氨氣濃度智能監測儀設計與實現

王海燕

摘 要：為了很好的掌握禽舍內的氨氣濃度變化，提高養殖業的產量，系統采用ATmega16（L）單片機為核心，由Cyber-TX氨氣濃度傳感器組成的氨氣濃度數據采集電路、LCD顯示電路、報警電路、鍵盤電路等功能模塊組成設計了一種氨氣濃度智能監測系統。首先介紹了監測系統的功能和結構框圖，隨后闡述了其硬件和軟件的設計與實現。實驗證明，本系統對禽舍內的氨氣濃度能進行很好的監測，且具有簡單、低功耗、低成本、高可靠性、易于實現和維護的優點，具有很好地推廣及應用前景。本系統對氨氣濃度采集、LCD顯示電路進行了重點設計。LCD液晶顯示已經是人機界面的關鍵技術。同傳統的LED顯示屏不同的是，它可以存儲大量的文字信息，通過內置微處理器控制文字、字體的顯示方式，定時顯示功能等。

關鍵詞：監測系統 LCD顯示 氨氣傳感器 報警電路

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）05-0-01

一、設計背景與意義

氨氣是影響畜禽養殖的一大危害因素，禽舍內的氨氣主要來自糞便、飼料殘渣以及潮濕墊料等有機物構成的厭氧成分。隨著畜牧生產規模化、集約化程度的不斷提高，畜禽及其廢棄物所產生的氨氣日趨增多，它不但影響了人類正常的生產和生活，而且危害畜禽的健康，降低生產性能。尤其在秋冬季節，通風量下降，舍內氨氣含量直線上升，嚴重危害畜禽的生長和生產。給養禽業造成嚴重的經濟損失。

本課題針對禽舍缺乏氨氣濃度自動監測的實際問題，提出氨氣濃度智能監測儀設計任務，對禽舍內各監測點的氨氣濃度進行實時監控，當氨氣濃度高于報警閾值時，發出聲光報警信號并啟動通風凈化設備，以迅速降低禽舍內的氨氣濃度，避免造成家禽和飼養人員受到危害。其意義非常重大。

二、氨氣濃度監測儀組成

氨氣濃度監測儀屬于智能化監測儀器，以單片機為核心，主要包括氨氣濃度檢測單元（氨氣濃度智能傳感器Cyber-TX）、鍵盤電路、LCD顯示器、報警電路、控制功能擴展電路和電源電路等部分構成。

1.單片機系統設計

單片機是整個設計系統的核心部件，它直接影響整機的硬件和軟件設計。它對系統的功能以及研制周期起決定性作用。一般兼有數據處理任務的控制類智能儀表，大多采用數據處理型的單片機。

ATmega系列單片機是ATmel公司推出的基于AVR增強型RISC結構新型高檔單片機。它采用的單時鐘周期指令，其數據吞吐率可達1MIPS/MHz， 從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16（L）作為ATmega系列中的一員，支持16MHz（8MHz）的時鐘頻率，有l6KB的系統內可編程FLASH程序存儲器（具有同時讀寫的能力，即RWW），lK+32字節的RAM（包括32個8位通用工作寄存器），512字節的EEPROM和一個10位的逐次逼近型ADC，三個具有比較模式的靈活的定時器，計數器（T/C）可編程串行接口；除此之外，ATmega16L還支持與IEEE 1149.1標準相兼容的AVR JTAG接口，能實現邊界掃描功能測試PCB，對非易失性存儲器、熔絲位和鎖定位進行編程和片上調試OCD等。

基于如此強大的功能，本設計選用了ATmega16L單片機作為本設計系統的核心處理器。

2.基于OCMJ4X8C的顯示電路設計

方案一：使用LED進行顯示，多個數碼管分別實現不同的氨氣濃度等值，數碼管具有控制簡單，軟件編程量少，但硬件電路較復雜，只能顯示幾種符號，將無法顯示完美的氨氣濃度界面，系統變動時將比較困難，所以不使用該方案。

方案二：使用字符點陣系列OCMJ4X8C液晶顯示器對氨氣濃度實時進行顯示、滿足系統的要求，本設計采用此方案。

3.鍵盤電路設計

氨氣濃度智能監測系統具有手動按鍵設定高低限的功能。主要是為了更好的監測禽舍內的氨氣濃度度。不同的禽舍內不同季節對氨氣濃度的要求也是不一樣的。這些報警高低限都是通過鍵盤手動設定的。在此電路中，設計了四個按鍵，它們分別為：設置鍵、增加鍵、減小鍵、復位鍵。

4.報警電路設計

禽舍內氨氣濃度監測系統報警電路采用聲光報警。當被測氨氣濃度超出限定范圍時就會立即報警。此電路是由一個發光二極管、一個三極管、二個電阻和一個蜂鳴器組成的。

5.控制功能擴展

禽舍氨氣濃度監測系統的設計中在監測的基礎上加了報警以后的自動控制處理功能。控制電路由固態繼電器、直流電機、風扇、三極管和電阻等組成。

三、氨氣濃度監測儀軟件設計

本監測儀以ATmega16L單片機為核心，用以C語言進行編程，在ICCAVR軟件環境下運行。程序設計結構主要分為主程序和功能模塊，其中功能模塊包括數據處理、數值處理、按鍵顯示和鍵盤等模塊。

當程序開始運行時，首先，給中斷、氨氣濃度報警值等設定值初始化。第二步，進入數據采集環節，本程序執行的是四路循環采集，并按公式計算轉換成氨氣濃度值送到顯示子程序中通過液晶顯示屏顯示它們當前值。第三步，采集的數據還會與報警子程序中設定的值相比較。如果大于氨氣濃度的第一個報警值或大于氨氣濃度的第二個報警值時報警，無報警則返回主程序繼續采集數據。一旦報警就進入控制輸出子程序作出相應的處理措施。如：啟動一個換氣風機或啟動三個換氣風機，使禽舍內的氨氣濃度恢復到設定的范圍內。

四、氨氣濃度監測儀制作與調試

1.氨氣濃度監測儀的制作

在設計過程中，單片機和傳感器是核心部分，其設計和制作的水平直接影響整個系統的工作情況，在單片機的設計中人機交互的主要通過鍵盤和顯示。氨氣濃度數據采集過程也是本設計采集過程的核心，我針對傳感器進行了多次程序檢測和硬件連接的檢查，以確保系統工作的可靠性基本實現了氨氣濃度實時顯示的要求。

2.氨氣濃度監測儀系統調試

系統的調試分為兩部分：硬件和軟件。

硬件調試分為氨氣濃度傳感器的輸出信號檢測、ATmega16L單片機的調試。

軟件調試是本設計的主要工作。首先檢測的是數據采集程序，通過氨氣傳感器采集一個標準信號，利用ATmega16L的開發板，使采進來的數賦予液晶顯示屏顯示，若能顯示正確的采集信號，則證明此程序可以運行；再就是檢測數據轉換程序，當液晶顯示為0ppm時，測測傳感器輸出電壓是否為0.5V，當液晶顯示為100ppm時，測測傳感器輸出電壓是否為4V，如果一切正常，則程序可以使用。