基于单片机的畜禽养殖环境温湿度及有害气体监控系统.doc
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本科毕业设计（论文）
基于单片机的畜禽养殖环境温湿度及有害气体监控系统设计
燕山大学
2014年6月
本科毕业设计（论文）
基于单片机的畜禽养殖环境温湿度及有害气体监控系统设计
学院：
专业：
测控技术与仪器
学生姓名：
学号：
指导教师：
崔建新
答辩日期：
2014-6-21
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
仪器科学与工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
检测技术与仪器
题
目
题目名称
基于单片机的畜禽养殖环境温湿度及有害气体监控系统设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。
2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
1.了解分析现有养殖环境控制技术原理及优缺点；
2.根据专业知识探讨研究养殖环境控制的方法；
3.检测仪器的设计（包括硬件、软件部分）
基
本
要
求
1.按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2.4万字），A0图纸。
2.说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。
3.按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。
4.进行5000字以上的课题相关内容的外文资料翻译；
参
考
资
料
1、基于PICl8F2580的畜禽舍有害气体控制系统．测控技术；
2、制冷装置自动化；
3、新型电路设计原理及实例介绍；
4、单片机原理设计；
5、创新思维方法论
周次
1—4周
5—8周
9—11周
12—15周
16—17周
应
完
成
的
内
容
查阅并消化理解资料，找出主要问题，确定主电路拓扑
了解工作原理，芯片的使用要求和基本使用方式，设计、计算电路有关参数。
利用仿真软件进行局部电路的仿真。
给出全部工程图纸和元器件表。
撰写论文
画图、准备答辩
指导教师：
职称：
讲师2013年11月7日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
摘要
近年来我国畜禽产业有了很大的发展，畜禽养殖提高了国民的经济收入，成为促进农业经济增长的重要方式。
然而随着规模的不断扩大，人们生活水平的不断提高，人们对各类畜禽肉的需求不断增加，对安全、高品质、无污染、绿色食品的需求也日益强烈，养殖场的环境越来越引起公众和政府相关部门的关注，特别是“口蹄疫”、“疯牛病”和“禽流感”等疾病的出现后，迫使畜禽养殖业必须改变传统的养殖方式，实行现代有效的养殖环境监测手段。
研究表明，畜禽的生长的与营养、遗传、环境等因素有关，其中养殖环境是影响畜禽健康生长的重要因素。
尤其是封闭式的畜舍，温湿度波动比较大，对畜禽的生长繁殖影响比较大。
其中主要的有害气体有硫化氢、氨气。
养殖场中的温湿度、有毒有害气体浓度等能比较全面的反映畜禽的生长环境优劣。
因此，根据养殖场环境的特点，本文设计了基于AT89C52单片机的温湿度及有害气体监控装置，很好的解决了这个难题。
关键词 畜禽养殖DHT11MQ135继电器
1
Abstract
Abstract
Inrecentyears,livestockandpoultryindustryinourcountryhasmadeagreatdevelopment.Livestockandpoultryindustryimprovednationaleconomyincomeandbecameanimportantwaytoimproveagricultureeconomyincome.However,withtheexpansionofscaleandtheimprovementoflivingstandard,peoplehaveanincreasinglydemandoflivestockandpoultrymeat.Thus,peoplealsohaveagreatdemandonsafe,highquality,non-pollution,andgreenmeat.Theenvironmentoffarmhasattractedattentionfrompublicandgovernmentdepartment.Especiallywiththeappearanceofaftosa,bovinespongiformencephalopathy,avianinfluenza,andotherdisease,livestockandpoultryindustryhastochangetraditionalfarmingformandimplementmodernandeffectivefarmingenvironmentmonitormethods.
