规模化猪场温湿度自动控制系统的设计与研究

摘要：在规模化猪场中，猪舍的环境，如温度、湿度、光照、有害气体等对猪的生长、生产性能有重要的影响。针对因温湿度过量或不足造成的生长速度慢、出栏率低的情况，设计了一种基于单片机AT89C2051的温湿度自动控制系统。温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HM1500，配以定时电路及数据存储器件，实现温湿度信号的采集、转换和存储。通过上位机和单片机之间的通信，使锅炉、风机等设备投入或退出运行，实现猪舍内温湿度的自动调节，使之保持在猪群生长所需的最佳小气候条件下。

关键词：猪舍；温湿度；自动控制；AT89C2051；DS18B20；HM1500

中图分类号：S828.46 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-03-0253-3

0 引言

长期以来，我国养猪多采用小农经济饲养模式进行[1,2]；改革开放以来，我国养猪方式发生了巨大的变化，良种繁育、饲料加工与供应、疫病防治和加工流通体系的建设已有了相当的规模。然而，与发达国家相比，从养猪生产水平来看，我们仍存在许多问题。首要的问题就是饲养周期长、出栏率低。我国生猪出栏率略高于发展中国家水平，远低于英国、荷兰、德国和美国；在屠宰胴体重上美国为125kg，加拿大为115kg，台湾为120kg，意大利为160kg，我国为110kg。另外在日增重、料肉比等方面也存在较大差距。我国养猪业的科技成果转化率仅为40%左右。而依靠科技进步提高养猪生产水平、降低成本、提高经济效益是发展我国养猪业的根本途径。

猪生长发育的潜力是由遗传决定的[3]，而环境则决定了这种遗传潜力能在多大程度上反映出来。再好的良种如果没有适宜的环境条件，其遗传优势也不能得到充分发挥，生长速度和出栏率自然就低（见表1 猪日增重与环境温度的关系）。基于这种情况，采用工程技术措施为规模化养猪创造适宜的生长条件是十分必要的。

表1 猪日增重与环境温度的关系

1 系统的硬件构成与设计

1.1 系统设计的总体思路

猪舍温湿度自动控制系统中，上位机选用微型通用计算机即可。它是整个控制系统的重要组成部分，利用良好的用户界面显示传感器采集的温湿度信息，进行一些较复杂的数据运算和存储，并且向单片机发出控制指令。电源模块向各个器件提供电源。单片机（MCU）负责现场高速数据采集。传感器采集的温湿度信号经过开关量I/O通道和A/D通道，配以复位和时钟电路的定时、计数功能，通过串行通信口向上位机传送单片机的工作状态及相关数据；同时从上位机接收指令，向锅炉、风机、湿帘、风车等设备发出控制命令，使这些设备自动投入或退出运行，从而将温湿度控制在预先设定的范围内，实现上位机对自动控制系统的管理，最终为猪群创造一个舒适的生长环境，达到提高出栏率、增加经济效益的目的。控制系统的框图如图1所示。

图 1 自动控制系统的框图

Fig1．Structure of automatic control system

1.2 系统的硬件设计

系统的硬件原理图如图2所示。图中简要的标示了温度传感器DS18B20和湿度传感器HM1500的引脚接线。

图 2 温湿度采集系统的电路原理图

Fig2．Schematics of temperature-humidity sensor gathering system

1.2.1 温度测量 单总线数字式温度传感器DS18B20[3,4,5]与微处理器连接仅需一条口线而实现双向通信。它只有三个引脚：电源Vcc、地线GND和数据线DQ。供电方式有两种：外部供电和寄生方式供电，这里选用后者。其测温范围为-5～+125℃；分辨率最高达0.0625℃。此外，每个DS18B20都分配了唯一的64位序列码，允许多个DS18B20工作在同一条总线上，减少了系统与传感器之间的接口。其内部结构除64位ROM，还有配置寄存器、温度传感器和非易失性温度报警触发器TH和TL。

89C2051的数据线DQ接P1.0口，该口先发出一个复位脉冲，DS18B20复位后向AT89C2051发出一个回应脉冲。AT89C2051接到回应脉冲后发送读DS18B20序列号的读ROM命令，读取各个DS18B20的序列号。然后A/D转化模块对采集的温度信号进行转换。当温度转换完成后， AT89C2051发出指令使DS18B20完成温度信息数据的转换和读取。典型的总线命令顺序为：初始化；ROM命令；功能命令。

1.2.2 湿度测量 HM1500是线性电压输出式集成湿度传感器[6]，它由湿敏电容HS1101设计制造，封装产品有三根引出线：蓝色―接电源；白色―接地；黄色―接输出。其测量范围在5-99%之间（相对湿度），分辨率达3%；工作环境温度为-30℃～+60℃；工作湿度范围为0-100%（相对湿度）；工作电压为5V，这里采用外部供电方式。

