畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置研究

王潤(rùn)濤 張 宇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱150030)

1 研究背景

隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們對(duì)物質(zhì)要求的不斷提高,畜牧業(yè)逐漸向著規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化和集約化方向發(fā)展。家畜的糞便、尿液、飼料等腐爛分解在畜舍內(nèi)產(chǎn)生有害氣體,NH3、H2S、CO2、CH4、CO等有害氣體對(duì)家畜的健康和生產(chǎn),對(duì)人的健康和工作效率有不良影響。畜舍養(yǎng)殖環(huán)境的調(diào)控是有效防控家畜重大疫病傳播和流行的先決條件。因此,研制畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置具有一定的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。

2 理論基礎(chǔ)

通風(fēng)是改變畜舍環(huán)境的直接方法,大量的單相220V軸流風(fēng)機(jī)被應(yīng)用到畜舍的環(huán)境控制系統(tǒng)中。通過改變軸流風(fēng)機(jī)兩端的電壓有效值,可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制畜舍的進(jìn)風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)畜舍內(nèi)氣體、溫度、濕度等控制。公式(1)中,一個(gè)控制周期內(nèi),在輸入電壓U1不變的前提下,通過改變觸發(fā)延時(shí)角α,控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間,達(dá)到改變負(fù)載兩端電壓UO有效值的目的。公式(2)為一個(gè)控制周期內(nèi)晶閘管的電流有效值。

UO——負(fù)載電壓有效值；

U1——輸入電壓有效值；

α——觸發(fā)延遲角；

θ——晶閘管導(dǎo)通角。

IVT——晶閘管電流；

Z——等效負(fù)載；

φ——負(fù)載的阻抗角。

3 硬件構(gòu)成

畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置由處理器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、過零觸發(fā)電路和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成,如圖1所示。其中,處理器為宏晶公司的stc12c5a60s2單片機(jī)。溫濕度傳感器為奧松公司的AM2302傳感器,供電電壓為DC 5V,溫度量程為-40～+80℃(分辨率為0.1 ℃、精度為±0.5 ℃),濕度量程為0～100%RH(分辨率為0.1%RH、精度為±2%RH)。單片機(jī)的P2.1端口與溫濕度傳感器的引腳相連,采用單總線通訊方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣體傳感器由煒盛研制,包括NH3、H2S、CO2、CH4等,供電電壓為DC 5V。單片機(jī)通過芯片串口外設(shè)的RX和TX端口,與氣體傳感器進(jìn)行TTL通訊。通訊方式設(shè)置為波特率9600bps、8個(gè)數(shù)據(jù)bit、1個(gè)停止bit、無奇偶校驗(yàn)位。氣體傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

表1 氣體傳感器

過零觸發(fā)電路由U3和U4兩個(gè)PC817光耦、2k歐姆電阻R3和R4構(gòu)成,如圖2所示。圖2中的AC10V為市電220V經(jīng)變壓器后的交流輸出電壓,當(dāng)電壓高于PC817內(nèi)部二極管AK的開啟電壓后,內(nèi)部三極管CE導(dǎo)通,DC+5V同過電阻R4對(duì)地產(chǎn)生電流,C點(diǎn)對(duì)地為低電平信號(hào),該信號(hào)接入單片機(jī)的/INT1引腳,引起外部中斷,進(jìn)而檢測(cè)交流電的過零時(shí)刻。

圖2 過零觸發(fā)電路

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由U1光耦觸發(fā)芯片MOC3021、U2雙向可控硅BTA16-600BWRG、1k歐姆電阻R2、180歐姆電阻R1、風(fēng)機(jī)等效負(fù)載ZL構(gòu)成,如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)的P1.0 引腳輸出為低電平時(shí),光耦MOC3021導(dǎo)通,觸發(fā)雙向晶閘管BTA16工作,電源AC 220V、U2和ZL形成閉合回路,風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行,風(fēng)機(jī)兩端的電壓受延遲角α控制。

圖3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要功率元件為BTA16-600BWRG,其具體參數(shù)如表2所示,可以保障500W以下的軸流風(fēng)機(jī)安全工作。

表2 BTA16-600BWRG元件參數(shù)

4 軟件流程

畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置上電后,傳感器等外設(shè)和系統(tǒng)初始化,以市電50Hz的半波時(shí)長(zhǎng)10ms為一個(gè)周期,讀取傳感器信息；當(dāng)過零觸發(fā)電路觸發(fā)引起單片機(jī)中斷后,判斷是否開啟風(fēng)機(jī)；根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)與設(shè)定環(huán)境參數(shù)的差值,計(jì)算風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的延時(shí)時(shí)間,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)兩端的電壓有效值,實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量控制,流程圖如圖4所示。為了減少外部干擾和單片機(jī)的運(yùn)算壓力,傳感器的讀取數(shù)據(jù)采用一階低通濾波,其濾波系數(shù)取值為0.85。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 試驗(yàn)

本文將所設(shè)計(jì)畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置在功率370W、轉(zhuǎn)速2800r/min、電壓AC 220V、風(fēng)量3000m3/h、風(fēng)壓230pa、內(nèi)徑31cm的300型軸流風(fēng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)傳感器讀取數(shù)據(jù)的變化,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的啟停、電壓連續(xù)可調(diào)、風(fēng)量連續(xù)可調(diào)等功能。其中,經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)量,軸流風(fēng)機(jī)兩端的電壓有效值變化范圍為182～232V；經(jīng)風(fēng)速儀測(cè)量,軸流風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速變化范圍為4.5 ～5.6 m/s。

6 結(jié)論

本文根據(jù)畜牧業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化和集約化方向發(fā)展的需求,研制畜舍養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)調(diào)控裝置。裝置以stc12c5a60s2為控制器,感知畜舍NH3、H2S、CO2、CH4、溫濕度等環(huán)境信息。并對(duì)該裝置進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)傳感器等環(huán)境數(shù)據(jù)變化,實(shí)現(xiàn)了軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量連續(xù)調(diào)節(jié),完成了畜舍養(yǎng)殖環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控。