岳 睿 李 艷

(1.無錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無錫 214153；2.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153；3.淮安市明森機(jī)械制造有限公司，江蘇 淮安 223005)

1.緒論

養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖人員在養(yǎng)殖場(chǎng)里行走時(shí)，要考慮到養(yǎng)殖場(chǎng)節(jié)能效應(yīng)。最好能設(shè)計(jì)一種養(yǎng)殖人員到了哪里，哪里的智能燈就打開，養(yǎng)殖人員離開那兒，那兒智能就熄滅，有利于節(jié)能，也不打擾養(yǎng)殖場(chǎng)的動(dòng)物休息。夜晚的光照對(duì)養(yǎng)殖企業(yè)里面的家禽內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用十分明顯。例如，以產(chǎn)蛋雞為例，不同的光照強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)蛋雞的頻率與產(chǎn)蛋的大小是具有直接的影響。禽類有兩個(gè)光感受器器官：視網(wǎng)膜感受器和下丘腦感受器，光線刺激產(chǎn)蛋雞的視網(wǎng)膜感受器到達(dá)下丘腦感受器。另外，其設(shè)計(jì)的智能光線也可以作用于松果體及下丘腦。產(chǎn)蛋雞的下丘腦受到光線的光照刺激后分泌出，性腺激素通過垂體門脈系統(tǒng)到達(dá)垂體前葉，引起產(chǎn)蛋雞的卵泡的加快發(fā)育和排卵。產(chǎn)蛋雞發(fā)育的卵泡產(chǎn)生雌激素，使母雞雞冠變得紅潤(rùn)，雞的食量加大。雌激素的分泌還能促進(jìn)產(chǎn)蛋雞的鈣離子的代謝，鈣離子是雞蛋殼的必備物質(zhì)，有利于蛋雞的蛋殼形成。排卵激素則引起母雞排卵。所以設(shè)計(jì)好智能光照燈很有必要。在這方面，我們恰好積累了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.設(shè)計(jì)內(nèi)容

基于養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)一種智能燈,分別對(duì)環(huán)境光的亮度、家禽的位置、光線手動(dòng)調(diào)節(jié)及系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件進(jìn)行了研究。

STC89C51是低功耗、高性能Flash8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程閃存。STC89C51在單個(gè)芯片上配備8位CPU和系統(tǒng)可編程閃存，使STC89C51能夠?yàn)槎鄠€(gè)嵌入式控制應(yīng)用程序系統(tǒng)提供靈活高效的解決方案。8k字節(jié)閃存、512字節(jié)RAM、32位I/O端口線、監(jiān)視程序計(jì)時(shí)器、內(nèi)置4KBEEPROM、MAX810重置電路、3個(gè)16位計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)6矢量級(jí)2中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行端口，STC89X51也降至0Hz靜態(tài)邏輯操作在空閑模式下，CPU可能會(huì)停止工作，并繼續(xù)執(zhí)行RAM、計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行端口、中斷操作。在斷電保護(hù)模式下，RAM內(nèi)容將被保存，振蕩器將被凍結(jié)，單片機(jī)的所有操作將停止到下一次中斷或硬件重置。最高工作頻率35Mhz，6T/12T選項(xiàng)。本養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)總體圖如下。

3. ADC0832的引腳及功能

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度、價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。芯片采用的是ADC0832，以下介紹ADC0832的引腳及功能。芯片如圖2所示

圖2 ADC0832的引腳

ADC0832為A/D轉(zhuǎn)換芯片，適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。由圖可見，ADC0832設(shè)計(jì)有8個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：

養(yǎng)殖場(chǎng)光照設(shè)計(jì)電路中ADC0832，模擬信號(hào)只有通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后才能用軟件進(jìn)行處理，這一切都是通過A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間是32μS，利用雙數(shù)據(jù)輸出為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定，大大減少數(shù)據(jù)偏離。ADC的轉(zhuǎn)換原理根據(jù)ADC的電路形式有所不同。ADC電路通常由采樣、保持電路和量化、編碼電路四部分組成。其中量化、編碼電路是最核心的部件。與模數(shù)轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)的是數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換的逆過程，在一般的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中傳感器把非電量的模擬信號(hào)變成與之對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后經(jīng)模擬（Analog）到數(shù)字（Digital）轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送微機(jī)處理。這就是一個(gè)完整的信號(hào)鏈，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程就是我們經(jīng)常接觸到的ADC電路。

