【正文】 及電路設(shè)計(jì) （ 1） AM2302溫濕度傳感器 本設(shè)計(jì)采用高精度的 AM2302溫濕度傳感器，溫度分辨率為 16 bit，濕度分辨率為 16 bit。 AM2302 是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性，卓越明確功能 劃分模塊 接口設(shè)計(jì) 選擇器件 焊接調(diào)試 8 的穩(wěn)定性，超小的體積和極低的功耗等優(yōu)點(diǎn) [8]。 AM2302 采用單總線通信方式，單片機(jī)將數(shù)據(jù)線 SDA 拉低 1 毫秒作為起始信號，AM2302 響應(yīng)信號后直接輸出 40 位數(shù)據(jù)，其格式為 “濕度高位 +濕度低位 +溫度高位 +溫度低位 +校驗(yàn)位 ”。因此可見，采集過程的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線 SDA 完成， AM2302可方便地與單片機(jī)進(jìn)行單總線通信， AM2302數(shù)傳電路如圖 4所示。 圖 4 AM2302數(shù)傳電路圖 在圖 4 中，若數(shù)據(jù)線短于 30 米時(shí)，通常需要外接約 上拉電阻；反之則根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減少上拉電阻的阻值。經(jīng)過測試， AM2302 單總線通信有效距離最遠(yuǎn)可達(dá) 80米，可見其完全滿足中、小型規(guī)模育雛室環(huán)境參數(shù)的采集工作。 （ 2） 74LS138芯片 74LS138是 3線 8線 的 譯碼器， 其工作原理 為 ： 當(dāng)選通端 G1 為高電平，且 /G2A和 /G2B均為低電平時(shí)，才能將地址端 A、 B、 C 的二進(jìn)制編碼在對應(yīng)的輸出端以低電平譯出； 另外，能利用 G /G2A和 /G2B級聯(lián)拓展成 2線 4線譯碼器，外接反相器可級聯(lián)拓展成 32線譯碼器等等功能。 因此， 74LS138較為廣泛地被運(yùn)用到 數(shù)字電路 。 其管腳圖如圖 5所示 。 圖 5 74LS138 管腳圖 （ 3） 74LS125芯片 74LS125為三態(tài)輸出的四總線緩沖器，主要是由四個(gè)獨(dú)立的三態(tài)門緩沖器構(gòu)成。其中，C C C C4 作為各緩沖器選通的使能端，僅當(dāng)使能端為低電平時(shí)，輸入端才能將數(shù)據(jù)傳送到輸出端； 反之 輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)， 近似于斷路狀態(tài)， 電壓 信號 跟隨 外部電路變化 9 而變化 。 其管腳圖如圖 6所示 。 圖 6 74LS125管腳圖 （ 4） 74HC14芯片 74HC14 是一款 支持高速 的 CMOS 器件，其管腳兼容低功耗 肖特基 TTL 系列，遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn) 。 74HC14實(shí)現(xiàn)了 6路施密特觸發(fā)反相器 ，其主要功能是將上升沿、下降沿較緩，或者畸變較大的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為清晰、無抖動(dòng)的方波信號。因此， 74HC14 的運(yùn)用有利于改善 信號，提升 電路穩(wěn)定性 。 其管腳如圖 7所示 。 圖 7 74HC14管腳圖 （ 5） 74LS32芯片 74LS32是四 2輸入 的 或門集成電路 ， 是一款常用的 TTL芯片，其 輸出端 滿足 Y=A+B的 邏輯運(yùn)算。例如，若輸入端 A、 B均為低電平時(shí)，輸出端 Y為低電平，否則均輸出高電平。 該芯片的 管腳圖如圖 8所示。 圖 8 74LS32管腳圖 10 控制器通過高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對多個(gè) AM2302的采集工作。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)最多支持 7個(gè)采集點(diǎn)，包括 1個(gè)舍外采集點(diǎn)和 6個(gè)舍內(nèi)采集點(diǎn)，其中舍 內(nèi)采集點(diǎn)安裝的空間位置和數(shù)量可由實(shí)際控制效果確定，其采集控制電路如 圖 9， 詳細(xì) 參 見 附錄 A。 圖 9 采集 控制 電路圖 在圖 9中，單片機(jī)通過 ，該過程是由單片機(jī) 和 的控制實(shí)現(xiàn)。 