氨氣濃度智能監(jiān)測儀設(shè)計與實現(xiàn)

王海燕

摘 要：為了很好的掌握禽舍內(nèi)的氨氣濃度變化，提高養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量，系統(tǒng)采用ATmega16（L）單片機為核心，由Cyber-TX氨氣濃度傳感器組成的氨氣濃度數(shù)據(jù)采集電路、LCD顯示電路、報警電路、鍵盤電路等功能模塊組成設(shè)計了一種氨氣濃度智能監(jiān)測系統(tǒng)。首先介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)框圖，隨后闡述了其硬件和軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。實驗證明，本系統(tǒng)對禽舍內(nèi)的氨氣濃度能進行很好的監(jiān)測，且具有簡單、低功耗、低成本、高可靠性、易于實現(xiàn)和維護的優(yōu)點，具有很好地推廣及應(yīng)用前景。本系統(tǒng)對氨氣濃度采集、LCD顯示電路進行了重點設(shè)計。LCD液晶顯示已經(jīng)是人機界面的關(guān)鍵技術(shù)。同傳統(tǒng)的LED顯示屏不同的是，它可以存儲大量的文字信息，通過內(nèi)置微處理器控制文字、字體的顯示方式，定時顯示功能等。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng) LCD顯示 氨氣傳感器 報警電路

中圖分類號：TP216 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）05-0-01

一、設(shè)計背景與意義

氨氣是影響畜禽養(yǎng)殖的一大危害因素，禽舍內(nèi)的氨氣主要來自糞便、飼料殘渣以及潮濕墊料等有機物構(gòu)成的厭氧成分。隨著畜牧生產(chǎn)規(guī)模化、集約化程度的不斷提高，畜禽及其廢棄物所產(chǎn)生的氨氣日趨增多，它不但影響了人類正常的生產(chǎn)和生活，而且危害畜禽的健康，降低生產(chǎn)性能。尤其在秋冬季節(jié)，通風(fēng)量下降，舍內(nèi)氨氣含量直線上升，嚴(yán)重危害畜禽的生長和生產(chǎn)。給養(yǎng)禽業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

本課題針對禽舍缺乏氨氣濃度自動監(jiān)測的實際問題，提出氨氣濃度智能監(jiān)測儀設(shè)計任務(wù)，對禽舍內(nèi)各監(jiān)測點的氨氣濃度進行實時監(jiān)控，當(dāng)氨氣濃度高于報警閾值時，發(fā)出聲光報警信號并啟動通風(fēng)凈化設(shè)備，以迅速降低禽舍內(nèi)的氨氣濃度，避免造成家禽和飼養(yǎng)人員受到危害。其意義非常重大。

二、氨氣濃度監(jiān)測儀組成

氨氣濃度監(jiān)測儀屬于智能化監(jiān)測儀器，以單片機為核心，主要包括氨氣濃度檢測單元（氨氣濃度智能傳感器Cyber-TX）、鍵盤電路、LCD顯示器、報警電路、控制功能擴展電路和電源電路等部分構(gòu)成。

1.單片機系統(tǒng)設(shè)計

單片機是整個設(shè)計系統(tǒng)的核心部件，它直接影響整機的硬件和軟件設(shè)計。它對系統(tǒng)的功能以及研制周期起決定性作用。一般兼有數(shù)據(jù)處理任務(wù)的控制類智能儀表，大多采用數(shù)據(jù)處理型的單片機。

ATmega系列單片機是ATmel公司推出的基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)新型高檔單片機。它采用的單時鐘周期指令，其數(shù)據(jù)吞吐率可達1MIPS/MHz， 從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16（L）作為ATmega系列中的一員，支持16MHz（8MHz）的時鐘頻率，有l(wèi)6KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH程序存儲器（具有同時讀寫的能力，即RWW），lK+32字節(jié)的RAM（包括32個8位通用工作寄存器），512字節(jié)的EEPROM和一個10位的逐次逼近型ADC，三個具有比較模式的靈活的定時器，計數(shù)器（T/C）可編程串行接口；除此之外，ATmega16L還支持與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)相兼容的AVR JTAG接口，能實現(xiàn)邊界掃描功能測試PCB，對非易失性存儲器、熔絲位和鎖定位進行編程和片上調(diào)試OCD等。

