目錄TOC\o"1-3"\h\u14460摘要 214987Abstract 397721引言 4279201.1課題研究的背景與意義 475541.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及綜述 4218871.2.1國(guó)內(nèi)果園灌溉施肥發(fā)展現(xiàn)狀如下： 419131.2.2國(guó)外灌溉施肥發(fā)展現(xiàn)狀如下： 44861.2.3灌溉施肥系統(tǒng)概述 5181752設(shè)計(jì)方案選擇 6272062.1系統(tǒng)構(gòu)成 6147692.2方案的選取 6114832.3基于PLC的控制方案 7183163硬件選擇及外圍電路設(shè)計(jì) 845103.1PLC的選擇 8166143.2傳感器選擇 8140223.3硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1113893.4電路設(shè)計(jì) 1257134軟件設(shè)計(jì) 1610344.1主程序介紹 16217274.2子程序介紹 17252955仿真與調(diào)試 2531755.1仿真結(jié)構(gòu)介紹 25223595.2仿真運(yùn)行介紹 2565406總結(jié) 2815182參考文獻(xiàn) 2926778致謝 301518附錄 31

基于PLC的果園灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：合理的灌溉施肥可以保證果樹生長(zhǎng)健康、提高水果產(chǎn)量。在灌溉過程中，需要考慮土壤酸堿度、氣候條件、果樹種類和生長(zhǎng)階段等多種因素，以確保灌溉的合理性和有效性。加強(qiáng)對(duì)土壤的監(jiān)測(cè)可以及時(shí)了解土壤的水分狀況和養(yǎng)分狀況，以便及時(shí)調(diào)整灌溉方案和施肥方案。通過監(jiān)測(cè)土壤的水分和養(yǎng)分含量，可以確定何時(shí)需要灌溉和施肥，以及需要多少水量和肥料?？傊?，合理的灌溉與施肥需要考慮的因素有很多，包括灌溉方式、灌溉時(shí)間、灌溉水量、灌溉設(shè)備、肥料種類以及土壤監(jiān)測(cè)等。只有全面考慮這些因素并采取相應(yīng)的措施，才能確保灌溉的合理性和有效性，提高水果的產(chǎn)量和質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的基于PLC的果園灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)以西門子為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果樹灌溉施肥的穩(wěn)定控制。果園中部署了溫度傳感器、濕度傳感器和PH值傳感器，系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)溫度傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器等傳感器獲取果園的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過PLC處理這些數(shù)據(jù)，控制整個(gè)澆灌和施肥的過程。關(guān)鍵詞：果園；PLC；灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DesignofirrigationandfertilizationsystemfororchardbasedonPLCElectricalEngineeringandAutomationLiXiangAbstract:Reasonableirrigationandfertilizationcanensurethehealthygrowthoffruittreesandincreasefruityield.Intheprocessofirrigation,variousfactorssuchassoilpH,climaticconditions,fruittreespeciesandgrowthstageneedtobeconsideredtoensuretherationalityandeffectivenessofirrigation.Strengthenedmonitoringofthesoilallowsfortimelyunderstandingofthemoistureandnutrientstatusofthesoil,sothattheirrigationandfertilizationprogramscanbeadjustedintime.Bymonitoringthemoistureandnutrientcontentofthesoil,itispossibletodeterminewhenirrigationandfertilizationareneeded,andhowmuchwaterandfertilizerareneeded.Inconclusion,therearemanyfactorsthatneedtobeconsideredforproperirrigationandfertilization,includingirrigationmethod,irrigationtime,irrigationwater,irrigationequipment,fertilizertype,andsoilmonitoring.Onlybytakingthesefactorsintoaccountandtakingcorrespondingmeasurescanweensuretherationalityandeffectivenessofirrigationandimprovetheyieldandqualityoffruits.ThePLC-basedorchardirrigationandfertilizationsystemdesignedinthispapertakesSiemensasthecoretoachievestablecontrolofirrigationandfertilizationoffruittrees.Temperaturesensors,humiditysensorsandPHvaluesensorsaredeployedintheorchard,andwhenthesystemisworking,theenvironmentalstatusdataoftheorchardisobtainedaccordingtothetemperaturesensor,humiditysensor,PHvaluesensorandothersensors,andthesedataareprocessedthroughPLCtocontroltheentirewateringandfertilizationprocess.Keywords:Orchard,PLC,irrigationandfertilizationsystemdesign

