基于单片机的鸡舍光照和温度检测系统设计.docx

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基于单片机的鸡舍光照和温度检测系统设计

分类号密级

华中农业大学本科毕业论文

基于单片机的鸡舍光照和温度检测系统设计

TheDesignOfShedsLightandTemperatureDetectionSystemBasedOnMicro-controller

学生姓名：

ws

学生学号：

2010307201006

学生专业：

机械电子工程

指导教师：

祝志慧副教授

华中农业大学工学院

二○一四年六月

摘要

在畜牧业养殖中，环境因素作为鸡等家禽生长的主要因素，直接影响着其生产性能和产量，与其同时，随着电子信息技术及传感器技术的快速发展，将新的电子技术应用于传统的测量工艺中，能够极大地提高测量的精度和效率，在畜牧业生成方面具有重要的实用价值。

该系统以单片机STC89C51为微控制器,选用了数字温度传感器DSI8B20和光敏电阻分别对温度和光照进行采集，同时将温度和光照值传送到单片机并与设定值进行比较，实现温度超过设定限制自动报警和光照时间可设定等功能。

经试验测试：

该系统能够稳定运行，测量准确，具有推广价值。

关键词

单片机；温度传感器；光敏电阻；自动报警

Abstract

Asakeyfactoringrowthofchicken,environmenthasadirectinfluenceonitsproductionperformanceandthepossibilityofdiseases.Inanimalhusbandry,closedpoultryhouseshavebeenwidelyusedinfactoryfarmingofpoultry.Therefore,themostfundamentalprobleminchickenfeedingandmanagementistheregulationofinternaltemperature,light,humidity,airandsomeotherenvironmentalparametersofthechickenhouse,whichisofgreatsignificanceinreducingchickenmortalityandincreasingproductionperformance,thuspromotingthedevelopmentofpoultryindustryinChina.Meanwhile,withtherapiddevelopmentofelectronicinformationandsensortechnology,theapplicationofnewelectronictechnologytotraditionalmeasurementprocessgreatlyimprovestheaccuracyandefficiencyofmeasurementandbearsimportantpracticalvalueinanimalhusbandry.BychoosingSCMSTC89C51asmicrocontroller,digitaltemperaturesensorDSI8B20andphotosensitiveresistanceascollectoroftemperatureandlight,thesystemtransmitstemperatureandlighttomicrocontrollerandcomparesthemwithsetvalue,whichmakesitpossibletoautomaticallyactivatealarmsystemwhenover-temperatureissensedandsetlighttime.Testsprovethatwithstableoperationandaccuratemeasurement,thesystemisworthpopularizing.

Keywords

MCU;temperaturesensor;photosensitiveresistance;automaticalarm

1

我国加入世贸组织之后，禽产品可以直接参与国际市场竞争，给我国的禽产品进入国际市场带来了机会，但国际市场的竞争是非常激烈的，欧洲、美国、日本等早就实行农产品市场准入制度，并建立了以技术法规、标准化生产、产品合格评定程度为主要内容的“绿色壁垒”（赵娟，2011）。

同时随着人们生活水平的不断提高，对家禽产品的需求与质量也不断的提高，解决家禽生产标准化、清洁化问题日益迫切。

绪论

1.1课题研究的背景和意义

我国家禽的饲养经过了将近30年的迅速发展，禽蛋产品以及禽肉产品已接近世界水平，二十世纪90年代以来，我国家禽产业以及相关产品和其它经济产业一样都告别了计划经济的时代，并跨入了市场经济为主体的全新经济时代。

在农村，家禽养殖依然是农民收入的重要来源，是农村经济的支柱产业（尤玉双，2005）。

因此提高家禽养殖的性能和产量对我国经济发展具有重要意义。

随着经济的快速发展，家禽养殖业的数量也在不断的增大，疾病成了家禽养殖业最大的危害，因此控制家禽的疾病已成为养殖者最重要的工作，近年来，医学在家禽疾病控制方面发挥了重大的作用，通过对家禽饲喂相应的药物和打疫苗，大部分的烈性疾病已经得到了很好的控制，但在家禽的生产性能上一直还不够理想，鸡作为家禽生产中最容易得病的特殊禽类，尤其需要关注其生产性能，通过部分养殖者经验和研究人员的研究表明，慢性呼吸道和大肠杆菌疾病是近年来鸡群中发病率最高的疾病，在各种疾病当中居于榜首，而呼吸道疾病和菌类感染疾病与鸡生长的环境密不可分，因此养殖环境不合理是产生这类疾病的主要原因。

