机电一体化技术毕业论文设计《基于PLC的天麻水肥一体化灌溉系统设计》

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机电一体化技术(专)专业

毕业论文(设计)

论文(设计) 题目 基于

PLC

的天麻水肥一体化灌溉系统设计

学 号

姓 名

I

摘 要

设计通过了解水肥一体化灌溉系统的发展现状以及天麻生长条件和天麻灌溉存在的问题,设计了一套基

于 PLC 的手动施肥,自动抽水和自动灌溉系统对天麻进行施肥灌溉。手动施肥系统定期对土壤肥力进行检测 ,

然后手动控制相应按钮对天麻进行施肥,自动抽水系统应用液位传感器检测蓄水池水位高低,然后与设定高

低液位比较判断进行自动抽水,自动灌溉系统应用了土壤湿度传感器实时对天麻土壤湿度进行监测,然后根

据不同生长时期对水分的需求,通过数据处理比较,判断是否对天麻进行灌溉,从而能够做到随时满足天麻

生长的土壤湿度条件。该系统能够提高天麻产量以及质量,增加农民收入。

关键词: 水肥一体化;PLC;传感器;土壤湿度

目 录

摘 要.......................................................I

第一章 绪论..................................................1

1.1 水肥一体化灌溉技术概述............................................1

1.2 课题研究背景和意义................................................1

1.3 国内外发展研究现状................................................3

1.4 昭通天麻现在的灌溉方式以及存在的问题..............................4

第二章 总体设计..............................................6

2.1 昭通天麻生长条件分析..............................................6

2.2 总体设计思路......................................................6

2.3 总体结构设计......................................................7

第三章 硬件系统设计..........................................9

3.1 主电路设计........................................................9

3.2 硬件设备选型......................................................9

3.3I/O 分配..........................................................19

第四章 软件系统设计.........................................21

4.1 手动施肥程序设计.................................................21

4.2 自动抽水程序设计.................................................21

4.3 自动灌溉程序设计.................................................23

第五章 系统调试仿真.........................................27

结束语......................................................32

参考文献....................................................33

1

第一章 绪论

1.1 水肥一体化灌溉技术概述