1引言1.1課題研究的背景與意義我國(guó)是個(gè)人口大國(guó)，對(duì)于水果的需求也是非常巨大的，為了能夠產(chǎn)出大量的水果，就要保證果樹的水分需求和營(yíng)養(yǎng)需求。對(duì)于我國(guó)個(gè)別地區(qū)來說，降雨量達(dá)不到果樹所需水分，僅靠土壤中的營(yíng)養(yǎng)也不足以保證水果的品質(zhì)，這就需要人為補(bǔ)充水分和養(yǎng)料，而給大面積的果樹灌溉施肥就需要耗費(fèi)大量的人力，而人工灌溉弊端明顯，人工取水麻煩。每次澆水需要人工將水閥打開，然后一片一片區(qū)域拉管澆水，再將井蓋封上。澆灌方式粗放，水資源浪費(fèi)比較大。完全憑經(jīng)驗(yàn)來決定澆水時(shí)間，無法做到節(jié)水澆灌。水資源消耗很大，澆灌用水沒有精準(zhǔn)計(jì)量。并且，人工施肥對(duì)身體有害，且施肥不均不利于肥料的合理利用，為了節(jié)省人力和解決弊端，如何給果樹澆水和施肥就成了我們所要思考的問題，而果園灌溉施肥系統(tǒng)就能合理的解決這些問題。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及綜述1.2.1國(guó)內(nèi)果園灌溉施肥發(fā)展現(xiàn)狀如下：近年來，由于水資源的日益緊張和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求的增加，使得灌溉施肥技術(shù)在中國(guó)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。如滴灌、噴灌、滲灌等灌溉技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于果園，顯著提高了果園對(duì)水資源的利用效率。中國(guó)在灌溉施肥技術(shù)研發(fā)方面已經(jīng)取得了一定的收獲，許多科研機(jī)構(gòu)和高校致力于研究，推出適合國(guó)情的新技術(shù)、新設(shè)備和新材料。政府也高度重視灌溉施肥技術(shù)在果園的推廣和應(yīng)用，通過政策支持和資金投入，促進(jìn)了灌溉施肥技術(shù)在果園中的普及。預(yù)計(jì)未來果園灌溉施肥技術(shù)將繼續(xù)向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，智能灌溉施肥系統(tǒng)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高水資源利用效率和施肥的效率。結(jié)合我國(guó)的國(guó)情開發(fā)成套、適用、可靠、先進(jìn)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是我國(guó)今后設(shè)施栽培節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展的主要方向REF_Ref21235\r\h[15]。綜上所述，果園灌溉施肥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀體現(xiàn)了現(xiàn)代灌溉施肥技術(shù)在果園中的優(yōu)勢(shì)，并且得到了政府的大力支持。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，果園灌溉施肥技術(shù)將進(jìn)一步提高，以達(dá)到適應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。1.2.2國(guó)外灌溉施肥發(fā)展現(xiàn)狀如下：在國(guó)外，智能灌溉技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外的智能化灌溉施肥技術(shù)起步較早，農(nóng)業(yè)應(yīng)用已非常成熟，目前這方面的技術(shù)水平較本國(guó)領(lǐng)先較多REF_Ref21510\r\h[17]。這種技術(shù)可以對(duì)土壤濕度和溫度進(jìn)行記錄和監(jiān)測(cè)，及時(shí)記錄當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r，系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，從而得出當(dāng)天的灌溉標(biāo)準(zhǔn)和施肥標(biāo)準(zhǔn)，保證各地區(qū)灌溉質(zhì)量與施肥質(zhì)量。當(dāng)今世界上農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家灌溉施肥技術(shù)都應(yīng)用的十分廣泛，因此他們用于灌溉施肥設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)也比較先進(jìn)REF_Ref21608\r\h[4]。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)水利灌溉管理方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。