仔猪舍环境智能监控系统的设计.docx

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1、 仔猪舍环境智能监控题 目: 系统的设计 (论文)摘 要随着养猪业的规模化和集成化，仔猪的繁殖和生长也开始向集中化方向发展。仔猪舍环境对仔猪生长的影响非常重要，将现代科技融入环境检测系统中不仅可以省去很多人工还可以提高仔猪的成活率，实现科学化养殖提高经济效益。根据不同日龄的仔猪对环境温湿度要求的不同，设计一款可以自动控制仔猪舍环境的智能控制系统。系统将利用DHT11数字温湿度传感器及MQ-137氨气传感器采集仔猪舍环境的实时信息，将数据送入STM32单片机进行分析比较，判断其是否超过阈值。当超出阈值时根据事先确定的控制方案，驱动相关的设备运行。仔猪在生长过程中对环境因素的要求是不断变化的，为此

2、我们设定了一种自动模式。根据仔猪所适应的环境，系统自动调节仔猪从出生到两周龄所需要的环境值。实现仔猪从入舍到出舍的全程自动控制。关键词：仔猪舍环境；STM32F103C8T6；温湿度；氨气浓度- II -AbstractWith the scale and integration of the pig industry, the breeding and growth of piglets has also begun to develop in a centralized direction. The impact of piglet house environment on piglet

3、growth is very important. The integration of modern technology in the environmental detection system can not only save a lot of labor but also improve the survival rate of piglets, realize scientific breeding and increase economic benefits. According to the different temperature and humidity require

4、ments of piglets of different ages, an intelligent control system that can automatically control the environment of the piglet house is designed.The system will use DHT11 digital temperature and humidity sensor and MQ-137 ammonia sensor to collect real-time information of piglet house environment, a

5、nd send the data to STM32 microcontroller for analysis and comparison to determine whether it exceeds the threshold. When the threshold is exceeded, the relevant equipment is driven to run according to the control plan determined in advance.During the growth of piglets, the requirements for environm

6、ental factors are constantly changing, for which we have set an automatic mode. According to the environment that the piglets adapt to, the system automatically adjusts the environmental values required for the piglets from birth to two weeks of age. Realize automatic control of piglets from enterin

7、g to leaving.Key Words：Piglet environment; STM32F103C8T6; Temperature and humidity; Ammonia concentration ；(论文)目 录摘 要IAbstractII1 引 言11.1 课题研究的意义11.2 国内外研究现状21.3 本文主要研究的内容31.4 本章小结32 系统的总体设计42.1 系统的设计要求42.2 MCU的比较与选择42.3 传感器的比较与选择52.3.1 温湿度传感器的比较与选择52.3.2 氨气传感器的选择72.4 显示模块的选择72.5 负载部分选型82.6 本章小结83 硬

8、件电路93.1 STM32最小系统93.1.1 STM32F103C8T693.1.2 晶振及复位电路93.1.3 电源电路103.2 传感器模块113.2.1 温湿度传感器113.2.2 氨气传感器113.3 显示模块133.4 按键模块133.5 报警模块143.6 负载控制模块153.7 本章小结154 系统软件设计164.1 软件开发环境及程序设计流程164.1.1 软件开发环境164.1.2 仿真调试环境164.2 系统循环174.2.1 系统主循环174.2.2 模式一184.2.3 模式二184.3 各模块驱动程序设计194.3.1 DHT11驱动程序194.3.2 MQ-137

9、驱动程序214.3.3 OLED驱动程序224.3.4 按键检测程序224.3.5 负载控制程序234.3.6 定时器中断服务程序234.4 本章小结245 系统的运行调试255.1 系统整体稳定性的测试255.2 各模块测试结果255.2.1 DHT11温湿度传感器测试255.2.2 MQ-137传感器测试255.2.3 报警及继电器控制系统测试265.3 本章小结266 结论27参考文献28致 谢30- V -(论文)1 引 言1.1 课题研究的意义 随着我国经济的飞速发展，人民的生活质量得到了巨大的提高。近年来，我国的猪肉消耗一直处于世界第一位。据不完全统计，2018年我国的猪肉的消耗量