基于如此強大的功能，本設(shè)計選用了ATmega16L單片機作為本設(shè)計系統(tǒng)的核心處理器。

2.基于OCMJ4X8C的顯示電路設(shè)計

方案一：使用LED進行顯示，多個數(shù)碼管分別實現(xiàn)不同的氨氣濃度等值，數(shù)碼管具有控制簡單，軟件編程量少，但硬件電路較復(fù)雜，只能顯示幾種符號，將無法顯示完美的氨氣濃度界面，系統(tǒng)變動時將比較困難，所以不使用該方案。

方案二：使用字符點陣系列OCMJ4X8C液晶顯示器對氨氣濃度實時進行顯示、滿足系統(tǒng)的要求，本設(shè)計采用此方案。

3.鍵盤電路設(shè)計

氨氣濃度智能監(jiān)測系統(tǒng)具有手動按鍵設(shè)定高低限的功能。主要是為了更好的監(jiān)測禽舍內(nèi)的氨氣濃度度。不同的禽舍內(nèi)不同季節(jié)對氨氣濃度的要求也是不一樣的。這些報警高低限都是通過鍵盤手動設(shè)定的。在此電路中，設(shè)計了四個按鍵，它們分別為：設(shè)置鍵、增加鍵、減小鍵、復(fù)位鍵。

4.報警電路設(shè)計

禽舍內(nèi)氨氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)報警電路采用聲光報警。當(dāng)被測氨氣濃度超出限定范圍時就會立即報警。此電路是由一個發(fā)光二極管、一個三極管、二個電阻和一個蜂鳴器組成的。

5.控制功能擴展

禽舍氨氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中在監(jiān)測的基礎(chǔ)上加了報警以后的自動控制處理功能。控制電路由固態(tài)繼電器、直流電機、風(fēng)扇、三極管和電阻等組成。

三、氨氣濃度監(jiān)測儀軟件設(shè)計

本監(jiān)測儀以ATmega16L單片機為核心，用以C語言進行編程，在ICCAVR軟件環(huán)境下運行。程序設(shè)計結(jié)構(gòu)主要分為主程序和功能模塊，其中功能模塊包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)值處理、按鍵顯示和鍵盤等模塊。

當(dāng)程序開始運行時，首先，給中斷、氨氣濃度報警值等設(shè)定值初始化。第二步，進入數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，本程序執(zhí)行的是四路循環(huán)采集，并按公式計算轉(zhuǎn)換成氨氣濃度值送到顯示子程序中通過液晶顯示屏顯示它們當(dāng)前值。第三步，采集的數(shù)據(jù)還會與報警子程序中設(shè)定的值相比較。如果大于氨氣濃度的第一個報警值或大于氨氣濃度的第二個報警值時報警，無報警則返回主程序繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。一旦報警就進入控制輸出子程序作出相應(yīng)的處理措施。如：啟動一個換氣風(fēng)機或啟動三個換氣風(fēng)機，使禽舍內(nèi)的氨氣濃度恢復(fù)到設(shè)定的范圍內(nèi)。

四、氨氣濃度監(jiān)測儀制作與調(diào)試

1.氨氣濃度監(jiān)測儀的制作

在設(shè)計過程中，單片機和傳感器是核心部分，其設(shè)計和制作的水平直接影響整個系統(tǒng)的工作情況，在單片機的設(shè)計中人機交互的主要通過鍵盤和顯示。氨氣濃度數(shù)據(jù)采集過程也是本設(shè)計采集過程的核心，我針對傳感器進行了多次程序檢測和硬件連接的檢查，以確保系統(tǒng)工作的可靠性基本實現(xiàn)了氨氣濃度實時顯示的要求。

2.氨氣濃度監(jiān)測儀系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試分為兩部分：硬件和軟件。

硬件調(diào)試分為氨氣濃度傳感器的輸出信號檢測、ATmega16L單片機的調(diào)試。

軟件調(diào)試是本設(shè)計的主要工作。首先檢測的是數(shù)據(jù)采集程序，通過氨氣傳感器采集一個標(biāo)準(zhǔn)信號，利用ATmega16L的開發(fā)板，使采進來的數(shù)賦予液晶顯示屏顯示，若能顯示正確的采集信號，則證明此程序可以運行；再就是檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，當(dāng)液晶顯示為0ppm時，測測傳感器輸出電壓是否為0.5V，當(dāng)液晶顯示為100ppm時，測測傳感器輸出電壓是否為4V，如果一切正常，則程序可以使用。