在美國(guó)，許多灌區(qū)都應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有的還采用了遙感技術(shù)，大型灌區(qū)都設(shè)有調(diào)度中心REF_Ref21784\r\h[13]。在美國(guó)，電子技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)都比較發(fā)達(dá)，有高端的技術(shù)支持和良好的開發(fā)條件，有許多現(xiàn)代灌溉技術(shù)研究中心，這些研究中心開發(fā)的產(chǎn)品綜合環(huán)境控制技術(shù)水平都非常高REF_Ref21924\r\h[18]?？偟膩碚f，國(guó)外的灌溉發(fā)展現(xiàn)狀在技術(shù)和管理方面都相對(duì)先進(jìn)和成熟，但也需要不斷地更新和完善，以適應(yīng)不斷變化的氣候和環(huán)境條件。1.2.3灌溉施肥系統(tǒng)概述果園灌溉施肥系統(tǒng)涵蓋灌溉與施肥兩大核心部分。其中灌溉部分核心控制組件包括水泵、澆灌閥、加熱器、報(bào)警裝置和自動(dòng)化控制設(shè)備。施肥部分的核心控制組件包括肥料泵、噴淋閥等。果園灌溉施肥系統(tǒng)主要通過計(jì)算機(jī)PLC程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、施肥。本研究根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要，根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉與施肥的方案，既可以自動(dòng)灌溉和施肥，也可以手動(dòng)灌溉和施肥，以根據(jù)不同果樹對(duì)肥料的需要，可以加不同的肥料進(jìn)行施肥，以達(dá)到適應(yīng)果樹營(yíng)養(yǎng)所需的目的。系統(tǒng)采用PLC作為主要控制器通過控制各個(gè)閥門的啟動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的施肥與灌溉，通過PLC采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，控制整個(gè)澆灌和施肥的過程，同時(shí)還可以控制水和肥的比例。本系統(tǒng)適用于大面積種植的果園，也適用于各類大棚，系統(tǒng)性能安全可靠，易于安裝、維護(hù)，操作方便。

2設(shè)計(jì)方案選擇2.1系統(tǒng)構(gòu)成果園灌溉施肥系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC)作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，并使用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)上位機(jī)。PLC控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)果園環(huán)境參數(shù)的采集和傳輸，并對(duì)灌溉施肥系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在工作過程中，果園里溫度信息、濕度信息、PH值信息經(jīng)采集后，由PLC的A/D模塊進(jìn)行運(yùn)算處理，從而控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。果園灌溉施肥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)硬件框如圖1所示，系統(tǒng)通過溫度傳感器、濕度傳感器、PH傳感器對(duì)果園環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，通過PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制整個(gè)澆灌和施肥的過程，同時(shí)還可以控制水和肥的比例，以達(dá)到自動(dòng)控制灌溉施肥的目的。2.2方案的選取控制執(zhí)行系統(tǒng)由PLC根據(jù)用戶事先設(shè)定好的各項(xiàng)數(shù)值發(fā)送命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園灌溉施肥的控制?？刂葡到y(tǒng)主要分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式對(duì)果園進(jìn)行灌溉施肥。圖SEQ圖\*ARABIC2設(shè)計(jì)過程圖如圖2所示，啟動(dòng)電源后進(jìn)入系統(tǒng)選擇界面，在這里我們可以選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，在手動(dòng)模式下我們可以通過啟動(dòng)水泵開關(guān)、肥料泵開關(guān)、澆灌閥開關(guān)、噴淋閥開關(guān)等對(duì)系統(tǒng)實(shí)行操作，在自動(dòng)模式下我們可以通過設(shè)定各項(xiàng)數(shù)值使系統(tǒng)通過對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定值。2.3基于PLC的控制方案根據(jù)系統(tǒng)的具體功能及設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)選用PLC作為核心控制單元，通過控制面板上的開關(guān)實(shí)現(xiàn)灌溉施肥的開關(guān)量控制，從而保證系統(tǒng)精準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)設(shè)置了兩種控制方案，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，所以我們可以根據(jù)用戶的需求選擇手動(dòng)控制或選擇自動(dòng)控制。