Accordingtosomeresearches,thenutrition,heredity,andenvironmenthavegreatimpactonlivestock’sgrow.Inallthesefactors,farmingenvironmentisthemostimportantfactortoinfluenthealthygrowsoflivestockandpoultry.Especiallyinclosedfarm,humidityandtemperaturealwayschange,andtheyhaveagreatimpactongrowsoflivestock.Inafarm,ithassomeharmfulgasincludinghydrogensulfide,carbondioxide,andammonia.Humidityandtemperatureinafarmanddensityofharmfulgascouldreflecttheconditionoflivestockandpoultry’slivingcondition.Thus,accordingtofeaturesofafarm,anaccuracymeasurementofhumidity,temperatureanddensityofthoseharmfulgasesareverynecessary.Theseparameterscouldprovideimportantreferenceswhenweneedtoadjustandcontrolfarmenvironment.
Keywords AT89C52DHT11MQ135RELAY
1
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3研究的基本内容 3
第2章系统硬件结构设计 4
2.1系统总体结构设计 4
2.2系统硬件结构设计 4
2.3系统相关硬件 4
2.4系统设计目标 5
2.5本章小结 6
第3章系统硬件电路设计 7
3.1单片机电路 7
3.1.1AT89C52单片机简介 7
3.1.2单片机的外围电路 9
3.2温湿度采集模块 11
3.2.1DHT11数字温湿度传感器的介绍 11
3.2.2DHT11模块 14
3.3气体传感器传模块 15
3.3.1MQ135传感器简介 15
3.3.2MQ135模块 16
3.4报警模块 18
3.5控制系统模块 19
3.6本章小结 19
第4章系统软件编译和实物调试 20
4.1开发环境 20
4.2软件总体设计思想 20
4.3软件调试及实验研究 21
4.3.1程序烧录器STC-ISP 21
4.3.2实验现象及实物展示 23
4.4本章小结 26
结论 27
参考文献 28
致谢 30
附录1开题报告
附录2中期报告
附录3程序
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题背景和意义
近年来我国国内畜禽产业有了很大的发展，畜禽养殖提高了国民的经济收入，成为促进农业经济增长的重要方式。
然而随着规模的不断扩大，人们生活水平的不断提高，人们对各类畜禽肉的需求不断增加，对安全、高品质、无污染、绿色食品的需求也日益强烈，养殖场的环境越来越引起公众和政府相关部门的关注，特别是“口蹄疫”、“疯牛病”和“禽流感”等疾病的出现后，迫使畜禽养殖业必须改变传统的养殖方式，实行现代有效的养殖环境监测手段[1]。
畜禽养殖产业化作为我国畜牧业发展的一个趋势，近年来饲养方式向高密度、集约型的方向发展，畜禽舍环境问题已成为制约我国畜禽生长的重要因素之一。
首先，畜禽舍的环境对畜禽生产能力有较大影响，研究发现，夏、冬季不利的畜禽舍环境将导致畜禽生产能力下降高达10%～20%，在很大程度上影响了畜禽健康和生产能力[2]；其次，自2001年我国加入到WTO后，畜禽产品出口日益受到相关国家及地区的重视，畜禽产品出口的多少直接影响到我国出口总额[3]。
养殖业的生产实践和相关的科学研究已经表明，畜禽舍环境监控的好坏已成为影响畜禽养殖发展的重要因素。
畜禽的生长不仅受营养、遗传等因素影响，其生长环境也将直接影响禽畜的健康。
尤其是封闭式的畜舍，光照有限，温湿度波动比较大，对禽畜的生长繁殖影响比较大[4]。
其中主要的有害气体有硫化氢、氨气[5~7]。
禽畜舍中的温度、湿度和有毒有害气体浓度等能比较全面的反映禽畜的生长环境优劣。