ADC0832的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理

ADC0832的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。ADC0832采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V電源供電就可以滿足。0809完成一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對(duì)0-5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

ADC0832連線圖

ADC0832與單片機(jī)的連線圖如圖3：

圖3 ADC0832的結(jié)構(gòu)框圖

圖4 ADC0832的連線圖

4.系統(tǒng)組成及電路設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)，因此創(chuàng)新之處也在于處理生活中一些比較常見的問題。以專門感應(yīng)人體紅外信號(hào)的熱釋電紅外傳感器為基礎(chǔ)，利用單片機(jī)進(jìn)行處理，以達(dá)到便于控制的目的。

4.1 系統(tǒng)組成部分

（1）系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)組成如圖5所示，主要由四部分組成：

圖5 系統(tǒng)示意圖

傳感器部分：超導(dǎo)傳感器、光傳感器；

（2）由89C51組成的中央處理單元：處理信號(hào)并發(fā)出控制命令。

（3）照明控制電路部分：根據(jù)89C51提供的命令控制照明亮度和亮度。

系統(tǒng)控制核心：

這個(gè)智能支架的系統(tǒng)主要由傳感器、MCU設(shè)備、鑰匙、燈等組成。信號(hào)檢測(cè)和處理部分由熱傳導(dǎo)紅外線傳感器、光敏電阻組成。傳感器的作用是檢測(cè)是否有動(dòng)物，因此僅對(duì)波長(zhǎng)為10m(人體輻射紅外波長(zhǎng))左右的紅外輻射敏感，除人體外，其他物體不發(fā)生探測(cè)動(dòng)作。光敏電阻的作用是檢測(cè)燈周圍環(huán)境的照明強(qiáng)度。MCU部分使用89C5l單片機(jī)。這款單片機(jī)價(jià)格低廉，開發(fā)簡(jiǎn)單，操作方便，可加密，因此市場(chǎng)占有率很高。單片機(jī)的作用是接收傳感器返回信號(hào)，處理后控制顯示、報(bào)警、燈等電路操作。智能燈的亮度控制由晶體管驅(qū)動(dòng)，通過單片機(jī)的IO端口輸出PWM脈沖來控制智能燈的亮度。

4.2 電路設(shè)計(jì)部分

傳感器組成的信號(hào)檢測(cè)和處理部分在電路設(shè)計(jì)部分，單片機(jī)是此次智能節(jié)能燈設(shè)計(jì)的主要控制裝置，主要控制電路照明，控制電路在單片機(jī)的控制下工作。傳感器在設(shè)計(jì)中起著重要作用，傳感器組成的信號(hào)檢測(cè)和處理部分電路原理如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照?qǐng)D

圖1是由熱傳導(dǎo)紅外傳感器、光敏電阻組成的信號(hào)檢測(cè)和處理電路。紅外熱傳導(dǎo)紅外傳感器只對(duì)波長(zhǎng)為10m(人體輻射紅外波長(zhǎng))的紅外輻射敏感，因此人體以外的物體不會(huì)引起探針動(dòng)作。探針內(nèi)包含兩個(gè)相互連接或平行的熱傳導(dǎo)元件，兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱傳導(dǎo)元件起著幾乎相同的作用，因此放電效果相互抵消，因此探測(cè)器無法輸出信號(hào)。人一旦侵入探測(cè)區(qū)，人體紅外輻射就會(huì)通過一些鏡子聚焦，由熱電源接收。但是兩個(gè)熱源得到的熱量不同。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)不同，不能抵消，所以輸出檢測(cè)信號(hào)。

