基于STC90C58RD的雞舍環(huán)境控制器的設(shè)計(jì)

劉引弟 吳永亮 楊宇 劉會(huì)強(qiáng)

摘要：雞舍內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫度和濕度對雞的生長、發(fā)育和產(chǎn)蛋質(zhì)量都有一定的影響。本設(shè)計(jì)針對中小型的雞舍構(gòu)造特點(diǎn)，以STC90C58RD+單片機(jī)為控制核心，使用BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度傳感器作為檢測元件，通過繼電器控制雞舍燈光和溫濕度。試驗(yàn)結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對雞舍環(huán)境的自動(dòng)控制，可靠性高，工作穩(wěn)定，可以滿足雞的光照和溫濕度要求，具有一定的推廣價(jià)值。

Abstract： Fuzzy control algorithm combined with Proteus simulation platform has been used in simulation study to sprinkler control system in the greenhouse. This system takes STC89C54 microcontroller as the control core， achieving many functions， such as setting parameters; measurement，display， storage， and alarm of temperature and humidity; controlling sprinkler irrigation device. The experiment results show that the system can measure the temperature at -40～+123.8℃ with the error of ±0.1℃， and the humidity at 0～100% with the error of ±0.2%. Additionally the system has good control effect.

關(guān)鍵詞：雞舍;燈光;溫濕度;單片機(jī);控制

Key words： house;light;temperature and humidity;MCU;control

中圖分類號(hào)：TP273+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）15-0169-03

0 ?引言

適宜的光照強(qiáng)度、溫度和濕度對雞的活動(dòng)、生長發(fā)育和生產(chǎn)性能有非常重要的作用[1]。隨著不同種雞的不同階段生長，所需要的光照強(qiáng)度和溫濕度是不相同的，如表1所示[2]。

傳統(tǒng)養(yǎng)雞場的監(jiān)控方法主要是利用人工對雞舍進(jìn)行光照和溫濕度的檢測[3]，然后根據(jù)測量結(jié)果判斷雞的健康狀況，手動(dòng)檢測容易產(chǎn)生嚴(yán)重的測量誤差，而且對雞的正常生長發(fā)育也有影響[4]，為此，本文設(shè)計(jì)了一套雞舍環(huán)境智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光照傳感器BH1750和溫濕度傳感器AM2301，并以STC90C58RD+單片機(jī)為控制核心，對比分析設(shè)定數(shù)據(jù)和實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)，合理調(diào)整繼電器和LED燈，實(shí)現(xiàn)對雞舍內(nèi)光照強(qiáng)度和溫濕度的自動(dòng)控制。

1 ?總體設(shè)計(jì)

1.1 燈光布局設(shè)計(jì)

結(jié)合中小型養(yǎng)雞場現(xiàn)狀，選取雞舍燈光源時(shí)宜選擇白熾燈，裝有反光罩，參考計(jì)算燈光瓦數(shù)的公式：W=（H2×L）/0.9 W，其中L為光照強(qiáng)度lx;H為燈泡離地面高度，計(jì)算所用燈泡的瓦數(shù)。由于客觀因素的影響流明會(huì)一定程度上受損，比如燈泡質(zhì)量問題、設(shè)備吸收問題等，因此通常在有燈罩、燈高度為2.0～2.4m時(shí)，每平方米面積上需2.7W燈泡可提供10.76lx;若所需光照強(qiáng)度為5～10lx，則每平方米面積需1.5～2.5W燈泡;若所需光照強(qiáng)度在20～30lx，那么每平方米面積需5～7.5W燈泡。

據(jù)此，安排42個(gè)75W的燈泡平均布置在雞舍，同時(shí)為了滿足系統(tǒng)要求，應(yīng)采取分組控制燈的方法，如此才能實(shí)現(xiàn)燈光的漸明漸暗效果。

1.2 系統(tǒng)的組成

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要單片機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊三個(gè)部分組成。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)的作用是顯示、處理和控制數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的作用是實(shí)時(shí)采集雞舍內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)，比如濕度、溫度、光照強(qiáng)度等;驅(qū)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)LED燈及通風(fēng)裝置工作，如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)被啟動(dòng)后，首先進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，用戶依據(jù)無異常狀態(tài)時(shí)雞舍內(nèi)所需的濕度、溫度及光照度設(shè)置相應(yīng)的控制參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)由原始狀態(tài)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)后，首先應(yīng)分析雞的育齡和種類，之后利用傳感器獲悉雞舍的各項(xiàng)實(shí)際情況及相關(guān)參數(shù)，并將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，最后由單片機(jī)負(fù)責(zé)分析其接收到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)對措施，比如溫濕度過低會(huì)報(bào)警;溫濕度過高，應(yīng)合理控制通風(fēng)機(jī);光照不符合標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)及時(shí)調(diào)整燈光。第一屏顯示用戶設(shè)定的雞種類和育齡、光照度上下限閾值、實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度、光照時(shí)長及系統(tǒng)時(shí)間，第二屏顯示雞舍內(nèi)溫度上下限閾值、濕度上下限閾值、實(shí)時(shí)溫度和濕度、通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)以及報(bào)警系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分的組成部分包括主控器件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊、按鍵電路及輸出控制等。

