基于單片機的病牛乳聲光報警系統設計

榆林學院能源工程學院 黨學立

引言

奶牛乳房炎主要是由于乳腺組織被微生物入侵或受到物理及化學性損傷而引發的局部性炎癥[1]。乳房炎屬于奶牛養殖場中的常見病、多發病，治愈率低且會導致奶牛產奶量下降，牛奶品質降低，給奶牛養殖業帶來巨大的損失[2]。奶牛發生乳房炎后，機體為消滅病原菌和修復損傷的組織會生成過多的白細胞，這些白細胞會聚集在一起，導致乳腺管道局部被堵塞，造成其產生的乳汁不能夠及時排出，從而促使一些泌乳細胞無法泌乳，最后發生萎縮。另外，由于泌乳細胞數量減少，會對整個胎次甚至一生的產奶量都產生影響；降低鮮奶質量，營養成分降低；增加牛群更替成本，影響消費者的健康[3]。

目前常用的奶牛乳房炎致病微生物檢測方法主要包括：細菌分離鑒定法、免疫學檢測法、基因芯片和PCR檢測技術等[4]。本文基于單片機的病牛乳聲光報警系統，可以及時有效地提醒病牛乳狀況，一方面，關注奶牛的健康，及時預防及診治；另一方面，避免劣質奶制品流入市場，確保食品質量和安全。

1 系統結構

本設計是由STC89C51RC2單片機、傳感器電路、電壓比較電路、晶振電路、聲音報警電路，光顯示電路構成。通過傳感器采集牛奶樣品的阻值信號，經過分壓電路及電壓比較電路，產生一個電脈沖信號，單片機接收信號，并進行相應的處理：驅動聲音報警電路，發出聲音提示信號；驅動光報警電路，發出光提示信號。主要結構如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2 硬件電路設計

2.1 傳感器電路設計

本設計將待測的牛奶樣品放入杯子，將連接器J1的兩個電極插入牛奶樣品中，兩個電極對稱地放置在杯子壁上。新鮮牛奶在常溫下的電導率為0.004～0.05Ωm，如奶牛患有乳房炎，則電導率會上升，若超過0.06Ωm便可判斷病牛乳[5]。電路正常工作時，連接器J1和電阻R2串聯，由牛奶電導率變化，則連接器J1的引腳2上電位升高，將此電壓輸出到集成電路U3的負相端引腳3，進而與集成電路U3的正相端引腳2處，設置固定的電位值相比較；進而產生電信號的跳變，即實現對病牛乳牛奶樣品的檢測。其中，R2采用高精度，量程為10Ω的滑動變阻器；集成電路U3為比較器LM111。其中，傳感器電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

2.2 電壓比較電路設計

電壓比較電路采用集成電路芯片LM111。集成電路芯片LM111具有電源電壓范圍大(±5V～±l5V)、偏置電流小、失調電流小、差分輸入電壓范圍大(±30V)，其輸出與TTL、DTL及MOS電路相容，并可驅動指示燈和繼電器。可以單電源供電，也可以雙電源供電，有集電極輸出和發射極輸出兩種形式等，電路簡單，性能穩定。本設計的電路圍繞集成電路LM111進行：首先，進行比較器正相端配置，本設計采用電源模塊芯片MCP1525，其輸入為5V,輸出為固定的電壓2.5V；其次，比較器負相端連接至傳感器電路的輸出端，完成對傳感信號的比較；最后，將比較的結果從LM111的引腳7輸出，傳輸到單片機的引腳27，由單片機進一步處理。其中，單片機的型號為STC89C51RC2。電壓比較電路如圖3所示。

圖3 電壓比較電路

2.3 晶振電路設計

單片機工作需要合適的節拍。晶振電路的作用就是為單片機合格的時鐘信號流。本設計的晶振電路采用無源晶振，其振蕩頻率為11.0592MHZ，它由晶振Y1,以及外接電容C1,C2實現，它通過Y1的兩端，輸入到單片機的引腳18,19，為單片機提供工作時鐘。晶振電路設計如圖4所示

圖4 晶振電路設計

2.4 聲音報警電路

聲音報警電路采用壓電蜂鳴器，本設計采用工作電壓為3V的蜂鳴器。壓電蜂鳴器通過電流大，為了使電路盡可能簡單，工作穩定可靠，采用了單片機的多個IO口并聯，增加電流供應的辦法。當單片機檢測出有病的樣品時，經過單片機內部的處理，使其P3的8個IO口，P1的8個IO口為高電平1，進而驅動壓電蜂鳴器工作，發出報警聲音。聲音報警電路如圖5所示。

圖5 聲音報警電路

2.5 光顯示電路

光顯示電路采用發光二極管，通過控制單片機的IO口實現。當單片機檢測出有病的樣品時，經過單片機內部的處理，使單片機的引腳28為高電平1，通過電阻R1分壓，輸入到發光二極管D1，使D1發出光。反之，發光二極管D1不發出光。其中，電阻R1起限流分壓作用。光顯示電路圖如圖6所示。

圖6 光顯示電路

3 主程序設計

主程序的設計是系統設計的一部分，它是在硬件設計電路的基礎上工作的，是整個系統不可分割的部分，它主要的實現流程如下：上電初始化模塊，進行系統加電的初始化工作，復位操作，以及指向主程序的工作；讀取輸入檢測信號模塊，采用輪詢方式，讀入傳感器的信號電平值，實現對信號的輸入讀操作；接著，單片機對輸入的信號進行判斷處理，若正常，則進行下一次檢測，否則，進行進一步的處理；聲音報警模塊，進行聲音的輸出提示，提醒有錯誤發生，單片機通過多個IO口操作，來驅動蜂鳴器發聲；光顯示模塊，進行光的輸出提示，提醒有錯誤發生，單片機通過單個IO口操作，來驅動發光二極管發光；接著，單片機進行數量關系判斷，使聲音報警，光顯示進入循環模式。主程序設計流程如圖7所示。

圖7 主程序設計流程

4 仿真驗證

利用Proteus軟件[6]，通過改變連接器J1的阻抗，對整個軟硬件系統進行仿真工作。主要仿真的是：當阻抗變化時，單片機程序判斷傳感器信號電平值，并與設定的正常值進行比較：若正常，則進行下一次檢測；否則，超出正常值，則進行相應的處理，進行聲音報警，光顯示，以此來判斷奶牛是否患病，防止劣質牛奶流入市場，確保奶產品質量安全，保障人民群眾身體健康。

5 結語

本設計是一款基于單片機的病牛乳聲光報警系統，以單片機STC89C52RC為主控制器，以傳感器電路、電壓比較電路、聲音報警電路，光顯示電路等輔助電路，實現了對病牛乳聲光報警。利用上電初始化模塊，進行系統加電的初始化工作，復位操作；利用讀取輸入檢測信號模塊，采用輪詢方式，讀入傳感器的信號電平值，實現對信號的輸入讀操作；利用單片機對輸入的信號進行判斷處理，若正常，則進行下一次檢測，否則，進行進一步的處理；利用聲音報警模塊，進行聲音的輸出提示；利用光顯示模塊，進行光的輸出提示，提醒有錯誤發生。通過proteus仿真實驗證明軟硬件系統的可行性，利用制作出來的實物進行實驗，可準確地判斷出病牛乳，及時做出提醒，對奶牛進行診治，防止劣質牛奶流入市場，保證人民身體健康。