系統(tǒng)包括灌溉與施肥兩部分，這兩部分的控制都由PLC進(jìn)行控制。自動(dòng)灌溉控制部分主要的控制部件包括水泵的開關(guān)、噴淋閥的開關(guān)、澆灌閥的開關(guān)等。在系統(tǒng)需要灌溉時(shí)，PLC向水泵、噴淋閥、澆灌閥發(fā)送打開指令，灌溉結(jié)束時(shí)發(fā)送關(guān)閉指令。自動(dòng)施肥控制部分主要的控制部件包括水泵的開關(guān)、肥料泵的開關(guān)、噴淋閥的開關(guān)、澆灌閥的開關(guān)、報(bào)警指示的開關(guān)等。在系統(tǒng)需要施肥時(shí)PLC向水泵、肥料泵、噴淋閥、澆灌閥發(fā)送打開指令，灌溉結(jié)束時(shí)發(fā)送關(guān)閉指令。3硬件選擇及外圍電路設(shè)計(jì)3.1PLC的選擇采用PLC做為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制起到協(xié)調(diào)及控制的作用。由于PLC在控制方法及控制穩(wěn)定性上具有區(qū)別于單片機(jī)的眾多特點(diǎn)所以制定完整有效的PLC控制方案在本課題中具有重要的意義REF_Ref21235\r\h[15]?？刂破靼⊿IMATICS7-1200、SIMATICS7-1500、SIMATICS7-300、SIMATICS7-400、SIMATICET200CPU等型號(hào)。超小型化的LOGO和S7-200，適合單機(jī)控制或小型系統(tǒng)控制，具有高性能、緊湊型設(shè)計(jì)和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，適用于中型控制，具有模塊化設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和多種通訊接口。S7-400適用于大規(guī)模自動(dòng)化系統(tǒng)，特點(diǎn)是強(qiáng)大的處理能力、高可靠性和豐富的擴(kuò)展能力。S7-1200是緊湊型PLC，是S7-200的升級(jí)版，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)。S7-1500是新一代大中型PLC，具有高性能、冗余設(shè)計(jì)和豐富的擴(kuò)展能力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的控制器為SIMATICS7-1200，西門子SIMATICS7-1200是一款模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)的可編程邏輯控制器(PLC)，適合各種自動(dòng)化應(yīng)用。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：高效穩(wěn)定的運(yùn)行性能、智能化的功能模塊、靈活的設(shè)計(jì)、易于使用和維護(hù)、高性價(jià)比，我們主要是看中了其功能全面的優(yōu)點(diǎn)。3.2傳感器選擇傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)果樹何時(shí)進(jìn)行灌溉施肥起到?jīng)Q定性的作用，因此傳感器的選擇需要格外謹(jǐn)慎。而果園環(huán)境惡劣，在挑選傳感器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮傳感器的穩(wěn)定性，耐久性等等?；赑LC的果園灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了溫度傳感器，濕度傳感器，PH值傳感器。圖SEQ圖\*ARABIC3溫度傳感器溫度傳感器：由于果園夜晚溫度可達(dá)0℃，白天溫度可達(dá)30℃，晝夜溫差較大，所以選擇的溫度傳感器測(cè)量范圍應(yīng)當(dāng)大，并且本系統(tǒng)的頁(yè)面顯示為1℃，所以選擇的精度應(yīng)該達(dá)到0.5℃或者更高，一般果園環(huán)境變化較大，所以溫度傳感器的穩(wěn)定性也應(yīng)當(dāng)要好，所以應(yīng)當(dāng)選擇具有良好穩(wěn)定性能的溫度傳感器，并且灌溉施肥系統(tǒng)，主要的就是灌溉施肥，所以傳感器應(yīng)當(dāng)需要防水，所以應(yīng)當(dāng)選擇具有IP級(jí)別或者更高級(jí)別的防水性能的溫度傳感器。圖SEQ圖\*ARABIC4土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器：本系統(tǒng)需要對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便對(duì)果園做出合理的灌溉與施肥，所以在系統(tǒng)中加入了土壤濕度傳感器。果園的土壤濕度可達(dá)60%RH，所以土壤濕度傳感器的型號(hào)應(yīng)當(dāng)選用CSF11。圖SEQ圖\*ARABIC5PH值傳感器PH值傳感器：果園灌溉施肥系統(tǒng)中，要對(duì)土壤PH以及水肥混合溶液中的PH進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便知道要不要對(duì)果樹進(jìn)行施肥以及需要施加何種肥料，所以在本系統(tǒng)中加入了PH值傳感器，通過PH值的調(diào)節(jié)改善土壤PH值，以改善土壤環(huán)境。一般水肥溶液的PH值為5-9，所以PH值傳感器的型號(hào)應(yīng)為PH-5020。3.3硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)PLC灌溉施肥系統(tǒng)的主要功能是：手動(dòng)控制模式下，操作員通過對(duì)環(huán)境的判斷，對(duì)系統(tǒng)做出指令設(shè)置，以到達(dá)灌溉施肥的目的。自動(dòng)控制模式下，PLC的A/D模塊對(duì)各個(gè)傳感器的模擬量信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析、處理，通過設(shè)定好的控制算法，精準(zhǔn)的控制各個(gè)執(zhí)行元件。