基于单片机的畜禽舍环境监控系统的研究

摘 要：温湿度以及氨气是影响禽畜舍生产水平和健康状况的重要因素。本系统以AT89S51单片机为控制单元，利用AM2301温湿度传感器和MQ137氨气传感器来监测禽畜舍的温度、湿度、氨气等环境要素，并将显示信息通过无线模块HC-11传输到DMT64480T056_01WT触摸屏上，并根据实际需要进行自动控制或手动控制固态继电器ZG3NC-310B 从而实现数据采集、处理、显示、存储及控制等功能，最终实现对禽畜舍的实时监控。测试结果表明，该系统能够实时准确地采集数据值，较好的满足禽畜舍监控的要求，系统运行情况良好，易于操作，且可扩展性强。

关键词：单片机；触摸屏；环境控制

中图分类号：TU264 7 文献标识码：A

0引言

当今的中国经济快速发展，特别是与人民百姓生活息息相关的一些产业发展非常迅速，特别是对肉类等食品安全和质量提出了更高的要求，这也就要求禽畜舍的环境等禽畜生长的关键因素要能够被实时检测且能够认为控制，以达到禽畜舍的最佳生长状态，相比于之前的禽畜舍环境控制系统本文的创新在降低成本的同时利用了触摸屏控制，这样不仅拥有友好的人机界面，而且可以实时地直观的检测禽畜舍环境的变化，本系统在设计之初还考虑到了现场数据传输问题，由于禽畜舍环境较为恶劣，不利于有线传输，所以本文采用了无线传输来解决这一问题[1]。

1禽畜舍监控系统总体方案

基于单片机的畜禽舍环境监控系统[2-4]的研究结构如图1所示，系统硬件主要由触摸屏、单片机、温湿度传感器、氨气传感器、加热装置和风机等组成。

本文以ATMEL公司的AT89S51单片机作为整个系统的控制核心，用来接收传感器的信号输入，通过算法计算将数据传输到触摸屏上，本文所采用的触摸屏是北京迪文公司的DMT64480T056_01WT的普通串口屏，触摸屏与单片机之间的通讯通过无线模块实现，这样可以实现检测与控制的分离进行，特别是在环境恶劣的情况下，解决了有线通讯的局限性。本文主要检测控制了3个环境要素，分别是温度、湿度和氨气。在传感器的选择上，分析了精度要求之后，最终本文选用了AM2301作为温度和湿度的传感器，MQ137作为氨气的传感器，单片机在接收到传感器传回的数据后要对数据进行处理，根据预定的值比较，再将比较的结果传输到触摸屏，由触摸屏控制执行机构进行相应的控制。因为多数执行机构需要工作在220V的交流电压下，需要外接电源，51单片机无法进行直接驱动，所以本文在执行机构和单片机之间加装了固态继电器，利用单片机控制固态继电器ZG3NC-310B来控制执行机构。

2禽畜舍监控系统硬件结构

2.1 AT89S51单片机

单片机是整个系统的控制中枢[5]，它指挥器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。单片机最小系统电路原理图如图2所示。本系统主要硬件设计包括电源电路、晶振电路、复位电路、显示电路以及温湿度氨气传感器电路。控制电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89S51单片机，属于MCS-51系列。AT89S51是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强。因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。

2.2 温湿度以及氨气传感器

AM2301是一款数字传感器，可以与单片机直接相连，不需要外接AD转换器，这样就简化了编程难度，同时AM2301温湿度的传感器在0～50℃区间湿度误差是±3%，温度误差为±0.5℃，本文的禽畜舍环境检测控制系统所应用的环境需求精度湿度误差在±5%以内，温度误差在±1℃以内，所以本文所采用的AM2301温湿度传感器满足环境需求精度。同时AM2301具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等特点。

