基于STC90C58RD的雞舍環境控制器的設計

劉引弟 吳永亮 楊宇 劉會強

摘要：雞舍內的光照強度、溫度和濕度對雞的生長、發育和產蛋質量都有一定的影響。本設計針對中小型的雞舍構造特點，以STC90C58RD+單片機為控制核心，使用BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度傳感器作為檢測元件，通過繼電器控制雞舍燈光和溫濕度。試驗結果表明：本設計實現了對雞舍環境的自動控制，可靠性高，工作穩定，可以滿足雞的光照和溫濕度要求，具有一定的推廣價值。

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.

關鍵詞：雞舍;燈光;溫濕度;單片機;控制

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

中圖分類號：TP273+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0169-03

0 ?引言

適宜的光照強度、溫度和濕度對雞的活動、生長發育和生產性能有非常重要的作用[1]。隨著不同種雞的不同階段生長，所需要的光照強度和溫濕度是不相同的，如表1所示[2]。

傳統養雞場的監控方法主要是利用人工對雞舍進行光照和溫濕度的檢測[3]，然后根據測量結果判斷雞的健康狀況，手動檢測容易產生嚴重的測量誤差，而且對雞的正常生長發育也有影響[4]，為此，本文設計了一套雞舍環境智能控制系統，該系統采用光照傳感器BH1750和溫濕度傳感器AM2301，并以STC90C58RD+單片機為控制核心，對比分析設定數據和實際采集到的數據，合理調整繼電器和LED燈，實現對雞舍內光照強度和溫濕度的自動控制。

1 ?總體設計

1.1 燈光布局設計

結合中小型養雞場現狀，選取雞舍燈光源時宜選擇白熾燈，裝有反光罩，參考計算燈光瓦數的公式：W=（H2×L）/0.9 W，其中L為光照強度lx;H為燈泡離地面高度，計算所用燈泡的瓦數。由于客觀因素的影響流明會一定程度上受損，比如燈泡質量問題、設備吸收問題等，因此通常在有燈罩、燈高度為2.0～2.4m時，每平方米面積上需2.7W燈泡可提供10.76lx;若所需光照強度為5～10lx，則每平方米面積需1.5～2.5W燈泡;若所需光照強度在20～30lx，那么每平方米面積需5～7.5W燈泡。

據此，安排42個75W的燈泡平均布置在雞舍，同時為了滿足系統要求，應采取分組控制燈的方法，如此才能實現燈光的漸明漸暗效果。

1.2 系統的組成

本文所設計的系統主要單片機控制系統、數據監測模塊和驅動控制模塊三個部分組成。其中單片機控制系統的作用是顯示、處理和控制數據;數據監測模塊的作用是實時采集雞舍內各項參數，比如濕度、溫度、光照強度等;驅動控制模塊主要負責LED燈及通風裝置工作，如圖1所示。

1.3 系統工作原理

系統被啟動后，首先進入設置狀態，用戶依據無異常狀態時雞舍內所需的濕度、溫度及光照度設置相應的控制參數。當系統由原始狀態進入到運行狀態后，首先應分析雞的育齡和種類，之后利用傳感器獲悉雞舍的各項實際情況及相關參數，并將收集到的數據傳輸給單片機，最后由單片機負責分析其接收到的各項數據是否符合標準，若發現異常情況應及時采取應對措施，比如溫濕度過低會報警;溫濕度過高，應合理控制通風機;光照不符合標準應及時調整燈光。第一屏顯示用戶設定的雞種類和育齡、光照度上下限閾值、實時光照強度、光照時長及系統時間，第二屏顯示雞舍內溫度上下限閾值、濕度上下限閾值、實時溫度和濕度、通風機工作狀態以及報警系統工作狀態。

2 ?硬件設計

系統硬件部分的組成部分包括主控器件、實時時鐘模塊、液晶顯示模塊、數據檢測模塊、按鍵電路及輸出控制等。

①主控器件采用STC公司生產的90C58RD+系列單片機，它是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，工作電壓為5.5～3.8V[5]。

②數據檢測模塊由BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度數字傳感器組成。BH1750具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，是一種數字型光強度傳感器集成電路，適用于兩線式串行總線接口，可測量的光照度范圍為1～65535lx，精度為0.96～1.44times[6];AM2301是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的數字式溫濕度傳感器[7]，節省了單片機的引腳以及省去了模擬傳感器模數轉換的過程，可測量濕度范圍為0～100%，精度為±3%，溫度范圍為-40～100℃，精度為±0.3℃[3]。

