养殖企业节能智能光照设计

岳 睿 李 艳

(1.无锡市环境科学与工程研究中心，江苏 无锡 214153；2.无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153；3.淮安市明森机械制造有限公司，江苏 淮安 223005)

1.绪论

养殖企业的养殖人员在养殖场里行走时，要考虑到养殖场节能效应。最好能设计一种养殖人员到了哪里，哪里的智能灯就打开，养殖人员离开那儿，那儿智能就熄灭，有利于节能，也不打扰养殖场的动物休息。夜晚的光照对养殖企业里面的家禽内分泌系统的调节作用十分明显。例如，以产蛋鸡为例，不同的光照强度和时间对蛋鸡的频率与产蛋的大小是具有直接的影响。禽类有两个光感受器器官：视网膜感受器和下丘脑感受器，光线刺激产蛋鸡的视网膜感受器到达下丘脑感受器。另外，其设计的智能光线也可以作用于松果体及下丘脑。产蛋鸡的下丘脑受到光线的光照刺激后分泌出，性腺激素通过垂体门脉系统到达垂体前叶，引起产蛋鸡的卵泡的加快发育和排卵。产蛋鸡发育的卵泡产生雌激素，使母鸡鸡冠变得红润，鸡的食量加大。雌激素的分泌还能促进产蛋鸡的钙离子的代谢，钙离子是鸡蛋壳的必备物质，有利于蛋鸡的蛋壳形成。排卵激素则引起母鸡排卵。所以设计好智能光照灯很有必要。在这方面，我们恰好积累了一些设计经验。

2.设计内容

基于养殖企业节能智能光照设计一种智能灯,分别对环境光的亮度、家禽的位置、光线手动调节及系统设备的软、硬件进行了研究。

STC89C51是低功耗、高性能Flash8位微控制器，具有8K系统可编程闪存。STC89C51在单个芯片上配备8位CPU和系统可编程闪存，使STC89C51能够为多个嵌入式控制应用程序系统提供灵活高效的解决方案。8k字节闪存、512字节RAM、32位I/O端口线、监视程序计时器、内置4KBEEPROM、MAX810重置电路、3个16位计时器/计数器、1个6矢量级2中断结构、全双工串行端口，STC89X51也降至0Hz静态逻辑操作在空闲模式下，CPU可能会停止工作，并继续执行RAM、计时器/计数器、串行端口、中断操作。在断电保护模式下，RAM内容将被保存，振荡器将被冻结，单片机的所有操作将停止到下一次中断或硬件重置。最高工作频率35Mhz，6T/12T选项。本养殖企业节能智能光照设计总体图如下。

3. ADC0832的引脚及功能

逐次比较型A/D转换器在精度、速度、价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。芯片采用的是ADC0832，以下介绍ADC0832的引脚及功能。芯片如图2所示

图2 ADC0832的引脚

ADC0832为A/D转换芯片，适应一般的模拟量转换要求。由图可见，ADC0832设计有8个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下：

养殖场光照设计电路中ADC0832，模拟信号只有通过A/D转化为数字信号后才能用软件进行处理，这一切都是通过A/D转换器（ADC）来实现的。设计芯片转换时间是32μS，利用双数据输出为数据校验，转换速度快且稳定，大大减少数据偏离。ADC的转换原理根据ADC的电路形式有所不同。ADC电路通常由采样、保持电路和量化、编码电路四部分组成。其中量化、编码电路是最核心的部件。与模数转换相对应的是数模转换，数模转换是模数转换的逆过程，在一般的工业应用系统中传感器把非电量的模拟信号变成与之对应的模拟信号，然后经模拟（Analog）到数字（Digital）转换电路将模拟信号转成对应的数字信号送微机处理。这就是一个完整的信号链，模拟到数字的转换过程就是我们经常接触到的ADC电路。

ADC0832的结构及转换原理

ADC0832的结构框图如图2。ADC0832采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电就可以满足。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。

