禽舍环境

禽舍环境（精选3篇）

禽舍环境 篇1

0 引言

禽舍内环境温度在30℃以下,空气中的相对湿度对家禽体温无明显的影响;但当环境温度超过30℃时,若空气的相对湿度升高,机体热散发减少,体感温度提高,体温也稍为上升。因此,炎热天气条件下一定要控制好湿度,以缓解热感。禽舍内相对湿度为:雏禽70%左右,成禽55%～60%。目前,塑膜暖棚饲养畜禽技术是先进、成熟、适用的技术,其核心是用相对较少的投入、按照科学方法兴建塑膜暖棚,将温度、光照、湿度和有害气体等因素控制在适当的范围内,为畜禽的生长、发育和繁殖创造一个适宜的环境条件,为其他各项技术的应用和使畜禽发挥出较高的生产性能奠定基础。但该技术最难控制的是室内的湿度,水汽主要来源于畜禽呼吸过程、粪尿蒸发和饮水方式及料型不当而产生的水汽。由此可见,环境湿度的监测相当重要。为此,笔者设计了禽舍环境湿度无线监测装置,它可通过多个从机监测点对禽舍内环境湿度进行监测,然后通过无线设备将数据传到手持终端。操作者可以在手持终端选择测试点,也可按测试点的序号连续采集。接收到的湿度数据经过处理在手持终端的显示屏上显示,在禽舍多点湿度测量中能到达很好的效果。

1 系统设计

系统采用51系列单片机及由nRF401无线收发芯片构成的无线模块PTR2000,采用湿度传感器HS1101,原理框图如图1所示。系统功能主要包括湿度信息采集、无线模块发射和接收及数据处理显示。

系统的发射部分通过传感器将禽舍内湿度信息采集到单片机内,然后按照一定的协议和检错机制构成帧,通过无线模块发射出去。系统的接收部分以中断方式接收每帧信息,然后对接收的帧信息进行错误检测,判断是否有误码信息。若没有误码,提取出数据位,计算出湿度值,并显示在液晶屏上。

2 主要模块硬件电路设计

2.1 湿度传感器

系统采用的湿度传感器HS1101是变容式相对湿度传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大,相对湿度在1%～100%RH范围内;电容量由160pF变到200pF,其误差不大于±2%RH;响应时间小于5s;温度系数为0.04pF/℃。该传感器的特点:在标准环境下不需校正;长时间饱和下快速脱湿;高可靠性与长时间稳定性;可用于线性电压或频率输出回炉。

将HS1101置于555振荡电路中,将电容值的变化转换成电压频率信号,可以直接被单片机采集,其电路如图2所示。

555芯片外接电阻R2,R4与HS1101。HS1101作为一个变化的电容器,连接2和6引脚,构成对HS1101的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路,实现对HS1101的放电回路,并将引脚2和6端相连引入到片内比较器,构成一个多谐波振荡器。其中,R4相对于R2必须非常地小,但决不能低于一个最小值。R3是防止短路的保护电阻。等量电容HS1101/HS1100通过R2与R4充电到门限电压(约0.67Vcc),这时555的引脚3由高电平变为低电平,然后通过R2放电。由于R4被7引脚内部短路接地,所以只放电到触发界线(近似于0.33VCC),这时555芯片的引脚3变为高电平,然后R4通过引脚7短路到地。传感器由不同的电阻R4与R2不停充放电,产生方波输出。555电路的非平衡电阻R1是做内部温度补偿,其目的是引入温度效应,使它与HS1101的温度效应相匹配。R1必须像所有的R-C时钟电阻的要求一样,具有1%的精度,最大的温度效应应该小于100×10-6。图3为HS1101特征曲线。

由图3可以看出,相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。为了保证在55%RH的典型湿度值为6 660Hz,R2也需要做稍许修正,如表1所示。根据单片机采集555芯片的频率,然后查表即可得出相对湿度值。为了更好提高测量精度,采用下位机负责采集频率,将频率值送入上位机进行分段处理。将555的OUT接到AT89S52单片机的INT1脚上。

2.2 无线收发模块

系统选用超小型和超低功耗的PTR2000作为无线收发模块,其基于NRF401芯片开发,工作在433MHz国际通用的ISM频段,FSK调制和解调,抗干扰能力强;采用PLL频率合成技术,频率稳定性好;灵敏度高达-105dBm,最大发射功率达到+10dBm;数据速率可达20kbit/s。

