基于单片机的研究

1、基于单片机的鸡舍环境监控系统的设计摘要：在蛋鸡养殖行业，通过先前的生产实践得出，在蛋鸡的生长过程中鸡的健康和繁殖能力以及饲料利用率都会受到鸡舍环境的影响。鸡舍内部的环境质量已经成为影响蛋鸡养殖的主要因素。本文针对中小型养鸡场设计了一套以STC89C5RC为主控芯片，集灯光控制与通风控制为一体的鸡舍环境智能监控设备。系统硬件由采集模块、控制模块和人机界面三部分组成，支持键盘输入与数码显示。该系统可以采集影响鸡生长的温度、湿度、光照等主要环境参数，并将采集到的参数值与设定值比较，以此来调节鸡舍内的环境，从而实现鸡舍内部环境参数的自动控制。经过软硬件调试，最终实现了设计的基本要求。该设各成本低廉、使

2、用方便、操作简单、可靠性较高，具有很好的应用价值。关键词：STC89C5RC；鸡舍；监控；温湿度传感器；光强传感器Abstract In the poultry industry, the previous practice of a large number of production, scientific experiment and scientific research Qiao has the draw, layer growth process, health, reproduction ability and feed utilization rate will be affe

3、cted by the hen house internal environment of. The internal environment is good or bad quality chicken has become the main factors affecting the industrial development of laying hens. The aimed at small and medium-sized farm design a set to STC89C5RC as the main control of the total tablet, set of l

4、ighting control and ventilation control one of the henhouse environment intelligent monitoring equipment. The system hardware is composed of the acquisition module, the control module and the man-machine interface H component, which supports the keyboard input and digital display. The system can be

5、w acquisition influences chicken growth temperature, humidity, illumination and other key environmental parameters, and the collected parameters value and set value, in order to determine whether the environmental condition of hen house make an adjustment, so as to realize the automatic control of t

6、he hen house internal environment parameters. After hardware and software debugging, the basic requirements of the design are finally realized. The design of low-cost, easy to use, simple operation, high reliability, has a very good application value.Keywords: STC89C5RC; chicken; monitoring; tempera

7、ture and humidity sensor; light intensity sensor目 录引言11.1 研究背景和意义11.2国内外鸡舎环境监控研究现状12 各种因素对鸡舍的影响22.1温湿度对蛋鸡生产的影响22.2 照强度对蛋鸡生产的影响32.3 通风对蛋鸡生产的影响33 系统的硬件电路设计43.1控制电路设计43.1.1 单片机型号选择43.1.2 TC89C52RC引脚分配图53.2 温湿度检测电路设计53.2.1 DHT11温湿度传感器芯片概述53.2.2 DHT11温湿度传感器与单片机连接电路设计63.3光强检测电路设计63.3.1 BH1750光强传感器芯片概述63.3

8、.2 BH1750光强传感器与单片机连接电路设计73.4 键度输入电路设计73.5液晶显示电路设计83.5.1 LCD1602液晶显示屏概述83.5.2 LCD1602液晶显示电路图83.6 电动风机控制电路设计93.7 LED照明控制电路设计93.8 电源电路设计104 硬件搭建与系统调试104.1硬件搭建114.2 系统调试114.3 调试结果12结论12参考文献：12引言1.1 研究背景和意义 鸡蛋是人们日常生活需要的蛋白来源之一，也是最便宜的畜禽蛋白质来源，一般来讲，和猪肉相比较，同样价格的鸡肉给人体提供所需的蛋白质，要远远的多于猪肉，性价比显而易化，也正是由于鸡蛋便宜、富含高蛋白，是

9、广大中低收入的家庭的最佳选择，才使得养鸡产业在近十几年中蓬勃发展。因此蛋鸡产业对我国的国民经济意义及人民生活水平有着重大的影响。大量的生产实践、科学实验及科学研究已经得出，蛋鸡的生长过程、健康状况、繁殖能力和饲料的利用率都会受到鸡舍内部各种环境因素的影响。鸡舍内部环境质量的好坏己然成为影响蛋鸡养殖产业发展化大的重要因素。通常，我们把影响蛋鸡生长生产的环境因素分成四个部分，即物理因素、化学因素、生物因素和人为因素，物理因素主要有鸡舍内部的温度、湿度、光照强度、空气中粉尘含量、鸡舍的建筑结构、通风量及风速和噪声等；化学因素主要是指空气中的二氧化碳含量、有害气体（氨气，硫化氨）的含量等；生物因素主要

