基于三菱PLC的一種溫室溫濕度數據采集節點技術設計

【摘要】本文以三菱FX3U為工控核心，對系統硬件結構、軟件系統及其數字傳感器件進行分析和選擇，提出了一種利用DS18B20、DHT11傳感器為節點、有效采集溫室溫度和濕度的技術方案。同時，提出的技術方案對溫度控制和濕度控制進行了流程設計，為后續模塊化功能設計做了基礎研究。另外，對于系統中上位機和下位機的通信，我們也在研究中考慮為系統將來進一步技術完善而預留了空間。

【關鍵詞】三菱PLC；DS18B20；DHT11；溫濕度監測

一般而言，溫度和濕度是溫室大棚最容易控制和調節的環境因子。溫室大棚對溫度控制及調節主要有下面三種形式：增溫、降溫、恒溫。溫度的控制與調節要確保大棚內的作物能茁長生長，棚內溫度分布要均勻，變化范圍要小，不影響作物的生長。而溫室內的濕度分為空氣濕度和土壤濕度，調節好兩種濕度方能更好地控制棚內的濕度，濕度的調控范圍一般在20%RH～90%RH之間，其精度則為±5%。濕度調控和溫度調控之間可能會相互影響，所以我們設計一種利用三菱PLC為工控核心的監測系統，能夠實現溫室內溫度和濕度的有效監控。

本文設計的控制系統主要由以下三個部分構成：人機界面、PLC主控制器、數據采集節點。各種傳感器節點對大棚內溫度因子進行實時檢測，然后通過A/D轉換器轉換后傳入給單片機，完成了環境數據采集；主控制器為PLC，監控模塊則由PC機和組態軟件組成，兩者通過串口進行通信來控制系統的執行部件，實現了控制過程的智能化、人性化。

采集數據節點分布在大棚內部，通過節點模塊上的傳感器采集大棚內各個位置溫度值、濕度值和光照強度值，通過單片機處理后傳給輸入端口，輸入端口再傳給PLC。PLC將各個節點采集的數據進行處理計算，取其計算平均值作為棚內實際值，PLC程序處理平均值后得到相應控制數據，通過輸出端口傳輸給采集節點，然后節點再驅動相應控制設備，并通過人機界面觸摸屏反應控制設備的運行狀態。

一、系統硬件部分設計

采用上位機三菱GT系列觸摸屏和下位機三菱FX-3U系列可編程控制器、STC系列單片機組成分布式溫室控制系統的硬件部分。智慧大棚溫室系統監控和環境參數的設置由觸摸屏完成，單片機負責對溫室參數信息采集，控制中心PLC負責接收，并對參數進行邏輯運算，從而控制設備運行。由于PLC的生產已經實現批量生產，并且PLC在使用已形成一個系統的標準，使用過程中隨時對每個環節進行調整，方便可靠，成本較低，所以控制系統選擇以PLC為主控器進行研究和設計。

二、系統軟件部分設計

根據系統硬件的選擇，選擇三菱GT系列觸摸屏作為系統的上位機監測軟件，三菱3U系列PLC作為下位機系統軟件，觸摸屏的監控程序則由觸摸屏相應編程軟件進行設計，PLC的控制程序則采用GXWork2編程軟件進行設計和開發。系統軟件的選擇立足于滿足對溫室環境因子檢測和監控，同時也要完成上下位機之間數據信號的傳輸，而且整個系統的設計實現人機界面簡單顯示，環境因子控制能簡單方便，同時滿足適用性好、通用性強的軟件開發原則，為系統以后功能的擴充和進一步開發留下余地。

