基于单片机的鸡舍环境监控系统的硬件设计

张 亮，李树珍，谢永军，石 磊，陈立东，马淑英，李国昉，郑立新，毛罕平

(1河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛，066600;2济南中正金码科技有限公司;3江苏大学农业装备研究院)

环境作为鸡生长的关键因素，直接影响到鸡的生产性能以及是否引发疾病。在畜牧业生产中，封闭式畜禽舍已经广泛应用于畜禽的工厂化养殖［1］。因此，调控好鸡舍内部温度、湿度和空气等环境参数，是鸡饲养管理的最根本问题［2］。目前，国内在禽舍的环境控制上多数控制系统必须由饲养管理人员根据经验手动操作或机电式操作［3～5］。与发达国家相比，我国畜禽养殖环境调控设备还相对落后，突出表现为:使用装备落后，能耗高，自动化程度低，环境调控效果差，难以适应现代畜禽养殖自动化管理的需要［6，7］。为此，笔者开发了一套鸡舍环境监控系统，实现对禽舍环境的监控，以优化禽舍内环境，使禽舍的环境满足鸡在生长过程中对生长环境的需要，提高生产管理的自动化程度，减少现场管理人员的劳动强度。

1 监控系统的总体设计方案

1．1 设计要求

鸡舍内环境系统由风机、水帘及水帘卷帘、侧墙卷帘、暖风机、温度传感器、湿度传感器、氨气浓度传感器、光照传感器、排风扇、报警器等组成。为使鸡舍有一个适宜的生长环境，要求系统实现的功能包括:①监测鸡舍内温度、湿度、光照和氨气浓度等主要环境指标;②自动控制风机、湿帘、照明、供暖设备调节鸡舍环境;③储存、显示监控数据。

1．2 系统组成

本智能控制器是以单片机为核心，加上一些外围扩展电路组成，可以实现数据采集与处理、控制输出、人机接口等功能。采用模块化的设计思想将控制器硬件按功能划分CPU、数据采集、人机接口、看门狗电路、时钟电路、开关量输出功率驱动等模块进行电路设计，控制器硬件结构如图1所示。在设计过程中，除82C55采用并行接口外，其它外围器件接口采用串行扩展技术SPI总线(Serial Peripheral Interface)［8］，以简化电路设计、提高系统可靠性。

2 系统的硬件电路设计

2．1 单片机的选择

根据选择单片机首先必须能最大程度地满足产品的功能、可靠性、使用环境等技术要求的原则，以设计最小应用系统为目的，本设计选用Atmel公司生产的AT89C55单片机作为控制系统设计开发的核心。AT89C55是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，其指令集、引脚与工业标准80C51兼容，片内闪存允许重复在线编程。

图1 系统硬件结构

2．2 看门狗电路设计

单片机应用系统在实际工作时，由于工作现场的各种不可预测的干扰，可能造成程序跑飞的现象，从而导致系统运行失常。本控制器使用X5645芯片组成的看门狗电路来防止这些情况的发生，使数据不会因为瞬间的掉电而丢失。本控制器的X5645与AT89C55硬件接口连接电路图如图2所示。SWPB用于手动复位，电容用于滤波，消除噪声;电阻用于限流。

图2 X5645接口电路

2．3 外部时钟电路设计

该系统需要能够较长时间无人值守，需要判断时间，若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面又需要设置中断等，同样会耗费硬件资源，通过外部扩展时钟芯片DS12C887可以很好地解决单片机资源有限的问题。DS12C887与单片机的接口电路图如图3所示。

2．4 数字信号采集电路设计

由于单片机只能处理数字信号，所以由传感器采集的温度、光照、湿度、氨气浓度等模拟量需要经过模数转换，才可以输入单片机。本电路设计选用A/D转换芯片为TLC1543CN［9，10］。TLC1543CN是11通道10位开关电容逐次逼近模数转换器。TLC1543CN与AT89C55的接口电路如图4所示。