10、包括有病毒、细菌和寄生虫的种类及含量等；人为因素则是指饲养员对鸡的饲养和管理方面。实时检测影响鸡舍环境质量各因素并及时对其进行调控是提高蛋鸡产蛋量、降低传染病发生率、提离养鸡业生产率的有效途径之一。鸡舍环境控制具有很强的整体性、系统性和完整性，它要检测的环境因子包括温湿度、光照强度、有害气体（主要是氨气）含量、粉尘含量等，其中鸡舍内部的温度、湿度和光照强度这三个因素对于蛋鸡的生长生产影响最大。把这三个因素控制在合适的范围内将会得到最高的产蛋率。基于此，本课题拟设计一款面向小规模鸡舍，能够监控鸡舍中三个比较重要的环境因素，即温度、湿度和光照，基于单片机的鸡舍环境监控的终端硬件系统。设计一款具有实

11、时监测与控制功能的禽舍环境监控装置，可实现优化禽舍内环境，使之满足霞鸡在生长生产过程中对环境的需求，对于鸡只的健康生长、降低鸡只的发病率和死亡率、提商产蛋能力有着重要的现实意义。除此么外由于提高了鸡只生产管理过程中的自动化程度，进而减少了现场饲养人员的劳动强度，方便了管理。不仅符合当前节约能源、减少污染物排放和动物福利保护的要求，还具有广闻的经济效益。1.2国内外鸡舎环境监控研究现状国外在鸡舍环境控制及自动化方面研究始于上世纪60年代，随着大型养殖企业的不断发展壮大，对于自动增加鸡舍内光照强度、有效控制通风量、科学词养的自动化设备需求不断上升，直接促使了企业研究学者投身到该产业的研究上，美国人

12、Throne-DH在上世纪80年代末与他人合作研发了一款自动化饲喂系统装置，能够给蛋鸡提供精准的高湿度的饲料，大大的提高了蛋鸡饲养自动化水平，降低了劳动成本。另外美国人Timmons MB等也在同一时期开发了一套针对家禽养殖的智能管理控制系统，该系统预先建立了鸡只的生物学模型，并将其整合到鸡舍内部对应的环境控制模型中，它能够通过对鸡舍内部所需温度的进行控制、计算出通风时长和加热成本，进而确定所需燃料和电量的大概消耗值、鸡只进食饲料的估值和室外最佳温度范围等影响因子的初略值，此来获得经济利润的最大化。国内很多学者对鸡舍内部环境控制方面进行了大量的硏究，在1995年，滕光辉等通过观察研巧鸡群在不同

13、的生长时期对周围环境的需求，得出了拟合曲线，针对鸡含环境的密闭空间设计了一套自动控制管理系统，该系统能够根据鸡只的不同年龄对舍内温度和光照强度的时间进行控制。1996年李友萍等研究了汁算机在挂面烘房里面温室度控制中的应用。到了2003年，陆昌华等硏究巧发了一套远程生产管理系统，主要使用在大型模的蛋鸡养殖企业，可从对鸡舍内部环境中的温度、湿度进巧监测，可以实时地360度拍摄舍内空间，并能自动控制逛风和照巧设备，2006年由化京德育源键康养殖生态园化资，联合中国农业大学共同研制开发了一套适用于蛋鸡养殖的基于互联网的智能管理系统，能够进行远程视频监控，并自动控制等功能。张天桂运用有限差分算法，基本思

14、想是假设鸡舍内部的空气流速与温度处于稳定不变的状态，不存在任何耦合，研究层叠式的养鸡厂内部空间各点溫度的分布情况，并在不同的通风量下采集温度点，然后在坐标轴上标记这些有限个离散点，将离散点构成网格，用微分法建立方程式，从而得出通风量与温度的影响关系。还有王秉华等将计算机技术应用到鸡舍内部环境的检测与控制。2 各种因素对鸡舍的影响2.1温湿度对蛋鸡生产的影响温度是影响蛋鸡产蛋量的首要因素，根据研究表明，当温度处于1024时是最适宜的，此时产蛋率最大，超过30时，产蛋率将会明显下降：当温度超过35时，将导致有些蛋鸡出现中暑现象甚至死亡。同时，离湿将増大软壳蛋和破壳蛋的百分比，导致蛋的品质降低。实验