為提高模塊轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)換精度較高的A/D模塊?；赑LC的果園灌溉施肥系統(tǒng)的CPU選擇西門子S7-1200SIMATIC系列的1214CDC/DC/DC，該CPU具有高效穩(wěn)定的性能、強(qiáng)大的集成功能、靈活的擴(kuò)展性、易用的組態(tài)軟件和高效的通信能力，西門子公司提供了基于Windows的編程工具，具備了基于PLC的果園灌溉施肥系統(tǒng)的所有要求。PLC輸入/輸出主要由以下幾部分組成：表SEQ表\*ARABIC1I/O表輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)%I0.0急停按鈕%Q0.0水泵%I0.1自動(dòng)模式%Q0.1肥料泵%I0.2肥料泵開關(guān)%Q0.2報(bào)警指示%I0.3水泵開關(guān)%Q0.3噴淋閥%I0.4噴淋閥開關(guān)%Q0.4澆灌閥%I0.5澆灌閥開關(guān)%Q0.5加熱器%I0.6加熱器開關(guān)%QW100肥料泵變頻器%IW100當(dāng)前溫度%QW102水泵變頻器%IW102當(dāng)前濕度%IW104當(dāng)前PH

3.4電路設(shè)計(jì)圖SEQ圖\*ARABIC6主回路如圖6所示，主回路就是強(qiáng)電控制回路，都有強(qiáng)電標(biāo)識(shí)，采用三相五線制。I點(diǎn)是輸入，Q點(diǎn)是輸出，Q點(diǎn)的輸出控制的是強(qiáng)電的電氣元器件，比如繼電器、接觸器等。主回路電流大、電壓高、傳輸能力強(qiáng)。本部分電路中的噴淋閥、澆灌閥、加熱器、報(bào)警指示等都與380V電壓相連接，因此都接在主回路的L1、L2上。主回路中的1+和2+分別于控制回路-X10中的1、2相連接，因?yàn)榭刂苹芈肥褂玫氖?20V電壓，因此與L3、N、PE相連接。圖SEQ圖\*ARABIC7控制回路控制回路是灌溉施肥控制系統(tǒng)構(gòu)成的核心部分，控制回路就是弱電線路，主要是CPU外部接線圖和擴(kuò)展模塊接線圖組成，整個(gè)系統(tǒng)組成原理框圖如圖所示?？刂苹芈飞嫌屑蓖０粹o、自動(dòng)模式、肥料泵開關(guān)、水泵開關(guān)、噴淋閥開關(guān)、澆灌閥開關(guān)、加熱器開關(guān)、水泵、肥料泵、報(bào)警指示、噴淋閥、澆灌閥、加熱器等等?？刂苹芈?X10中的1、2分別與主回路的1+和2+相連接，控制回路-X12中的1、2分別與擴(kuò)展模塊-X10中的1和2相連接。圖SEQ圖\*ARABIC8肥料泵變頻器肥料泵變頻器的L1、L2、L3為變頻器的電源輸入端子與主回路相連接，U1、V1、W1與電動(dòng)機(jī)相連接。肥料泵X10中的2、4分別與控制回路中的-X13中的4、5相連接。肥料泵變頻器在控制回路中的作用不僅可以節(jié)能降耗和提高效率，還可以起到保護(hù)設(shè)備、減少噪聲和振動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)平滑控制的作用，從而在整體上提升肥料泵的運(yùn)行性能和使用壽命。圖SEQ圖\*ARABIC9水泵變頻器水泵變頻器的L1、L2、L3為變頻器的電源輸入端子與主回路相連接，U1、V1、W1與電動(dòng)機(jī)相連接。水泵X10中的2、3分別與控制回路中的-X13中的6、7相連接。水泵變頻器通過控制水泵的運(yùn)行速度來調(diào)節(jié)水流量和壓力，從而達(dá)到節(jié)能減耗、穩(wěn)定水壓的效果，并延長(zhǎng)水泵的使用壽命。

4軟件設(shè)計(jì)4.1主程序介紹軟件的總體設(shè)計(jì)包括手動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、動(dòng)畫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和水肥比例計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。圖SEQ圖\*ARABIC10手動(dòng)控制系統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：手動(dòng)控制系統(tǒng)由水泵程序段、肥料泵程序段、噴淋閥程序段、澆灌閥程序段、加熱器程序段、報(bào)警指示程序段等共同組成。在手動(dòng)控制里面，編程方法都是一樣的，都是控制水泵、肥料泵這些相關(guān)的手動(dòng)命令和自動(dòng)命令。手動(dòng)控制完全依賴于操作人員的直接參與和操作，通過按鈕，開關(guān)等手動(dòng)操作設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。這種控制方式實(shí)用性高、靈活性好，可以根據(jù)人的意愿實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。圖SEQ圖\*ARABIC11動(dòng)畫系統(tǒng)動(dòng)畫系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)畫系統(tǒng)由水泵動(dòng)畫程序段和肥料泵動(dòng)畫程序段共同組成，動(dòng)畫的程序塊里面是來實(shí)現(xiàn)水泵肥料泵轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫，在動(dòng)畫的程序里面有四張圖片，每隔一定的時(shí)間切換一張圖片，這樣就形成了動(dòng)畫，四張圖片輪流切換，這樣就能看到動(dòng)畫，同時(shí)，我們還設(shè)置了速度，這樣我們可以看到不同水肥比例的情況下，相關(guān)的不同的動(dòng)畫的效果。