基于ATmega8的豬舍氨氣自動(dòng)排氣裝置的設(shè)計(jì)

程凱　劉光發(fā)　逄淑松　邱雙慶

摘要：針對(duì)豬舍中氨氣積累和排放等問(wèn)題，提出了一種新型的智能化解決方案。根據(jù)組網(wǎng)傳感器檢測(cè)的豬舍內(nèi)氨氣濃度，自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉排氣風(fēng)扇，使豬舍內(nèi)氨氣濃度維持在一定水平內(nèi)，為豬的生長(zhǎng)提供一個(gè)優(yōu)良環(huán)境。

關(guān)鍵詞：氨氣檢測(cè)；ATmega8；RS485

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

氨氣是公認(rèn)的應(yīng)激源，是動(dòng)物圈舍內(nèi)最有害的氣體之一。氨溶解到呼吸道粘膜的粘液中會(huì)使粘液的pH值向堿性轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致纖毛喪失活動(dòng)功能，增加由空氣傳播疾病的易感性[1]。隨著畜牧生產(chǎn)規(guī)模化、集約化程度的不斷提高，畜禽及其廢棄物所產(chǎn)生的氨氣日趨增多，危害禽畜的健康，降低生產(chǎn)能力。

定期打開(kāi)風(fēng)扇和加大換氣孔，使圈舍內(nèi)保持一定的氣流速度，加速圈舍內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)空氣的流動(dòng)，通過(guò)這種手段可保持圈舍內(nèi)空氣環(huán)境狀況優(yōu)良且均勻一致[2]。本文的豬舍氨氣自動(dòng)排氣裝置就是為了滿(mǎn)足上述需求而設(shè)計(jì)的。

1 總體方案

豬舍氨氣自動(dòng)排氣裝置由ATmega8控制器、氨氣傳感器、總線接口、按鍵、數(shù)碼管等組成，裝置原理如圖1所示。

本裝置利用MQ137氣敏傳感器檢測(cè)環(huán)境中氨氣的含量，當(dāng)該含量達(dá)到濃度設(shè)定值時(shí)，控制器將自動(dòng)開(kāi)啟排氣扇進(jìn)行排風(fēng)，加速空氣流動(dòng)，降低豬舍內(nèi)氨氣濃度。當(dāng)舍內(nèi)氨氣濃度降至設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉排氣扇。同時(shí)，數(shù)碼管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示氨氣濃度，再通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)氨氣濃度，并對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

圖1 裝置原理圖

Fig.1 Schematic of device

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 氨氣傳感器

氣敏傳感器MQ137在對(duì)氨氣的檢測(cè)中具有高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)、穩(wěn)定性好、長(zhǎng)壽命、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、大信號(hào)輸出等特點(diǎn)[3]。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在氨氣時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨空氣中氨氣濃度的增加而增大[4]。

傳感器與ATmega8的接口電路如圖2所示，管腳2與管腳5之間為加熱電阻，管腳1為模擬電壓輸出，而且隨著濃度的變大而相應(yīng)地變大，該電壓通過(guò)ATmega8的ADC端口進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。

圖2 系統(tǒng)電路圖

Fig.2 The circuit of system

MQ137傳感器加熱功耗計(jì)算為：P = U I，在5V供電情況下，測(cè)得單個(gè)傳感器工作電流約為160 mA，計(jì)算加熱功率大約為800 mW。由于豬舍面積大，單點(diǎn)檢測(cè)無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此需要將多個(gè)傳感器均勻分布開(kāi)來(lái)，進(jìn)行圈舍大范圍氨氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 電源

常規(guī)的LM7805屬于串聯(lián)線性穩(wěn)壓器，壓差和電流越大，損耗就越大；同時(shí)，其輸出電流較小，塑封穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1A，且需要采取完善的散熱措施。基于上述原因，在本設(shè)計(jì)中選用LM2596開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，效率80%以上，輸出電流3A，本身發(fā)熱功率損耗較小，并具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能。

LM2596內(nèi)部包含150KHz振蕩器、1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。LM2596將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23V進(jìn)行比較，若電壓有偏差，則通過(guò)放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。輸入24V直流，經(jīng)過(guò)LM2596后穩(wěn)定輸出5V直流供系統(tǒng)使用，應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 LM2596開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用電路

Fig.3 Application circuit of LM2596 switching regulator

2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

數(shù)字信號(hào)隨著傳輸距離的增加和信號(hào)傳送速率的提高，在傳輸線上的反射、串?dāng)_、衰減和共地噪聲等影響都將引起信號(hào)的畸變，從而限制了通信距離。普通TTL電路，由于輸入電阻小，驅(qū)動(dòng)能力及抗干擾性能較差，因而傳輸信號(hào)的距離短。

在控制及測(cè)量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS485通信接口組成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS485總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離及數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域[5]。如圖4所示，本設(shè)計(jì)以ATmega8單片機(jī)為核心的氨氣傳感器作為總線節(jié)點(diǎn)，通過(guò)RS485總線將各個(gè)氨氣傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，并通過(guò)RS232 / 485轉(zhuǎn)接口與上位機(jī)連接，采用上位機(jī)輪詢(xún)方式與各傳感器節(jié)點(diǎn)通信，完成監(jiān)測(cè)、控制等功能。

圖4 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 Structure of network

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C語(yǔ)言編制，其可以直接操作硬件的特點(diǎn)非常適合編寫(xiě)單片機(jī)程序。程序流程為：初始化后，檢測(cè)按鍵，設(shè)置濃度，采集豬舍內(nèi)氨氣實(shí)際濃度值并與設(shè)置濃度值進(jìn)行比較，高出設(shè)置濃度值，啟動(dòng)排氣風(fēng)扇；低于設(shè)定濃度值時(shí)，將風(fēng)扇關(guān)閉。響應(yīng)上位機(jī)指令后，通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)氨氣濃度并對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

4 裝置測(cè)試

氨氣自動(dòng)排氣裝置在某豬舍內(nèi)進(jìn)行了氨氣檢測(cè)，以檢驗(yàn)氨氣濃度測(cè)定值的準(zhǔn)確性。其中，氨氣濃度的真值由NJ8H-NH3型氨氣測(cè)定儀測(cè)得。對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，采用本文設(shè)計(jì)的氨氣自動(dòng)排氣裝置測(cè)得氨氣濃度與真值的相對(duì)誤差小于5%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的豬舍氨氣自動(dòng)排氣裝置采用MQ137對(duì)氨氣濃度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果與真值的相對(duì)誤差小于5%，準(zhǔn)確性較高；上位機(jī)通過(guò)RS485總線與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。后續(xù)可進(jìn)一步研究如何控制圈舍內(nèi)溫濕度，提高系統(tǒng)實(shí)用性及禽畜養(yǎng)殖的數(shù)字化程度。

參考文獻(xiàn)：

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