養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計

岳 睿 李 艷

(1.無錫市環(huán)境科學與工程研究中心，江蘇 無錫 214153；2.無錫城市職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214153；3.淮安市明森機械制造有限公司，江蘇 淮安 223005)

1.緒論

養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖人員在養(yǎng)殖場里行走時，要考慮到養(yǎng)殖場節(jié)能效應。最好能設計一種養(yǎng)殖人員到了哪里，哪里的智能燈就打開，養(yǎng)殖人員離開那兒，那兒智能就熄滅，有利于節(jié)能，也不打擾養(yǎng)殖場的動物休息。夜晚的光照對養(yǎng)殖企業(yè)里面的家禽內分泌系統(tǒng)的調節(jié)作用十分明顯。例如，以產蛋雞為例，不同的光照強度和時間對蛋雞的頻率與產蛋的大小是具有直接的影響。禽類有兩個光感受器器官：視網膜感受器和下丘腦感受器，光線刺激產蛋雞的視網膜感受器到達下丘腦感受器。另外，其設計的智能光線也可以作用于松果體及下丘腦。產蛋雞的下丘腦受到光線的光照刺激后分泌出，性腺激素通過垂體門脈系統(tǒng)到達垂體前葉，引起產蛋雞的卵泡的加快發(fā)育和排卵。產蛋雞發(fā)育的卵泡產生雌激素，使母雞雞冠變得紅潤，雞的食量加大。雌激素的分泌還能促進產蛋雞的鈣離子的代謝，鈣離子是雞蛋殼的必備物質，有利于蛋雞的蛋殼形成。排卵激素則引起母雞排卵。所以設計好智能光照燈很有必要。在這方面，我們恰好積累了一些設計經驗。

2.設計內容

基于養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計一種智能燈,分別對環(huán)境光的亮度、家禽的位置、光線手動調節(jié)及系統(tǒng)設備的軟、硬件進行了研究。

STC89C51是低功耗、高性能Flash8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程閃存。STC89C51在單個芯片上配備8位CPU和系統(tǒng)可編程閃存，使STC89C51能夠為多個嵌入式控制應用程序系統(tǒng)提供靈活高效的解決方案。8k字節(jié)閃存、512字節(jié)RAM、32位I/O端口線、監(jiān)視程序計時器、內置4KBEEPROM、MAX810重置電路、3個16位計時器/計數(shù)器、1個6矢量級2中斷結構、全雙工串行端口，STC89X51也降至0Hz靜態(tài)邏輯操作在空閑模式下，CPU可能會停止工作，并繼續(xù)執(zhí)行RAM、計時器/計數(shù)器、串行端口、中斷操作。在斷電保護模式下，RAM內容將被保存，振蕩器將被凍結，單片機的所有操作將停止到下一次中斷或硬件重置。最高工作頻率35Mhz，6T/12T選項。本養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計總體圖如下。

3. ADC0832的引腳及功能

逐次比較型A/D轉換器在精度、速度、價格上都適中，是最常用的A/D轉換器件。芯片采用的是ADC0832，以下介紹ADC0832的引腳及功能。芯片如圖2所示

圖2 ADC0832的引腳

ADC0832為A/D轉換芯片，適應一般的模擬量轉換要求。由圖可見，ADC0832設計有8個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：

養(yǎng)殖場光照設計電路中ADC0832，模擬信號只有通過A/D轉化為數(shù)字信號后才能用軟件進行處理，這一切都是通過A/D轉換器（ADC）來實現(xiàn)的。設計芯片轉換時間是32μS，利用雙數(shù)據輸出為數(shù)據校驗，轉換速度快且穩(wěn)定，大大減少數(shù)據偏離。ADC的轉換原理根據ADC的電路形式有所不同。ADC電路通常由采樣、保持電路和量化、編碼電路四部分組成。其中量化、編碼電路是最核心的部件。與模數(shù)轉換相對應的是數(shù)模轉換，數(shù)模轉換是模數(shù)轉換的逆過程，在一般的工業(yè)應用系統(tǒng)中傳感器把非電量的模擬信號變成與之對應的模擬信號，然后經模擬（Analog）到數(shù)字（Digital）轉換電路將模擬信號轉成對應的數(shù)字信號送微機處理。這就是一個完整的信號鏈，模擬到數(shù)字的轉換過程就是我們經常接觸到的ADC電路。

ADC0832的結構及轉換原理

ADC0832的結構框圖如圖2。ADC0832采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V電源供電就可以滿足。0809完成一次轉換需100μs左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進行轉換。

