在天氣多陰冷潮濕的貴州高原地區，仔豬養殖場最主要的問題就是仔豬舍內環境過于陰冷和濕度過高而導致舍內滋生病菌，使得抵抗力差的仔豬容易患病。

而多數養殖場都有較為豐富的沼氣資源，可以將沼氣燃燒后轉換為熱能為仔豬舍加溫，從而解決冬季仔豬舍舍內溫度過低的問題。在沼氣加熱控制、設施溫度控制等方面，國內外都有很多學者開展了這方面的研究。韓少平等人應用生態學理論，設計了一個白天利用太陽能加熱，夜晚應用沼氣燃燒加熱保溫的生態蔬菜溫室；李戰明等人針對熱水鍋爐提出了一種控制算法提高鍋爐供暖系統效率；占濤等人運用模糊控制理論合成自校正PID控制器，從而獲得更好的調溫效果。但以上設計限于結構或理論的研究，未見其控制系統。楊瑞瀾應用生態學原理，研究大型沼氣工程布局，以期獲得良好的經濟效益和生態效益；呂秀麗等人設計了基于單片機和PC機的溫度監測系統，實現了溫度動態檢測；但研究僅限于沼氣工程總體布局結構設計和理論研究，沒有涉及精準控制研究。

另外，黃曉鵬等人設計了一種基于DSP與藍牙無線傳輸技術的分布式溫室監控系統；劉洋等人針對北方冬季設計了以單片機為核心來控制熱水泵的增溫系統；杜云明等人針對溫室灌溉情況設計了以AT89C51單片機為核心的智能控制系統；但設計著重于短距離控制，且都沒有提及精準控制，無控制精度保證。

此外，馮華勇等人基于鍋爐溫度儀的硬件和軟件設計原理，實現了包括溫度測試、顯示、控制與RS485通信等功能；王楠等人設計了一種以PIC16F716單片機為核心的控制系統以滿足工業化要求；鄭江送等人設計了STC89C51單片機為核心的遠程溫度采集系統，實現單片機與GSM模塊的通信，俞紅等人設計了一種采用PIC16C71單片機為控制核心的溫控裝置。

本文以沼氣燃燒供熱系統在仔豬舍內精準溫控為研究對象，完整設計了仔豬舍自動控溫系統的硬件和軟件，并且完成了硬件模塊選型和控制系統仿真。

1、系統控制方案

根據仔豬舍加溫控制特點，本控制系統以單片機為控制部件，外圍元件包括傳感器、繼電器、水泵電機、散熱器等，具體控制原理如圖1所示。DS18B20智能數字溫度傳感器實時測量仔豬舍環境溫度，經過自身內部轉換程序處理后，將數字信號送入單片機與給定的溫度值比較，經過單片機內部運算后的輸出值作為單片機輸出指令進入伺服電機驅動電路，接著控制電控水泵的電動機通斷狀態及通斷時間，進而控制熱水流量，即可調節散熱器散發熱量，最終實現對仔豬舍環境溫度的實時調控，使實際溫度值與設定溫度值的溫差接近為零，達到自動控制舍內環境溫度的目的，該系統還可設計LED動態顯示器來實時顯示溫度值,方便人工監視。

【圖1】

單片機只需控制電控水泵處于靜止、工作、停止狀態，即通/斷切換，而通斷狀態時間取決于實時采集溫度與設定值范圍間的差值大小。當仔豬舍環境實時溫度低于最低設定值1℃，則報警器會立刻報警同時溫度傳感器就將該差值經過一系列轉換輸入數字PID控制器，經過PID運算后的輸出值作為單片機輸出指令進入伺服電機驅動電路，接著控制電控水泵啟動，開始向管道泵熱水，即處于“通”狀態，再經過仔豬舍散熱器將熱量傳入仔豬舍，最終控制舍內環境溫度升高，直到仔豬舍環境溫度達到設定值；當舍內環境溫度高于最高設定值1℃，如上述過程，則報警器會立刻報警同時溫度傳感器就將該差值經過一系列轉換輸入單片機，經過單片機內部運算后的輸出值作為單片機輸出指令進入伺服電機驅動電路，接著控制電控水泵立即停止工作，不再向管道供熱水，即處于“斷”狀態，最終將舍內環境始終控制在設定值的恒溫狀態，達到仔豬舍恒溫自動控制。