据不完全统计显示，近年来国内大多数鸡舍养殖环境都不够合理，与西方农业发达国家相比，我国在鸡舍基础设施建设和养殖环境方面还存在很大的差异。

因此，养殖管理的最根本问题就是控制好鸡舍环境的各种参数。

控制好鸡舍环境，对降低发病率、提高产量、促进我国家禽养殖业发展，有着非常重要的意义。

1.2国内外研究状况与发展趋势

1.2.1研究状况

近年来，医学和生物育种学的科技进步在规模化养鸡中发挥了重大的作用，使得我国禽类养殖品种和疾病控制发面与西方农业发达国家的差距在明显减少，但在养殖工艺、基础设施建设、配套建设和环境控制技术等发面还存在很大的差异。

因此急需在鸡舍养殖环境方面有重大的改进，而鸡舍环境检测方面西方发达国家早在20世纪80年代就已起步，西方的很多学者以产量为核心建立了经济模型和以禽产品性能为核心建立了动物福利的研究，随着科技的不断进步，使鸡舍环境检测逐步向智能化和网络化方向发展。

在国外，德国BigDutchman公司研制的Amacs鸡舍环境监控管理系统就是一个优秀的鸡舍环境监控管理平台实例，它实现了鸡舍环境的参数采集，及监控系统的网络访问等功能（马亮等，2006）。

在国内，家禽养殖业是农民的支柱产业，同时在是国民生产总值中占有很大的份量，但在鸡舍环境监测方面的技术相当落后，大部分都表现为生产装备落后、基础设施建设不合理、管理自动化程度低、能源消耗高，鸡舍环境监测大部分都是通过饲养管理人员的经验手动操作和机电操作的，自动化发展在我国相对比较迟，而西方发达国家的自动化设备价格昂贵，这也是造成我国养殖业自动化程度低的重要原因。

1.2.2发展趋势

当今世界由于科技的飞速发展，机器人自动化操作代替人类手工操作已经是无需争论的趋势，在农业和畜牧业发展中，自动化程度也逐年增加，不断研究出智能化、自动化程度更高的产品是当今自动化发展方向最求的重要目标，鸡舍温度、光照和其它环境参数也不断向着智能化和自动化靠近。

无论如何，随着科技技术的发展尤其是电子技术以及计算机技术的发展温度检测都向着智能、微型、应用面广等方向发展。

1.3课题研究主要内容

经过对本课题要求的认真思考，最终选择以STC89C51单片机作为本课题的控制器，完成测量鸡舍内光照和温度并显示，温度超出设定限制时报警。

其主要研究内容如下：

（1）熟练应用以单片机为核心、外围电路做辅助的单片微型计算机控制系统。

（2）选择温度传感器，并能实现本课题的功能。

（3）通过传感器和控制器，实现测量光照和温度的要求。

（4）通过按键能够设定报警温度的上限和下限。

（5）设计报警电路，当温度超过设定限度时实现报警功能。

（6）设计光照控制电路，实现对光照的控制。

（7）整个系统在硬件上能够完整的运行，为设计产品减少成本。

2系统分析与总体方案设计

本章主要对本课题所需系统进行整体分析，并对主要模块的选择进行方案比较，结合比较结果，选择一个实用性强的方案。

2.1总体方案设计与说明

2.1.1基本要求

本课题是一个温度和光照测量系统，能够测量和实时显示温度和光照强度，并能够在温度超过设定的限制时实现温度自动报警的功能，即以单片机为主控器，实现鸡舍温度和光照的测量和自动报警。