10、约为5590万吨，人均消耗80斤。生猪出栏6.94亿头，自产猪肉总量为5404万吨。目前我国是世界第一养猪大国，养殖场的规模越来越大，主要为大规模集中养殖，对环境的控制也越发成为一项难题。尤其是刚出生的仔猪，由于其大脑皮层下的体温调节中枢发育不完全，加之自身抵抗力较弱，对外界环境的要求更为苛刻。据实验表明，初生仔猪对温度要求的临界值为35。如果外界环境处在13-24之间，仔猪出生后的1小时内可降2-7，两小时内可冻昏、冻僵甚至冻死。关于温度对仔猪健康的影响，据研究初生仔猪经受连续或间断的寒冷刺激后，血液中被动获得的免疫球蛋白水平下降，同时冷应激使初生仔猪吃初乳的量降低了27%，也引起胃肠道和血

11、液中免疫球蛋白水平下降,导致疾病的发生。由此可见，环境温度过低是造成仔猪死亡的主要原因。因此，为了提高仔猪成活率，降低发病率，增加断奶时体重，在母猪产仔时，须采取保温措施。适合仔猪生长的相对环境湿度为60-80。湿度对仔猪体表温度、散热和增重影响很大。通常来说，潮湿空气的导热性要高于干燥空气导热性的10倍以上。空气湿度过大不利于仔猪的保温，容易使仔猪感到寒冷。另外空气过于潮湿也容易滋生细菌，仔猪抵抗力较弱不利于仔猪的存活。外界环境的控制对降低仔猪死亡率、提高养殖户收入有着重要的作用。在这里必须指出的是仔猪生活的适宜温度是随着日龄的增长不断变化的。初生仔猪大脑体温调节中枢发育不完全，外皮毛发稀疏

12、，皮下脂肪较少，抵抗寒冷的能力较差，需要人为保持其生长所需的温度，初生仔猪最适宜的温度为32-35之间。温度随时间的减少的具体数据如所示：表1- 1不同日龄仔猪适宜温湿度日龄最佳温度最佳湿度初生12小时内34-3555%-75%1-3天30-324-7天28-3060-80%8-14天26-28氨气（NH3）是一种无色且具有强烈刺激性气味的气体，比空气轻，是目前公认的应激源之一3。氨气对动物的粘膜细胞有刺激性，严重时可引起灼伤并引发角膜炎。氨气在进入动物的呼吸系统后，可引发气管、支气管炎症、肺水肿及呼吸困难等疾病。猪舍内的氨气主要来源于粪尿以及肠道消化物等。仔猪的生长速率会随着氨气浓度的增加而

13、降低，正常浓度应该低于20mg/m。当氨气浓度增加到50 mg/m时，仔猪的生长速率会降低12%。当氨气浓度增加到100 mg/m时，仔猪的生长速率会降低30%3。传统环境控制方法主要是采用悬挂温度计人工控制温湿度的方式。不仅费时费力而且很难实现对空气湿度及有害气体的检测和控制。对于大规模养殖户来说是任务重、效率低，如果不能及时发现问题则有可能造成无法挽回的损失。为了减少农户不必要的损失，保证仔猪的正常生长环境。我们设计一款价格低廉，使用方法简单的监控系统，能够实现替代人工对仔猪舍内的环境进行自动的控制。1.2 国内外研究现状近些年来，世界各国的养猪业正在逐步向高效、高产、安全等方向发展。国外

14、在畜禽舍环境控制方面起步较早，最先发起的是荷兰日本等国。在1978年日本东京大学的科研团队最早研制出微型计算机温室综合环境控制系统，该系统以微型计算机为控制核心，对室内诸多环境因素进行控制。到80年代中期随着计算机技术的发展，国外市场上开始出现较为成熟的商业性质的控制系统。以色列环境控制系统是现在国际比较典型的控制系统，具有较强的实用性。可以根据不同的控制对象选用不同的外围产品，实现对温度、湿度、风俗风向、光照强度、舍内气体浓度等进行实时监测并实现自动控制。日本生产的控制系统不仅能对环境进行监控，还能诊断出发病的畜禽。现在普遍使用的典型产品有：荷兰的Priva和加拿大的Argus。我国在自动控