水肥一体化技术是现代农业发展下产生的一种新型灌溉施肥技术,将灌溉技术和施肥技术融为一体的农

业新技术。水肥一体化技术根据作物对水分、肥料的不同需求,通过一些传感器将土壤中的水分、肥料数据

传递出来,然后根据传递出来的数据值以及作物生长所需要的水肥要求进行比较判断,将一些所差的肥料溶

解到配肥罐中,形成一定比例的水肥溶液,通过灌溉管道将水肥溶液精准、定量或定时地施加到作物根系土

壤,使作物根系土壤中的水分和肥料含量保持在作物生长最适宜的范围内,从而提高作物产量和质量的一种

新型灌溉技术 Error: Reference source not found 。此外,该技术能够根据不同种类作物的不同生长时节、地理环境以及

需肥规律制定不同的水肥一体灌溉配方,满足作物生长发育所需的水分和养分,达到提高作物产量的目的。

水肥一体化技术与传统灌溉和施肥方 相比,能够精准地控制灌溉时 、水肥溶液的养分含量和 元素间

的比例,做到肥随水 ,提高水肥 ,水肥同 大幅 度的节 了水、肥 资源 动力,实现了作物的

高产、 产、增产,在 国作物种 具有广阔 的应用 Error: Reference source not found

1.2 课题研究背景和意义

中国是一 农业 国, 并且 资源缺乏 资源 总量为 2. 1 0 3 亿立 仅占全球 资源 的 6 %

人均淡 资源占有 全球 的 1/4,水 资源很缺乏 Error: Reference source not found 。灌溉用水 是水 资源消耗 的最

大途径 总用水量的 6 5% 中 9 0% 用于农 灌溉。随 着全球气候变 化以及 植被破坏 ,现 如今降 水量

明显减少 很多 地方的 水量 不足以提 供充 足的灌溉用水,所以节 用水对于 我们每 个人 说都变得尤

其重 要, 此设计水肥一体化灌溉控制系统来进行节水、节肥灌溉。对于传统灌溉方式来 人们经常会

作物所需水量 控不准而 成水 资源 浪费 ,对于传统施肥方式, 人们 人工直接 在作物根系处进行肥

料的施加, 种施肥方式不 仅会 增加 人工 ,而 且会造 成肥料的 浪费 甚至会造 成环境 污染 ,水肥一体化

灌溉系统将 提高水肥 ,不 能够做到节水、节肥, 也会 提高作物产量, 并且有利 于保 环境, 减少

了一些肥料对环境的 污染 问题。

着智慧 农业的提出,国 对农业生产 提出一些新型农业生产灌溉 式,农业生产 向着智 能化发

展,一些节水节肥灌溉 也被 提出 并且逐渐投 入使用, 人们利 互联网等 技术将农业生产 化、

化、精准化发展。灌溉方式 向着 用水、机 化方 发展, 减少人工 ,解 放劳 动力,用电 替人脑

来对一些 因素 进行控制判断,提高机 化程度, 量做到 能化控制。

天麻入 已有两千多年 历史 ,是 人们追捧 的名 药材 。天麻现 如今已经 成为一种保

着人们 的提高, 人们也 健康 问题 越关注 ,天麻中含 有人 体所需的 元素 具有极

值。天麻 性味甘平 归肝经 具有镇痛 镇静 抗惊厥 降血压 、增 的作用,在 张秉 成的 《本草

便读》 中,天麻 具有 虚风 ,理 眩晕 功效 以用于 治疗 切虚风眩晕之症 临床 使用时, 以结 合其伴

状进行加 伍治疗 ,以达到 同的 治疗 作用。

天麻的生长需要 养料以及水分,所以天麻 能够 的地方,一 能够

马铃薯 的地方 都可 以。 国能够 种天麻 省份也 比较 云南 贵州 、四 个省栽 面积 ,三

省又 云南 昭通天麻质量最 ,昭通 市又 彝良县小草坝 天麻质量最 小草坝 天麻 块茎大 满,不

空心 ,天麻 含量高,天麻 含量位 中国 榜首 ,是 其它 地方天麻 含量的 2 -5 倍 ,是 云南 天麻的代

云南 地处 偏远 经济 发展 后,昭通 市经济 发展 比较 后,农民收入主要 依靠 种地或 者打工 ,然而

数农 主要作物 不是 具有 较高 经济价 值的天麻,而是一些较为 普遍 以及 大多只供 己食 用的一些 粮食

2

物,比 如玉米 、土 豆等 这就造 成了农 户经济 收入低, 民生 低, 也就会导致 一些 贫困 问题,所以天

麻种 技术 是一 项扶贫 产业, 能够 经济 发展,增加农民收入, GD P 增长,提高 民生

着人们 的提高以及现在 人们缺乏锻炼 ,高 血压患者越 越多 ,现在 者也越 越多

