毕业设计论文-温室大棚智能通风系统设计-机械工程本科设计

潍坊科技学院

本科毕业设计(论文)

题目温室大棚智能通风系统设计

院（系）机械工程学院

专业机械设计制造及其自动化

学号 201110470112 学生姓名李勋辉

指导教师张学梦

起讫日期 2015.1—2015.6 设计地点潍坊科技学院

摘要

温室是现代农业发展发展的设施之一，温室大棚智能控制是实现管理自动化，智能化的基本保证。随着科技的快速进步，发展现代农业，科技兴农是今后农业发展的主要趋向。因而，促使现代农业迅猛发展，尤其是温室大棚的蓬勃成长起来，建设的规模也随之方兴未艾。但同时方方面面也随之而来，比如如何有效对大棚进行管理，对温度湿度进行调节，给植物成长创造良好的室内环境。由于受到地域，自然条件以及气温变化等诸多原因，对温室大棚进行正确设计建设就显得十分重要了。对于通风系统的设计而言，关键在于能否实现实用廉价，方便菜农及时调控室内温度，在合适的时间有恰当的温湿度与之相配合，这样以便给植物创造一个良好生长环境。同时节省了许多体力劳动和精力，实现大棚快速通风，以利于增加居民收入，改善生活水平。

关键词：温室大棚；温湿度；智能控制；电动机

Abstract

Greenhouse is one of the facilities for the development of modern agriculture development, greenhouse intelligent control is to realize the management automation, the basic guarantee of intelligence. With the rapid progress of science and technology, develop modern agriculture and scientific technology is the main trend in the development of agriculture in the future. Therefore, prompted the rapid development of modern agriculture, especially the vigorous growth of greenhouses, the scale of construction is beginning. All aspects but at the same time also followed, such as how to effectively manage the greenhouses, to adjust the temperature humidity, create a good indoor environment for plants to grow. Due to geographical, natural conditions and the temperature changes, and many other reasons, to correct greenhouses design construction is very important. For the design of the ventilation system, the key lies in the realization of practical cheap, convenient and vegetable farmers timely regulate indoor temperature, at the right time with the right temperature and humidity and cooperate, so for plant growth and create a good environment. Saves a lot of manual labor and energy at the same time, realizing the rapid and ventilated greenhouse, increasing household income, benefit to improve living standards.

Key words: Greenhouses; Temperature and humidity; Intelligent control; Motor

目录

1 前言 (1)

1.1 研究的目的及意义 (2)

1.2 国内外智能通风技术的研究现状 (2)

1.2.1 国外的研究现状 (2)

1.2.2 国内的研究现状 (3)

1.3 温室智能通风技术的发展趋势 (3)

1.4 研究的主要内容与技术路线 (4)

2 系统总体设计及主要元器件的选取 (7)

2.1 系统设计的原则 (7)

2.2 系统的总体功能 (7)

2.3 系统设计的整体思想 (8)

2.4 主要元器件的选取 (8)

2.4.1 温度传感器 (8)

2.4.2 湿度传感器 (8)

2.4.3 电动机的选取 (8)

3.1 电动机简介 (10)

3.1.1 三相异步电动机的基本结构 (10)

3.1.2电动机的分类 (10)

3.1.3 电动机不能起动及转速缓慢的原因 (11)

3.2 PLC的概述 (12)

3.3 PLC的基本结构 (13)

3.4 PLC的发展趋势 (14)

4 通风口结构的设计 (16)

4.1 开口设计要求 (16)

4.2 开窗系统 (17)

4.3 驱动系统 (17)

5 控制系统结构设计 (19)

5.1 电动机运行控制电路 (19)

5.2 PLC控制三相异步电动机正反转的梯形图 (20)

结论 (22)

谢辞 (23)

参考文献 (24)

1 前言

科技兴农是未来农业发展的必然趋势，从而促使了现代温室大棚的发展，同时，随着社会的进步，科技的日新月异，科技成果在各个领域的应用，自动化，智能化，是实现现代农业管理的必然选择。因此，针对这种实际情况，设计温室大棚的智能控制系统，具有广泛现实意义与应用前景。

本设计是对于温室大棚智能通风系统设计，对于温室大棚，环境，尤其是温度，作为植物生长的关键因素，在很多时候，准确及时获得重要的有效信息是十分关键的。直接影响植物的生长。因此，调控好大棚室内的温度和湿度等外在环境状况，是大棚管理的根本所在。随着大棚规模化的发展，传统的粗放型方式已难以适应现代农业的要求。