15、制畜禽舍环境方面起步较晚，但发展迅速，现在的应用也是较为广泛。尤其是在进入21世纪后，我国的养殖业迅猛发展。畜禽舍环境控制技术也得到了较快速的发展。虽然现在自动化技术有所应用但总体水平不高，所采用的多为单因素控制。随着近年来科技的发展进步以单片机为核心的环境控制系统得到一定发展。目前，国内对环境控制系统进行研究的主要有：于丰华等人提出了一种基于K60单片机的环境控制系统，利用AM2301和MQ137传感器可快速检测畜禽舍的温度湿度和氨气的环境信息。高永强等人设计了一种畜禽舍环境综合测控系统，该系统主要由传感器采集，计算机处理及PLC控制等。冯江等人对猪舍内温度和湿度等因素对猪生长的影响进行了分

16、析，介绍了现有先进的猪舍监控技术，讨论了基于单片机的自动化监测和基于物联网的监测手段，并提出了未来的环境检测趋势为高效化、精确化及智能化。1.3 本文主要研究的内容本文将研究基于单片机的智能监控系统，以STM32F103C8T6芯片作为控制核心，温湿度传感器、氨气浓度传感器为测量装置，采集相关数据并通过OLED屏幕显示。通过控制排风扇、加热、除湿等相关器件的工作实现对室内温度、湿度、氨气浓度等环境因素的控制。系统会根据采集到的信息自动选择不同的工作设备，当超过阈值时发出声光警报。由于不同日龄的仔猪对周围环境温湿度有不同的要求，且相差较大。本系统拟分为两种模式。在模式一状态下可以人工调节环境温湿

17、度的阈值。模式二为系统自动调节从出生到两周龄不同时期仔猪所需要的温湿度的阈值，并自动控制相关设备的工作。1.4 本章小结本章首先分析了不同环境因素对仔猪生长速率的影响，给出了仔猪生长最适宜的环境。阐述了仔猪舍环境监控系统的国内外研究及发展现状，对本设计的功能进行了较为详细的介绍。- 30 -2 系统的总体设计系统的好坏往往取决于所使用的元器件的性能，因此需要谨慎选择各部分元件，尽可能做到物美价廉。本章将会对系统的整体构成以及各模块性能进行介绍，并对相关器件进行选择分析。2.1 系统的设计要求通过对周边一些中小型的养殖场进行调研发现，他们中有极大一部分没有使用控制系统，主要的原因是因为价格昂贵。

18、对环境要求较高的仔猪舍也是通过人为判断，人工控制相应设备的工作，主要的环境参考就是温度。对仔猪生长影响较大的湿度、氨气浓度等重要的环境指标并没有相应的测量和控制设备。通过第一章的分析，我们得到了仔猪生长适宜的环境数值。本系统将对仔猪舍内温度、湿度和氨气浓度实现自动检测和控制。并根据不同日龄的仔猪所需要的温湿度临界值实现自动调节。系统主要由传感器模块、显示模块、报警电路、负载控制电路、单片机及外围电路组成。2.2 MCU的比较与选择MCU(Micro Control Unit)，中文为微控制单元或者单片机，是指将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器以及各种I/O接口集成在一片芯片上2。MCU的

19、好处是可以根据不同的使用场合做出不同的控制组合。微处理器经过几年的不断研究发展经历了4位、8位、16位、32位甚至64位。目前市面上常见的MCU主要有以51系列为代表的8位单片机和以STM32系列为代表的32位单片机，16位MCU因为性价比并不理想而没有得到广泛的应用。8位和32位单片机性能比较如表2- 1所示：表2- 1 8位和32位单片机性能对比 性能MCU运行速度片上外设I/O接口价格8位较慢没有较少较低32位很快较多较多稍高为了满足系统的总体需要，以及系统稳定性、低成本和低价格的特点，在综合考虑之后我们选择32位STM32F103C8T6作为系统的主控芯片。STM32是意法半导体较早推

