畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置研究

王潤濤 張 宇

(東北農(nóng)業(yè)大學,黑龍江 哈爾濱150030)

1 研究背景

隨著世界各國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,人們對物質要求的不斷提高,畜牧業(yè)逐漸向著規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化和集約化方向發(fā)展。家畜的糞便、尿液、飼料等腐爛分解在畜舍內產(chǎn)生有害氣體,NH3、H2S、CO2、CH4、CO等有害氣體對家畜的健康和生產(chǎn),對人的健康和工作效率有不良影響。畜舍養(yǎng)殖環(huán)境的調控是有效防控家畜重大疫病傳播和流行的先決條件。因此,研制畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置具有一定的經(jīng)濟和實用價值。

2 理論基礎

通風是改變畜舍環(huán)境的直接方法,大量的單相220V軸流風機被應用到畜舍的環(huán)境控制系統(tǒng)中。通過改變軸流風機兩端的電壓有效值,可以調節(jié)風機的轉速,從而控制畜舍的進風量,實現(xiàn)畜舍內氣體、溫度、濕度等控制。公式(1)中,一個控制周期內,在輸入電壓U1不變的前提下,通過改變觸發(fā)延時角α,控制晶閘管的導通時間,達到改變負載兩端電壓UO有效值的目的。公式(2)為一個控制周期內晶閘管的電流有效值。

UO——負載電壓有效值；

U1——輸入電壓有效值；

α——觸發(fā)延遲角；

θ——晶閘管導通角。

IVT——晶閘管電流；

Z——等效負載；

φ——負載的阻抗角。

3 硬件構成

畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置由處理器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、過零觸發(fā)電路和風機驅動電路構成,如圖1所示。其中,處理器為宏晶公司的stc12c5a60s2單片機。溫濕度傳感器為奧松公司的AM2302傳感器,供電電壓為DC 5V,溫度量程為-40～+80℃(分辨率為0.1 ℃、精度為±0.5 ℃),濕度量程為0～100%RH(分辨率為0.1%RH、精度為±2%RH)。單片機的P2.1端口與溫濕度傳感器的引腳相連,采用單總線通訊方式。

圖1 系統(tǒng)結構

氣體傳感器由煒盛研制,包括NH3、H2S、CO2、CH4等,供電電壓為DC 5V。單片機通過芯片串口外設的RX和TX端口,與氣體傳感器進行TTL通訊。通訊方式設置為波特率9600bps、8個數(shù)據(jù)bit、1個停止bit、無奇偶校驗位。氣體傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

表1 氣體傳感器

過零觸發(fā)電路由U3和U4兩個PC817光耦、2k歐姆電阻R3和R4構成,如圖2所示。圖2中的AC10V為市電220V經(jīng)變壓器后的交流輸出電壓,當電壓高于PC817內部二極管AK的開啟電壓后,內部三極管CE導通,DC+5V同過電阻R4對地產(chǎn)生電流,C點對地為低電平信號,該信號接入單片機的/INT1引腳,引起外部中斷,進而檢測交流電的過零時刻。

圖2 過零觸發(fā)電路

風機驅動電路由U1光耦觸發(fā)芯片MOC3021、U2雙向可控硅BTA16-600BWRG、1k歐姆電阻R2、180歐姆電阻R1、風機等效負載ZL構成,如圖3所示。當單片機的P1.0 引腳輸出為低電平時,光耦MOC3021導通,觸發(fā)雙向晶閘管BTA16工作,電源AC 220V、U2和ZL形成閉合回路,風機開始運行,風機兩端的電壓受延遲角α控制。

圖3 風機驅動電路

風機驅動電路的主要功率元件為BTA16-600BWRG,其具體參數(shù)如表2所示,可以保障500W以下的軸流風機安全工作。

表2 BTA16-600BWRG元件參數(shù)

4 軟件流程

畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置上電后,傳感器等外設和系統(tǒng)初始化,以市電50Hz的半波時長10ms為一個周期,讀取傳感器信息；當過零觸發(fā)電路觸發(fā)引起單片機中斷后,判斷是否開啟風機；根據(jù)傳感器的反饋信號與設定環(huán)境參數(shù)的差值,計算風機啟動的延時時間,調節(jié)風機兩端的電壓有效值,實現(xiàn)變風量控制,流程圖如圖4所示。為了減少外部干擾和單片機的運算壓力,傳感器的讀取數(shù)據(jù)采用一階低通濾波,其濾波系數(shù)取值為0.85。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 試驗

本文將所設計畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置在功率370W、轉速2800r/min、電壓AC 220V、風量3000m3/h、風壓230pa、內徑31cm的300型軸流風機上進行試驗。根據(jù)傳感器讀取數(shù)據(jù)的變化,實現(xiàn)了風機的啟停、電壓連續(xù)可調、風量連續(xù)可調等功能。其中,經(jīng)萬用表測量,軸流風機兩端的電壓有效值變化范圍為182～232V；經(jīng)風速儀測量,軸流風機的出口風速變化范圍為4.5 ～5.6 m/s。

6 結論

本文根據(jù)畜牧業(yè)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化和集約化方向發(fā)展的需求,研制畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動調控裝置。裝置以stc12c5a60s2為控制器,感知畜舍NH3、H2S、CO2、CH4、溫濕度等環(huán)境信息。并對該裝置進行試驗,根據(jù)傳感器等環(huán)境數(shù)據(jù)變化,實現(xiàn)了軸流風機的風量連續(xù)調節(jié),完成了畜舍養(yǎng)殖環(huán)境的自動調控。