①主控器件采用STC公司生產(chǎn)的90C58RD+系列單片機(jī)，它是新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，工作電壓為5.5～3.8V[5]。

②數(shù)據(jù)檢測模塊由BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度數(shù)字傳感器組成。BH1750具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，是一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，適用于兩線式串行總線接口，可測量的光照度范圍為1～65535lx，精度為0.96～1.44times[6];AM2301是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的數(shù)字式溫濕度傳感器[7]，節(jié)省了單片機(jī)的引腳以及省去了模擬傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，可測量濕度范圍為0～100%，精度為±3%，溫度范圍為-40～100℃，精度為±0.3℃[3]。

③顯示模塊采用LCD1604顯示器，它可以顯示4行，16字符/行。

④采用DS1302為其實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，其具有閏年補(bǔ)償功能，能夠計(jì)時(shí)年、月、日、時(shí)、分、秒，具有低功耗、高性能特點(diǎn)。時(shí)鐘電路的作用是確?？刂葡到y(tǒng)與該時(shí)鐘信號(hào)同步按時(shí)序工作。

⑤按鍵電路由五個(gè)獨(dú)立式按鍵組成，分別是減一、加一、設(shè)置/運(yùn)行、右切換及左切換。

⑥輸出控制模塊由四組光電耦合器、繼電器和電動(dòng)機(jī)組成。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，科學(xué)開展軟件設(shè)計(jì)工作，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，選用單片機(jī)C語言編寫程序，主要程序包括主程序、燈光控制、參數(shù)設(shè)置等，具體分析如下：

3.1 系統(tǒng)主程序

啟動(dòng)系統(tǒng)后，首要步驟是硬件初始化，包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫濕度傳感器、光照傳感器等，接下來按鍵掃描處理，利用傳感器對雞舍內(nèi)光照度、溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并由單片機(jī)進(jìn)行處理，如此可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)和燈光的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)約目的，如圖2所示。

3.2 燈光控制程序

BH1750光照傳感器負(fù)責(zé)收集各項(xiàng)參數(shù)，并對參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)分析各項(xiàng)參數(shù)是否達(dá)標(biāo)，之后主控系統(tǒng)分析雞的光照時(shí)間是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定時(shí)間，可關(guān)閉所有燈光，若發(fā)現(xiàn)為達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)分析在當(dāng)前數(shù)據(jù)情況下是否能夠滿足雞種所需光照強(qiáng)度，若無法滿足應(yīng)適當(dāng)增加燈的數(shù)量，使其最終能夠?qū)崿F(xiàn)目的，如圖3所示。

3.3 通風(fēng)控制程序

數(shù)字式AM2301傳感器負(fù)責(zé)收集各項(xiàng)參數(shù)，并將參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)分析各項(xiàng)參數(shù)是否達(dá)標(biāo)，之后依據(jù)分析結(jié)果合理調(diào)整和控制通風(fēng)機(jī)，使其溫濕度能夠符合標(biāo)準(zhǔn)[9]。在控制溫度在合理范圍的基礎(chǔ)上，分析判斷濕度，若濕度低于所需濕度的下限值，蜂鳴器報(bào)警。反之，高于上限值72%時(shí)，通風(fēng)機(jī)工作，如圖4所示。

4 ?仿真與調(diào)試

Proteus ISIS軟件能夠搭建各類復(fù)雜電路，同時(shí)還能夠以加載軟件程序代碼的方式實(shí)現(xiàn)硬件仿真[10]，大大節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本[5]。本設(shè)計(jì)在Proteus7.5軟件中繪制好系統(tǒng)的仿真圖后，然后，在Keil μVision3軟件中編寫的C語言程序，把編譯好的目標(biāo)代碼*.hex文件導(dǎo)入到STC90C58RD+單片機(jī)中，進(jìn)行仿真與調(diào)試，最后得到實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)仿真結(jié)果表明：在Proteus環(huán)境下，系統(tǒng)可靠性高，控制靈活方便，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

利用Altium Desinger9軟件繪制系統(tǒng)硬件PCB圖，并制作出的電路板如圖5所示。從圖5（b）可以看出，BH1750和AM2301傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，按鍵和顯示系統(tǒng)工作正常;當(dāng)光照時(shí)長不達(dá)標(biāo)時(shí)，若關(guān)照強(qiáng)度小于設(shè)定值，可控制燈光的繼電器實(shí)現(xiàn)目的;當(dāng)溫度低偏低時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)溫濕度過高時(shí)，控制通風(fēng)機(jī)的繼電器能工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

5 ?結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種以STC90C58RD+單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心，結(jié)合BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對雞舍光照強(qiáng)度和溫濕度的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較， 從而通過繼電器對燈光和通風(fēng)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，省去了人工檢測與人工控制帶來的不便及困擾[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于單片機(jī)的雞舍環(huán)境控制器的設(shè)計(jì)，可靠性高，工作穩(wěn)定，可以滿足不同種類雞對光照強(qiáng)度和溫濕度需求，具有很好的自動(dòng)控制效果。

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