图3 DS12C887接口电路

图4 TLC1543CN接口电路

2．5 输出控制功率接口电路设计

由于各种外围器件占用了单片机绝大多数的资源，必须要对单片机系统进行扩展。本控制器选择了并行I/O芯片82C55A［8］，它具有3个8位的并行I/O端口，可以通过软件编程来改变I/O口工作方式。

在本控制系统中，被控对象是强电设备，负载功率比较大，启停负荷较大，为了提高功率接口的抗干扰能力，切断CPU与输出通道的直接电的联系，采用了光电隔离电路。输出控制功率接口电路部分采用的是东芝的TLP521系列光电耦合器，硬件接口电路如图5所示。

光电耦合器TLP521工作时，发光二极管的工作电流为ILED=10 mA(典型值)，光敏三极管的工作电流为ICE=5 mA(典型值)，各电阻取值为:

式中，发光二极管的工作压降VLED=1．4 V;RLED取标称值为:RLED=350 Ω。

光敏三极管端的电阻RCE为:

式中，光敏三级管的工作压降VED=0．7 V;RED取标称值为:RED=1 kΩ。

图5 82C55A接口电路

图6 键盘显示电路

2．6 人机接口电路设计

智能控制器具有人机信息交换接口，便于工作人员了解现场情况，通过键盘和显示器，对一些参数进行设定和修改，实现及时干预。本控制器采用HD7279A［10］显示驱动芯片构建人机接口电路。HD7279A具有串行接口，可方便地实现与多至8位的显示或多至64位键盘串行接口，并含有去抖动电路，无需外围元件可直接驱动LED，具有段寻址指令，可方便的实现 LED独立控制。HD7279A与AT89C55硬件接口连接电路如图6所示。

2．7 硬件可靠性设计

由于控制系统安装在工作现场，使得各种强烈的干扰源直接和间接的影响控制系统的工作。在控制器设计中，采取了以下硬件可靠性措施，尽量减少干扰:(1)输入输出通道采用光电隔离抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高过程通道的信噪比。(2)印制电路板的设计中，数字地和模拟地分开走线，配置去耦电容。

3 软件设计

鸡舍环境是一个多变量、多耦合、非线性、大滞后的复杂动态系统，很难建立精确的数学模型。根据试验结果和经验，制定模糊控制规则，再经模糊推理得到模糊控制表，利用模糊逻辑控制实现对鸡舍环境进行实时监控，可以为鸡提供最佳生长环境，缩短其生长周期，实现高效的工厂化生产。

4 结论

以AT89C55为主控芯片设计的监控系统，通过对鸡舍环境进行控制，使温度、湿度、光照和通风等环境参数更适宜于鸡群的生长，减少鸡群发病，是畜禽养殖户提高生产水平，降低生产和管理成本，提高综合经济效益的有效途径。

［1］王建民．现代畜禽生产技术［M］．北京:中国农业出版社，2000．

［2］段定然．密闭鸡舍的温湿环境控制［J］．中国家禽，2005，27(8):29-31．

［3］杨军，乔晓军，王成．基于专家系统的禽舍环境监控系统设计［J］．农机化研究，2007(6):163-166．

［4］戴春霞，赵德安．基于模糊控制的畜禽舍环境温湿度监控系统［J］．农机化研究，2008(2):169-171．

［5］黄华，牛智有．基于PIC18F2580的畜禽舍有害气体环境控制系统［J］．测控技术，2009，28(4):49-52．

［6］滕光辉，崔引安，黄之栋．模糊控制在密闭式鸡舍环境控制系统中的应用［J］．农业工程学报，1999，15(增刊):49-53．

［7］柳平增，毕树生，苗良，等．畜禽规模养殖环境智能调控系统的研制［J］．计算机测量与控制．2009，17(7):1 316-1 319．

［8］李正军．计算机测控系统设计与应用［M］．北京:机械工业出版社，2004．

［9］杨丙聪，许忠仁，刘晓峰．基于AT89S52单片机的智能温度控制器的设计［J］．测控技术，2007，26(10):30-33．

［10］李俊．分布式温室控制系统研制［D］．镇江:江苏大学，2003．