因此，根据畜舍环境的特点，对温湿度、有毒有害气体浓度这些主要环境参数准确和实时监测是十分有必要的，它能为以后的畜舍环境调控提供重要的参考依据。
1.2国内外研究现状
随着世界各国经济的飞速发展，人们对物质要求的不断提高，畜禽养殖业逐渐向着规模化、产业化和集约化方向发展。
出现大规模的畜禽养殖业的生产厂家，但是畜禽养殖产量受原有的饲养方式和落后的养殖设备所制约，迫切需要自动化程度高、调控方便的畜舍环境调控设备。
在这种条件下，一些发达国家的大中型环境监测调控设备迅速发展起来，并向着配套化、自动化和标准化的方向发展。
欧美，日本等一些发达国家走在该项研究的前沿，取得了一些重要的研究成果。
1978年，日本东京大学最早研制出微型计算机温室综合环境控制系统[7]。
该系统以计算机作为核心控制器，对温室内的诸多环境因子进行控制。
而以色列环境控制系统是现阶段国际比较典型的代表性产品，具有很强的实用性，可以根据控制对象的特点选用不同类型的控制器及外围设备，可监测温度、湿度、风速、风向、光照、CO2、雨量等数据[8~10]。
日本生产的环境调控集群控制系统还引入了专家系统，不仅能起到环境调控的作用，还能诊断出发病畜禽[11]。
荷兰的“派司雷风”公司经过几十年的研究，主要生产对孵化厂的环境控制设备，其产品具备很完备的网络化和无线通信化功能。
Demmeretal对氨气的排放和自然通风量问题进行了详细的研究[12]。
在国内，与发达国家相比较，虽然我国的畜禽养殖产业发展的比较晚，但经过科研人员的不断努力，我国已经取得了一些科研成果。
自80年代初以来，在我国科研人员的努力下，我国的畜禽舍在采用密闭的方式进行饲养的同时，采用了温度传感器和光照传感器对养殖环境进行连续不间断的监测，并配备了相应的控制设备[13]。
北京农业大学的夏荣和韩宽襟等人以系统动力学原理为基础，把鸡舍环境控制作为一个整体系统来研究，在模型中改进各种环境控制条件来进行模型实验，模拟结果可以为优化鸡舍环境控制提供依据[13~15]。
江苏大学刁统山等的禽畜饲养场有害气体测控系统研究，可以实现对禽畜舍养殖环境的监测和调控。
江苏省农业科学院的王冉、徐本崇等开发了一套基于无线传感网络的畜舍环境监控系统，能够监测大气压、氨气浓度等指标，并能控制相关设备的开启和关闭[16]。
河北农业大学的阎昭设计出禽畜舍多参数记录仪，该仪器可以一次性检测多个环境参数，使用简便、测量精度高。
河北农业大学的王骞在阎昭的基础上，再次开发了基于多参数记录仪的环境监测系统，可实现实时监测等功能[17]。
中国农业科学院农业信息研究所的李秀峰和艾红波创新的提出了畜禽养殖物联网设计方案，该方案从系统需求、系统功能和技术架构三方面进行介绍，并对相关技术进行简要的分析[18]。
总的来说，美国、荷兰和日本等国在畜舍养殖环境监测调控方面做了大量的基础性的研究，并取得了大量的第一手科研数据，为后期大规模实际生活、生产应用做了大量的准备工作[19~21]。
尤其是日本，把环境监测和调控与畜禽健康诊断有机的结合起来，很好的做到了“测-控-防”三位一体综合监控系统，这些成功的经验，都是值得我们学习和借鉴的[22]。
而我国这方面起步比较晚，目前只停留在单一的畜舍养殖环境监控方面，有些有毒有害气体并没有列入被监测范围，更没有将畜禽健康诊断纳入研究范围，而且缺少有分布式查询功能的监测系统。
因此，我国在畜舍养殖环境监测方面还需要进一步的研究。
1.3研究的基本内容
本课题的任务是设计畜禽养殖环境温湿度及有害气体自动监测控制装置。
具体有以下研究内容。
（1）监测畜禽养殖场的温湿度和有害气体的浓度。
（2）通过监测到的温湿度信号经过单片机处理后，显示在液晶显示屏上。
（3）对超限的温湿度和有害气体信号进行报警。
（4）单片机处理把超限报警的信号传到控制模块，通过控制模块对养殖环境进行反馈调节以达到畜禽养殖的最佳环境。
29
第2章系统硬件结构设计
第2章系统硬件结构设计
2.1系统总体结构设计
根据系统功能要求，本硬件系统包括3大的功能模块：
1、数据采集模块。
实现温、湿度实时数据采集与数据转换。
2、测控电路模块。
主要由单片机组成主控电路，实现数据收集与控制功能，并能在主机关机的情况下独立实现所有的控制功能。
3、执行机构。
接收单片机发出的控制信号，并把它转换成调整机构动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。
系统结构框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