15、数据说明，由于高温导致了蛋鸡的采食量减少，每当鸡舍内部环境温度上升1，蛋鸡的食物摄取量就会下降4.6%。因为饲料的转化率在下降，导致蛋鸡体内的可用能量、蛋白质含量、微量元素及一些矿物质含量不够，所从产蛋率才会下降，蛋壳的质量随么下降，蛋的重量也会减轻。一般来讲湿度都是和温度相结合对蛋鸡的产生影响。研究数据表明，鸡舍内部相对湿度保持在4075%之间，蛋鸡的产蛋率最高。湿度高于75%或者低于40%，会不利于鸡只的生长发育，产蛋量也会降低。具体而言，当鸡舍内部湿度低于40%，空气就会变得干燥，鸡只的羽毛变得杂乱，皮肤缺乏水分，饮水量骤然增加，舍内尘主在空中久久不能散去，极易给鸡群造成呼吸系统严重的损

16、害。当鸡舍内部湿度高于75%，鸡只的羽毛就会脱脏不堪，同时还很容易沾上鸡粪。2.2 照强度对蛋鸡生产的影响光照强度和温湿度一样，对蛋鸡的正常生长代谢有重要影响。一般来说，光照强度相对低一点，对鸡群是比较有利的，此时的鸡只相对来说较安静，饲料的实际利用效率较高、产蛋量较多。如果光强过弱的话，蛋鸡的进食和饮水都会严重受到影响，产蛋量必然会降低。相反光照强度如果过强的话，则会引起蛋鸡的互啄争斗，甚至导致有竖蛋鸡因失血过多而死，此外，蛋鸡对光照时长的需求在其生长时期的不同阶段不断地变化。在雏鸡开始培育的前三到四天，每天对光照时间的需求是最多的，一般在2024小时之间，强度最好在20勒克司左右，这样可以

17、让雏雏鸡尽早的饮水和进食；然后到第14天左右这段时间里，每天的光照时间最好在1619个小时，待到15天以后，逐步地减少到每天9个小时左右的光照时间。而在7周后，还要不断地增加的日光照时长直到16个小时，这样鸡群产蛋才会正常。此时保持光照强度在6到10勒克司左右，鸡产蛋将达到最高水平。2.3 通风对蛋鸡生产的影响 给鸡舍通风的目的首先是确保鸡舍内部的温度和湿度维持在一个适宜鸡只生长产蛋的水平，其次还能够将舍内有害气体（主要指氨气和硫化氨）的含量限制在正常范围内。风的流速对蛋鸡产生的影响，其本质是气流的变化引起的鸡只体内对于散热需求的变化。当周围环境的温度相对于鸡只体温偏低的时候，增加空气的流速将

18、有利于蛋鸡的散热。当周围环境的温度相对于鸡只体温偏高的时候，增大空气的流速反而会增加鸡只的散热负担。 一般来说，在夏季鸡舍中的空气流速维持在12m/s，视为最佳，此时可换很好地降低鸡只的热应激反应。研究数据表明，当鸡舍内部环境温度维持在2635，相对湿度在40%左右时，如果将空气流速提高到8m/s，会明显增加蛋壳的强度，同时蛋的重量也会有一定增加。3 系统的硬件电路设计本系统的硬件电路主要包括单片机最小系统电路（含复位、晶振、滤波、电源等部分电路）、温湿度采集电路、光强采集电路、风扇控制电路、LED灯照明电路、按键电路、液晶显示电路等。在硬件电路设计中，首先要从养鸡场的实际饲养环境出发，设计一

19、个简单实用、高效节能的控制电路，尽量使操作更加简单，故障出错率降到最低。如1图所示。 图1 系统硬件电路原理图3.1控制电路设计3.1.1 单片机型号选择 考虑到实际使用中对内存要求不高、价格要求便宜、支持在线下载程序并且编程要求简单等，主控芯片采用的是宏晶科技自主研发的STC89C52RC型号单片机。在设计时主要考虑如下优点：（1）属于增强型的80C51系列单片机，指令能够向上兼容。（2）额定工作电压是3到5V，功耗相对较低，通用性强。（3）程序存储空间有8K字节，完全够用。（4）本设计选择的是每个机器周期含有12个时钟的型号，在实际使用中频率最高可达到48 MHz，哪好满足温湿度传感器和光

20、照强度传感器信号检测的刷新频率。（5）不需要专口的编程器，可以快速地将程序烧录到单片机存储器中（6）具备异步串行通信接口（即UART接口），同时抗干扰能力较强。（7）掉电模式下可由外部中断唤醒，方便于电池供电及便携设备。（8）能够适应严酷的温度环境，最低温度零下40，最高温度85都可正常使用。引脚如图2所示:图2 STC89C52RC引脚图3.1.2 TC89C52RC引脚分配图 单片机的引脚与各个部分电路的连接分布如图3所示：图3 TC89C52RC引脚分配图图中未标出的还有单片机的晶振电路、复位电路和报警电路，单片机的18、19号引脚连接晶振电路，9号引脚连接夏位电路，10、11号引脚连接

