基于单片机的病牛乳声光报警系统设计

榆林学院能源工程学院 党学立

引言

奶牛乳房炎主要是由于乳腺组织被微生物入侵或受到物理及化学性损伤而引发的局部性炎症[1]。乳房炎属于奶牛养殖场中的常见病、多发病，治愈率低且会导致奶牛产奶量下降，牛奶品质降低，给奶牛养殖业带来巨大的损失[2]。奶牛发生乳房炎后，机体为消灭病原菌和修复损伤的组织会生成过多的白细胞，这些白细胞会聚集在一起，导致乳腺管道局部被堵塞，造成其产生的乳汁不能够及时排出，从而促使一些泌乳细胞无法泌乳，最后发生萎缩。另外，由于泌乳细胞数量减少，会对整个胎次甚至一生的产奶量都产生影响；降低鲜奶质量，营养成分降低；增加牛群更替成本，影响消费者的健康[3]。

目前常用的奶牛乳房炎致病微生物检测方法主要包括：细菌分离鉴定法、免疫学检测法、基因芯片和PCR检测技术等[4]。本文基于单片机的病牛乳声光报警系统，可以及时有效地提醒病牛乳状况，一方面，关注奶牛的健康，及时预防及诊治；另一方面，避免劣质奶制品流入市场，确保食品质量和安全。

1 系统结构

本设计是由STC89C51RC2单片机、传感器电路、电压比较电路、晶振电路、声音报警电路，光显示电路构成。通过传感器采集牛奶样品的阻值信号，经过分压电路及电压比较电路，产生一个电脉冲信号，单片机接收信号，并进行相应的处理：驱动声音报警电路，发出声音提示信号；驱动光报警电路，发出光提示信号。主要结构如图1所示。

图1 系统组成框图

2 硬件电路设计

2.1 传感器电路设计

本设计将待测的牛奶样品放入杯子，将连接器J1的两个电极插入牛奶样品中，两个电极对称地放置在杯子壁上。新鲜牛奶在常温下的电导率为0.004～0.05Ωm，如奶牛患有乳房炎，则电导率会上升，若超过0.06Ωm便可判断病牛乳[5]。电路正常工作时，连接器J1和电阻R2串联，由牛奶电导率变化，则连接器J1的引脚2上电位升高，将此电压输出到集成电路U3的负相端引脚3，进而与集成电路U3的正相端引脚2处，设置固定的电位值相比较；进而产生电信号的跳变，即实现对病牛乳牛奶样品的检测。其中，R2采用高精度，量程为10Ω的滑动变阻器；集成电路U3为比较器LM111。其中，传感器电路如图2所示。

图2 传感器电路

2.2 电压比较电路设计

电压比较电路采用集成电路芯片LM111。集成电路芯片LM111具有电源电压范围大(±5V～±l5V)、偏置电流小、失调电流小、差分输入电压范围大(±30V)，其输出与TTL、DTL及MOS电路相容，并可驱动指示灯和继电器。可以单电源供电，也可以双电源供电，有集电极输出和发射极输出两种形式等，电路简单，性能稳定。本设计的电路围绕集成电路LM111进行：首先，进行比较器正相端配置，本设计采用电源模块芯片MCP1525，其输入为5V,输出为固定的电压2.5V；其次，比较器负相端连接至传感器电路的输出端，完成对传感信号的比较；最后，将比较的结果从LM111的引脚7输出，传输到单片机的引脚27，由单片机进一步处理。其中，单片机的型号为STC89C51RC2。电压比较电路如图3所示。

图3 电压比较电路

2.3 晶振电路设计

单片机工作需要合适的节拍。晶振电路的作用就是为单片机合格的时钟信号流。本设计的晶振电路采用无源晶振，其振荡频率为11.0592MHZ，它由晶振Y1,以及外接电容C1,C2实现，它通过Y1的两端，输入到单片机的引脚18,19，为单片机提供工作时钟。晶振电路设计如图4所示

图4 晶振电路设计

2.4 声音报警电路

声音报警电路采用压电蜂鸣器，本设计采用工作电压为3V的蜂鸣器。压电蜂鸣器通过电流大，为了使电路尽可能简单，工作稳定可靠，采用了单片机的多个IO口并联，增加电流供应的办法。当单片机检测出有病的样品时，经过单片机内部的处理，使其P3的8个IO口，P1的8个IO口为高电平1，进而驱动压电蜂鸣器工作，发出报警声音。声音报警电路如图5所示。

图5 声音报警电路

2.5 光显示电路

光显示电路采用发光二极管，通过控制单片机的IO口实现。当单片机检测出有病的样品时，经过单片机内部的处理，使单片机的引脚28为高电平1，通过电阻R1分压，输入到发光二极管D1，使D1发出光。反之，发光二极管D1不发出光。其中，电阻R1起限流分压作用。光显示电路图如图6所示。

图6 光显示电路

3 主程序设计

主程序的设计是系统设计的一部分，它是在硬件设计电路的基础上工作的，是整个系统不可分割的部分，它主要的实现流程如下：上电初始化模块，进行系统加电的初始化工作，复位操作，以及指向主程序的工作；读取输入检测信号模块，采用轮询方式，读入传感器的信号电平值，实现对信号的输入读操作；接着，单片机对输入的信号进行判断处理，若正常，则进行下一次检测，否则，进行进一步的处理；声音报警模块，进行声音的输出提示，提醒有错误发生，单片机通过多个IO口操作，来驱动蜂鸣器发声；光显示模块，进行光的输出提示，提醒有错误发生，单片机通过单个IO口操作，来驱动发光二极管发光；接着，单片机进行数量关系判断，使声音报警，光显示进入循环模式。主程序设计流程如图7所示。

图7 主程序设计流程

4 仿真验证

利用Proteus软件[6]，通过改变连接器J1的阻抗，对整个软硬件系统进行仿真工作。主要仿真的是：当阻抗变化时，单片机程序判断传感器信号电平值，并与设定的正常值进行比较：若正常，则进行下一次检测；否则，超出正常值，则进行相应的处理，进行声音报警，光显示，以此来判断奶牛是否患病，防止劣质牛奶流入市场，确保奶产品质量安全，保障人民群众身体健康。

5 结语

本设计是一款基于单片机的病牛乳声光报警系统，以单片机STC89C52RC为主控制器，以传感器电路、电压比较电路、声音报警电路，光显示电路等辅助电路，实现了对病牛乳声光报警。利用上电初始化模块，进行系统加电的初始化工作，复位操作；利用读取输入检测信号模块，采用轮询方式，读入传感器的信号电平值，实现对信号的输入读操作；利用单片机对输入的信号进行判断处理，若正常，则进行下一次检测，否则，进行进一步的处理；利用声音报警模块，进行声音的输出提示；利用光显示模块，进行光的输出提示，提醒有错误发生。通过proteus仿真实验证明软硬件系统的可行性，利用制作出来的实物进行实验，可准确地判断出病牛乳，及时做出提醒，对奶牛进行诊治，防止劣质牛奶流入市场，保证人民身体健康。