20、向市场的基于Cortex-M内核的微处理器系列产品，该产品具有低成本、性能高、低功耗、功能强大等特点。并且以系列化推出，供用户选择的类型多。这里使用的主控芯片是其STM32F103系列中的一种，工作电压2V3.6V通常使用3.3V电压。STM32代表基于ARM的32位微控制器，F代表通用类型，103代表增强型，C代表闪存存储器为256K字节。T代表LQFP封装，6代表工业级温度范围-408520。STM32F103C8T6是STM32F103系列中的一款，工作频率为72MHz，相对于市面上其他单片机具有较高的运行速度。其丰富的I/O接口及众多的通信接口足以满足本系统的需求。STM32F103C

21、8T6所包含的资源如表2- 2所示表2- 2 STM32F103C8T6所包含资源闪存128KBSRAM20KB定时器3个通用计时器、1个高级控制计时器通信接口SPI2个（SPI1、SPI2）IC2个（IC1、IC2）USART3个（USART 1、USART2、 USART3）USB1个（USB2.0全速）CAN1个（2.0B主动）GPIO3712位ADC模块（通道数）22.3 传感器的比较与选择在整个监控系统中，传感器是系统的初始端也是系统中最关键的部分。本设计中需要实时监测环境中的温湿度以及氨气浓度的信息，使用到了氨气传感器与温湿度传感器。2.3.1 温湿度传感器的比较与选择目前市场上常

22、用的温湿度传感器的型号多为以下三种产品，以DHT11为代表的DHT系列产品，以HTU21D为代表的HTU系列产品，以SHT21D为代表的SHT系列产品。三种不同型号的产品性能对比如表2- 3所示：表2- 3 三种温湿度传感器性能对比产品型号DHT11HTU21DSHT21D供电电压3.55V1.53.6V3.13.6V温度测量范围050-40105-40125湿度测量范围20%-90%0%-100%0%-100%测量精度温度：2湿度：5%RH温度：0.3湿度：3%RH温度：0.3湿度: 3%RH测量时间2s50ms50ms响应时间5s5s8s年漂移量0.5%RH/year0.5%RH/year

23、0.5%RH/year通信方式单总线通信IICIIC价格便宜一般稍贵通过第一章的分析我们得知适宜仔猪生长的温度范围为2435，湿度范围为55%80%,且对温度和湿度精度要求不高。在综合考虑之后，选用DHT11数字温湿度传感器作为本系统的温湿度检测模块。 DHT11数字温湿度传感器是一款含有校准位的数字信号输出温湿度传感器，测量范围为050， 0%RH90%RH。它应用了专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，主要包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件,具有响应时间短、性价比高、抗干扰能力强等特点4。图2- 1 DHT11数字温湿度传感器模块表2- 4 DHT11引脚功能Pin名称注释1VD

24、D供电 35.5v2DATA串行数据，单总线3NC空引脚，悬空处理4GND接地2.3.2 氨气传感器的选择目前市面上的氨气传感器价格较高，价格随着灵敏度的增加呈几何倍数增加。在本系统中将采用MQ-137传感器来采集仔猪舍内氨气浓度信息。该传感器使用二氧化锡（SnO2）作为气敏材料，二氧化锡具有在空气中宏电导率较低的特点。当传感器所在环境中含有污染气体时，传感器的电导率随着空气中污染气体的浓度增大而增大，通过简单的回路即可将电导率的变化转换为模拟量输出。MQ-137氨气传感器可以检测5-500ppm的氨气，且具反应速度快、灵敏度高、有价格较为便宜等特点。在第一章已经分析了适合仔猪生长的氨气浓度范

25、围应小于20mg/m。传感器的测量进度通常采用ppm浓度单位。mg/m与ppm的转换关系如下：mgm3=M22.4ppm273273+T 式2- 1M为气体的相对分子质量，氨气的相对分子质量为17，适合仔猪生长的温度在30左右，代入上述公式可以得到适合仔猪生长的ppm浓度应小于29.25。2.4 显示模块的选择显示设备是人机交互的直接通道，目前市场上的显示器分为LED和OLED两种。LED采用的是金属材料，而OLED采用的是有机材料。两者的发光原理是一样的，区别在于OLED不需要背光源、对比度更高。本设计采用3.3V供电的OLED显示屏。考虑到较大英寸的OLED显示屏价格较为昂贵，其价格随着尺