21、报警电路。3.2 温湿度检测电路设计3.2.1 DHT11温湿度传感器芯片概述温湿度传感器的发展在近二十年非常迅猛，己经跨过了模拟化时代向数字化的时代发展，目前数字型的温度传感器和湿度传感器在各个领域广泛使用。本设计中采用 DHT11型号的数字温湿度传感器，是一款性价比很高的产品，最大特点是响应时间非常短，功耗较低。DHT11里面集成了温度传感器和湿度传感器，能够同时采集温度和湿度两组信号，并能够将采集信号直接转化为数字量，此外还添加了校准设计，增加了数据的可靠度，同时能更方便的与单片机的进行通信W。它的工作原理，主要是靠其内部的NTC温元件和电阻式感湿元件来实现由于 DHT11是单线串行接口

22、，可与单片机任何I/O口连接，使得电路可更加简单。常用电路图如4所示：图4 DHT11的常用电路图 在使用时，常常在单片机与传感器么间加一个5K的电阻，将其他未知信号拉高，还能避免元器件因输入电流过大而烧坏。DHT11的1号引脚接35.5V的直流电源，2号引脚是单线串行接口，传输数据，3号引脚处于悬空状态，4号引脚接地。3.2.2 DHT11温湿度传感器与单片机连接电路设计温湿度检测电路如图5如下：图5 DHT11与单片机连接电路设计图其中DHT11的2号引脚接到单片机的第10号引脚，即DATA引脚与单片机的I/O接口相连，用于传输数据。1号引脚接电源来供电，4号引脚接地，3号引脚恳空。3.3

23、光强检测电路设计3.3.1 BH1750光强传感器芯片概述本设计选用的是光强传感器是日本ROHM株式会社设计生产1750型光强传感器，与传统测光元件相比较，具有如下优点:一是内置一套模数转换装置，降低了电路的复杂程度；二是支持I2C总线接口；三是抗干扰性能强。BH1750的内部电路原理如图6所示。当外部光线照射进来，二极管PD首先探测到，将电流经过AMP集成运放转换成电压，再经过AC/DC转换成为16位的数字信号，将数据送到LOGIC-I2C interface模块，经处理存储后，就能读取光照数据。图6 BH1750内部电路原理图3.3.2 BH1750光强传感器与单片机连接电路设计 BH17

24、50与单片机连接电路如图7所示：图7 BH1750与单片机连接电路其中BH1750的5号引脚接电源，4号和3号引脚分别接单片机的35号和36号引脚，号引脚接地。3.4 键度输入电路设计系统设置有5个按键，分别连接单片机的11号到15号引脚，其中KEY3用于切换手动模式和自动模式。按下KEY3键，当液晶屏幕盘示Manual Mode时，即手动模式下，按下KEY5键，LED灯自动开启；按下KEY4键，风扇开启：按下KEY1键，可以对温度、湿度、光照的报警值修改，此时KEY2是增加变量，KEY3是减少变量。当液晶屏幕显示Smart Mode时，即自动模式下，系统会根据检测到的参数是否超过报警线，自动

25、的进行调节补光或开启风扇，与此同时KEY4和KEY5是不起作用的。键盘输入电路如图8所示:图8 键盘输入电路图3.5液晶显示电路设计3.5.1 LCD1602液晶显示屏概述人机交互模块主要是指液晶屏显示模块和按键输入模块心，本设计中液晶显示采用的是日常生活中很常见的LCD1602字符型液晶屏，它的性能优点不必多说，用途十分广泛，能够显示16*02个字符数。3.5.2 LCD1602液晶显示电路图 LCD1602的4、5、6号引脚分别接在单片机的25、26、27号引脚，7到14号引脚分别接在单片机的0到7号引脚。LCD1602虽示屏与单片机的电路连接如图9所示：图9 LCD1602液晶显示电路图

26、3.6 电动风机控制电路设计在本系统的设计中，需要设计一个电路来驱动大功率的交流电动机的转动，所采用继电器驱动电路。继电器在电路控制中应用十分广泛，它可从小电流控制大功率器件的开关。在温湿度控制电路中，用单片机的P37和P38口分别来控制一个继电器模块，实现横向通风和纵向通风，维电器的型号选择JQC-3F型。当鸡舍内的温度过高时时，单片机就会自动给P37口一个高电平，接通驱动模块，打开继电器的开关，后动横向通风的电动风机；当鸡舍内湿度过大时，单片机就会自动给P38口一个高电平，打开对应继电器的开关，启动纵向通风的电动风机，二者协调从而对室内的温湿度进行调节。P37口控制的电动风机驱动电路如图1