通過 74LS138 譯碼器實(shí)現(xiàn)了輪流選通各個(gè)采集點(diǎn)， 作為數(shù)據(jù)傳輸方向控制端，當(dāng) 為低電平時(shí)，允許 作用于已選通的采集點(diǎn)，反之則 數(shù)據(jù)。 單片機(jī) ，此運(yùn)用了三態(tài)門在未選通狀態(tài)下的高阻輸出特性，可有效消除各采集點(diǎn)之間的電平影響，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī) 采集點(diǎn)的通信。另外，本設(shè)計(jì)通過排針 CJ 引出 7 個(gè)信號接口，其中 CJ0 用于連接舍外采集點(diǎn)， CJ1CJ6分別連接舍內(nèi)采集點(diǎn)。 主控 模塊的硬件設(shè)計(jì) 主控芯片的選型 STC89C52RC單片機(jī)是 STC公司 推出的低功耗、 高性能 的 CMOS8位微控制器 ， 具有8K的可編程 Flash存儲器， 其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051系列單片機(jī) ， 作電壓， STC89C52RC單片機(jī)采用 PDIP40封裝形式， 其管腳封裝如圖 10所示 。 11 圖 10 STC89C52RC封裝圖 按鍵 模塊 的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為養(yǎng)殖戶提供可實(shí)時(shí)操作的按鍵電路，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對雞舍溫濕度目標(biāo)值的設(shè)置。此采用獨(dú)立按鍵的方法，共使用五個(gè)獨(dú)立按鍵，各按鍵的 用途 分別是復(fù)位、 切換、增大、減小和啟動(dòng)。 而按鍵電路在結(jié)構(gòu)上可分為復(fù)位電路和參數(shù)設(shè)置電路。 其中，復(fù)位按鍵接至單片機(jī)的復(fù)位管腳，由于單片機(jī)采用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平作為復(fù)位信號， 故本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖 11所 示。另外，切換按鍵可實(shí)現(xiàn)溫度或濕度的選擇功能 ； 增大按鍵對溫度作用是 +1℃ /次，對濕度是 +1%/次 ； 同理，減少按鍵對溫度的作用是 1℃ /次，對濕度是 1%/次 ； 啟動(dòng)按鍵實(shí)現(xiàn)結(jié)束參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié) 。本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置電路如圖 12所示。 圖 11 復(fù)位電路圖 12 圖 12 參數(shù)設(shè)置電路圖 在圖 12 中，單片機(jī) 分別作為切換（ QH）、增大 (ZD)、減少 (JX)和啟動(dòng) (QD)按鍵的輸入口，各個(gè)輸入口均外接有上拉電阻，并且串接發(fā)光二極管?？梢?， 若 沒有按鍵操作， 則 高電平，二極管不發(fā)光 ；若有按鍵操作，相應(yīng)輸入口立即 被 下拉至低電平，并且二極管發(fā)光 直到松開按鍵 。 顯示 模塊 的設(shè)計(jì) 顯示模塊作為本設(shè)計(jì)人機(jī)交互的重要窗口 ，需實(shí)時(shí)反饋控制器運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用 LCD1602 液晶屏， 其可方便地與 8 位單片機(jī)相聯(lián) ， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；其擁有三條控制端，分別是寄存器選擇端 RS，讀 /寫端 R/W和片選端 E，控制信號的組合功能如下表 2。顯示電路如圖 13所示。 表 2 控制信號功能表 RS R/W 操作 0 0 指令寄存器 (IR)寫入 0 1 忙標(biāo)志和地址計(jì)數(shù)器讀出 1 0 數(shù)據(jù)寄存器（ DR） 寫入 1 1 數(shù)據(jù)寄存器讀出 13 圖 13 顯示電路圖 繼電及報(bào)警 模塊 的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 主要是 通過對 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ 加熱裝置、增濕裝置和通風(fēng)裝置 ） 的實(shí)時(shí)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn) 雞舍溫 度和 濕度 的控制 ；若檢測到雞舍內(nèi)部溫度或者濕度超出允許范圍，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。