ADC0832连线图

ADC0832与单片机的连线图如图3：

图3 ADC0832的结构框图

图4 ADC0832的连线图

4.系统组成及电路设计

养殖企业节能智能光照设计，因此创新之处也在于处理生活中一些比较常见的问题。以专门感应人体红外信号的热释电红外传感器为基础，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的。

4.1 系统组成部分

（1）系统工作原理

本系统组成如图5所示，主要由四部分组成：

图5 系统示意图

传感器部分：超导传感器、光传感器；

（2）由89C51组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令。

（3）照明控制电路部分：根据89C51提供的命令控制照明亮度和亮度。

系统控制核心：

这个智能支架的系统主要由传感器、MCU设备、钥匙、灯等组成。信号检测和处理部分由热传导红外线传感器、光敏电阻组成。传感器的作用是检测是否有动物，因此仅对波长为10m(人体辐射红外波长)左右的红外辐射敏感，除人体外，其他物体不发生探测动作。光敏电阻的作用是检测灯周围环境的照明强度。MCU部分使用89C5l单片机。这款单片机价格低廉，开发简单，操作方便，可加密，因此市场占有率很高。单片机的作用是接收传感器返回信号，处理后控制显示、报警、灯等电路操作。智能灯的亮度控制由晶体管驱动，通过单片机的IO端口输出PWM脉冲来控制智能灯的亮度。

4.2 电路设计部分

传感器组成的信号检测和处理部分在电路设计部分，单片机是此次智能节能灯设计的主要控制装置，主要控制电路照明，控制电路在单片机的控制下工作。传感器在设计中起着重要作用，传感器组成的信号检测和处理部分电路原理如图1所示。

图1 养殖企业节能智能光照图

图1是由热传导红外传感器、光敏电阻组成的信号检测和处理电路。红外热传导红外传感器只对波长为10m(人体辐射红外波长)的红外辐射敏感，因此人体以外的物体不会引起探针动作。探针内包含两个相互连接或平行的热传导元件，两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热传导元件起着几乎相同的作用，因此放电效果相互抵消，因此探测器无法输出信号。人一旦侵入探测区，人体红外辐射就会通过一些镜子聚焦，由热电源接收。但是两个热源得到的热量不同。因为热传导不同，不能抵消，所以输出检测信号。

4.3 传感器部分

其实传感器的本质是将检测到的对象的非电量的各种变化量转换为电信号的变化。这里用于检测家禽的集聚，饲养人员的到来与离开，当饲养人员到来时，控制系统即打开智能灯，当饲养人员离开养殖场的某个地点时，该地点的控制系统即在传感器的协助下即关闭智能灯，一切的动作离不开传感器的监控。当然在传感器的监控下也可以“通知”养殖场的管理人员及时对养殖场的温度、光照情况及时监控，比如动物分类饲养中有的产蛋鸡需要光照，有的病鸡需要休息，养殖场的管理人员均可以进行后台监控管理，十分方便养殖场提高劳动生产率，节约大量劳动力，使得企业减员增效。

4.3.1 超导红外传感器的原理特性

本设计的热电红外传感器，内部热电源由热电系数高的钛酸铅汞、陶瓷和钽锂、硫酸、三甘铁等过滤窗组成，随着温度的变化，极化也会有所不同。该传感器可以在工艺中以反向连接或差分平衡电路的方式连接两个特征匹配的热源，以非接触方式检测物体发出的红外能量变化，并将其转换为电信号输出。热传导红外传感器在结构中引入场效应管的目的是完成阻抗转换。热电源输出是电荷信号，不能直接使用，所以必须使用电阻转换为电压形式。阻力阻抗最大为104米，因此引入的N-通道耦合场效应管必须连接到共同的泄漏形式，即源极跟随器，完成阻抗转换。超导红外传感器由传感器检测元件、干扰滤波器和场效管匹配器三部分组成。设计时，要将高热量电材料制成一定厚度的薄板材，两面镀上金属电极，然后通电极化，形成热电探测器。电极化的电压有极性，所以极化的探测源也有正、负极性。当养殖管理员进入检测区，因养殖管理员温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出;若养殖管理员体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。由实验证明，传感器不加菲涅尔透镜，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m，非常实用本设计的养殖场使用。养殖管理员人体发射的红外线通过菲涅尔镜头聚焦到超导红外传感器的探测器时，养殖企业节能智能光照设计的电路中的传感器将输出电压信号首先通过由电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2组成的带通滤波器，本设计的带通滤波器的频率上限为16Hz，下限为0.16Hz，带通幅度为15.84Hz。热传导红外传感器输出的电压非常微弱(只有1毫伏特左右)，该信号必须进行放大，因此是变化的信号，在菲涅尔镜片的作用下，输出的电压信号是脉冲形式，其脉冲电压的频率由被测家禽在养殖场的移动速度决定，通常在0.1～10Hz左右，因此需要放大热传导红外传感器输出的电压信号。养殖企业节能智能光照设计利用集成运算放大器LM324进行两级扩展，以获得足够大的电压信号。