HM1500的测湿原理是由于以HS1101为核心制成的电容器件的感湿膜吸附和释放水分子，使介电常数发生变化，从而改变元件的电容量。其输出电压U0与相对湿度之间的关系可以用最小二乘法求得：

U0=1.1711+0.02377HR （a）

除了影响湿敏电容的迟滞特性，温度同样也直接影响显示值。这里采用测试和多元非线性拟合各温度条件下的特性曲线求出温度校准方程。HM1500的补偿方程为：

U= U0×10-3（39.1-0.056Ta）-38.5 （b）

在上式中，（b）可直接用于软件补偿，而（a）则是利用电路补偿得到的输出电压与相对湿度的关系。

2 系统的软件设计

单片机的软件开发工具有汇编语言和C语言，目前单片机软件开发的趋势是用C语言编写程序。软件系统利用传感器、计算机技术和检测技术对猪舍环境进行监测，实施基于适合猪群生长、肥育的最佳温湿度的自动数据采集，保证对猪舍卫生环境的控制。系统的流程图如图3所示。

主程序是控制和管理的核心，系统上电后对其定时器初始化并进行中断处理操作。当系统正常运转后进行温湿度自动检测及定时处理等操作。

子程序包括电源驱动，键盘输入，对DS18B20和HM1500的读、写以及显示，A/D转换。下面是通过分配单片机的内存，读出经过转换后的DS18B20采集的温度值的程序。

AT89C2051内存分配情况：

TEMPER_LEQU29H ；用于保存读出温度的低8位

TEMPER_HEQU28H；用于保存读出温度的高8位

FLAG1 EQU38H；是否检测到DS18B20标志位

A_BIT EQU20H；数码管个位数存放内存位置

B_BIT EQU21H；数码管十位数存放内存位置

因为12位转化时每一位的精度为0.0625℃，我们不要求显示小数所以可以丢弃29H的低4位；将28H中的低4位移入29H中的高4位,这样获得一个新字节,这个字节就是实际测得的温度值。

读出转换后的温度值的程序：

GET_TEMPER: SETB P1.0

LCALLINIT_1820 ；复位DS18B20

JB FLAG1，TSS2

RET；判断DS1820是否存在，若不存在则返回

TSS2：MOVA，#0CCH ；跳过ROM匹配

LCALL WRITE_1820

MOVA，#44H；发出温度转换命令

LCALLWRITE_1820；通过调用显示子程序实现延时一段时间，等待AD转换结束

LCALLDISPLAY

LCALLINIT_1820 ；读温度前先复位

MOVA，#0CCH ；跳过ROM匹配

LCALLWRITE_1820

MOVA，#0BEH ；发出读温度命令

LCALLWRITE_1820

LCALLREAD_18200 ；保存读出的温度数据保存

RET

图 3自动控制系统的流程图

Fig3．Flowchart of automatic control system

3 结束语

随着养猪业规模化、机械化、精细化的不断发展，养殖场对生产的组织管理提出了更高的要求，目前的环境控制设备还不能满足人们的要求。智能化、网络化、高可靠性的环境监测和调控设备是今后发展的必然选择。

一方面，环境控制设备要向更加精确化、数字化、标准化的方向发展；另一方面，伴随网络技术的快速发展，影响养殖效果的因素，如季节、环境、品种的不断变化，专家控制系统的引入是必要的。这种控制系统方式既体现了特定品种的猪群生长发育的内在规律，发挥了畜牧专家在畜牧生产中的指导作用，又充分利用了计算机的优势，使系统的监测和控制方便、有效。从而有效减轻猪场工作人员的负担，降低养殖难度，改善养殖效果。

参考文献

[1] 段诚中.规模化养猪新技术[M].北京:中国农业出版社,

2008.

[2] 刘红林,吕艳丽.现代养猪大全[M]．北京:中国农业出版社,2001.

[3] 刘俊伏,宗云.DS18B20与单片机的接口及编程技术[J].河北工业科技,2007,24(4):227-229.

[4] 黄华,牛智有.单片机技术在畜禽舍环境控制中的应用[J].农机化研究，2009,(5):185-189.

[5] 林倩,席春梅,赵凤行,等.基于AT89C51的人造气候小系统的研究与模拟[J].实验技术与管理,2010,27(3):88-91.

[6] 高美珍．基于PIC16单片机和HM1500的湿度测量[J].电子工程师,2004,30(10):22-23.

作者简介：赵扬帆（1985-），男，湖北郧县人，云南农业大学工程技术学院在读硕士研究生，研究方向：微型计算机控制、机电一体化。

通讯作者：郑永春，男，云南保山人，教授，云南农业大学工程技术学院硕士生导师，研究方向：农业工程研究。