26、寸的增加呈几何倍数增长。根据需要实际显示的内容才用0.96寸的IIC通信协议的OLED显示屏幕。该型号的屏幕采用的是SSD1306的显存，显存总大小为12864bit，SSD1306将这些显存分为8页，每页包含128个字节，总共8页。因此该型号的OLED具有128*64的分辨率，可以显示4行，每行8个1616汉字文本。IIC通信的OLED只有4个接口，分别为VCC、GND、SCLK、SDA还具有连接方便得特点。SCLK为通信的时钟信号，SDA为数据传送引脚。2.5 负载部分选型根据系统的需要主要包括通风系统、保温系统以及保湿系统。通风系统主要由风机组构成，实现和外界的气体交换，还可以起到降低室

27、内的温度、湿度以及氨气浓度的作用。保温系统只要有加热设备和降温设备组成。加热设备采用暖气供应和电热器相结合的方法，降温设备采用风机和水帘构成。研究表明在30以下采用风机降温的效果较好，可以较为快速的控制室内的温度。在30以上对室内温度的控制效果较差，这时候我们采用风机和水冷系统相结合的方法。保湿系统主要由控制水泵及供水喷头构成，利用水的蒸发实现对舍内保湿的作用。负载工作的电压通常为220V或380V的高电压，这是单片机所不能承受的，应采用继电器控制设备的运作。当传感器检测到的数据发生异常时，STM32通过控制继电器来开启目标设备，当参数正常时关闭目标设备。2.6 本章小结本章对不同类型的单片机

28、，常用的温湿度传感器、氨气浓度传感器以及显示设备做了对比分析，根据系统的需要做了合理的选择。给出了传感器不同浓度单位之间的转换方法。3 硬件电路根据系统的需要本章将对系统的硬件组成进行分析，系统主要包括单片机基本电路、传感器接口电路、负载控制电路等。3.1 STM32最小系统3.1.1 STM32F103C8T6本系统需要采集多个传感器数据并进行比较分析，并控制相关设备的状态，对系统的稳定性和实时性要求较高。STM32F103C8T6具有I/O接口以及片上外设，引脚功能如图3- 1所示：图3- 1 STM32F103C8T6引脚图3.1.2 晶振及复位电路STM32F103C8T6单片机有5个

29、时钟源，分别为：HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。HSI为高速内部时钟，RC振荡器，工作频率为8MHz。HSE为高速外部时钟，可采用石英晶体振荡器、陶瓷振荡器等，工作频率为4MHz16MHz。LSI为低速内部时钟，是由一个RC振荡器构成，工作频率为40kHz，LSE为低速外部时钟，由一个频率为32.768kHz的石英晶体构成。PLL为锁相环倍频器，其可以选择系统的输入时钟并倍频至216倍,但其最大输出频率不得超过72MHz。本系统采用的是HSE外部高速时钟，由一个石英晶体振荡器组成，工作频率为8MHz。虽然在芯片内含有一个工作频率为8MHz的RC振荡器，但其精度较低、受温湿度影响较大。为

30、了保证系统工作的稳定性，系统采用高速外部时钟。为了保证系统能够持续的正常工作，在程序跑飞或进入死循环时能使系统恢复初始状态，设计了复位电路。STM32F103C8T6的复位引脚为NRST引脚。系统在正常工作时该引脚为高电平，当引脚从高电平变为低电平时电路复位。在系统正常工作时我们将该引脚接入3.3V电源电压，当按键按下时该引脚的电压被拉低，使系统复位。在系统上电时，由于电容充电需要一段时间，在系统上电的一瞬间NRST引脚为低电平，使系统复位，这样可以做到系统上电自动复位。图3- 2 晶振电路及复位电路3.1.3 电源电路在本系统中所需要的电源电压主要有5V和3.3V两种。DHT11温湿度传感器