4.3.2 光敏电阻

养殖企业节能智能光照设计的光敏电阻的制作材料为硫化镉。这是因为光产生的载体都参与导电性，在外部电场的作用下进行漂移运动，电子走向电源的两极，空穴跑到电源的阴极，所以光敏电阻器的阻力迅速下降。养殖企业节能智能光照设计的光敏电阻，用于制造光敏电阻的材料主要是金属的溴化物、硫化物等半导体。一般采用涂层、烧结等方法，可以在绝缘衬里上制作薄的光敏电阻体和梳欧姆电极，并接收较长的金属引线，封装在有透光镜的密封外壳里面，这样可以防止养殖场的湿气影响其灵敏度。半导体光敏材料两端安装电极康铜引线，为了提高养殖企业节能智能光照设计的电路的灵敏度，两个电极梳成斜面。在养殖场黑暗的时，其电阻值就高。养殖场有光线时，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子可以吸收光子的能量后跳到导带上。并且在原子价波段产生带正电荷的空穴。这种光产生的电子-空穴击中半导体材料的载流子数，降低电阻率，引起光敏电阻。养殖场的光照越强，阻力值越低。养殖场进入夜晚时，由光子刺激产生的电子-空穴对被合成，此时光敏电阻的电阻的大小也恢复到原来的大小。如果在光敏电阻两端的电极上加上一个电压，就会产生电流，养殖场的光照比较强时，电流随着亮度增大，光电就转换。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻，使用时可以同时加上直流电压和交流电压，十分方便养殖场使用。

4.3.3 养殖场使用的光敏电阻

养殖场使用的光敏电阻主要有热敏电阻，热敏电阻是一种电阻值对温度非常敏感的电阻器，这种电阻一般由单晶、多晶等半导体材料制成，其种类较多，如根据阻值的温度数可分为阻值随温度升高而减少的负温度系数热敏电阻和阻值随温度升高而增加的正温度系数热敏电阻；养殖场均可以使用。如按阻值随温度变化的大小及变化速度；可分为缓变型和突变型两种；如按电阻器受热的方式来分，可分为直热式和旁热式两种；热敏电阻的主要特点是对温度灵敏度高、热惰性小、寿命长、体积小和结构简单。在养殖场的温度测量控制、火灾报警应用能取得良好的效果。养殖场使用的光敏电阻另一种为光敏电阻。这种光敏电阻是根据半导体光效应原理制成的，其电阻阻值大小可随着入射光线的强弱而发生改变，光敏电阻主要由玻璃基片、光敏层、电极四个部分组成，养殖场使用的光敏电阻的光敏层所用的材料，可以分为单晶光敏电阻、多晶光敏电阻。按照光敏电阻的光谱持性，养殖企业节能智能光照设计主要采用可见光光敏电阻以及红外光光敏电阻。紫外光光敏电阻对紫外线反应十分灵敏，可用于探测紫外线，防止过量的紫外线灼伤家禽，又有利于适当运用紫外线对养殖场地杀毒；可见光敏电阻主要用于各种光电自动控制系统，主要有硒、硫化镉、硒化镉、硫化锌等光敏电阻，非常适用于养殖企业节能智能光照自动控制系统。

5.结束语

主程序流程图

养殖企业节能智能光照自动控制系统主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图