4.3 傳感器部分

其實(shí)傳感器的本質(zhì)是將檢測(cè)到的對(duì)象的非電量的各種變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。這里用于檢測(cè)家禽的集聚，飼養(yǎng)人員的到來與離開，當(dāng)飼養(yǎng)人員到來時(shí)，控制系統(tǒng)即打開智能燈，當(dāng)飼養(yǎng)人員離開養(yǎng)殖場(chǎng)的某個(gè)地點(diǎn)時(shí)，該地點(diǎn)的控制系統(tǒng)即在傳感器的協(xié)助下即關(guān)閉智能燈，一切的動(dòng)作離不開傳感器的監(jiān)控。當(dāng)然在傳感器的監(jiān)控下也可以“通知”養(yǎng)殖場(chǎng)的管理人員及時(shí)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度、光照情況及時(shí)監(jiān)控，比如動(dòng)物分類飼養(yǎng)中有的產(chǎn)蛋雞需要光照，有的病雞需要休息，養(yǎng)殖場(chǎng)的管理人員均可以進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)控管理，十分方便養(yǎng)殖場(chǎng)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約大量勞動(dòng)力，使得企業(yè)減員增效。

4.3.1 超導(dǎo)紅外傳感器的原理特性

本設(shè)計(jì)的熱電紅外傳感器，內(nèi)部熱電源由熱電系數(shù)高的鈦酸鉛汞、陶瓷和鉭鋰、硫酸、三甘鐵等過濾窗組成，隨著溫度的變化，極化也會(huì)有所不同。該傳感器可以在工藝中以反向連接或差分平衡電路的方式連接兩個(gè)特征匹配的熱源，以非接觸方式檢測(cè)物體發(fā)出的紅外能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱傳導(dǎo)紅外傳感器在結(jié)構(gòu)中引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的是完成阻抗轉(zhuǎn)換。熱電源輸出是電荷信號(hào)，不能直接使用，所以必須使用電阻轉(zhuǎn)換為電壓形式。阻力阻抗最大為104米，因此引入的N-通道耦合場(chǎng)效應(yīng)管必須連接到共同的泄漏形式，即源極跟隨器，完成阻抗轉(zhuǎn)換。超導(dǎo)紅外傳感器由傳感器檢測(cè)元件、干擾濾波器和場(chǎng)效管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)，要將高熱量電材料制成一定厚度的薄板材，兩面鍍上金屬電極，然后通電極化，形成熱電探測(cè)器。電極化的電壓有極性，所以極化的探測(cè)源也有正、負(fù)極性。當(dāng)養(yǎng)殖管理員進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，因養(yǎng)殖管理員溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT輸出;若養(yǎng)殖管理員體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。由實(shí)驗(yàn)證明，傳感器不加菲涅爾透鏡，其檢測(cè)距離小于2m，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測(cè)距離可大于7m，非常實(shí)用本設(shè)計(jì)的養(yǎng)殖場(chǎng)使用。養(yǎng)殖管理員人體發(fā)射的紅外線通過菲涅爾鏡頭聚焦到超導(dǎo)紅外傳感器的探測(cè)器時(shí)，養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)的電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)首先通過由電容C1、電容C2、電阻R1、電阻R2組成的帶通濾波器，本設(shè)計(jì)的帶通濾波器的頻率上限為16Hz，下限為0.16Hz，帶通幅度為15.84Hz。熱傳導(dǎo)紅外傳感器輸出的電壓非常微弱(只有1毫伏特左右)，該信號(hào)必須進(jìn)行放大，因此是變化的信號(hào)，在菲涅爾鏡片的作用下，輸出的電壓信號(hào)是脈沖形式，其脈沖電壓的頻率由被測(cè)家禽在養(yǎng)殖場(chǎng)的移動(dòng)速度決定，通常在0.1～10Hz左右，因此需要放大熱傳導(dǎo)紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)。養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)利用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行兩級(jí)擴(kuò)展，以獲得足夠大的電壓信號(hào)。