2.2系统硬件结构设计
整个系统由单片机控制、A/D转换器、温湿度传感器、有害气体传感器、液晶显示器、蜂鸣器、控制模块等7个部分组成。
该测控系统以温湿度、有害气体（硫化氢、氨气）浓度监测为重点，温湿度、有害气体浓度参数和设备运行状态由用户根据畜舍环境要求自行设定,并在液晶显示屏上显示当前的温湿度信息。
单片机是控制平台的核心,温湿度数据的采集通过温湿度传感器获得,有害气体（硫化氢、氨气）浓度的监测通过有害气体传感器获得，当温湿度和有害气体浓度高于或者低于用户设定值时,由单片机将信号传给蜂鸣器,此时蜂鸣器报警,与此同时控制系统启动对相应的超限环境因素进行自动调节，以达到最适宜的畜禽养殖环境。
系统硬件框图如图2-2所示。
2.3系统相关硬件
（1）核心芯片——STC89C52单片机
（2）温湿度采集模块——DHT11温湿度传感器
（3）有害气体采集模块——MQ135气体传感器
（4）报警模块——蜂鸣器
（5）显示模块——1602LCD显示器
（6）控制系统——四路继电器、LED
（7）其他——电容、电阻、导线若干
图2-2系统硬件框图
2.4系统设计目标
（1）完成温湿度信号的采集；温度、湿度信号的采集采用温湿度传感器DHT11模块，该传感器模块是温湿度一体化传感器，输出信号为单总线数字信号，含有信号校准功能，精度较高[23]。
监测适宜湿度范围：
44%~68%（相对空气）。
监测适宜温度范围：
15℃~30℃。
（2）完成有害气体浓度（硫化氢、氨气）信号的采集；有害气体浓度的采集采用有害气体传感器MQ135模块，MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高[24~25]，对烟雾和其它有害的监测也很理想。
这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
检测的有害气体浓度主要是：
氨气、硫化氢。
氨气浓度不宜超过空气的10×10-6，硫化氢浓度不宜超多空气的8×10-6。
（3）采集的数字信号经过单片机的处理后，输出到lcd1602的液晶显示器上。
（4）完成检测系统软件设计；系统软件主要包括单片机的初始化、传感器的初始化、数字信号的接受处理、信号的显示等功能。
2.5本章小结
本章主要介绍了本次设计的研究意义，国内外的现状，以及本次研究的主要研究目的和方向，并且介绍了本次设计的主要章节安排和每章节所要实现的内容。
第3章系统硬件电路设计第4章系统软件编译和实物调试
第3章系统硬件电路设计
3.1单片机电路
3.1.1AT89C52单片机简介
AT89C52是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2052是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3-1所示[15~18]。
图3-1AT89C52引脚图
引脚介绍：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写”1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址”1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入”1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.1.2单片机的外围电路
（1）晶振电路
单片机必须在时钟的驱动下才能工作,电容大小没有固定值，一般二三十pF。
晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。
单片机必须在时钟的驱动下才能这个脉冲就是单片机的工作速度，比如 12M晶振。
单片机工作速度就是每秒 12M，和电脑的 CPU概念一样.当然.单片机的工作频率是有范围的，不能太大，一般 24M就不上往了，不然不稳定。
在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机 的工作速度[19]。
晶振电路如图3-2所示。
图3-2晶振电路
（2）复位电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作
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