31、和MQ-137氨气浓度传感器采用的是5V供电，STM32F103C8T6单片机和OLED显示屏是采用3.3V供电，对于常用的5V电源可能会烧毁元件。因此需要增加电源电路实现对降压以及稳压的作用。本系统采用5V供电的模式经稳压芯片ASM-1117后输出3.3V电压供单片机和OLED使用1。电源电路如图3- 3所示：图3- 3 电源电路3.2 传感器模块3.2.1 温湿度传感器本系统所采用DHT11采集温湿度信息，这是一款四引脚、5V供电、单总线传输的数字传感器。其传输的数据为40bit的数字量，因此DATA引脚只有高低电平。当传感器与单片机的连接线小于20米时，可增加一个5K的上拉电阻提高数据传

32、输的稳定性，当连接线大于20米时根据实际情况确定。图3- 4 DHT11接口电路3.2.2 氨气传感器在第二章已经介绍了MQ-137的气敏材料具有在空气中导电率极低的特点。其基本回路如图3- 5所示：图3- 5 MQ-137基本回路我们需获取的是氨气浓度的实时数据，因此只需要将传感器的模拟量输出端口与单片机相连接即可。利用STM32F103C8T6的ADC转换单元将传感器的模拟量转化为数字量，具体方法在第四章进行分析。需要注意的是，MQ-137传感器在使用之前需要预热几分钟测量值才能达到稳定状态。由于传感器模块是采用5V供电，模拟量最大值电压可以达4V以上，虽然STM32单片机的I/O口可以容

33、忍5V电压，为了系统稳定性，我们采用硬件的方式将05V的电压转换成03.3V的电压。在传感器与单片机的接口电路中串联两个分压电阻，经过电阻的串联分压，将05V的电压转换成03.3V的电压，使系统有一个稳定的工作环境。氨气传感器与转换原理图如图3- 6所示：图3- 6 MQ-137接口电路PA1处电压计算公式为:PA1=AO50K33KSTM32F103C8T6芯片内部包含两个独立的12位逐次逼近型ADC模块，每个模块最多包含16个通道，在每个通道和ADC单元有模拟开关进行连接。我们只需要配置相应的引脚即可实现对电压模拟量的数字转换。每个ADC通道对应的引脚如表3- 1下：表3- 1 ADC通道

34、对应引脚ADC1ADC2通道0PA0PA0通道1PA1PA1通道2PA2PA2通道3PA3PA3通道4PA4PA4通道5PA5PA5通道6PA6PA6通道7PA7PA7通道8PB0PB0通道9PB1PB1由于STM32F103C8T6没有PC0-PC12引脚，因此我们可以使用的通道0-通道9，这足以满足本系统的需要。3.3 显示模块显示模块采用的IIC通信的OLED显示屏幕，该型号的显示屏幕具有反应速度快和连接方便得特点。IIC通信的OLED只有4个接口，分别为VCC、GND、SCLK、SDA，因此OLED显示屏幕的接口非常简单。只需要将VCC接3.3V电源、GND接地、SCLK 、SDA分别

35、连接单片机的相应端口即可。图3- 7 OLED接口电路3.4 按键模块为了增强系统的适应性，本系统添加了阈值的调节与模式切换功能。按键电路较为简单，系统所用按键较少，采用传统的单一控制模式。将按键的接口通过10K的电阻与电源相连接，这时单片机的接口被置为高电平。当有按键按下时，单片机的接口与地连接被置为低电平。利用单片机检测接口的电平，即可判断是否有按键按下。本系统需要调节4个阈值和一个模式转换按钮，利用三个按键进行控制。用KEY0作为模式切换的按钮，当KEY1按下时可以切换设置变量的上限或者下限，当KEY2按下时可以切换设置温度或者湿度。两个按键配合即可设置4个阈值，为了能够看出我们设置的是

36、哪个变量我们用两个LED灯作为指示，小灯的量和灭为两种不同的状态，两个小灯即可显示4种阈值设置时的状态。KEY3为加1操作，KEY4位减1操作。指示灯电路采用的是灌电流的共阳极接法。STM32单片机只能提供小于5mA的拉电流，驱动能力较弱。但是可以容忍20mA的灌电流对负载的驱动能力较强。按键电路和指示灯电路如图3- 8所示：图3- 8 按键电路3.5 报警模块当环境变量超出系统所设定的范围时，单片机会通过继电器控制相应的器件进行工作，以达到稳定环境的目的。当系统设备工作不能维持环境继续改变时，需要发出声光警报来通知养殖场主进行人为干预，以减少不必要的损失。报警模块主要分为蜂鸣器报警和灯光警示