虽在大棚内装置检测器、通风、灌溉等设备，但大部分操作还得人工才能完成。主要操作仍由人工来完成，操作人员劳动强度大，而且也很难达到对温度的有效控制。在这样的背景下，设计温室温度及通风控制，尝试解决大棚内温度与通风的关系，实现室内气温自由流动的情况，降低劳动强度。在设计中运用到温湿度传感器、控制系统、卷帘机等设备来完成设计，通过对传感器[1]测量结果与要求值比较，通过控制系统来调节室内的温度，从而使控制参数达到所需要求，同时不定时保持室内的气温温度。

随着现代农业技术的不断完善，人们对气温控制系统的要求越来越严格。因此，今后现代农业的发展趋势就是要实现自动化，高精度，智能化。

1.1 研究的目的及意义

本课题的目的是根据传感器尤其是温度和湿度传感器的相关知识，根据温度测量与温度控制的相关理论知识及特性，调节温度、湿度等外在环境影响因素，从而给予农作物创造最佳的生长环境。其中，温度是最重要的环境因数。设计温室大棚的温度检测[2]及通风控制系统，从智能化运行的角度出发，分析讨论其产生故障的可能原因。从控制系统的设计和通风口的设计入手，讨论如何使得系统的性能最大化，通过从温湿度传感器的选取，各种控制元器件的选取，设计能使气流自由流动的通风口，调节大棚室内的气温。温室大棚的设计，受到地域环境等各个外在环境条件的影响，通风口位置的确定，电动机控制系统机构位置的确定都是设计的关键，根据大棚的建设规模大小，向阳程度，设计通风口的大小的位置。控制部分通过对传感器采集数据的处理，转化为信号，由智能控制器做出判断，把信号转化为驱动力，驱动控制机构运行，控制通风口的张合，根据室内气温需要，适时调控室内气温，创造植物生长的外在环境，实现气流的随意流动。智能通风系统的设计，节省了劳动强度，增加了居民收入，真正实现了现代农业的发展要求，科技应用于农业的程度越来越深，最终实现科技兴农。

1.2 国内外智能通风技术的研究现状

1.2.1 国外的研究现状

国外对通风系统的研究比较早，发展也相应的比较快，尤其在建筑通风方面，由简单的室内气温调节到对整个空气环境要求的综合改善。刚发展之初，通风系统的设计很宽松，随着能源危机的爆发，一些公共建筑要求更合理，更实用的通风，以便改善室内的空气品质，从此以后开始重新修改风量标准，以便更好改善建筑的通风效果。此后无论高层建筑还是一些底层住宅建筑，都采用机械通风设施，当前在美国，欧洲的一些国家建筑中大量采用

机械通风来改善空气环境的品质要求。同时，随着材料技术的不断进步，对建筑规范的要求不断提高，节能技术应不断完善。在通风的同时，维护建筑结构的性能也越来越好。

1.2.2 国内的研究现状

从上世纪50年代，我国对通风技术的研究是在国外技术的基础上发展起来的，取得主要成就有:（1）利用计算机分析复杂的通风系统，为更多领域内通风系统提供有效方法；（2）对通风口通风阻力进行了深入的研究的数字测定；（3）循环通风系统的影响，推动污染源控制技术和空气净化装置的发展；（4）研制出高效节能风机；（5）通风系统网络的节能技术不断完善；（6）计算机管理通风系统以及对风流调控技术不断成熟应用于各种通风。

1.3 温室智能通风技术的发展趋势

随之科技的日新月异，科技兴农将成为未来农业发展的主攻方向，温室大棚技术也将会朝着以下四个方面发展：

（1）智能控制。温室系统由控制系统统一控制，实现智能控制的要求，要实现智能化，因而对不确定因素的影响，外在环境的变化，都应有极强的应变能力，实现高性能，全方位控制，效率高等一系列要求都会在未来的智能控制中很好实现。

（2）容易操作。当前，对温室技术还处于低级阶段，大多数操作都需要人工来实现，再加上农民自身对技术没有很好掌握，因此对技术的越来越容易为设计目标，使实用性更强，不管是技术人员还是农民，都能很好对温室大棚进行有效管理，真正实现科技兴农的总目标，增加居民收入。

（3）节能环保。科技的进步，材料技术的不断完善，使得通风系统的设计更加节能高效，以最小的投入取得最大的经济效益。

（4）实用性强。温室的内外在环境都很复杂，因而未来大棚的设计必将以实用性为主要的趋势，设计研发可靠，性能好的温室智能控制系统具有深远意义，也极具现代农业发展得实用价值。

1.4 研究的主要内容与技术路线

1.4.1研究的主要内容

（1）控制系统设计

对于大棚要实现智能通风，首先需要检测[3]棚内温度的高低和湿度的大小及其他信息，通过传感器得到数据结果，PLC控制系统通过分析及处理数据，将根据所需要求传至智能控制系统，控制通风口的开合度，通风口的开合程度由PLC控制器控制它的大小。这一整套自动化，智能化系统设计，实现室内温度、通风口大小的调节与生物成长所需的外在环境良性互动。控制系统的流程图如下:

图1.1 控制系统流程图

（2）通风口设计

通风口的设计一般布置于大棚顶部，大小设计在30cm左右，由PLC自动控制的电动机正反转来决定风口的开合。由传感器检测到的温湿度数据，经对所需环境的分析处理，智能控制器利用驱动执行机构的动作，实现通风口精确定位的功能。通过温湿度传感器数值的收集，智能控制器分析处理后，由控制部分来实现通风，驱动执行机构完成通风口的张合工作，根据室内气温的需要，适时调节气流的大小流动。智能控制系统接受不同的传感器检测结果，自动的调节风口的开度，以利于植物生长所需的外在环境，最终实现效益的最大化。通风口设计图:

图1.2 通风口设计图

1.4.2 技术路线

图1.3 PLC控制技术路线

2 系统总体设计及主要元器件的选取

对于任何一个系统自身而言，要实现整体功能的最大化，必须以系统设计的完整性，全面性，灵活性为前提的。而要实现设计的各个方面要求，对元器件的选取要求也要相应的提升，主要元器件性能，质量好坏，对于数据，信号的处理能力等都直接影响到系统整体的功能实现。因此，要实现系统控制的最大化，选用优良的元器件至关重要，下面对总体设计和主要器件的选择作说明。

2.1 系统设计的原则

实现温室控制的智能化，自动化，必须以实现设计好原则为依据，在系统设计中，按照实用性强，不复杂，容易操作，花费不高的原则设计，最终的目的就是要实现整体功能的最大化，效益的最大化，真正实现科技兴农的总体要求。

2.2 系统的总体功能

（1）检测温室环境：由检测[4]到的各种参数，适时对采集的数据进行分析处理，这一切收集过程全部由传感器来工作实现，最后将分析的信号信息传至驱动系统，驱动执行机构完成工作。

（2）数据存储：由PLC对温湿度传感器数据的处理和保存，实现储存功能，并将数据定时输送到电动机，根据室内所需温度驱动执行机构完成工作。

（3）控制通风：这需要各个器件的良性互动才能实现整体性能，由电动机的正反转拉动绳索，控制通风口的张合。

2.3 系统设计的整体思想

对于一个系统而言，硬软件的作用都不容小视，要实现各个既定的功能，完善的硬软件设施是关键。除了有硬件做保证以外，还得有设计完整的软件相互支持，尤其是在科技日新月异的今天更是如此。有好多硬件要完成的工作，只要软件来代替，就会变得十分容易。有些很复杂的需要硬件完成的任务，只需软件变成，就会轻而易举完成工作。在使用软件的前提，就是对硬件有一个大体的掌握，一定要知道它的组成，信号的相互转化，数据的处理与传送，最终实现PLC控制电机的正反转来实现通风口的开合程度。

本系统[5]设计就是对智能控制器的设计，将温湿度传送过来的数据加工处理，在原先设定的限值内，实现大棚室内与室外的良性互动。

2.4 主要元器件的选取

2.4.1 温度传感器

对温度传感器时，要求灵敏度高，实用可靠，价廉，能将检测到的温度参数转化为信号，通过信号进而控制通风口的张合程度，同时要使温度设置在特定的范围内。

2.4.2 湿度传感器

湿度传感器可以分为空气湿度和土壤湿度。根据大棚最湿度要求，设置控制点，将检测到的湿度数值及时传送到PLC控制器。

2.4.3 电动机的选取

电动机铭牌一般安装于电动机机座上，标有该机的性能指标[6]和技术数据。

图2.1 电动机

表2.1

3电动机及PLC简介

3.1 电动机简介

电动机是把电能转化为机械能的一种设备。它是利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向和磁感线方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

3.1.1 三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机的结构[7]，由定子，转子和其它附件组成。定子，也称为静止部分，由定子铁心，定子绕组和机座组成。定子铁心的作用是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁心的槽型由三种:分别为半闭口型槽，半开口型槽和开口型槽。定子绕组的作用是它是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。内部的构造以对称排列的结构，绕组相同连接组成，各个绕组线圈按一定规律分别布置于定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有三种;对地绝缘，相间绝缘，匝间绝缘。机座的作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护，散热等作用。而转子，也称为旋转部分，主要由三相异步电动机的转子铁心，转子绕组组成，转子铁心的作用是作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组，转子绕组的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。三相异步电动机的其它附件有端盖，轴承，轴承端盖及风扇。

3.1.2电动机的分类