4.3.2 光敏電阻

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)的光敏電阻的制作材料為硫化鎘。這是因?yàn)楣猱a(chǎn)生的載體都參與導(dǎo)電性，在外部電場(chǎng)的作用下進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，電子走向電源的兩極，空穴跑到電源的陰極，所以光敏電阻器的阻力迅速下降。養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)的光敏電阻，用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的溴化物、硫化物等半導(dǎo)體。一般采用涂層、燒結(jié)等方法，可以在絕緣襯里上制作薄的光敏電阻體和梳歐姆電極，并接收較長(zhǎng)的金屬引線，封裝在有透光鏡的密封外殼里面，這樣可以防止養(yǎng)殖場(chǎng)的濕氣影響其靈敏度。半導(dǎo)體光敏材料兩端安裝電極康銅引線，為了提高養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)的電路的靈敏度，兩個(gè)電極梳成斜面。在養(yǎng)殖場(chǎng)黑暗的時(shí)，其電阻值就高。養(yǎng)殖場(chǎng)有光線時(shí)，光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，電子可以吸收光子的能量后跳到導(dǎo)帶上。并且在原子價(jià)波段產(chǎn)生帶正電荷的空穴。這種光產(chǎn)生的電子-空穴擊中半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)，降低電阻率，引起光敏電阻。養(yǎng)殖場(chǎng)的光照越強(qiáng)，阻力值越低。養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)入夜晚時(shí)，由光子刺激產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被合成，此時(shí)光敏電阻的電阻的大小也恢復(fù)到原來的大小。如果在光敏電阻兩端的電極上加上一個(gè)電壓，就會(huì)產(chǎn)生電流，養(yǎng)殖場(chǎng)的光照比較強(qiáng)時(shí)，電流隨著亮度增大，光電就轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻，使用時(shí)可以同時(shí)加上直流電壓和交流電壓，十分方便養(yǎng)殖場(chǎng)使用。

4.3.3 養(yǎng)殖場(chǎng)使用的光敏電阻

養(yǎng)殖場(chǎng)使用的光敏電阻主要有熱敏電阻，熱敏電阻是一種電阻值對(duì)溫度非常敏感的電阻器，這種電阻一般由單晶、多晶等半導(dǎo)體材料制成，其種類較多，如根據(jù)阻值的溫度數(shù)可分為阻值隨溫度升高而減少的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和阻值隨溫度升高而增加的正溫度系數(shù)熱敏電阻；養(yǎng)殖場(chǎng)均可以使用。如按阻值隨溫度變化的大小及變化速度；可分為緩變型和突變型兩種；如按電阻器受熱的方式來分，可分為直熱式和旁熱式兩種；熱敏電阻的主要特點(diǎn)是對(duì)溫度靈敏度高、熱惰性小、壽命長(zhǎng)、體積小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度測(cè)量控制、火災(zāi)報(bào)警應(yīng)用能取得良好的效果。養(yǎng)殖場(chǎng)使用的光敏電阻另一種為光敏電阻。這種光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體光效應(yīng)原理制成的，其電阻阻值大小可隨著入射光線的強(qiáng)弱而發(fā)生改變，光敏電阻主要由玻璃基片、光敏層、電極四個(gè)部分組成，養(yǎng)殖場(chǎng)使用的光敏電阻的光敏層所用的材料，可以分為單晶光敏電阻、多晶光敏電阻。按照光敏電阻的光譜持性，養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照設(shè)計(jì)主要采用可見光光敏電阻以及紅外光光敏電阻。紫外光光敏電阻對(duì)紫外線反應(yīng)十分靈敏，可用于探測(cè)紫外線，防止過量的紫外線灼傷家禽，又有利于適當(dāng)運(yùn)用紫外線對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)地殺毒；可見光敏電阻主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要有硒、硫化鎘、硒化鎘、硫化鋅等光敏電阻，非常適用于養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照自動(dòng)控制系統(tǒng)。

5.結(jié)束語(yǔ)

主程序流程圖

養(yǎng)殖企業(yè)節(jié)能智能光照自動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