三、傳感器件的選擇

傳感器系統的主要功能是將傳感器采樣得到的模擬信號轉換成溫室現場控制器所需要的信號。溫室環境參數的檢測中，傳感器位于作物需要檢測的位置，一般通過雙絞線的方法將檢測到的信號傳輸給溫室控制器。考慮到傳輸距離的問題，本文設計中將系統的輸出電流都控制在0～10mA，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準確性與可靠性。傳感器型號的選用應該首先考慮使用方便，變換電路簡單等特點。溫度傳感器DS18B20是電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出量作為溫度指示，其電流溫度靈敏度為1μA/k。它的輸出電流精確地正比于絕對溫度，可以作為精確測溫元件。DS18B20只需要一個電源（3.0-5.5V/DC），即可實現溫度到電流源的轉換，使用方便。DS18B20的校準精度可達±0.5℃，當其在常溫區范圍內校正后，測量精度可達±0.1℃。作為一種正比于溫度的高阻電流源，它克服了電壓輸出型溫度傳感器在長距離溫度遙測和遙控應用中電壓信號損失和噪聲干擾問題，不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，因此，除適用于多點溫度測量外，特別適用于遠距離溫度測量和控制。因此，選用DS18B20傳感器可達到設計要求。

另外，設計時選用的DHT11傳感器是一種數字溫濕度傳感器，可以實現溫濕度信號共同檢測和傳遞，DHT11主要采用了特殊的數字模塊采集技術和專業的溫濕度傳感技術，保證了該傳感器的穩定性和可靠性。DHT11傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，同時可以連接一個8B性能的單片機。同時，DHT11還有傳感器使用單線串行接線端口，使系統連接和控制更加簡單方便。DHT11傳感器的測量范圍：濕度量程為20%RH～90%RH，精度為±0.5RH；溫度量程為0℃～50℃，精度為±2℃。

四、節點電路設計

根據溫室內作物生長環境的需求，把STC89C52單片機作為數據采集節點的核心元件，集成DS18B20溫室傳感器、LCD1602字符型液晶顯示器等元器件，最終運用Proteus電路仿真軟件對數據采集節點電路進行設計。

如圖1所示，采集數據節點分布在溫室內，通過節點模塊上的傳感器采集大棚內各個位置溫度值、濕度值，通過單片機處理后傳給輸入端口，輸入端口再傳給PLC。PLC將各個節點采集的數據進行處理計算，取其計算平均值作為棚內實際值，PLC程序處理平均值后得到相應控制數據，通過輸出端口傳輸給采集節點，然后節點再驅動相應控制設備，并通過人機見面觸摸屏反應控制設備的運行狀態。

PLC軟件設計了按下啟動按鈕，PLC卡隨即開始掃描，溫度傳感器將溫濕度測量值信號送到PLC中，與PLC設定的值進行對比分析，最后將得到的分析結果輸出給驅動機構，如果分析結果值高于設定值，則控制打開通風扇或風機，如果分析結果值等于設定結果等于低于設定值，則打開供熱設備。假設風機、供熱設備或傳感器出現故障的時候就發出聲光報警。空氣濕度傳感器將檢測的溫室參數送到PLC中，PLC將檢測值與設定值進行比較，如果空氣溫度高與設定值，則控制打開風機進行去濕，如果測量值等于設定值，則關閉風扇和風機；如果測量值低于主設定值，則發出指令控制打開空氣濕度電磁閥，對空氣進行噴霧。土壤濕度傳感器檢測的值先送到PLC中，與PLC設定的值進行對比分析，如果測量值高于設定值，則由PLC發出控制，關閉控制土壤濕度的電磁閥；如果電磁-閥發生故障則會發出聲光警報。

五、溫度控制流程設計

當控制系統開始運行時，溫度傳感器對大棚內的溫度值進行檢測，經過單片機的運算處理后傳給PLC，與PLC設定好的溫度值進行對比分析。當檢測值等于設定值，則保持大棚的溫度不變；當測量值小于設定值，則打開加熱器對大棚進行加熱；當測量值大于設定值，則運行散熱風扇對大棚降溫。溫室控制工作流程如圖2所示。

六、濕度控制流程設計

系統開始工作時，濕度傳感器對大棚環境濕度進行檢測。空氣濕度傳感器和土壤濕度傳感器將測量結果送到PLC中心后，PLC將測量值與設定值進行比較，如果測量值等于或大于設定值，則關閉噴灌電磁閥；當小于設定值時，則打開噴灌電磁閥。濕度控制流程圖如圖3所示。

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作者簡介：高毅（1978—），男，苗族，貴州貴陽人，碩士，貴陽學院機械工程學院，副教授，研究方向：機械工程及其自動化。