本文选用MQ137作为氨气传感器，MQ137是目前一款十分常用的氨气传感器，该传感器主要是用在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）作为该传感器的气敏材料。MQ137处于存在氨气的环境中时，传感器的电导率将随着环境中的氨气浓度的增大而增加。在实际的运用过程中，可以外接简单的电路，将电导率的变化转化为与氨气浓度相对应的输出信号。MQ137氨气传感器对氨气的浓度有很高的灵敏度，在多种含有氨气体的环境中，可以用MQ137来检测，所以MQ137是一款适合多种氨气体环境下的检测，并且应用成本低。其主要特点有：1.对氨气的灵敏度高。2.传感器在正常使用的情况下具有高寿命、以成本的优点。3.MQ137的驱动电路非常简单。目前MQ137氨气传感器主要应用与家庭、工业等环境的氨气报警以及作为便携式氨气检测仪的检测元件。

2.3 显示控件触摸屏

本文为了更加直观的、方便的检测和控制禽畜舍的环境，选用了触摸屏作为整个禽畜舍环境的显示部分和发送控制指令部分，本文选用的触摸屏是普通的串口屏，所以在人机通讯中需要按照一定的指令进行，在触摸屏与单片机通讯时，单片机传输的电平是TTL电平，而本文所选的触摸屏发送和接收的是232电平，所以在单片机与触摸屏之间通讯时需要外接电平转换电路，本文所采取的做法是在单片机最小系统板上增加MAX232转换电路，将TTL电平信号转换成232电平信号，这样可以与触摸屏顺利通讯，同时本文使用无线模块取代传统的有线连接，经过实验测试选定波特率为9600，由于使用的是普通的串口触摸屏，所以在人机界面的设计上，是先将做好的界面图片的分辨率转换成能够被跟触摸屏所匹配的格式，即16位色640*480的图片，然后再利用触摸屏的开发软件，生成触控文件。

3禽畜舍监控系统总体控制

下面以温度控制为例，来说明整个禽畜舍环境检测控制系统的控制流程。本文按照吉林农业大学动物科学实验室鸡舍为基础，制作了1∶4的模拟箱，选择220V、40W的电热吹风机作为升温的执行结构，选择排风扇作为降温的执行机构。本文有自动控制和手动控制两种模式，在自动模式下预先设定一个温度值作为标准，当温度大于或小于该温度时，系统会自动的启动降温执行机构或升温执行机构，并将数据实时的传输到触摸屏上，并显示数据。在动模式下，若想认为的控制温度的升或者降只需点击触摸屏上相应的触控区域，若想系统升温的时候，则点击升温触控区，此时触摸屏会向单片机发送一串指令为“AA 76 01 CC 33 C3 3C”在这一串指令中，AA 76为指令的帧头部分，01为用户内容，即自己设定的部分，CC 33 C3 3C为帧尾部分，表明指令发送完毕。

4结论

本设计的监控系统以低功耗的单片机系统为采集模块，更可在触摸屏上完成被控参数的实时显示及PID控制，还可将采集的环境各项数据保存到数据库中，以备系统运行中随时查阅和分析。由系统测试结果表明，系统在实现禽畜舍内可靠监测的同时，可通过控制加热装置和风机的工作，来调节禽畜舍环境，减轻了劳动强度，并达到安全饲养的目的。

参考文献

[1] Kegl B， Krzyzak A. Piecewise Linear Skeletonization Using Principal Curves [J]. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2002， 24（1）：59-74.

[2]王魁汉.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社，2007，13-35.

[3]汪英.基于微机测控网络的温湿度及火盗警自动监控系统[D].长沙：湖南大学，2007：10-23.

[4]陈慧明，杨灿军，陈鹰.一种简易的高精度测温系统研制[J].电子测量与仪器报，2004，18（4）：29-32.

[5]郑争兵，基于单片机与AD590的温度测量报警系统[J].国外电子测量技术，2009，27（1）：27-28.

作者简介：邹丽娜，女，在读硕士，研究方向：智能化检测与控制技术；朱凤武，男，吉林公主岭人，副教授，硕士研究生导师。研究方向：智能化检测与控制技术。