圖SEQ圖\*ARABIC12水肥比例計(jì)算系統(tǒng)水肥比例計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)：水肥比例系統(tǒng)由計(jì)算水泵轉(zhuǎn)速程序段和計(jì)算水泵旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間程序段共同組成。在水肥比例計(jì)算里面，就是來計(jì)算水和肥之間的比例關(guān)系，通過肥料泵，水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)他們不同的比例的仿真，在這里面就是對(duì)水肥比例進(jìn)行了計(jì)算。通過一系列的運(yùn)算方式對(duì)設(shè)置的水肥比例進(jìn)行運(yùn)算，得到合適的灌溉時(shí)間和灌溉速度，從而使系統(tǒng)進(jìn)行合理的灌溉施肥。圖SEQ圖\*ARABIC13自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：自動(dòng)控制系統(tǒng)由當(dāng)前溫度控制程序段、當(dāng)前濕度控制程序段、當(dāng)前PH控制程序段、自動(dòng)模式下水泵控制程序段、自動(dòng)模式下噴淋閥控制程序段、自動(dòng)澆灌控制和肥料泵控制程序段和澆灌閥控制程序段共同組成。對(duì)于自動(dòng)控制是我們整個(gè)控制的核心部分，在這里面，我們需要對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的比對(duì)，比如說溫度的控制，當(dāng)我們溫度高了，我們就要去噴淋，啟動(dòng)水泵，當(dāng)溫度低了我們就要啟動(dòng)加熱器，讓他去提高溫度，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，濕度的控制也是同樣的道理。4.2子程序介紹水泵、肥料泵、噴淋閥、澆灌閥、加熱器、報(bào)警指示的啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)規(guī)定S7-1200的輸入腳%I0.1為自動(dòng)模式系統(tǒng)信號(hào)輸入點(diǎn)，規(guī)定輸出腳%Q0.0為水泵，%Q0.1為肥料泵。當(dāng)操作者輸入正常啟動(dòng)按鈕，I0.1系統(tǒng)正常工作標(biāo)記位上電，當(dāng)%I0.2肥料泵開關(guān)、%I0.3水泵開關(guān)、%I0.4噴淋閥開關(guān)、%I0.5澆灌閥開關(guān)、%I0.6加熱器開關(guān)得到啟動(dòng)信號(hào)后%Q0.0水泵與%Q0.1肥料泵%Q0.2報(bào)警指示、%Q0.3噴淋閥、%Q0.4澆灌閥、%Q0.5加熱器就會(huì)啟動(dòng)。圖SEQ圖\*ARABIC14水泵與肥料泵程序圖如圖14所示，通過常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)對(duì)水泵和肥料泵進(jìn)行手動(dòng)控制，通過常開觸點(diǎn)對(duì)水泵和肥料泵進(jìn)行自動(dòng)控制。圖SEQ圖\*ARABIC15噴淋閥與澆灌閥程序圖如圖15所示，通過常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)對(duì)噴淋閥和澆灌閥進(jìn)行手動(dòng)控制，通過常開觸點(diǎn)對(duì)噴淋閥和澆灌閥進(jìn)行自動(dòng)控制。圖SEQ圖\*ARABIC16加熱器與報(bào)警指示程序圖如圖16所示，通過常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)對(duì)加熱器和報(bào)警指示進(jìn)行手動(dòng)控制，通過常開觸點(diǎn)對(duì)加熱器和報(bào)警指示進(jìn)行自動(dòng)控制。其中在報(bào)警指示程序段中增加了一個(gè)急停按鈕開關(guān)用來控制報(bào)警指示的停止。圖SEQ圖\*ARABIC17水泵轉(zhuǎn)速程序圖如圖17所示，計(jì)算水泵轉(zhuǎn)速中我們使用除法指令，通過水占比除肥占比得出角速度，將得到的運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到Temp1中，再通過乘法指令將Temp1與10相乘出水泵的轉(zhuǎn)速，將得到的結(jié)果存儲(chǔ)到Temp2中，從而得到水泵的轉(zhuǎn)速。圖SEQ圖\*ARABIC18水泵轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)時(shí)間程序圖如圖18所示，我們想要得到水泵轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就需要用到我們上一個(gè)程序圖得到的水泵轉(zhuǎn)速。這里我們運(yùn)用除法指令，用1除以Temp2將得到的結(jié)果存儲(chǔ)到Temp3中，再用乘法指令將Temp3乘1000，將得到的結(jié)果存儲(chǔ)到Temp4中，之后我們?cè)儆棉D(zhuǎn)換值指令對(duì)Temp4進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到Temp5。然后我們還需要再用一個(gè)轉(zhuǎn)換值指令對(duì)Temp5進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到Temp6。用常閉觸點(diǎn)設(shè)置水泵轉(zhuǎn)到脈沖，然后用生成接通延時(shí)指令，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，Temp6參數(shù)預(yù)設(shè)的時(shí)間開始計(jì)時(shí)。超過該時(shí)間周期后，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖的信號(hào)狀態(tài)置位為1。