PTR2000在不同工作模式下有多种时序模式,编程的时候必须考虑以下问题:当从接收模式切换为发射模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高1ms才能发送数据;当从发射模式切换为接收模式时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms才有数据输出;当从待机模式切换为接收模式PWR-UP输入由0变成1时,至少要经过3ms后,DOUT脚输出数据才有效;从待机模式切换为发射模式,所需稳定的最少时间为2ms;从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低,以便于频率合成器进入稳定工作状态;在由上电进入发射模式时,TXEN必须保持1以后才可以往DIN脚发送数据;从加电到接收模式过程中或从加电到发射模式过程中,芯片将不会接收任何数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定到2.7V以上,并且至少保持5ms。依据PTR2000引脚说明,在从机中AT89S52通过PTR2000无线模块将数据发射出去,使用了3个普通I/O口和串口,其引脚相连情况如图4所示。主机部分AT89S52与PTR2000相接与从机一致。

2.3 显示模块

使用的液晶模块是LCM-1602字符型液晶模块,具有体积小、功耗低和显示内容丰富等特点。1602液晶模块内部的字符发生存储器存储了160个不同的点阵字符图形,读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现,液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。与单片机连接简单,只需一个8位I/O口与液晶模块的8位数据端相连,再用3位控制口分别与液晶模块的RS,R/W和E相接。系统中用单片机的P0口接8位数据,用P2.7,P2.6和P2.5分别接RS,R/W和E。由于P0内没有上拉电阻,笔者还在P0口与液晶模块直接加了1kΩ的排阻,具体的连接如图5所示。单片机与液晶模块在通信时遵循严格的时序进行编程。

3 系统软件设计

由图3可知,相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。为了更好提高测量精度,将频率值送入上位机进行分段处理,将频率分为13段,便于查表编程。主机部分软件主要由无线接收和液晶显示两部分组成,从机部分软件主要由数据采集和无线发送两部分组成。系统软件的设计采用结构化程序设计方法自顶向下,逐步求精。从机主流程图如图6所示,主机部分主流程图如图7所示。

在湿度数据通信系统中,单片机之间的数据通信采用一对多个主从模式。主机(即显示单片机)负责发送从机(即采集单片机)地址、控制命令及调度;从机则负责收集现场信息,进行一定的数据处理,根据主机的要求返回数据,并执行主机发出的命令。主机与从机之间的信息交换通过串行通信实现。在采用主从式多机串行通信系统中,从机不主动发送命令或数据,一切都由主机控制。由于发送和接收共用同一物理信道,因此在任意时刻只允许一台从机处于发送状态。只有被主机呼叫的从机才能占用总线,对主机做出应答。每台从机均分配有一个唯一的从机地址。主机与从机通信时,主机先呼叫某从机地址,唤醒被叫从机后,主从两机之间进行数据交换,而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从机或指定的从机,各从机发送的信息只能被主机接收。为了完成上述功能,需通过设置单片机的串口控制寄存器SCON来实现,在此将单片机设置在工作方式1 ,即SM0=0,SM1=1。通信的数据格式为每帧10位,包括1位起始位、8位数据位和1位停止位。片内定时器T1作为波特率发生器,选择传送的波特率为9 600bps,则定时器T1的初值应设置为TL1=TH1=0XFD;另外应禁止定时器T1中断,以免因定时器T1溢出而产生不必要的中断错误。

当主机发送一帧地址信息时,应保持这帧数据的第9位TB8为“1”;发送一帧数据信息时,应保持这帧数据的第9位TB8为“0”;所有从机最初均处于接收状态,即SM2 =1状态,当接收帧数据的第9位为1时,所有从机均产生中断,接收这一帧地址数据并与各自的从机地址进行比较,以判断主机是否要与本机通信。当某一从机接收到的地址数据与该从机地址相等,则该从机为被呼叫从机,该从机将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2清0,去接收主机发来的数据帧(数据帧的第9位为0),此时不管接收到的第9位数据是否为1,都要产生串口中断,从而保证了主机与被叫从机间的正常数据通信。通信结束后,该从机又重新将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2置为1,为下一次与主机进行通信做好准备;其它从机则一直在SM2=1下继续等待,不会受到其它从机与主机通信的干扰。

