基于單片機(jī)的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

張 亮，李樹珍，謝永軍，石 磊，陳立東，馬淑英，李國昉，鄭立新，毛罕平

(1河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北秦皇島，066600;2濟(jì)南中正金碼科技有限公司;3江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備研究院)

環(huán)境作為雞生長的關(guān)鍵因素，直接影響到雞的生產(chǎn)性能以及是否引發(fā)疾病。在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，封閉式畜禽舍已經(jīng)廣泛應(yīng)用于畜禽的工廠化養(yǎng)殖［1］。因此，調(diào)控好雞舍內(nèi)部溫度、濕度和空氣等環(huán)境參數(shù)，是雞飼養(yǎng)管理的最根本問題［2］。目前，國內(nèi)在禽舍的環(huán)境控制上多數(shù)控制系統(tǒng)必須由飼養(yǎng)管理人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作或機(jī)電式操作［3～5］。與發(fā)達(dá)國家相比，我國畜禽養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控設(shè)備還相對(duì)落后，突出表現(xiàn)為:使用裝備落后，能耗高，自動(dòng)化程度低，環(huán)境調(diào)控效果差，難以適應(yīng)現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖自動(dòng)化管理的需要［6，7］。為此，筆者開發(fā)了一套雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)禽舍環(huán)境的監(jiān)控，以優(yōu)化禽舍內(nèi)環(huán)境，使禽舍的環(huán)境滿足雞在生長過程中對(duì)生長環(huán)境的需要，提高生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度，減少現(xiàn)場管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1．1 設(shè)計(jì)要求

雞舍內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、水簾及水簾卷簾、側(cè)墻卷簾、暖風(fēng)機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、氨氣濃度傳感器、光照傳感器、排風(fēng)扇、報(bào)警器等組成。為使雞舍有一個(gè)適宜的生長環(huán)境，要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括:①監(jiān)測雞舍內(nèi)溫度、濕度、光照和氨氣濃度等主要環(huán)境指標(biāo);②自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、濕簾、照明、供暖設(shè)備調(diào)節(jié)雞舍環(huán)境;③儲(chǔ)存、顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

1．2 系統(tǒng)組成

本智能控制器是以單片機(jī)為核心，加上一些外圍擴(kuò)展電路組成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、控制輸出、人機(jī)接口等功能。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將控制器硬件按功能劃分CPU、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口、看門狗電路、時(shí)鐘電路、開關(guān)量輸出功率驅(qū)動(dòng)等模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)計(jì)過程中，除82C55采用并行接口外，其它外圍器件接口采用串行擴(kuò)展技術(shù)SPI總線(Serial Peripheral Interface)［8］，以簡化電路設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)可靠性。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 單片機(jī)的選擇

根據(jù)選擇單片機(jī)首先必須能最大程度地滿足產(chǎn)品的功能、可靠性、使用環(huán)境等技術(shù)要求的原則，以設(shè)計(jì)最小應(yīng)用系統(tǒng)為目的，本設(shè)計(jì)選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C55單片機(jī)作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的核心。AT89C55是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，其指令集、引腳與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51兼容，片內(nèi)閃存允許重復(fù)在線編程。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2．2 看門狗電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)，由于工作現(xiàn)場的各種不可預(yù)測的干擾，可能造成程序跑飛的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失常。本控制器使用X5645芯片組成的看門狗電路來防止這些情況的發(fā)生，使數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)樗查g的掉電而丟失。本控制器的X5645與AT89C55硬件接口連接電路圖如圖2所示。SWPB用于手動(dòng)復(fù)位，電容用于濾波，消除噪聲;電阻用于限流。

圖2 X5645接口電路

2．3 外部時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要能夠較長時(shí)間無人值守，需要判斷時(shí)間，若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面又需要設(shè)置中斷等，同樣會(huì)耗費(fèi)硬件資源，通過外部擴(kuò)展時(shí)鐘芯片DS12C887可以很好地解決單片機(jī)資源有限的問題。DS12C887與單片機(jī)的接口電路圖如圖3所示。

2．4 數(shù)字信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以由傳感器采集的溫度、光照、濕度、氨氣濃度等模擬量需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，才可以輸入單片機(jī)。本電路設(shè)計(jì)選用A/D轉(zhuǎn)換芯片為TLC1543CN［9，10］。TLC1543CN是11通道10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC1543CN與AT89C55的接口電路如圖4所示。

圖3 DS12C887接口電路

圖4 TLC1543CN接口電路

2．5 輸出控制功率接口電路設(shè)計(jì)

由于各種外圍器件占用了單片機(jī)絕大多數(shù)的資源，必須要對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。本控制器選擇了并行I/O芯片82C55A［8］，它具有3個(gè)8位的并行I/O端口，可以通過軟件編程來改變I/O口工作方式。

在本控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象是強(qiáng)電設(shè)備，負(fù)載功率比較大，啟停負(fù)荷較大，為了提高功率接口的抗干擾能力，切斷CPU與輸出通道的直接電的聯(lián)系，采用了光電隔離電路。輸出控制功率接口電路部分采用的是東芝的TLP521系列光電耦合器，硬件接口電路如圖5所示。

光電耦合器TLP521工作時(shí)，發(fā)光二極管的工作電流為ILED=10 mA(典型值)，光敏三極管的工作電流為ICE=5 mA(典型值)，各電阻取值為:

式中，發(fā)光二極管的工作壓降VLED=1．4 V;RLED取標(biāo)稱值為:RLED=350 Ω。

光敏三極管端的電阻RCE為:

式中，光敏三級(jí)管的工作壓降VED=0．7 V;RED取標(biāo)稱值為:RED=1 kΩ。

圖5 82C55A接口電路

圖6 鍵盤顯示電路

2．6 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

智能控制器具有人機(jī)信息交換接口，便于工作人員了解現(xiàn)場情況，通過鍵盤和顯示器，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，實(shí)現(xiàn)及時(shí)干預(yù)。本控制器采用HD7279A［10］顯示驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)建人機(jī)接口電路。HD7279A具有串行接口，可方便地實(shí)現(xiàn)與多至8位的顯示或多至64位鍵盤串行接口，并含有去抖動(dòng)電路，無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED，具有段尋址指令，可方便的實(shí)現(xiàn) LED獨(dú)立控制。HD7279A與AT89C55硬件接口連接電路如圖6所示。

2．7 硬件可靠性設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)安裝在工作現(xiàn)場，使得各種強(qiáng)烈的干擾源直接和間接的影響控制系統(tǒng)的工作。在控制器設(shè)計(jì)中，采取了以下硬件可靠性措施，盡量減少干擾:(1)輸入輸出通道采用光電隔離抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高過程通道的信噪比。(2)印制電路板的設(shè)計(jì)中，數(shù)字地和模擬地分開走線，配置去耦電容。

3 軟件設(shè)計(jì)

雞舍環(huán)境是一個(gè)多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，制定模糊控制規(guī)則，再經(jīng)模糊推理得到模糊控制表，利用模糊邏輯控制實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以為雞提供最佳生長環(huán)境，縮短其生長周期，實(shí)現(xiàn)高效的工廠化生產(chǎn)。

4 結(jié)論

以AT89C55為主控芯片設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)雞舍環(huán)境進(jìn)行控制，使溫度、濕度、光照和通風(fēng)等環(huán)境參數(shù)更適宜于雞群的生長，減少雞群發(fā)病，是畜禽養(yǎng)殖戶提高生產(chǎn)水平，降低生產(chǎn)和管理成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

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