基于ATmega8的猪舍氨气自动排气装置的设计

程凯　刘光发　逄淑松　邱双庆

摘要：针对猪舍中氨气积累和排放等问题，提出了一种新型的智能化解决方案。根据组网传感器检测的猪舍内氨气浓度，自动开启和关闭排气风扇，使猪舍内氨气浓度维持在一定水平内，为猪的生长提供一个优良环境。

关键词：氨气检测；ATmega8；RS485

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：2095-2163（2014）02-

The Design of Ammonia Automatic Exhaust Device in the Piggery

based on ATmega8

CHENG Kai ， LIU Guangfa ， PANG Shusong ， DENG Jian

（Ocean University of China， College of Information Science and Engineering，

Qingdao Shandong 266100，China）

Abstract：Aiming at solving the problem of ammonia accumulation and emission in the piggery， the present paper introduces a new type of intelligent solution. According to the ammonia concentrations detected by sensor network， this new solution can automatically open and close the exhaust fans， control the ammonia concentration in the piggery at a certain level， thus provide a good environment for the growth of pigs.

Keywords： Ammonia Detection； ATmega8； RS485

引言

氨气是公认的应激源，是动物圈舍内最有害的气体之一。氨溶解到呼吸道粘膜的粘液中会使粘液的pH值向碱性转化，导致纤毛丧失活动功能，增加由空气传播疾病的易感性[1]。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，危害禽畜的健康，降低生产能力。

定期打开风扇和加大换气孔，使圈舍内保持一定的气流速度，加速圈舍内静止状态空气的流动，通过这种手段可保持圈舍内空气环境状况优良且均匀一致[2]。本文的猪舍氨气自动排气装置就是为了满足上述需求而设计的。

1 总体方案

猪舍氨气自动排气装置由ATmega8控制器、氨气传感器、总线接口、按键、数码管等组成，装置原理如图1所示。

本装置利用MQ137气敏传感器检测环境中氨气的含量，当该含量达到浓度设定值时，控制器将自动开启排气扇进行排风，加速空气流动，降低猪舍内氨气浓度。当舍内氨气浓度降至设定值时，关闭排气扇。同时，数码管现场实时显示氨气浓度，再通过RS485总线将数据传输至上位机，实现远程监测猪舍内氨气浓度，并对风扇进行开关控制。

图1 装置原理图

Fig.1 Schematic of device

2 硬件电路设计

2.1 氨气传感器

气敏传感器MQ137在对氨气的检测中具有高灵敏度、快速响应恢复、稳定性好、长寿命、驱动电路简单、大信号输出等特点[3]。当传感器所处环境中存在氨气时，传感器的电导率会随空气中氨气浓度的增加而增大[4]。

传感器与ATmega8的接口电路如图2所示，管脚2与管脚5之间为加热电阻，管脚1为模拟电压输出，而且随着浓度的变大而相应地变大，该电压通过ATmega8的ADC端口进行采集转换。

图2 系统电路图

Fig.2 The circuit of system

MQ137传感器加热功耗计算为：P = U I，在5V供电情况下，测得单个传感器工作电流约为160 mA，计算加热功率大约为800 mW。由于猪舍面积大，单点检测无法满足要求，因此需要将多个传感器均匀分布开来，进行圈舍大范围氨气浓度的实时监测。

2.2 电源

常规的LM7805属于串联线性稳压器，压差和电流越大，损耗就越大；同时，其输出电流较小，塑封稳压器的最大输出电流为1A，且需要采取完善的散热措施。基于上述原因，在本设计中选用LM2596开关型稳压器，效率80%以上，输出电流3A，本身发热功率损耗较小，并具有过热保护和限流保护功能。

LM2596内部包含150KHz振荡器、1.23V基准稳压电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。LM2596将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较，若电压有偏差，则通过放大器控制内部振荡器的输出占空比，使输出电压保持稳定。输入24V直流，经过LM2596后稳定输出5V直流供系统使用，应用电路如图3所示。

图3 LM2596开关稳压器应用电路

Fig.3 Application circuit of LM2596 switching regulator

2.3 系统组网

数字信号随着传输距离的增加和信号传送速率的提高，在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响都将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。普通TTL电路，由于输入电阻小，驱动能力及抗干扰性能较差，因而传输信号的距离短。

在控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS485通信接口组成的设备网络。RS485总线具有结构简单、价格低廉、通信距离及数据传输速率适当等特点，已广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域[5]。如图4所示，本设计以ATmega8单片机为核心的氨气传感器作为总线节点，通过RS485总线将各个氨气传感器节点连接起来，并通过RS232 / 485转接口与上位机连接，采用上位机轮询方式与各传感器节点通信，完成监测、控制等功能。

图4 组网结构图

Fig.4 Structure of network

3 软件设计

单片机软件采用C语言编制，其可以直接操作硬件的特点非常适合编写单片机程序。程序流程为：初始化后，检测按键，设置浓度，采集猪舍内氨气实际浓度值并与设置浓度值进行比较，高出设置浓度值，启动排气风扇；低于设定浓度值时，将风扇关闭。响应上位机指令后，通过RS485总线将数据传输至上位机，实现远程监测猪舍内氨气浓度并对风扇进行开关控制。

4 装置测试

氨气自动排气装置在某猪舍内进行了氨气检测，以检验氨气浓度测定值的准确性。其中，氨气浓度的真值由NJ8H-NH3型氨气测定仪测得。对比数据如表1所示，采用本文设计的氨气自动排气装置测得氨气浓度与真值的相对误差小于5%。

5 结束语

本文设计的猪舍氨气自动排气装置采用MQ137对氨气浓度进行检测，测量结果与真值的相对误差小于5%，准确性较高；上位机通过RS485总线与节点进行数据交互，具有较高的稳定性和可靠性。后续可进一步研究如何控制圈舍内温湿度，提高系统实用性及禽畜养殖的数字化程度。

参考文献：

[1] 张长友，李蕾，张善超.养殖业生产中氨气的危害[J].中国猪业，2010，（4）：59.

[2] 龙忠臣，解秋实，刘伟.禽舍内氨气的来源、危害及防控措施[J].黑龙江畜牧兽医，2010，（9）：68-69.

[3] 郭燕.基于STC单片机的氨气测控仪的研制[J].自动化技术与应用，2012，31（11）：88-95.

[4] 张飞云.基于ZigBee无线网络的智能猪舍控制系统的设计[J].广东农业科学，2013，（15）： 185-187.

[5] 朱志伟，周志光，鲍祖尚.RS-485总线通信系统的可靠性措施[J].单片机与嵌入式系统应用，2006，（3）：68-70.