所以 人们 对天麻需求 也越 越大 生天麻 不能满足 人们 的需求, 人工 天麻种 技术 也越 但大

依靠人工 进行种 灌溉,自动化程度低, 大多 是选 一些 各项 环境 因素均 天麻生长的地

进行种 依靠 自然 水对天麻进行灌溉, 如果 自然 水不足时,然后 根据一些种 植经验 来对天麻进行

的灌溉, 这样 的灌溉方式不能做到精 能做到 概的满足。 这就影 了天麻的产量以及质量,天麻

块茎大小 将天麻分为四 块茎越大 高,天麻质量 也越 。天麻 块茎如 1 所

机电一体化技术毕业论文设计《基于PLC的天麻水肥一体化灌溉系统设计》

1 天麻 块茎

昭通地处 偏远 空气 新,自然环境 植被 水量 气候

分地 温润潮 湿, 天不 过于 寒冷 夏季 过于 炎热 ,自然 气候 条件 分适 天麻生长,昭通天麻

也很有 名度,昭通 在天麻方 申请 很多 了一些 商标 ,昭通天麻 到国内外 很多

青睐 。昭通 11 个县区 植有 天麻, 大多 海拔 800- 2 800 m 之间 中四 个县 天麻质量较高 并且

植面积 广 ,分 彝良县 永善 大关县 些地 海拔 在 14 00- 2 800 m 之间 。同时昭通天

麻种 植也 经济 发展的 龙头 产业, 特别 扶贫工 作做出 持, 2 所 为昭通天麻种

况图 ,在 2 0 17 - 2 0 19 三 ,天麻种 植面积 几乎 ,而 的产量以及产值在不断的增加,在 2 0 2 0 以及

2 0 21 政府 持力度的加 ,天麻种 植面积 不断增加,产量以及产值 是在增加。 并且 在 2 0 21 产值达

到了 7 0 亿元

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2 昭通天麻种 情况图

1.3 国内外发展研究现状

1.3.1 国外水肥一体化研究现状

国外在水肥一体化技术 领域 的研究是比较 的, 上个 世纪 便 了研究 出现了 灌技术,

主要 用于 园艺 灌。 后随 着其 关工 业的发展,以及水肥一体化技术的不断成 ,在 六十 代水肥

一体化灌溉技术 用于农业灌溉 不断 完善 与发展。目 ,国外对于水肥一体化灌溉技术的研究 已经 实现

了高度自动化和高度精准化, 国、以 色列 荷兰 西 方发达国 技术 完善 ,水肥一体化应用

广 ,将灌溉技术、水溶肥技术、传感器技术以及 能设施应用技术相结 并且广 应用于 蔬菜 果等

的自动化灌溉 领域 ,能够做到节水 率 50% 左右 ,节肥 3 0% 左右 技术 节水节肥 率有 所不同。

它们重 对水溶 肥料的研究,配方 很多 ,能够满足 种作物不同 阶段 的需求, 并且 在四五 年前就有很多

液体肥料 。以 色列 现在 9 0% 的农作物 用了水肥一体化技术。

1.3.2 国内水肥一体化研究现状

国作为农业 国,对于水肥一体化技术一 保持较高的 关注 进行不断研究, 、技术

国在此 领域 的发展 有着 自动化程度不高和精准化程度不够的 特点 ;而 国地形与 气候

复杂 ,需要 地制宜 用不同的水肥一体化技术及设备。目 ,在 广 应用的水肥一体化灌溉技术

应用 式主要是 灌、 灌以及 。目 水肥一体化技术主要应用在 棉花 蔬菜 、水 果等 作物,

水肥一体化技术 处于国 际领先

1.4 昭通天麻现在的灌溉方式以及存在的问题

昭通天麻灌溉方式 大多还依靠 自然 水,昭通 水量较为适 天麻生长,所以农 户也都 在种 植前就

对地 块等 进行选 ,考 天麻生长环境,选 对天麻生长 有利 的环境进行种 ,自然 水量 天麻所

需的土壤湿度, 自然 量不满足要求时, 人们也都利 人工 对天麻进行灌溉 水分,施肥 依靠人

,在天麻生长 期, 为的对天麻进行 机肥的适量施加, 人们只 能通过一些 经验人 为判断量的 多少

施肥不 ,不够精 的问题,在根 期,用一些 喷雾 器对天麻进行溶液 灌, 成同 的问题,

且人工 高, 效率 低,最后不能保 天麻的质量问题。

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人工 灌溉方式 大多因 地理位 周边 环境 等有 所不同,比 一些在水 河流旁边 的地 人们

