王润涛 张 宇

(东北农业大学,黑龙江 哈尔滨150030)

1 研究背景

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,畜牧业逐渐向着规模化、产业化和集约化方向发展。家畜的粪便、尿液、饲料等腐烂分解在畜舍内产生有害气体,NH3、H2S、CO2、CH4、CO等有害气体对家畜的健康和生产,对人的健康和工作效率有不良影响。畜舍养殖环境的调控是有效防控家畜重大疫病传播和流行的先决条件。因此,研制畜舍养殖环境自动调控装置具有一定的经济和实用价值。

2 理论基础

通风是改变畜舍环境的直接方法,大量的单相220V轴流风机被应用到畜舍的环境控制系统中。通过改变轴流风机两端的电压有效值,可以调节风机的转速,从而控制畜舍的进风量,实现畜舍内气体、温度、湿度等控制。公式(1)中,一个控制周期内,在输入电压U1不变的前提下,通过改变触发延时角α,控制晶闸管的导通时间,达到改变负载两端电压UO有效值的目的。公式(2)为一个控制周期内晶闸管的电流有效值。

UO——负载电压有效值；

U1——输入电压有效值；

α——触发延迟角；

θ——晶闸管导通角。

IVT——晶闸管电流；

Z——等效负载；

φ——负载的阻抗角。

3 硬件构成

畜舍养殖环境自动调控装置由处理器、气体传感器、温湿度传感器、过零触发电路和风机驱动电路构成,如图1所示。其中,处理器为宏晶公司的stc12c5a60s2单片机。温湿度传感器为奥松公司的AM2302传感器,供电电压为DC 5V,温度量程为-40～+80℃(分辨率为0.1 ℃、精度为±0.5 ℃),湿度量程为0～100%RH(分辨率为0.1%RH、精度为±2%RH)。单片机的P2.1端口与温湿度传感器的引脚相连,采用单总线通讯方式。

图1 系统结构

气体传感器由炜盛研制,包括NH3、H2S、CO2、CH4等,供电电压为DC 5V。单片机通过芯片串口外设的RX和TX端口,与气体传感器进行TTL通讯。通讯方式设置为波特率9600bps、8个数据bit、1个停止bit、无奇偶校验位。气体传感器的具体参数如表1所示。

表1 气体传感器

过零触发电路由U3和U4两个PC817光耦、2k欧姆电阻R3和R4构成,如图2所示。图2中的AC10V为市电220V经变压器后的交流输出电压,当电压高于PC817内部二极管AK的开启电压后,内部三极管CE导通,DC+5V同过电阻R4对地产生电流,C点对地为低电平信号,该信号接入单片机的/INT1引脚,引起外部中断,进而检测交流电的过零时刻。

图2 过零触发电路

风机驱动电路由U1光耦触发芯片MOC3021、U2双向可控硅BTA16-600BWRG、1k欧姆电阻R2、180欧姆电阻R1、风机等效负载ZL构成,如图3所示。当单片机的P1.0 引脚输出为低电平时,光耦MOC3021导通,触发双向晶闸管BTA16工作,电源AC 220V、U2和ZL形成闭合回路,风机开始运行,风机两端的电压受延迟角α控制。

图3 风机驱动电路

风机驱动电路的主要功率元件为BTA16-600BWRG,其具体参数如表2所示,可以保障500W以下的轴流风机安全工作。

表2 BTA16-600BWRG元件参数

4 软件流程

畜舍养殖环境自动调控装置上电后,传感器等外设和系统初始化,以市电50Hz的半波时长10ms为一个周期,读取传感器信息；当过零触发电路触发引起单片机中断后,判断是否开启风机；根据传感器的反馈信号与设定环境参数的差值,计算风机启动的延时时间,调节风机两端的电压有效值,实现变风量控制,流程图如图4所示。为了减少外部干扰和单片机的运算压力,传感器的读取数据采用一阶低通滤波,其滤波系数取值为0.85。

图4 控制系统程序流程图

5 试验

本文将所设计畜舍养殖环境自动调控装置在功率370W、转速2800r/min、电压AC 220V、风量3000m3/h、风压230pa、内径31cm的300型轴流风机上进行试验。根据传感器读取数据的变化,实现了风机的启停、电压连续可调、风量连续可调等功能。其中,经万用表测量,轴流风机两端的电压有效值变化范围为182～232V；经风速仪测量,轴流风机的出口风速变化范围为4.5 ～5.6 m/s。

6 结论

本文根据畜牧业规模化、产业化和集约化方向发展的需求,研制畜舍养殖环境自动调控装置。装置以stc12c5a60s2为控制器,感知畜舍NH3、H2S、CO2、CH4、温湿度等环境信息。并对该装置进行试验,根据传感器等环境数据变化,实现了轴流风机的风量连续调节,完成了畜舍养殖环境的自动调控。