ADC0832連線圖

ADC0832與單片機的連線圖如圖3：

圖3 ADC0832的結構框圖

圖4 ADC0832的連線圖

4.系統(tǒng)組成及電路設計

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計，因此創(chuàng)新之處也在于處理生活中一些比較常見的問題。以專門感應人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器為基礎，利用單片機進行處理，以達到便于控制的目的。

4.1 系統(tǒng)組成部分

（1）系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)組成如圖5所示，主要由四部分組成：

圖5 系統(tǒng)示意圖

傳感器部分：超導傳感器、光傳感器；

（2）由89C51組成的中央處理單元：處理信號并發(fā)出控制命令。

（3）照明控制電路部分：根據89C51提供的命令控制照明亮度和亮度。

系統(tǒng)控制核心：

這個智能支架的系統(tǒng)主要由傳感器、MCU設備、鑰匙、燈等組成。信號檢測和處理部分由熱傳導紅外線傳感器、光敏電阻組成。傳感器的作用是檢測是否有動物，因此僅對波長為10m(人體輻射紅外波長)左右的紅外輻射敏感，除人體外，其他物體不發(fā)生探測動作。光敏電阻的作用是檢測燈周圍環(huán)境的照明強度。MCU部分使用89C5l單片機。這款單片機價格低廉，開發(fā)簡單，操作方便，可加密，因此市場占有率很高。單片機的作用是接收傳感器返回信號，處理后控制顯示、報警、燈等電路操作。智能燈的亮度控制由晶體管驅動，通過單片機的IO端口輸出PWM脈沖來控制智能燈的亮度。

4.2 電路設計部分

傳感器組成的信號檢測和處理部分在電路設計部分，單片機是此次智能節(jié)能燈設計的主要控制裝置，主要控制電路照明，控制電路在單片機的控制下工作。傳感器在設計中起著重要作用，傳感器組成的信號檢測和處理部分電路原理如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照圖

圖1是由熱傳導紅外傳感器、光敏電阻組成的信號檢測和處理電路。紅外熱傳導紅外傳感器只對波長為10m(人體輻射紅外波長)的紅外輻射敏感，因此人體以外的物體不會引起探針動作。探針內包含兩個相互連接或平行的熱傳導元件，兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱傳導元件起著幾乎相同的作用，因此放電效果相互抵消，因此探測器無法輸出信號。人一旦侵入探測區(qū)，人體紅外輻射就會通過一些鏡子聚焦，由熱電源接收。但是兩個熱源得到的熱量不同。因為熱傳導不同，不能抵消，所以輸出檢測信號。

4.3 傳感器部分

其實傳感器的本質是將檢測到的對象的非電量的各種變化量轉換為電信號的變化。這里用于檢測家禽的集聚，飼養(yǎng)人員的到來與離開，當飼養(yǎng)人員到來時，控制系統(tǒng)即打開智能燈，當飼養(yǎng)人員離開養(yǎng)殖場的某個地點時，該地點的控制系統(tǒng)即在傳感器的協(xié)助下即關閉智能燈，一切的動作離不開傳感器的監(jiān)控。當然在傳感器的監(jiān)控下也可以“通知”養(yǎng)殖場的管理人員及時對養(yǎng)殖場的溫度、光照情況及時監(jiān)控，比如動物分類飼養(yǎng)中有的產蛋雞需要光照，有的病雞需要休息，養(yǎng)殖場的管理人員均可以進行后臺監(jiān)控管理，十分方便養(yǎng)殖場提高勞動生產率，節(jié)約大量勞動力，使得企業(yè)減員增效。