会利 用抽水机将 河流 中的水 过管道 运送 到地 对天麻进行灌溉;而在一些 有这 种地理位

比较 干旱 的地 人们会 在地 蓄水池保 天麻灌溉用水, 井花 费费 用较高,对于作物灌溉不

那么 经济 ,而 且有 远有 水, 水量 减少 者直接 干涸 很少有人 能够

蓄水池 用相比较 很多 如果 在进行灌溉时蓄水池 干涸 这就 需要 为对蓄水池加水, 为用一些

工具 将水加到蓄水池中。在地 的灌溉方式 也会有 所不同, 灌和 分, 灌是将水通过管道或

渠引 到提 留好 的存水 中进行灌溉, 种灌溉方式能够 满足土壤湿度要求, 但也 最为 浪费 资源

灌是在天麻 旁边挖 个小 ,然后 人们 将水管出水 对准 进行灌溉, 这样 的灌溉方式

灌节 水量, 对天麻根 进行灌溉, 减少 了灌溉 面积 ,不 像沟 灌的方式, 人工 增加,

灌时需要 去移 动水管和出水 成一 的灌溉, 动一 ,将出水 口移 到下一 个小

这样 做比较 力, 人工 本也就 增加。

现在一些节水灌溉方式主要 灌和 灌, 灌和 用水管将水 到地 进行灌溉,不

同的是 灌是 喷头 将水以 状或 水状将水 喷洒 株叶片 ,然后 再经植 株吸 收,而 灌是水 主管以

管,通过 预留 进行灌溉, 这两 种灌溉方式比传统灌溉方式 加节 资源 ,提高水

资源 减少 资源浪费 问题, 减少劳 动力 入, 种灌溉方式 也各有优 灌要求 物根

要进行灌溉,所需水管 管数量 很多 这就导致 的增加, 种灌溉方式 适用于 些根系 输送 水分养

料的 物或 植间 的一些 物,比 一些 ,而 灌适用于 叶片运送 水分养料的 物或种 植间

物。

昭通天麻目 灌溉方式主要存在以下的问题

(1)水肥 资源浪费 大多 数灌溉施肥方式 人工 进行, 道进行 水,灌溉方式

灌以及 灌,水 资源 发量 低,肥料的施加 依靠人工 进行,肥料需要在水分的 发作用下

更好更 被植 物所 收, 人工 将肥料 直接 物根 只有很少 的一 被植 收, 的是 被浪费

(2)灌溉水量不精 ,不 人们只 能根据一些种 植经验 判断是否对天麻进行施肥灌溉以及施肥

灌溉量的 多少 导致 施肥灌溉量的不 ,不能够达到准 灌溉。

(3) 大多依靠人工 ,自动化程度低。 管在抽水时 用了一些机 以及管道 水, 但还 是需要

些设备进行 控, 特别 是施肥 依靠 的是 人工 大大 增加了 人工 ,需 动力 很多

述问题, 设计一 基于 PLC 的水肥一体化灌溉系统来实现对天麻的节水节肥灌溉, 并且利 用土

壤湿度传感器实现精 定量以及自动控制, 喷头 实现对水肥的 控制, 旋转喷头 并且合 理地

喷头排布 ,能够使 株获 的水肥量 几乎 避免 了不 用土壤湿度传感器,能够检测出

土壤水分含量, 再利 用 PLC 就可 以对天麻进行自动控制, 并且 能够做到在需要灌溉时 进行灌溉,不需要时

不灌溉,做到了精 定量控制,提高了自动化程度, 减少 人工

5

第二章 总体设计

系统总体设计是设计的 只有 根据总体设计 能进行后 的一系 设计。 设计主要是对天麻进

行手动施肥、主动抽水和自动灌溉设计, 中自动灌溉设计中根据不同时期以及土壤湿度要求来进行灌溉。

2.1 昭通天麻生长条件分析

昭通天麻一 在一些土壤肥 具有 腐殖 质,土地 度为 1 0- 1 5 度,P H 值为 5 . 5- 6. 5

缓坡沙 土质中, 海拔 高度在 14 00- 23 00 米 海拔 过低, 夏季炎热 ,将 制天麻与 的生长, 海拔 过高

则温 低,天麻生长 缓慢 。最适宜生长的 度为 2 0- 2 5 摄氏 度, 空气 相对湿度为 7 0%-80% ,天麻生长对水

分要求最高,在天麻生长 期, 也就 是 3、4、 5 ,需要保持土壤湿度在 4 0%-50%之间 ,在生长中期,

是天麻生长 旺盛 时期,一 的 6、7、 8 ,需要保持土壤湿度在 50%- 6 5%之间 ,土壤要能用手感 明显

的水分,在天麻生长后期,一 的 9、1 0 ,天麻进入 休眠 期,需要保持土壤湿度在 3 0%- 4 0%之间 ,天麻

生长期 防旱 ,需要保持天麻生长所需要的水分, 干旱 制天麻生长,同时 防涝 ,要