4 系统测试

理论上,湿度传感器在55%典型湿度值时,555多谐振荡器的频率f=6 660Hz,但因电路中各电阻阻值不可能完全匹配且电路存在干扰,故频率输出典型参数与实测频率不可能一致。测试中做以下记录,调整参数,提高精度。记录HS1101传感器在一个空间中增加湿度,测得频率,测试值如表2所示;记录HS1101传感器在短暂时间内对小范围内的不同点所测得的频率,测试值如表3所示;理论湿度范围测得频率如表4所示;与实际湿度进行比较和计算,调整实际电路,并修正程序算法,使所得频率与湿度对应且与实际相符,调整后测量如表5所示,可以看出经过修正后,测量相对湿度的误差有所减小, 提高了测量精度。

5 结语

此禽舍内环境湿度监测方案经过电路测试、软件调试和系统组装,测量湿度的精度可以达到±2%RH,无线通讯稳定可靠,通信距离达200m,可广泛应用于禽舍、粮仓、大棚等领域的湿度监测中。

参考文献

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禽舍环境 篇2

1 系统电路设计

1.1 禽舍参数监控系统总体设计 (见图1)

禽舍参数无线监控系统原理如图1所示, 系统由传感器及信号处理电路、禽舍环境参数控制电路、数据处理与数据收发电路、显示电路以及接口电路组成。由CO2浓度、温度和湿度、光照度传感器组成若干个传感器节点。传感器节点将监测到的CO2浓度、温度和湿度、光照度等数据通过无线节点的处理, 转换成数字信号后发射至主机收发节点, 然后由控制器 (或主机) 进行相应处理, 与设定数据比较, 输出相应的动作指令, 通过主机发送器传输到各环境参数控制无线节点, 如调温控制、通风控制、加湿控制等节点, 控制相应的设备将禽舍的各种环境参数稳定在设定范围内。同时, 可将所检测的环境参数输入到系统主控计算机中, 进行存储或处理。

1.2 传感器与数据采集节点设计 (见图2)

传感器网络节点电路如图2所示。CO2传感器输出的微弱电压经放大器U2 (LM386) 放大, 然后输出至U5 (CC2430) 的PQ3进行A/D转换。PR1调整放大器的增益, 使浓度输出信号电压在0~3 V之间变化。

温、湿度检测使用SHT7X集成温、湿度数字传感器, 它是一款单片集成温、湿度传感器, 体积小、便于安装。其温度测量范围为-40℃~123℃, 测量精度为±0.3℃, 分辨率为0.01℃;湿度测量范围是0~100%, 最高精度为±1.8%, 分辨率为0.03%。SHT7X集成一个14位的A/D转换器, 在测量过程中可对相对湿度自动进行标定。SHT7X的DATA、SCK引脚分别与U5的PQ0、PQ1引脚相连, 由U5的PQ1控制SCK引脚, 决定从SHT7X存储器中读出温度或湿度数据。光照强度光敏元件D1经U3放大器后输入到U5的PQ2进行A/D转换。

CC2430是一款SOC (片上系统) , 内含一个与8051兼容的8位单片机和一个14位的A/D转换器。CO2浓度检测信号及照度模拟检测信号分别输入到CC2430的PQ0和PQ1脚, 经A/D转换后, 将CO2浓度和温度数据分别存储到CC2430指定的DATA存储区。而温、湿度传感器中的数据U5可直接从SHT7X中读取, 然后存储到指定的存储单元。当接到主节点的指令时, 以MAC的方式将DATA区中的数据传送到Radio的FIFO缓存器中, 经过一系列的处理后, 通过天线向主节点传送数据。

1.3 禽舍环境参数监控系统网络设计 (见图3)

网络节点内部结构如图3所示。在系统中, 使用软件将主节点设置为FFD (全功能设备) 或NC (网络协调器) , 主要负责网络管理与数据收发。从节点设置为RFD (精简功能设备) , 根据其使用功能分为两类, 一类是监测节点, 如监测禽舍中的CO2浓度、温度、湿度等参数, 并对所检测的参数进行实时发送;另一类是控制节点, 接收FFD传送的控制信号, 如控制禽舍的通风、温度和湿度等。网络使用星形拓扑结构, 由一个主节点和若干个从节点组成一个簇状的星形网络, 如图4所示。系统工作时, 各从节点以无线方式与主节点进行通信, 将监测到的禽舍参数通过无线网络传输到主节点。

1.4 无线传感器网络收发节点的设计 (见图5)