只要前面的水泵轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖的信號(hào)狀態(tài)為1，后面的水泵轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖就會(huì)保持置位為1。從而得到水泵轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的時(shí)間。圖SEQ圖\*ARABIC19當(dāng)前溫度控制如同19所示，當(dāng)前溫度控制由常開觸點(diǎn)控制自動(dòng)模式的啟動(dòng)，當(dāng)前溫度大于目標(biāo)溫度時(shí)，使用大于指令對(duì)當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，只有當(dāng)前溫度大于目標(biāo)溫度時(shí)自動(dòng)水泵開關(guān)才會(huì)開啟，自動(dòng)噴淋閥開關(guān)才會(huì)開啟，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用減法指令對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行減一操作，重復(fù)多次，最后達(dá)到目標(biāo)溫度。當(dāng)前溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，使用小于指令對(duì)當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，只有當(dāng)前溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)自動(dòng)加熱器開關(guān)才會(huì)開啟，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用加法指令對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行加一操作，重復(fù)多次，最后達(dá)到目標(biāo)溫度。圖SEQ圖\*ARABIC20當(dāng)前濕度控制如同20所示，當(dāng)前濕度控制由常開觸點(diǎn)控制自動(dòng)模式的啟動(dòng)，當(dāng)前濕度小于目標(biāo)濕度時(shí)，使用小于指令對(duì)當(dāng)前濕度和目標(biāo)濕度進(jìn)行比較，只有當(dāng)前濕度小于目標(biāo)濕度時(shí)自動(dòng)水泵開關(guān)才會(huì)開啟，自動(dòng)噴淋閥開關(guān)才會(huì)開啟，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用加法指令對(duì)當(dāng)前濕度進(jìn)行減一操作，重復(fù)多次，最后達(dá)到目標(biāo)濕度。圖SEQ圖\*ARABIC21當(dāng)前PH控制如圖21所示，當(dāng)前PH控制由常開觸點(diǎn)控制自動(dòng)模式的啟動(dòng)，當(dāng)前PH大于目標(biāo)PH時(shí)，使用大于指令對(duì)當(dāng)前PH和目標(biāo)PH進(jìn)行比較，只有當(dāng)前PH大于目標(biāo)PH時(shí)自動(dòng)水泵開關(guān)才會(huì)開啟，自動(dòng)肥料泵開關(guān)才會(huì)開啟，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用減法指令對(duì)當(dāng)前濕度進(jìn)行減一操作，重復(fù)多次，最后達(dá)到目標(biāo)PH。如果當(dāng)前PH小于目標(biāo)PH自動(dòng)報(bào)警開關(guān)就會(huì)啟動(dòng)。圖SEQ圖\*ARABIC22自動(dòng)模式下水泵控制如圖22所示，當(dāng)對(duì)PH和澆灌進(jìn)行控制時(shí)，自動(dòng)水泵開關(guān)就會(huì)啟動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)噴淋閥和自動(dòng)澆灌閥啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)水泵也會(huì)啟動(dòng)。圖SEQ圖\*ARABIC23自動(dòng)模式下噴淋閥控制如圖23所示，當(dāng)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制時(shí)，自動(dòng)噴淋閥就會(huì)啟動(dòng)。圖SEQ圖\*ARABIC24自動(dòng)澆灌控制如圖24所示，對(duì)于當(dāng)前未澆灌時(shí)間，自動(dòng)模式下自動(dòng)水泵開關(guān)、肥料泵開關(guān)都采用常閉觸點(diǎn)控制，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用加法指令對(duì)當(dāng)前未澆灌時(shí)間進(jìn)行加一操作，重復(fù)多次，最后得到當(dāng)前未澆灌時(shí)間。再使用比較指令，對(duì)當(dāng)前未澆灌時(shí)間和自動(dòng)澆灌間隔進(jìn)行比較，對(duì)當(dāng)前灌溉時(shí)長(zhǎng)和自動(dòng)澆灌時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行比較。只有當(dāng)前未澆灌時(shí)間大于等于自動(dòng)澆灌間隔，當(dāng)前灌溉時(shí)長(zhǎng)小于自動(dòng)澆灌時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行澆灌。對(duì)于當(dāng)前澆灌時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)模式下自動(dòng)水泵開關(guān)、肥料泵開關(guān)都采用常開觸點(diǎn)控制，使用掃描操作數(shù)的信號(hào)上升沿指令對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次接收，之后再使用加法指令對(duì)當(dāng)前未澆灌時(shí)間進(jìn)行加一操作，重復(fù)多次，最后得到當(dāng)前澆灌時(shí)長(zhǎng)。圖SEQ圖\*ARABIC25肥料泵控制如圖25所示，在當(dāng)前PH大于目標(biāo)PH并且水泵啟動(dòng)時(shí)，肥料泵就會(huì)啟動(dòng)。圖SEQ圖\*ARABIC26澆灌閥控制如圖26所示，在當(dāng)前PH大于目標(biāo)PH并且水泵啟動(dòng)時(shí)，澆灌閥就會(huì)啟動(dòng)。