根据设计要求，要实时检测温度和光照强度，下面分别以温度和光照两个模块分开论述。

温度部分：

要实现温度的实时测量和自动报警，因此需要用温度传感器测量温度，当测量到的温度超过设定的上限温度时，报警并红灯亮。

当测量温度超过设定下限时，报警并绿灯亮。

光照部分：

要实现光照强度的测量并能控制光照时间的长短。

因此需要光照强度传感器采集光照强度，通过A/D转化为单片机可处理的数据并显示，可以通过键盘设定光照时间的长度。

2.1.2总体方案设计

通过以上要求和分析，方案设计主要是完成选择测量温度和测量光照的传感器。

测量温度方案比较

方案一：

热敏电阻

可以利用热敏电阻的感温效应，将其温度转化为热敏电阻两端的电压，进行A/D采样，单片机对其采集到的数据进行处理，最终转化为温度显示。

这种设计需要用到A/D转化电路，其中还设计到温度和热敏电阻值之间的非线性对应关系，测量温度电路比较复杂。

并且它的测量过程和测量结果都容易被温度影响，从而导致测量误差比较大。

方案二：

数字温度传感器DS18B20

考虑到温度传感器，由于单片机处理的数字信号，因此在设计单片机电路时首先考虑到的是数字式传感器，DS18B20温度传感器，单片机不需A/D转换器就可以直接读取被测温度值，运用简单的转化公式就可以将其转化为实际的温度值，因此测量电路简单，精度高，硬件电路和软件编程都容易实现，且使用单片机端口少。

由以上两种方案的分析对比可知方案二电路简单，成本低，单片机端口占用少、可靠性高，软件实现相对简单。

因此本系统选择方案二。

测量光照强度方案比较

方案一：

照度传感器

光照强度简称照度，定义为照射在单位面积上的光通量即E=dΦ/dS。

照度的单位勒克斯（Lux或Lx）。

照度传感器主要用来测量光照强度，具有测量范围宽、线形度好、使用方便、防水性能好、便于安装等特点，广泛应用于农林业、养殖、温室大棚培育和建筑建设等的光照测量及研究。

虽然照度传感器具有以上优点，但是其成本很高，使用难度很大，不适合用在对测量精度不高的场合。

方案二：

光敏电阻

光敏电阻，是利用半导体的光电导效应制作的特殊的电阻，又称为光电导探测器。

光敏电阻几乎完全是由半导体材料制造成的光电器件，对光线十分敏感，当有光照时，其阻值迅速减少，因此可广泛应运于各种光检测的场合。

综合以上两种方案，考虑各自的优缺点，结合本课题要求以及成本考虑，最终选择方案二。

图2-1系统整体设计框图

Fig.2-1SystemBlockDiagram

结合以上对传感器的选择，本系统主要分为四个部分，分别为温度采集和检测电路，光照采集和检测电路，按键和显示电路以及报警系统电路。

第一部分温度采集和检测部分，该主要完成温度数据的传输以及处理，包括底层总线驱动。

第二部分为光照检测部分，光照检测是根据光敏电阻在不同光照强度下的阻值的变化，利用光敏电阻将光信号转为的电信号，再将光敏电阻转换后的电信号经A/D转化为数字信号，最后经单片机处理后输出显示对应的电压值。

第三部分为按键和显示电路，该部分主要通过按键设定报警温度的上限和下限以及设计光照时间的长度，显示部分主要负责显示当前的温度值以及设定的限定值，可通过按键切换显示当前值和设定值。

第四部分为报警系统，该部分主要通过LED灯和蜂鸣器完成当温度超过设定的限制时的报警。

通过以上部分的协调组合，完成整个系统的设计，图2-1为系统整体设计框图。

由于本课题中的输入主要为更改参数值，且其所需按键不多，因此初步选定使用独立按键实现，同时为了减少单片机通用I/O口，设定了按键的两种模式，即长按键和短按键，初步设计使用四个独立按键实现本课题参数的更改输入。

为了方便说明，按键编号分别设为S1~S4，S1定义为模式选择按键，当第一次按下时选择显示模式，显示模式分两屏显示，模式一为显示实时的温度值和光照值，模式二为显示设定的温度上限和下限以及光照时间的长度。

在系统正常工作时显示为模式一，当长按下S1时，显示模式进入模式二，即设定参数模式，此时S1为参数切换按键，短按下S1，对应的修改参数切换一次，（需要更改的参数在闪烁），S2为加一操作按键，只有短按下功能，在S1选择为参数更改功能的条件下，每按下一次S2，对应的参数增加一，S3为减操作，也只有短按下功能，每次按下时，对应的参数减少1，S4为确定按键，当参数修改好之后，再按下S4表示参数修改完成。

此时再长按下S1切换为正常显示模式。

通过以上按键的操作，可以完整的完成本课题所需的功能。

2.2设计流程

这部分主要说明系统设计的整个流程，整体设计主要分为硬件电路设计和软件程序设计。

硬件设计流程：

根据本课题的要求，确定课题要实现的功能，然后确定每部分需要的电子元器件，在本课题中主要有两个功能模块，即温度测量部分的温度传感器和光照测量部分的光照测量传感器，最后设计整体电路。

软件设计流程：

软件设计流程是根据前一部分选择的硬件元器件，以及最终的设计结果，设计可以驱动硬件部分并可以实现本课题的程序流程。

本课题中软件设计主要通过单独设计各个模块，在测试各个模块能够独立工作的前提下，综合各个模块完成本课题的需要。

系统设计流程图如图2-2.