③顯示模塊采用LCD1604顯示器，它可以顯示4行，16字符/行。

④采用DS1302為其實時時鐘模塊，其具有閏年補償功能，能夠計時年、月、日、時、分、秒，具有低功耗、高性能特點。時鐘電路的作用是確保控制系統與該時鐘信號同步按時序工作。

⑤按鍵電路由五個獨立式按鍵組成，分別是減一、加一、設置/運行、右切換及左切換。

⑥輸出控制模塊由四組光電耦合器、繼電器和電動機組成。

3 ?軟件設計

在完成硬件電路設計基礎上，科學開展軟件設計工作，采用模塊化設計方法，選用單片機C語言編寫程序，主要程序包括主程序、燈光控制、參數設置等，具體分析如下：

3.1 系統主程序

啟動系統后，首要步驟是硬件初始化，包括實時時鐘、溫濕度傳感器、光照傳感器等，接下來按鍵掃描處理，利用傳感器對雞舍內光照度、溫濕度進行實時測量，并由單片機進行處理，如此可實現通風和燈光的自動化控制，實現節約目的，如圖2所示。

3.2 燈光控制程序

BH1750光照傳感器負責收集各項參數，并對參數數據傳輸給單片機，單片機負責分析各項參數是否達標，之后主控系統分析雞的光照時間是否符合標準，若已經超過標準設定時間，可關閉所有燈光，若發現為達到設計標準，應分析在當前數據情況下是否能夠滿足雞種所需光照強度，若無法滿足應適當增加燈的數量，使其最終能夠實現目的，如圖3所示。

3.3 通風控制程序

數字式AM2301傳感器負責收集各項參數，并將參數數據傳輸給單片機，單片機負責分析各項參數是否達標，之后依據分析結果合理調整和控制通風機，使其溫濕度能夠符合標準[9]。在控制溫度在合理范圍的基礎上，分析判斷濕度，若濕度低于所需濕度的下限值，蜂鳴器報警。反之，高于上限值72%時，通風機工作，如圖4所示。

4 ?仿真與調試

Proteus ISIS軟件能夠搭建各類復雜電路，同時還能夠以加載軟件程序代碼的方式實現硬件仿真[10]，大大節約了產品開發周期和成本[5]。本設計在Proteus7.5軟件中繪制好系統的仿真圖后，然后，在Keil μVision3軟件中編寫的C語言程序，把編譯好的目標代碼*.hex文件導入到STC90C58RD+單片機中，進行仿真與調試，最后得到實驗的相關數據。經仿真結果表明：在Proteus環境下，系統可靠性高，控制靈活方便，可以滿足實際應用的需求。

利用Altium Desinger9軟件繪制系統硬件PCB圖，并制作出的電路板如圖5所示。從圖5（b）可以看出，BH1750和AM2301傳感器能夠實現數據的精準采集，按鍵和顯示系統工作正常;當光照時長不達標時，若關照強度小于設定值，可控制燈光的繼電器實現目的;當溫度低偏低時，蜂鳴器報警，當溫濕度過高時，控制通風機的繼電器能工作，系統實現了預期的功能。

5 ?結語

本文設計了一種以STC90C58RD+單片機為數據處理核心，結合BH1750光照傳感器和AM2301溫濕度傳感器，實現了對雞舍光照強度和溫濕度的實時測量，并將測量數據與設定數值進行比較， 從而通過繼電器對燈光和通風機進行精準的控制，省去了人工檢測與人工控制帶來的不便及困擾[10]。實驗結果表明：基于單片機的雞舍環境控制器的設計，可靠性高，工作穩定，可以滿足不同種類雞對光照強度和溫濕度需求，具有很好的自動控制效果。

參考文獻：

[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）.

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

[5]嚴天峰.AD7416數字溫度傳感器及其應用[J].電子世界，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]李廣弟.單片機基礎[M].北京：北蓯航空航天大學出版社，2001.

[8]王傳江，孫秀娟.用I2C總線實現AD74！6的多點溫控系統[J].單片機與嵌入式系統應用，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.