4.3.1 超導紅外傳感器的原理特性

本設計的熱電紅外傳感器，內部熱電源由熱電系數(shù)高的鈦酸鉛汞、陶瓷和鉭鋰、硫酸、三甘鐵等過濾窗組成，隨著溫度的變化，極化也會有所不同。該傳感器可以在工藝中以反向連接或差分平衡電路的方式連接兩個特征匹配的熱源，以非接觸方式檢測物體發(fā)出的紅外能量變化，并將其轉換為電信號輸出。熱傳導紅外傳感器在結構中引入場效應管的目的是完成阻抗轉換。熱電源輸出是電荷信號，不能直接使用，所以必須使用電阻轉換為電壓形式。阻力阻抗最大為104米，因此引入的N-通道耦合場效應管必須連接到共同的泄漏形式，即源極跟隨器，完成阻抗轉換。超導紅外傳感器由傳感器檢測元件、干擾濾波器和場效管匹配器三部分組成。設計時，要將高熱量電材料制成一定厚度的薄板材，兩面鍍上金屬電極，然后通電極化，形成熱電探測器。電極化的電壓有極性，所以極化的探測源也有正、負極性。當養(yǎng)殖管理員進入檢測區(qū)，因養(yǎng)殖管理員溫度與環(huán)境溫度有差別，產生ΔT，則有ΔT輸出;若養(yǎng)殖管理員體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。由實驗證明，傳感器不加菲涅爾透鏡，其檢測距離小于2m，而加上光學透鏡后，其檢測距離可大于7m，非常實用本設計的養(yǎng)殖場使用。養(yǎng)殖管理員人體發(fā)射的紅外線通過菲涅爾鏡頭聚焦到超導紅外傳感器的探測器時，養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計的電路中的傳感器將輸出電壓信號首先通過由電容C1、電容C2、電阻R1、電阻R2組成的帶通濾波器，本設計的帶通濾波器的頻率上限為16Hz，下限為0.16Hz，帶通幅度為15.84Hz。熱傳導紅外傳感器輸出的電壓非常微弱(只有1毫伏特左右)，該信號必須進行放大，因此是變化的信號，在菲涅爾鏡片的作用下，輸出的電壓信號是脈沖形式，其脈沖電壓的頻率由被測家禽在養(yǎng)殖場的移動速度決定，通常在0.1～10Hz左右，因此需要放大熱傳導紅外傳感器輸出的電壓信號。養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計利用集成運算放大器LM324進行兩級擴展，以獲得足夠大的電壓信號。

4.3.2 光敏電阻

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計的光敏電阻的制作材料為硫化鎘。這是因為光產生的載體都參與導電性，在外部電場的作用下進行漂移運動，電子走向電源的兩極，空穴跑到電源的陰極，所以光敏電阻器的阻力迅速下降。養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計的光敏電阻，用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的溴化物、硫化物等半導體。一般采用涂層、燒結等方法，可以在絕緣襯里上制作薄的光敏電阻體和梳歐姆電極，并接收較長的金屬引線，封裝在有透光鏡的密封外殼里面，這樣可以防止養(yǎng)殖場的濕氣影響其靈敏度。半導體光敏材料兩端安裝電極康銅引線，為了提高養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計的電路的靈敏度，兩個電極梳成斜面。在養(yǎng)殖場黑暗的時，其電阻值就高。養(yǎng)殖場有光線時，光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，電子可以吸收光子的能量后跳到導帶上。并且在原子價波段產生帶正電荷的空穴。這種光產生的電子-空穴擊中半導體材料的載流子數(shù)，降低電阻率，引起光敏電阻。養(yǎng)殖場的光照越強，阻力值越低。養(yǎng)殖場進入夜晚時，由光子刺激產生的電子-空穴對被合成，此時光敏電阻的電阻的大小也恢復到原來的大小。如果在光敏電阻兩端的電極上加上一個電壓，就會產生電流，養(yǎng)殖場的光照比較強時，電流隨著亮度增大，光電就轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻，使用時可以同時加上直流電壓和交流電壓，十分方便養(yǎng)殖場使用。

4.3.3 養(yǎng)殖場使用的光敏電阻

養(yǎng)殖場使用的光敏電阻主要有熱敏電阻，熱敏電阻是一種電阻值對溫度非常敏感的電阻器，這種電阻一般由單晶、多晶等半導體材料制成，其種類較多，如根據阻值的溫度數(shù)可分為阻值隨溫度升高而減少的負溫度系數(shù)熱敏電阻和阻值隨溫度升高而增加的正溫度系數(shù)熱敏電阻；養(yǎng)殖場均可以使用。如按阻值隨溫度變化的大小及變化速度；可分為緩變型和突變型兩種；如按電阻器受熱的方式來分，可分為直熱式和旁熱式兩種；熱敏電阻的主要特點是對溫度靈敏度高、熱惰性小、壽命長、體積小和結構簡單。在養(yǎng)殖場的溫度測量控制、火災報警應用能取得良好的效果。養(yǎng)殖場使用的光敏電阻另一種為光敏電阻。這種光敏電阻是根據半導體光效應原理制成的，其電阻阻值大小可隨著入射光線的強弱而發(fā)生改變，光敏電阻主要由玻璃基片、光敏層、電極四個部分組成，養(yǎng)殖場使用的光敏電阻的光敏層所用的材料，可以分為單晶光敏電阻、多晶光敏電阻。按照光敏電阻的光譜持性，養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設計主要采用可見光光敏電阻以及紅外光光敏電阻。紫外光光敏電阻對紫外線反應十分靈敏，可用于探測紫外線，防止過量的紫外線灼傷家禽，又有利于適當運用紫外線對養(yǎng)殖場地殺毒；可見光敏電阻主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)，主要有硒、硫化鎘、硒化鎘、硫化鋅等光敏電阻，非常適用于養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照自動控制系統(tǒng)。

5.結束語

主程序流程圖

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照自動控制系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