27、0所示，其中Q2是继电器的开关，D5是一个保护二极管，用来释放多于的电压，P38口类似。图10 电动风机驱动电路图3.7 LED照明控制电路设计 本文采用的补光调节方法是通过继电器控制鸡舍内所安装的LED灯组。当检测到环境光强达到或超过所需光照量时，鸡舍内部的灯分组关闭，不会浪费能源；若因天气原因，外部光照强度达不到所需要求时，根据光照强度对应的差值，打开几排LED）灯组。晚上则保持灯组处于常亮的状态。舍内的蛋鸡照射的光照在16小时内，光照的时间控制为早四点到晚八点，晚八点后所有光照设备为断开状态。 照明中所使用的继电器模块巧有四个，分别与单片机的P20、P21、P22和P23引脚相连，由这几

28、个端口提供开关信号，实现灯光控制的渐明渐暗。当BH1750传感器将采集量传送到单片机后，单片机进行数值判断，根据相应的设定值开启和关闭对应相连的继电器。根据蛋鸡在一天当中不同的时间段所需要的最适宜的光照值作为调节参数，设计了以继电器控制为核也的光照系统结构。研巧表明鸡舍内蛋鸡产蛋的最适宜光照量在10勒克斯左右。设计如下：（1） 当采光量达到10勒克斯或者超过这个采光量时，四组继电器全部断开，使LED灯全部熄灭；（2） 当采光量大于5勒克斯小于10勘克斯时，控制继电器只开一组LED灯，其它三组为断开状态；（3） 当采集到的光照量小于5勒克斯大于3勒克斯时，开两组LED灯；（4） 当小于3勒克斯时

29、，四组继电器全部打开，保持LED灯的常亮状态。单片机P20引脚控制的继电器驱动电路图如图11所示，其他三组类似。图11 LED驱动电路图3.8 电源电路设计 本系统设计中包含的用电设备主要有；STC89C52RC单片机、液晶LCD1602、温湿度传感器DTH11、光强传感器BH1750、电机驱动芯片1293d和LED驱动总片PT4115等器件，综合考虑，采用5V直流电来给系统供电，日常生活用电大多是采用220V/50Hz的交流电，所以要将交流转变为直流。本设计选择简单方便的直流电源适配器进行供电，其接日为中空圆柱体。由220V/50Hz的交流电压产生5V电压的恒压模块电路图12如下：图12 直

30、流电源输入电路4 硬件搭建与系统调试系统的硬件搭建和软件程序编写完成后，就进入到调试的环节，这关系到整个系统的功能能否实现。下面主要介绍硬件电路调试和软件程序调试两个部分。4.1硬件搭建系统硬件原理图巧用ALTIUM Design设计，原理图绘制成功后，自动生成PCB图，并对图进行布局，如图13所示，然后根据图制作电路板，硬件搭建好后进行调试，硬件调试主要是检测焊接是否正常和电路是否短路。操作步骤如下：图13 系统PCB图 第一，液晶屏显示电路调试：接通电源后，观察液晶屏是否正确的显示数值；第二，键盘控制电路调试：第三，接通电源后，按下KEY3切换到Manual Mode，即手动模式下，此时再

31、按下KEY5键，观察LED灯是否开启；再按下KEY4键，观察风扇是否开启；再按下KEY1键，观察屏幕是否切换到温度、湿度和光照强度修改界面；在第3步的修改界面下，按下KEY2和KEY3观察变量是否增加或减少。4.2 系统调试系统调试主要是将软件程序与鸡舍环境智能控制器的实物相结合进行调试，这是最为关键的步骤。通过调试判断是否实现了所需功能。 通过调试可以看出，传感器能够实现采集数据的功能，并且数据比较准确，屛幕上能够显示当前温度、湿度和光照强度的值，当有按键输入时，则可以写入数据并显示。其中温度误差不超过0.15；湿度误差不超过10RH。在控制方面，能够实现手动调节和自动调节，当硬件系统处于自动控制模式，能够将采集到的环境变量与预设值对比，自动开启通风或者照明装置，调节温湿度和光照强度。当切换到手动模式，则可以设置温湿度和光照强度的报警值。4.3 调试结果经过努力，系统各个部分基本能够实现所需功能。第一，在检测方面，能够对禽舍环境中温度、湿度和光照等因素进行实时采集，显示并存储监控数据。其中温度误差不超过0.15，测量范围达到050：湿度误差不超过10RH，测量范围达到2090%，光强测量范围1655351x，控制风扇和LED灯的开启。基本达到预定的效果。第二，在控制方面，可式在手