37、报警。蜂鸣器是采用5V供电，STM32单片机引脚是3.3V的，虽然可以大部分引脚可以容忍5V电源，为了系统的稳定我们利用PNP型三极管作为开关。当三极管基级电压为高电平时，三极管工作在饱和状态，集电极和发射极之间处于导通的状态。当基级电压处于低电平时三极管工作在截止状态，集电极和发射极之间截止。这样就可以实现通过小电流控制大电流的作用。灯光警示电路同指示灯电路一样采用灌电流的方式。报警电路如图3- 9所示：图3- 9 报警电路3.6 负载控制模块负载设备是维持环境稳定的关键，设备状态只有开启和关闭两种状态，所需要的电压通常是220V或者380V交流电，这是单片机所不能承受的。继电器可以做到利用

38、小电压控制大电压的作用，因此采用继电器控制设备的工作。继电器的本质是一个回路（一般指小电流）控制另一个回路（一般指电流），两个回路是相互隔离的，它的基本原理是利用电流的磁效应来控制机械触点达到通断的目的。给带有铁芯的线圈通电，线圈电流会使铁芯产生磁力把衔铁拉下来使衔铁和常开触点接触，工作电路闭合。当线圈断电时铁芯失去磁性，弹簧将衔铁拉起，工作电路断开。 单个继电器工作电路如图3- 10所示：图3- 10 继电器工作电路3.7 本章小结本章对系统的硬件设计进行了介绍。对各种传感器接口电路、按键电路，负载控制电路、显示电路以及单片机外围电路的设计做了详细的介绍并给出了相应的电路原理图。4 系统软件

39、设计在设计好硬件电路之后需要对各模块驱动文件进行配置。按照模块化编程的思想，借助Keil集成开发环境，对系统的软件进行设计。4.1 软件开发环境及程序设计流程4.1.1 软件开发环境STM32F103C8T6是基于ARM 32位的Cortex-M3内核。ST公司在开发芯片时为用户提供了大量的固件库，这些固件库可以在ST官网下载使用。本设计选用的软件开发平台为Keil uvision5 MDK版，Keil的编译器、调试工具可以实现与ARM系列芯片最完美匹配，其模块化编程的思想与简洁的屏幕空间可以大幅的提升程序员的工作效率。图4- 1 Keil工程界面4.1.2 仿真调试环境STM32系列芯片具有

40、强大的功能，仿真工具也是多种多样，本文采用的是ST-LINK V2仿真器。ST-LINK V2采用5V USB2.0全速接口进行供电和数据传输，支持Cortex-M0/M2/M3 ARM内核。连接方式如图4- 2所示图4- 2 ST-LINK连接方式4.2 系统循环4.2.1 系统主循环本系统分为两种模式供用户选择。系统在开机之后判断set0的值是否等于0，如果等于0进入模式一，否则进入模式二。在模式一或模式二中运行时检测KET0是否按下，如果是将set0的值取反并跳出当前循环。程序流程图如图4- 3所示。图4- 3 系统主循环4.2.2 模式一在模式一中温湿度的上下限的四个参数需要人工来调节

41、，利用两个按键选择需要调节的参数并通过两个LED灯作为指示，LED灯的亮和灭分别代表一种状态，两个LED灯可以指示四种状态。图4- 4 模式一程序流程图4.2.3 模式二在模式二中系统会根据仔猪的日龄进行自动调节温湿度的上下限，并记录仔猪入舍的时间，不同日龄仔猪所适宜的温湿度在第一章已经给出。图4- 5 模式二程序流程图4.3 各模块驱动程序设计4.3.1 DHT11驱动程序1.DHT11引脚配置DHT11数字温湿度传感器是采用单总线通信的方式，一次通信时间在4ms左右。只需要配置单片机的一个I/O引脚即可。先将引脚设置为输出模式向DHT11发送开始信号，然后将引脚设置为输入模式等待DHT11

