personal Communication，1999，6（4）：47-55.

[9] 徐建军.MCS-51系列单片机应用及接口技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2003.