5仿真與調(diào)試圖SEQ圖\*ARABIC27果園灌溉施肥控制系統(tǒng)圖5.1仿真結(jié)構(gòu)介紹果園灌溉施肥程序分為手動(dòng)控制，動(dòng)畫，水肥比例計(jì)算和自動(dòng)控制，在手動(dòng)控制里面，它的控制方法都是控制水泵肥料泵的手動(dòng)命令和自動(dòng)命令，在自動(dòng)的程序塊里面是來實(shí)現(xiàn)水泵肥料泵轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫，有四張圖片進(jìn)行切換形成動(dòng)畫，水肥比例計(jì)算就是計(jì)算水和肥的比例關(guān)系，通過肥料泵和水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)不同比例的仿真。自動(dòng)控制為核心部分，我們需要對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，比如當(dāng)溫度高了我們要啟動(dòng)水泵進(jìn)行噴淋，當(dāng)溫度低了就要啟動(dòng)加熱，讓空氣熱一些，濕度也一樣，因?yàn)楣麍@不怕濕但是怕干，所以無論是灌溉還是降溫我們都要啟動(dòng)水泵等等。5.2仿真運(yùn)行介紹果園灌溉施肥系統(tǒng)既可以手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制，在自動(dòng)控制模式下我們可以去設(shè)置我們的目標(biāo)溫度，目標(biāo)濕度以及目標(biāo)PH數(shù)值，這樣系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)我們?cè)O(shè)定的數(shù)值去自動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)控制模式下我們也可以看到當(dāng)前電機(jī)水泵、肥料泵、澆灌閥、噴淋閥、加熱器的動(dòng)作。在手動(dòng)模式控制下我們可以通過控制各類開關(guān)的啟動(dòng)與停止去控制各類設(shè)備的運(yùn)行。圖SEQ圖\*ARABIC28手動(dòng)模式控制圖在手動(dòng)控制時(shí)我們可以控制噴淋閥開關(guān)，肥料泵開關(guān)，水泵開關(guān)，澆灌閥開關(guān)，加熱器開關(guān)，報(bào)警指示等各類開關(guān)使其動(dòng)作，當(dāng)我們進(jìn)行噴淋或者澆灌的時(shí)候是都需要?jiǎng)佑玫剿玫?，所以我們?cè)诔绦蚶镒隽讼嚓P(guān)的編程的方法，讓他無論是在澆灌的時(shí)候還是噴淋的時(shí)候都會(huì)啟動(dòng)水泵，同時(shí)噴淋的主要作用是來給植物進(jìn)行降溫。當(dāng)溫度高的時(shí)候會(huì)啟用水泵以及噴淋閥來為果樹進(jìn)行噴水以達(dá)到降溫，當(dāng)濕度過低的時(shí)候也是通過水泵和噴淋閥啟動(dòng)來提高當(dāng)前的濕度。對(duì)于當(dāng)前的PH數(shù)值，如果是我們的PH數(shù)值小于目標(biāo)的PH數(shù)值，說明當(dāng)前PH數(shù)值呈現(xiàn)酸性，而且水肥呈酸性肥料，所以不能加水肥了，所以此時(shí)就會(huì)報(bào)警，就得讓人工進(jìn)行處理，當(dāng)目標(biāo)PH數(shù)值大于當(dāng)前PH數(shù)值的時(shí)候，我們可以啟動(dòng)肥料泵和水泵，對(duì)果樹進(jìn)行施肥。圖SEQ圖\*ARABIC29自動(dòng)模式控制圖同時(shí)自動(dòng)的模式下我們還可以去設(shè)置它的目標(biāo)值，比如溫度、土壤濕度、PH值、澆灌的時(shí)長(zhǎng)和澆灌間隔，也就是說每隔多長(zhǎng)時(shí)間澆灌一次，一次澆灌多久，我們可以進(jìn)行設(shè)置。其中溫度可以調(diào)低也可以調(diào)高，當(dāng)我們調(diào)高溫度時(shí)，加熱器就會(huì)啟動(dòng)，對(duì)空氣進(jìn)行加熱，當(dāng)我們調(diào)低溫度時(shí)，水泵，噴淋閥就會(huì)啟動(dòng)，用加水的方式來進(jìn)行降溫。我們的濕度是只能升高不能降低的，因?yàn)闈穸瓤梢酝ㄟ^加水灌溉的方式進(jìn)行增加濕度的目的。PH也是只能降低而不能升高，因?yàn)槲覀円话闶褂玫姆柿隙际撬嵝苑柿希瑹o法加堿性肥料，所以我們的PH只能設(shè)定為比當(dāng)前PH低，而不能比當(dāng)前PH高。當(dāng)我們的PH值設(shè)定比當(dāng)前PH值高時(shí)系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，我們的報(bào)警指示燈就會(huì)亮，從而達(dá)到報(bào)警的目的。同時(shí)我們還可以在自動(dòng)灌溉的模式下設(shè)定水占比、肥占比，如果在較為干旱的季節(jié)進(jìn)行灌溉施肥我們就可以將水占比設(shè)置的高一些，肥占比設(shè)置的低一些。當(dāng)雨水充足的季節(jié)，我們可以把水占比設(shè)置的低一些，肥占比設(shè)置的高一些，這樣更利于果樹的需求。在自動(dòng)控制模式下我們還可以設(shè)置灌溉時(shí)間以及灌溉間隔等等，當(dāng)旱季是我們可以