系统控制与无线收发节点的基本电路图主要由电源、控制器、RS232串口接口、显示电路和无线收发电路组成, 可通过RS232串口与其他设备连接。接收数据时, 先将传感器节点传送来的数据存放在收发电路的先进先出缓存 (FIFO) 中, 数据接收完成以DMA方式将收发缓存中的数据输入到CC2430的数据存储区指定单元。CPU将接收的各传感器节点的CO2浓度、温度、湿度和光照度的值按一定算法求出平均值, 然后平均值与设定值进行比较, 若低于设定值, 则发送控制指令给相应的控制节点, 控制环境参数。发送数据时, 以DMA方式将需要发送的数据送到RF的先进先出缓存器, 再通过无线发送电路发送。

2 系统软件设计

环境参数监控系统程序设计使用模块化程序设计方法, 由主机与收发节点模块、数据采集与控制输出节点模块组成。系统主程序及收发节点流程如图6 (a) 所示, 传感器网络节点流程图如图6 (b) 所示。

3 系统性能测试结果与讨论

在系统各节点设计完成后, 对各节点的相关参数进行了测试。选择300 m2的禽舍面积, 放置3个传感器节点, 相互间距离为20 m。测试结果如表1所示。

测试结果表明, 系统各项参数符合要求。对于节点传输距离, 可通过设置网络路由节点的方法增大数据传输的距离。由于无线传输的频率为2.4 GHz, 因此, 在各节点上需要采取相应的抗干扰措施。为了提高检测灵敏度, CO2传感器在使用中需要处于长期加热状态。

禽舍环境 篇3

a.测量范围:0-2000ppm;响应时间:≤10S

b.测量精度:±7%;分辨度:≤1ppm

c.监测通道数:4路;采集间隔:30min;字符型LCD实时显示监测点数据

d.工作环境温度:-10℃-+50℃;AC220V和电池两种供电方式

2 禽舍有害气体成分自动分析系统总体设计

2.1 系统组成 (图1)

2.2 单片机选型。

控制模块是Atmel公司的AVR单片机AT-mega128组成的, 该单片机突出的优点是超低功耗、强大的处理能力和丰富的片上外围模块。控制模块通过键盘中断将气体信号检测电路输出的电压信号引入单片机内部, 进行模数转换和相应的数据处理, 然后通过LCD液晶模块显示出来, 最后通过RS232串行通信模块对数据传输存储。

2.3 数据采集。

传感器电路是数据采集模块的核心部分, 准确地采集气体信号是气体自动分析系统的关键。系统根据四种主要有害气体的特性选择专一的气体浓度传感器, 对传感器的几种特性分析设计传感器电路, 针对禽舍内的几种有害气体采集对应气体的浓度信号, 并转换成对应的电压信号。 (氨气NH3采用ZYMQ137气体传感器, 硫化氢H2S采用MQ136气体传感器, 二氧化碳CO2采用TGS4160传感器, 一氧化碳CO采用MQ217气体传感器 (图2) ) 。

2.4 键盘。

键盘模块是操作者控制系统的主要手段, 操作者通过按键对系统进行复位和气体信号检测通道的选择。键盘模块通过单片机的中断请求和系统达到很好的连接, 当按下按键时系统执行相应的中断服务程序。在中断控制程序中再对A/D转换程序和LCD显示程序进行调用执行, 属于系统软件部分的转折点。

2.5 其它。

电源模块对整个系统提供标准稳定的5V电源, 包括单片机VCC、传感器、LCD液晶1602芯片等。时钟模块采用外部时钟, 震荡频率为8MHz, 规定系统执行指令周期。RS232串行通信模块为ATmega128与微机间的通信接口, ATmega128将气体测量数据传送到微机, 同时可接收微机对测量过程的控制信息。

3 硬件电路设计

系统硬件电路包括电源电路, 数据采集电路, 数据通信模块, 显示电路, 键盘电路和时钟模块电路。 (图3)

4 系统软件设计

系统采用C语言进行程序编写, 可提高程序的可读性和结构化。软件设计包括气体信号检测及处理模块程序;键盘中断处理模块;数据发送通信模块及LCD显示模块。而系统软件的总体流程图如图4所示。

结束语

本文根据国家禽舍级别标准来设定气体成分自动分析系统的检测范围, 选择专一的气体传感器进行数据采集, 利用单片机对信号进行分析处理, 根据不同的情况做出相应的动作, 是一套较为完整的禽舍有害气体分析系统, 并具有一定的可行性。

参考文献

[1]何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.