图2-2系统设计流程图

Fig.2-2Systemdesignflow

3系统硬件设计及实现

3.1单片机简介

3.1.1单片机的应运领域

由于单片机具有集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗和具有优异的性价比等特点，因此，单片机应用领域无所不至，在自动化装置、智能仪表仪器和家用电器等领域得到了广泛的应用（黄凤娟，2006）。

单片机典型的应用领域有：

（1）智能仪器

（2）工业控制

（3）家用电器

（4）网络和通信

（5）设备领域

（6）模块化系统

（7）汽车电子

因此在本课题的设计当中，选用STC89C51作为本课题的主控制器。

3.1.2STC89C51单片机的内部结构图

STC89C51芯片是STC公司生产的带有64K字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器的8位单片机（STC单片机数据手册，2006）。

STC公司推出的STC89C51很快应用到了许多嵌入式控制平台，并提供了一种高度灵活和低成本的解决办法。

STC89C51单片机的内部结构图如图3-1。

图3-1STC89C51系列单片机内部结构图

Fig.3-1STC89C51seriesMCUinternalstructure

3.1.3STC89C51单片机引脚说明

图3-2单片机STC89C51引脚图

Fig.3-2STC89C51microcontrollerPinningDiagram.

VCC：

电源电压

GND：

地

P0/P1/P2/P3口：

所有的P口都可以作为普通I/O口使用，同时P0口由于是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为数据I/O口时需加上拉电阻。

STC89C51单片机最小系统设计

单片机最小系统，是指用最少的元器件组成的，并且能让单片机正常工作的单片机系统。

通常也称作单片机最小应用系统。

对51系列单片机最小系统由单片机、复位电路和时钟电路组成。

如图3-3所示为本系统中的最小系统。

图3-3STC89C51单片机最小系统电路图

Fig.3-3Schematicsmallestsingle-chipsystemofSTC89C51

复位信号为高电平有效，高电平要求至少保持24个震荡周期，复位信号对应引脚为RST。

本课题采用上电复位和按键复位的方法实现复位操作，单片机上电后电容充电自动复位，按键复位是利用开关按钮来实现的，通电后按下按键，使得瞬间单片机RST端电位与VCC相同，此后随着电容两端电压在不断的增加，电容充电接近完成，充电电流逐渐减少，RST端的电位逐渐接近低电平，这样在RST就建立了一个高脉冲电压，调整电容容量和电阻的阻值可以对高脉冲持续的时间进行调节。

单片机系统必须具有一个时钟电路。

由于组成单片机的基础器件是各种各样的数字逻辑器件，如组成RAM和I/O中用到的触发器、寄存器和存储器等，而数字器件的工作必须按时序来完成，没有时钟电路单片机就无法正常工作。

在此设计中，时钟源选用12MHz的晶振。

由于在单片机下载过程或者未用到的引脚，单片机的端口输出电平为不确定值，同时综合考虑单片机引脚的输出电流的限制，对本系统中用到的引脚均加入了上拉电阻，这样能有效的避免引脚电平不确定问题和输出单片机输出功率不够的问题，不仅使系统更可靠，而且也增加了单片机的寿命。

本课题中加入了10K的上拉电阻。

3.2温度测量电路及报警电路的设计

这部分主要完成温度的测量电路以及报警功能电路的实现。

3.2.1数字温度传感器DS18B20简介

DS18B20数字温度传感器提供9~12位（可配置）的数字值温度读数，通过单总线（1-Wire）接受和发送数据信息，因此和微处理器连接时仅需一个数据线（和地线），可以通过自身的数据线为数据的读取，写入和转换温度提供电源。

