基于STC90C58RD的鸡舍环境控制器的设计

刘引弟 吴永亮 杨宇 刘会强

摘要：鸡舍内的光照强度、温度和湿度对鸡的生长、发育和产蛋质量都有一定的影响。本设计针对中小型的鸡舍构造特点，以STC90C58RD+单片机为控制核心，使用BH1750光照传感器和AM2301温湿度传感器作为检测元件，通过继电器控制鸡舍灯光和温湿度。试验结果表明：本设计实现了对鸡舍环境的自动控制，可靠性高，工作稳定，可以满足鸡的光照和温湿度要求，具有一定的推广价值。

Abstract： Fuzzy control algorithm combined with Proteus simulation platform has been used in simulation study to sprinkler control system in the greenhouse. This system takes STC89C54 microcontroller as the control core， achieving many functions， such as setting parameters; measurement，display， storage， and alarm of temperature and humidity; controlling sprinkler irrigation device. The experiment results show that the system can measure the temperature at -40～+123.8℃ with the error of ±0.1℃， and the humidity at 0～100% with the error of ±0.2%. Additionally the system has good control effect.

关键词：鸡舍;灯光;温湿度;单片机;控制

Key words： house;light;temperature and humidity;MCU;control

中图分类号：TP273+.2                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）15-0169-03

0  引言

適宜的光照强度、温度和湿度对鸡的活动、生长发育和生产性能有非常重要的作用[1]。随着不同种鸡的不同阶段生长，所需要的光照强度和温湿度是不相同的，如表1所示[2]。

传统养鸡场的监控方法主要是利用人工对鸡舍进行光照和温湿度的检测[3]，然后根据测量结果判断鸡的健康状况，手动检测容易产生严重的测量误差，而且对鸡的正常生长发育也有影响[4]，为此，本文设计了一套鸡舍环境智能控制系统，该系统采用光照传感器BH1750和温湿度传感器AM2301，并以STC90C58RD+单片机为控制核心，对比分析设定数据和实际采集到的数据，合理调整继电器和LED灯，实现对鸡舍内光照强度和温湿度的自动控制。

1  总体设计

1.1 灯光布局设计

结合中小型养鸡场现状，选取鸡舍灯光源时宜选择白炽灯，装有反光罩，参考计算灯光瓦数的公式：W=（H2×L）/0.9 W，其中L为光照强度lx;H为灯泡离地面高度，计算所用灯泡的瓦数。由于客观因素的影响流明会一定程度上受损，比如灯泡质量问题、设备吸收问题等，因此通常在有灯罩、灯高度为2.0～2.4m时，每平方米面积上需2.7W灯泡可提供10.76lx;若所需光照强度为5～10lx，则每平方米面积需1.5～2.5W灯泡;若所需光照强度在20～30lx，那么每平方米面积需5～7.5W灯泡。

据此，安排42个75W的灯泡平均布置在鸡舍，同时为了满足系统要求，应采取分组控制灯的方法，如此才能实现灯光的渐明渐暗效果。

1.2 系统的组成

本文所设计的系统主要单片机控制系统、数据监测模块和驱动控制模块三个部分组成。其中单片机控制系统的作用是显示、处理和控制数据;数据监测模块的作用是实时采集鸡舍内各项参数，比如湿度、温度、光照强度等;驱动控制模块主要负责LED灯及通风装置工作，如图1所示。

1.3 系统工作原理

系统被启动后，首先进入设置状态，用户依据无异常状态时鸡舍内所需的湿度、温度及光照度设置相应的控制参数。当系统由原始状态进入到运行状态后，首先应分析鸡的育龄和种类，之后利用传感器获悉鸡舍的各项实际情况及相关参数，并将收集到的数据传输给单片机，最后由单片机负责分析其接收到的各项数据是否符合标准，若发现异常情况应及时采取应对措施，比如温湿度过低会报警;温湿度过高，应合理控制通风机;光照不符合标准应及时调整灯光。第一屏显示用户设定的鸡种类和育龄、光照度上下限阈值、实时光照强度、光照时长及系统时间，第二屏显示鸡舍内温度上下限阈值、湿度上下限阈值、实时温度和湿度、通风机工作状态以及报警系统工作状态。

2  硬件设计

系统硬件部分的组成部分包括主控器件、实时时钟模块、液晶显示模块、数据检测模块、按键电路及输出控制等。

①主控器件采用STC公司生产的90C58RD+系列单片机，它是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，工作电压为5.5～3.8V[5]。

②数据检测模块由BH1750光照传感器和AM2301温湿度数字传感器组成。BH1750具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，是一种数字型光强度传感器集成电路，适用于两线式串行总线接口，可测量的光照度范围为1～65535lx，精度為0.96～1.44times[6];AM2301是集温度传感器和湿度传感器于一体的数字式温湿度传感器[7]，节省了单片机的引脚以及省去了模拟传感器模数转换的过程，可测量湿度范围为0～100%，精度为±3%，温度范围为-40～100℃，精度为±0.3℃[3]。