單片機(jī)屬于低電壓、弱電流 微控 芯片， 無法直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 因此 需要 增加 驅(qū)動(dòng)電路 。本設(shè)計(jì)通過 ULN2021芯片驅(qū)動(dòng) 常用的 SRD05VDCSLC繼電器 ，從而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)控制 。 本設(shè)計(jì)的報(bào)警模塊采用有源蜂鳴器，有源蜂鳴器內(nèi)部集成振蕩 器 ，故僅 需在兩個(gè)端口施加直流電壓即可發(fā)聲 。有源蜂鳴器額定電流高達(dá) 40mA，單片機(jī)無法直接驅(qū)動(dòng)其工作，鑒于執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅占用 ULN2021三個(gè)輸出口。因此，本設(shè)計(jì)中有源蜂鳴器同樣采用 ULN2021進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 。本設(shè)計(jì)繼電及報(bào)警電路如圖 14所示。 圖 14 繼電及報(bào)警電路圖 14 圖 14中，單片機(jī) 、加熱裝置、增濕裝置和通風(fēng)裝置。 本設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和 ULN2021 芯片均是采用 灌電流驅(qū)動(dòng)方式 ， 故在 單片機(jī)與ULN2021芯片之間增加了 74HC14反相器， 各繼電器和有源蜂鳴器均接至 +5V電源。 另外 ，各繼電器的控制輸入端接有發(fā)光二極管， 其主要目的是為了幫助養(yǎng)殖戶 直觀地判斷各繼電器是否處于接通狀態(tài)。 4 軟件設(shè)計(jì) 按鍵模塊 本設(shè)計(jì)采用五個(gè)獨(dú)立按鍵， 其 復(fù)位鍵接至單片機(jī) 專用 復(fù)位 管腳， 因此，隨時(shí) 操作 復(fù)位按鍵均 可實(shí)現(xiàn) 控制器的 復(fù)位 ，而 其余功能鍵 的操作僅在參數(shù)設(shè)置階段才有效。在參數(shù)設(shè)置階段， 單片機(jī)的工作流程為： （ 1）、 讀取 ，判斷是否有低電平產(chǎn)生，若無則繼續(xù)讀取，直到有低電平信號產(chǎn)生才向下執(zhí)行； （ 2）、判斷 是否為低電平，若是則進(jìn)行 20mS 的延時(shí) 消抖 ，再判斷 是否為低，若是則 執(zhí)行切換子程序，若兩次判斷中任意次為高電平，表示無 操作 ； （ 3）、判斷 ，工作原理同（ 2）； （ 4）、判斷 ，工作原理同（ 2）； （ 5）、判斷 是否為低電平，若是則進(jìn)行 20mS 的延時(shí)消抖，再判斷是否為低，若是則表示設(shè)置完成， 并退出參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，若任意次為高繼續(xù)向下執(zhí)行； （ 6）、延時(shí) （ 1）。 按上述方案，本設(shè)計(jì) 巧妙地 利用 象； 若長按按鍵，單片機(jī)將每隔 一次該按鍵的功能 ，詳見附錄 C。 顯示模塊 LCD1602液晶屏功能較為全面，提供 192種 57點(diǎn)字型， 32種 510點(diǎn)字型以及 8種可編程字型等等功能 。 本設(shè)計(jì)采用兩行、 16 位 、 57 點(diǎn)字型 和 自定義 “↓”字型 ， LCD1602液晶屏的初始化程序如下 ： 15 初始化程序 的 控制指令 具體為： 0X38H 表示設(shè)置顯示模式， 0X08H 表示關(guān)閉顯示，0X0C 表示開顯示及光標(biāo)設(shè)置， 0X01 表示清屏， 0X04 表示讀或?qū)懖僮骱蟮刂分羔樑c光標(biāo)均減一，寫操作后整屏顯示不移動(dòng)。 顯示模塊是人機(jī)交互的重要窗口，能夠 實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程，并遵循邏輯清晰和信息全面的設(shè)計(jì)原則。 在 控制器上電或復(fù)位 后 ， LCD1602液晶屏的工作流程如下圖 15所示 ，詳見附錄 C。 圖 15 LCD1602工作流程圖 采集模塊 AM2302采用單總線通信協(xié)議，其 典型的 工作 原理 為：單片機(jī)先將數(shù)據(jù)線拉低 1mS，初始化 歡迎界面 設(shè)置提示 參數(shù)設(shè)置并顯示 啟動(dòng)？ 