同时，由于DS18B20含有唯一的序列号，一条总线上可以同时存在多个DS18B20，可以实现测量多个不同点温度的要求（DS18B20datasheet）。

正是由于这个原因，才使得DS18B20广泛应用于不同场合的测温，包括建筑物内部的温度感应，生产设备和机械，以及过程监控和控制等场合。

3.2.2DS18B20功能特点及内部逻辑结构

图3-4DS18B20内部逻辑结构

Fig.3-4DS18B20internallogicstructure

DS18B20的内部逻辑结构图如图3-4。

从图可以看出DS18B20外部只有单个引脚，其中一个接地，一个是电源正极，还有一个DQ引脚是单总线。

图左侧部分为接口电路，与外部的信号转换都由接口电路完成。

内存控制逻辑（MEMORYCONTROLLOGIC）相当于DS18B20内部的CPU，当其处理完外部命令后把处理结果发送到外部单总线上。

配置寄存器（MEMORYCONTROLLOGIC）存放配置信息，可以通过编程把配置寄存器的值存放在EEPROM中，防止断电后丢失。

3.2.3DS18B20引脚排列

DS18B20采用3脚TO-92和8脚SOIC排列（DS18B20Datasheet），其引脚排列如下图3-5所示。

图3-5DS18B20引脚排列

Fig.3-5DS18B20PinningDiagram.

3.2.4测量温度电路设计

本课题的测温只用到了一个DS18B20，且选择了外部电源供电模式，上拉电阻根据数据手册的要求，选择了4.7K的上拉电阻，选择单片机的P3.7口作为DS18B20的数据口，由以上传感器介绍和部分分析，设计DS18B20电路如图3-6所示。

图3-6DS18B20温度测量电路

Fig.3-6DS18B20temperaturemeasurementcircuit

3.2.5报警电路的设计

根据任务书，报警系统主要完成对温度超过上限或者下限时的报警，当舍内温度高于设定值时，显示并红灯亮。

当舍内温度低于设定值时，显示并绿灯亮。

因此本部分包括报警LED灯和蜂鸣器电路。

三极管8050工作在饱和截止两种状态，即起到开关作用。

具体电路设计如图3-7。

图3-7温度报警电路图

Fig.3-7Temperaturealarmcircuit

3.3测量光照电路及控制光照时间电路设计

3.3.1光敏电阻简介

光敏电阻在无光照，电阻值很大，电路中电流很小，此时的阻值称为光敏电阻的暗电阻；有光照时，电阻值急剧减少，电流迅速增加此时的阻值称为亮电阻。

图3-8为光敏电阻的结构图。

图3-8光敏电阻的结构图

Fig.3-8StructureofPhotoresistor

因光敏电阻灵敏度很高的原因，光敏电阻的光电导部分一般要严密封装在玻璃壳体内以防止受潮湿，封装如图3-9。

图3-9光电导体封装图

Fig.3-9photoconductorPack

3.3.2A/D转换器PCF8591简介

A/D转换器简称ADC，由于本课题中A/D选用的是PCF8951,因此以下会详细介绍它的工作原理以及使用条件。

PCF8591为单电源供电，供电电压范围为：

2.5V~6V。

并且PCF8591具有待机电流低，测量电压范围高（VSS~VDD），使用方便，采用I2C总线串行输入/输出，总线采集速率取决于I2C总线速度。

有四路8位逐次逼近式A/D转换，可以通过软件编程配置成单端输入和差分输入两种输入模式，自动增量通道选择等特点。

PCF8591引脚排列如图3-10所示。

图3-10PCF8591引脚图

Fig.3-10PCF8591PinningDiagram.

3.3.3测量光照强度模块设计

综合以上对于光敏电阻和PCF8591ADC的介绍，设计光照强度测量电路如图3-11所示。

图3-11光照强度测量电路设计

Fig.3-11Lightintensitymeasurementcircuit

由于本课题中只用到一块PCF8591，因此设计A0、A1和A3地址为0，即接地。

PCF8591具有四路A/D，本课题也只用到了一路。

使用内部时钟，因此EXT接地不需要内部时钟输出，OSC不需要连接。

设光敏电阻为Rx，分压电阻为R1，PCF8591检测到的电压为V1，因此，当光照强度增强时检测到的电压也增大，反之则减小。

（1）

3.3.4显示与按键模块设计

本课题用独立按键作为外部输入更改需要设定的参数值，包括报警温度上限和下限以及光照时间长度。

用LCD1602显示温度和光照强度，以及需要设定的报警温度上限和下限，光照时间。

LCD1602显示电路如图3-12所示。

图3-12LCD1602显示电路

Fig.37LCD1602displaycircuit

由以上电路可知，LCD数据端使用单片机P0口8位传输，LCD1602型号为SMC1602ALCM,也称作1602字符型液晶，专门用来显示字母、数字、符号，具有若干个5x11或者5x7的点阵字符位组成，每位字符和每行之间都有一个点间距，主要是为了隔开