进行 开沟排 水, 水过 多会导致 天麻的 腐烂 ,在 暴雨 连续 盖塑 进行 水, 此对于天麻

灌溉,要做到 进行灌溉。

昭通天麻种 般都 用农 肥,一 在进行 种时 施加一些农 肥, 种后 很少 施肥,一 在天麻

后需要施加 机肥,在根 药材 溶液于 可促 作用产物

根系 输送 ,提高 转换 土能力,使根 快速膨 ,从而提高天麻产量。要 对天麻根系的养

发生 情况 ,及时用根 生物 肥,为天麻生长 充营 养。

2.2 总体设计思路

系统总体设计 含了硬件 分设计、软件 分设计以及对系统的调试仿真,硬件 分设计 包括 对主电路

的设计, 器件选型,以及对 I/O 进行分配。软件设计 天麻种 时对肥料的需求不是 很大 ,所以设计一

手动控制系统来对天麻进行施肥,对水分要求 高,所以根据天 生长时三 时期对水分需求的不同,

用土壤湿度传感器实时对土壤湿度进行监测, 并且 根据监测数值以及天麻不同时期对水分的需求来对天麻

进行自动的灌溉,以 便 为天麻生长提 适宜的水分,从而 进天麻 块茎 生长,提高天麻产量以及质量, 并且

在地 处设计一 蓄水池,在蓄水池中 安装 液位传感器,以 便 能够自动对蓄水池进行加水处理,从而保

麻灌溉所需水量。最后对程序进行调试仿真, 系统能否达到设计要求,实现 期目 。总体设计

3 所

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3 总体设计

2.3 总体结构设计

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4 总体结构

1. 手动施肥设计

人们 根据对天麻种 的一些 经验 ,在天麻种 后进行 机肥施加,在根 施根

溶液,发生 情况 及时用根 生物 肥,根据不同的 情况 肥池 入相应的一些肥料,然后手动

对天麻进行肥力 ,此系统中通过控制 肥机、 搅拌 电机、抽水电机以及 磁阀 控制按钮进行配肥灌溉。

需要施肥时, 磁阀 1 和 2 ,随后抽水电机以及配肥 泵启 动, 水肥罐 入一定比例的水肥,

数值到达所需水量时,抽水电机和电 磁阀 2 所需肥料 达到要求时, 则吸 肥机和电 磁阀 1

搅拌 电机对水肥进行 搅拌 ,然后 3 号和 4 号电 磁阀 ,对天麻进行水肥灌溉。

2. 自动抽水灌溉设计

将 1 50 c m 为蓄水池的低液位值, 液位传感器检测到液位低于低液位值时, 抽水电机 动、电

5 打 对蓄水池进行加水处理,将 4 50 c m 为蓄水池的高液位值, 液位值到达高液位时, 抽水电机

停止 抽水,电 磁阀 5 关 蓄水过程结束。同时实时时 出,土壤湿度传感器 将检测土壤湿

度值,通过 转换 将值传递到 PLC 中与不同时期设定的需水量进行比较, 土壤湿度值 于需求值时,

相应电 磁阀 对天麻进行灌溉, 土壤湿度达到需求值, 相应的电 磁阀

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第三章 硬件系统设计

硬件系统设计 包括 主电路设计、硬件设备的选型、以及 I/O 分配。

3.1 主电路设计

主电路 包括 电机和 PLC 与 线 之间 还有 电机与相应的保 设备 之间 以及控制电机的

触点 与电机的 接等 。主电路 5

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5 主电路

3.2 硬件设备选型

3.2.1PLC 选型

PLC 的选型 据 PLC 的机型、 量、I/O 模块等 进行选 主要 据 I/O 数来进行选 ,系统

2 0 个 和 23 ,考 1 0%- 1 5% 量,选用三 菱公司 2 N FX 2 N - 64 M R -00 1 型 PLC。实物

6 所 。参数 如表 1 所

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6PLC 实物

1PLC 参数

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