③显示模块采用LCD1604显示器，它可以显示4行，16字符/行。

④采用DS1302为其实时时钟模块，其具有闰年补偿功能，能够计时年、月、日、时、分、秒，具有低功耗、高性能特点。时钟电路的作用是确保控制系统与该时钟信号同步按时序工作。

⑤按键电路由五个独立式按键组成，分别是减一、加一、设置/运行、右切换及左切换。

⑥输出控制模块由四组光电耦合器、继电器和电动机组成。

3  软件设计

在完成硬件电路设计基础上，科学开展软件设计工作，采用模块化设计方法，选用单片机C语言编写程序，主要程序包括主程序、灯光控制、参数设置等，具体分析如下：

3.1 系统主程序

启动系统后，首要步骤是硬件初始化，包括实时时钟、温湿度传感器、光照传感器等，接下来按键扫描处理，利用传感器对鸡舍内光照度、温湿度进行实时测量，并由单片机进行处理，如此可实现通风和灯光的自动化控制，实现节约目的，如图2所示。

3.2 灯光控制程序

BH1750光照传感器负责收集各项参数，并对参数数据传输给单片机，单片机负责分析各项参数是否达标，之后主控系统分析鸡的光照时间是否符合标准，若已经超过标准设定时间，可关闭所有灯光，若发现为达到设计标准，应分析在当前数据情况下是否能够满足鸡种所需光照强度，若无法满足应适当增加灯的数量，使其最终能够实现目的，如图3所示。

3.3 通风控制程序

数字式AM2301传感器负责收集各项参数，并将参数数据传输给单片机，单片机负责分析各项参数是否达标，之后依据分析结果合理调整和控制通风机，使其温湿度能够符合标准[9]。在控制温度在合理范围的基础上，分析判断湿度，若湿度低于所需湿度的下限值，蜂鸣器报警。反之，高于上限值72%时，通风机工作，如图4所示。

4  仿真与调试

Proteus ISIS软件能够搭建各类复杂电路，同时还能够以加载软件程序代码的方式实现硬件仿真[10]，大大节约了产品开发周期和成本[5]。本设计在Proteus7.5软件中绘制好系统的仿真图后，然后，在Keil μVision3软件中编写的C语言程序，把编译好的目标代码*.hex文件导入到STC90C58RD+单片机中，进行仿真与调试，最后得到实验的相关数据。经仿真结果表明：在Proteus环境下，系统可靠性高，控制灵活方便，可以满足实际应用的需求。

利用Altium Desinger9软件绘制系统硬件PCB图，并制作出的电路板如图5所示。从图5（b）可以看出，BH1750和AM2301传感器能够实现数据的精准采集，按键和显示系统工作正常;当光照时长不达标时，若关照强度小于设定值，可控制灯光的继电器实现目的;当温度低偏低时，蜂鸣器报警，当温湿度过高时，控制通风机的继电器能工作，系统实现了预期的功能。

5  结语

本文设计了一种以STC90C58RD+单片机为数据处理核心，结合BH1750光照传感器和AM2301温湿度传感器，实现了对鸡舍光照强度和温湿度的实时测量，并将测量数据与设定数值进行比较， 从而通过继电器对灯光和通风机进行精准的控制，省去了人工检测与人工控制带来的不便及困扰[10]。实验结果表明：基于单片机的鸡舍环境控制器的设计，可靠性高，工作稳定，可以满足不同种类鸡对光照强度和温湿度需求，具有很好的自动控制效果。

参考文献：

[1]Feng Chao. Meat henhouse environment control [J]. Journal of animal husbandry and veterinary， zhejiang province， 2012（02）：30-31.

[2]Tian Zezheng. Sheds new light automatic controller [J]. Journal of henan professional technician institute， 1996（2）.

[3]黄智伟.数字温度传感器的设计[J].传感器技术，2002，21（9）：31-33.

[4]Ma Zhongmei. MCU C language application design [M]. Beijing： Beijing university of aeronautics and astronautics press， 2003.

[5]严天峰.AD7416数字温度传感器及其应用[J].电子世界，2001（6）：34-35.

[6]Lee Xiao dull. Half open henhouse caged layers of light goods management [J]. Journal of Chinese poultry， 2009（18）.

[7]李广弟.单片机基础[M].北京：北苁航空航天大学出版社，2001.

[8]王传江，孙秀娟.用I2C总线实现AD74！6的多点温控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2002（06）.

[9]Jacky chang. The hen house temperature and humidity remote monitoring system based on embedded Web server [D]. The design and implementation of huazhong agricultural university， 2009（18）.

[10]Jacky chang. The hen house temperature and humidity remote monitoring system based on embedded Web server [D]. The design and implementation of huazhong agricultural university in 2009.