42、回应接收数据。2.DHT11驱动程序配置DHT11一次发送40bit的数据，其数据格式为：8bit的湿度整数数据+8bit的湿度小数数据+8bit的温度整数数据+8bit的温度小数数据+8bit的校验和。数据的校验方式为对4个8bit数据求和，取其低8位作为校验位。系统读取DHT11数据的方式为系统先向DHT11发送一段开始信号，为大于18毫秒的低电平信号，然后将引脚电平拉高20-40us，主机在发送完成传输信号之后切换为输入模式等待DHT11响应。DHT11发出响应时会先将引脚电平拉低80us然后再拉高80us，然后开始数据传输。数据0为持续26-28us的高电平，数据1持续时间约为70us

43、的高电平。在数据传输完成之后，DHT11拉低总线50us，将总线的控制权交给主机。采样周期为1s一次。DHT11时序图如图4- 6所示图4- 6 DHT11时序图DHT11系统流程图如所示图4- 7 DHT11程序流程图4.3.2 MQ-137驱动程序STM32 ADC程序流程图如Error! Reference source not found.所示本设计采用的氨气传感器为MQ-137氨气浓度传感器，传感器的导电率会随着空气中污染物浓度的变化而发生变化，因此我们只需要测得传感器引脚的电压值即可。STM32F103C8T6单片机中包含两个独立的ADC转换单元，对应的通道引脚在第三章已经给出。这

44、里采用的ADC1的PA1引脚。1.STM32单片机ADC配置STM32单片机的系统时钟最高可以为72MHz，而STM32的ADC模块最高频率不能超过14MHz，超过14MHz可导致数据测量不准确，所以需要配置ADC的分频系数。将ADC预分频系数设置为6并使能ADC，这样ADC模块的时钟为12MHz，符合系统设计要求。STM32F103C8T6具有两个独立的12位逐次逼近型ADC，可将输入信号转换为12位的数字量。根据下图公式即可将12ADC数字量转换为检测到的电压值，按照传感器的特性曲线将电压值转换成相应浓度即可。V=ADC3.340962.数据的转换程序测得传感器输出电压随浓度增长曲线如图4

45、- 8所示：图4- 8 MQ-137电压浓度特性曲线由图可以看出电压大致可分为四种不同的增长速率0-10ppm、11-40ppm、40-100ppm、101-500ppm。将曲线分为四部分，分别求增长速率并转化为相应浓度。图4- 9 ADC程序流程图 图4- 10OLED程序流程图4.3.3 OLED驱动程序OLED 屏幕显示是通过控制128*64位点的LED灯的亮灭来实现显示的功能。其工作的原理是在单片机中生成需要显示的数据，然后将数据一次性写入OLED的SSD1306显存中。OLED模块采用的是IIC通信协议，有连线简单的特点。首先需要使能所需要的引脚，将引脚配置为推挽输出的模式。之后将P

46、A5配置为数据传输的时钟信号，将PA7配置为数据传输引脚。OLED显示流程如图4- 9所示4.3.4 按键检测程序按键是进行人机互动的工具，本设计一共使用5个按键。KEY0为切换系统的模式，KEY1为切换上下限按钮，KEY2为切换温湿度按钮，KEY3为加1，KEY4为减1.1.按键引脚定义按键的引脚采用上拉输入的模式。单片机的外部引脚通过一个10K的电阻连接电源，在按键未按下时引脚检测为高电平。当按键按下时，该引脚接地，引脚处的电平被拉低。通过判断引脚处的电平是否为低电平即可判断是否有按键按下。2.按键控制程序按键分为两个部分，当系统检测到KEY0按下时，将ste0的值取反并跳出当前循环。在模式一下检测到KEY1-2按下时分别被set1、set2的值取反，根据两个变量的值来选择温湿度的上下限。set1和set2为00、01、10、11时分别对温度低阈值、温度高阈值、湿度低阈值、湿度高阈值进行选择，然后通过KEY3-4进行加减操作。4.3.5 负