采集顯示 輸出顯示 半秒延時(shí) 是 否 16 作為傳感器的起始信號，此后由于上拉電阻的作用數(shù)據(jù)線 被 拉至高電平，并維持約 30uS，直到 傳感器出發(fā) 80uS低電平和 80uS高電平的 響應(yīng) 信號 ；單片機(jī)接收到 相應(yīng) 信號后，便 立刻 轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，開始接收和識別數(shù)據(jù)線上的電平 信號 ， 并 設(shè)定高電平持續(xù) 26uS 表示 0和 70uS表示 1，從而最終 將電平信號 轉(zhuǎn)化為 40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中包括 16位溫度、16位濕度和 8位效驗(yàn)碼 。 AM2302通信協(xié)議的詳細(xì)信號特征如表 3所示。 表 3 AM2302單總線通信的信號特征表 符號 參數(shù) 最小 典型 最大 單位 Tbe 主機(jī)起始拉低總線 1 20 ms Tgo 主機(jī)釋放總線 20 30 200 us Trel 傳感器響應(yīng)低電平 75 80 85 us Treh 傳感器響應(yīng)高電平 75 80 85 us TLOW 數(shù)據(jù) “0”、 “1”低電平 48 50 55 us TH0 數(shù)據(jù) “0”高電平 22 26 30 us TH1 數(shù)據(jù) “1”高電平 68 70 75 us Ten 傳感器釋放總線 45 50 55 us 本設(shè)計(jì) 利用采集控制電路，實(shí)現(xiàn) 了 單片機(jī) 7個(gè) AM2302的輪流通信。 其工作原理為： 在初始狀態(tài)，單片機(jī) ，無傳感器被選通，并且由于三態(tài)門電路的作用，單片機(jī)與傳感器之間 處于高阻態(tài) 。 單片機(jī)執(zhí)行采集程序時(shí)，首先 僅 選通 舍外 AM2302方向 的三態(tài)門，并向該傳感器 發(fā)送 1mS的 起始信號， 在 等待 30uS延時(shí)后立刻拉高 ， 從而 實(shí)現(xiàn)僅選通該傳感器到 ， 便 開始接受該傳感器數(shù)據(jù) ，其程序?qū)崿F(xiàn)如圖 16所示。舍內(nèi) AM2302均采用相同的工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ，詳見附錄 C。 圖 16 舍外 AM2302采集程序 模糊控制算法 及綜合控制 模糊控制算法 模糊控制實(shí)質(zhì)上是非線性的、典型的智能控制， 是利用模數(shù)學(xué)的基本理論創(chuàng)造的控制 17 方法。相比于傳統(tǒng)的控制方案 ，模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，具有并且很強(qiáng)的魯棒性，能有效地應(yīng)用到非線性、時(shí)變、大滯后的系統(tǒng)控制 [916]。 模糊控制系統(tǒng)中主要包括模糊化、知識庫、模糊推理和解模糊四個(gè)部分。模糊化是實(shí)現(xiàn)輸入精確量轉(zhuǎn)換為論語上的模糊量；知識庫主要包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，其中數(shù)據(jù)庫處理模糊數(shù)據(jù)的相關(guān)定義，規(guī)則庫則根據(jù)控制策略給出一套由語言變量描述的控制規(guī)則的集合；模糊推理是利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，得到適合的控制量；解模糊則 將模糊推理的模糊集合轉(zhuǎn)化為精確值輸出，其通常的有最大隸屬度函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法。模糊 控制結(jié)構(gòu)圖如圖 17。 圖 17 模糊控制結(jié)構(gòu)圖 雛雞雞舍是時(shí)變非線性的系統(tǒng)，故本系統(tǒng)采用模糊控制對育雛室環(huán)境進(jìn)行控制。其中，選擇溫度和濕度與設(shè)定值之差值，和其差值的變化率作為模糊控制器的輸入，經(jīng)模糊推理得到模糊控制器的輸出值： 0表示正常、 1表示偏高、 2表示偏低。模糊控制通常包括模糊化、模糊推理和清晰化三個(gè)步驟。 將溫度偏差 E1 及其變化率 EC濕度偏差 E2 及其變化率 EC2 等 4 個(gè)輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化，經(jīng)模糊推理最終得到模糊控制系統(tǒng)的輸出量，即： U U2。溫度輸入變量 EEC1和輸出量 U1 的隸屬度函數(shù)如圖 18所示，其模糊規(guī)則如表