氨气浓度智能监测仪设计与实现

王海燕

摘 要：为了很好的掌握禽舍内的氨气浓度变化，提高养殖业的产量，系统采用ATmega16（L）单片机为核心，由Cyber-TX氨气浓度传感器组成的氨气浓度数据采集电路、LCD显示电路、报警电路、键盘电路等功能模块组成设计了一种氨气浓度智能监测系统。首先介绍了监测系统的功能和结构框图，随后阐述了其硬件和软件的设计与实现。实验证明，本系统对禽舍内的氨气浓度能进行很好的监测，且具有简单、低功耗、低成本、高可靠性、易于实现和维护的优点，具有很好地推广及应用前景。本系统对氨气浓度采集、LCD显示电路进行了重点设计。LCD液晶显示已经是人机界面的关键技术。同传统的LED显示屏不同的是，它可以存储大量的文字信息，通过内置微处理器控制文字、字体的显示方式，定时显示功能等。

关键词：监测系统 LCD显示 氨气传感器 报警电路

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）05-0-01

一、设计背景与意义

氨气是影响畜禽养殖的一大危害因素，禽舍内的氨气主要来自粪便、饲料残渣以及潮湿垫料等有机物构成的厌氧成分。随着畜牧生产规模化、集约化程度的不断提高，畜禽及其废弃物所产生的氨气日趋增多，它不但影响了人类正常的生产和生活，而且危害畜禽的健康，降低生产性能。尤其在秋冬季节，通风量下降，舍内氨气含量直线上升，严重危害畜禽的生长和生产。给养禽业造成严重的经济损失。

本课题针对禽舍缺乏氨气浓度自动监测的实际问题，提出氨气浓度智能监测仪设计任务，对禽舍内各监测点的氨气浓度进行实时监控，当氨气浓度高于报警阈值时，发出声光报警信号并启动通风净化设备，以迅速降低禽舍内的氨气浓度，避免造成家禽和饲养人员受到危害。其意义非常重大。

二、氨气浓度监测仪组成

氨气浓度监测仪属于智能化监测仪器，以单片机为核心，主要包括氨气浓度检测单元（氨气浓度智能传感器Cyber-TX）、鍵盘电路、LCD显示器、报警电路、控制功能扩展电路和电源电路等部分构成。

1.单片机系统设计

单片机是整个设计系统的核心部件，它直接影响整机的硬件和软件设计。它对系统的功能以及研制周期起决定性作用。一般兼有数据处理任务的控制类智能仪表，大多采用数据处理型的单片机。

ATmega系列单片机是ATmel公司推出的基于AVR增强型RISC结构新型高档单片机。它采用的单时钟周期指令，其数据吞吐率可达1MIPS/MHz， 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16（L）作为ATmega系列中的一员，支持16MHz（8MHz）的时钟频率，有l6KB的系统内可编程FLASH程序存储器（具有同时读写的能力，即RWW），lK+32字节的RAM（包括32个8位通用工作寄存器），512字节的EEPROM和一个10位的逐次逼近型ADC，三个具有比较模式的灵活的定时器，计数器（T/C）可编程串行接口；除此之外，ATmega16L还支持与IEEE 1149.1标准相兼容的AVR JTAG接口，能实现边界扫描功能测试PCB，对非易失性存储器、熔丝位和锁定位进行编程和片上调试OCD等。

基于如此强大的功能，本设计选用了ATmega16L单片机作为本设计系统的核心处理器。

2.基于OCMJ4X8C的显示电路设计

方案一：使用LED进行显示，多个数码管分别实现不同的氨气浓度等值，数码管具有控制简单，软件编程量少，但硬件电路较复杂，只能显示几种符号，将无法显示完美的氨气浓度界面，系统变动时将比较困难，所以不使用该方案。

方案二：使用字符点阵系列OCMJ4X8C液晶显示器对氨气浓度实时进行显示、满足系统的要求，本设计采用此方案。

3.键盘电路设计

氨气浓度智能监测系统具有手动按键设定高低限的功能。主要是为了更好的监测禽舍内的氨气浓度度。不同的禽舍内不同季节对氨气浓度的要求也是不一样的。这些报警高低限都是通过键盘手动设定的。在此电路中，设计了四个按键，它们分别为：设置键、增加键、减小键、复位键。

4.报警电路设计

禽舍内氨气浓度监测系统报警电路采用声光报警。当被测氨气浓度超出限定范围时就会立即报警。此电路是由一个发光二极管、一个三极管、二个电阻和一个蜂鸣器组成的。

5.控制功能扩展

禽舍氨气浓度监测系统的设计中在监测的基础上加了报警以后的自动控制处理功能。控制电路由固态继电器、直流电机、风扇、三极管和电阻等组成。

三、氨气浓度监测仪软件设计

本监测仪以ATmega16L单片机为核心，用以C语言进行编程，在ICCAVR软件环境下运行。程序设计结构主要分为主程序和功能模块，其中功能模块包括数据处理、数值处理、按键显示和键盘等模块。

当程序开始运行时，首先，给中断、氨气浓度报警值等设定值初始化。第二步，进入数据采集环节，本程序执行的是四路循环采集，并按公式计算转换成氨气浓度值送到显示子程序中通过液晶显示屏显示它们当前值。第三步，采集的数据还会与报警子程序中设定的值相比较。如果大于氨气浓度的第一个报警值或大于氨气浓度的第二个报警值时报警，无报警则返回主程序继续采集数据。一旦报警就进入控制输出子程序作出相应的处理措施。如：启动一个换气风机或启动三个换气风机，使禽舍内的氨气浓度恢复到设定的范围内。

四、氨气浓度监测仪制作与调试

1.氨气浓度监测仪的制作

在设计过程中，单片机和传感器是核心部分，其设计和制作的水平直接影响整个系统的工作情况，在单片机的设计中人机交互的主要通过键盘和显示。氨气浓度数据采集过程也是本设计采集过程的核心，我针对传感器进行了多次程序检测和硬件连接的检查，以确保系统工作的可靠性基本实现了氨气浓度实时显示的要求。

2.氨气浓度监测仪系统调试

系统的调试分为两部分：硬件和软件。

硬件调试分为氨气浓度传感器的输出信号检测、ATmega16L单片机的调试。

软件调试是本设计的主要工作。首先检测的是数据采集程序，通过氨气传感器采集一个标准信号，利用ATmega16L的开发板，使采进来的数赋予液晶显示屏显示，若能显示正确的采集信号，则证明此程序可以运行；再就是检测数据转换程序，当液晶显示为0ppm时，测测传感器输出电压是否为0.5V，当液晶显示为100ppm时，测测传感器输出电压是否为4V，如果一切正常，则程序可以使用。