2、不同控制方案的分析比較

2.1控制對象的分析

該自動控溫系統是通過對控制對象的控制來調節熱水供應量，最終實現仔豬舍環境溫度的控制。經分析，該系統控制對象可為沼氣和熱水，即沼氣供應量的控制和熱水供應量的控制。

沼氣供應量的控制屬于氣流控制，其工作特點為使用、維修方便；安全、可靠；成本低、壽命長；單純用氣缸傳動難以得到固定不變的運動速度；氣動裝置總推力一般不可能很大。

熱水供應量的控制屬于液流控制，這種控制方式有其特點在于同等功率的情況下，液壓裝置體積小、質量輕、結構緊湊；操作簡單、安全、經濟；能在大范圍內實現無級調速，但出現問題不易檢修。

本設計選擇液流控制，即控制對象為熱水供應量。

2.2控制方式的確定

控制對象確定之后就是控制方式的確定。實現熱水供應量控制的方式很多，鑒于本系統特點，有以下三種控制方式可選：第一，通過步進電機控制絲桿熱水閥開度實現；第二，通過齒輪齒條控制熱水閥門實現；第三，通過繼電器控制電控水泵通斷狀態來實現。

第一種方式是將電機與熱水閥門的連接制作成滾珠絲桿螺母副，二者精密連接好，進行動力傳輸。電機接到單片機指令時做回轉運動，通過滾珠絲桿螺母副作用，將該回轉運動轉換為絲桿的直線運動，進而改變熱水閥門開度。第二種控制方式工作原理與第一種相仿，在此不再贅述。

第三種控制方式中，繼電器相當于就是電路里的觸發性電子開關，單片機發出的觸發信號，繼電器即接通/斷開，電控水泵隨之相應的供水/斷水，而其通斷時間則根據溫度傳感器實時采集溫度與設定溫度間的溫差自動變化，所以此系統采用該種控制方式。

綜上所述，該自動控溫系統控制方案為：通過繼電器控制電控水泵通斷進而控制熱水供應量。

3、各功能模塊元件選型

3.1單片機

本溫度控制系統選用AT89C52作為系統控制電路CPU芯片。AT89C52的晶振頻率為12MHz，內部RAM為256字節，內部FLASHPERAM達到8K，具備定時器/計數器T0和定時器/計數器T1、T2。

3.2溫度傳感器

本設計選用數值溫度傳感器DS18B20。DS18B20可以直接讀出被測溫度的數字信號值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。在構成大型溫度控制系統中，允許在單線總線上掛接多片DS18B20，測量結果以9位數字量方式串行傳送。表1是DS18B20的性能參數。

【表1】

3.3電控水泵

該溫控系統的水泵安置于鍋爐與仔豬舍間的管道中，主要用于鍋爐供水。DG型鍋爐給水泵屬國家有關部門推廣的節能產品，用來代替GC型鍋爐給水泵，其效率平均比GC型高8%，所以該設計選用DG系列鍋爐供水泵。選擇Y132S-2型號的三相異步電動機與DG系列水泵配套使用，二者通過電機聯軸器連接共同組成電控水泵。

3.4繼電器

固態繼電器與普通機械式觸點繼電器相比，有如下優點：高壽命，高可靠性；靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好；快速轉換；電磁干擾小?；谝陨戏治?，該控制電路選用希曼頓的S220ZK型固態繼電器來控制電控水泵通斷。

4、溫控系統軟件設計

4.1主程序

該溫控系統的主程序包括系統的初始化子程序和中斷服務程序，中斷服務程序又包括：溫度檢測子程序、按鍵掃描子程序、溫度顯示子程序、溫度控制子程序、報警子程序，系統初始化流程列表如表2所示，主程序流程圖如圖2所示。

【表2】【圖2】

4.2溫度檢測子程序

溫度檢測子程序主要是溫度傳感器DS18B20內部對信號進行一系列轉換的程序，系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20\\(發復位脈沖\\)→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。流程圖如圖3所示。

【圖3】

4.3溫度控制子程序

溫控系統對溫度的控制，只需要通過對繼電器通斷的控制即可實現，當AT89C52的P1.7口為高電平時，電機正常轉動，水泵供水。流程圖如圖4所示。

【圖4】

4.4溫度顯示子程序

該系統的LED顯示根據實際需要采用的是動態顯示方法，這樣可以節省I/O接口資源。采用四個共陽極LED數碼顯示器實現顯示，第一位為百位和符號顯示位，第二位為十位顯示位，第三位為個位顯示位，第四位為十分位顯示位，第三位和第四位之間顯示小數點。

當溫度傳感器采集到溫度經一系列換算后，以數字信號輸入單片機中，經過程序設定計算模式得出數據送顯示位和顯示段碼，最后按照先位碼后段碼順序顯示。

4.5按鍵掃描子程序

按鍵掃描子程序是根據單片機接口和按鍵設置的，采用DS18B20作為該溫控系統的溫度傳感器，測量精度和控制精度較高，可以實現3種控制溫度精度效果：預置設定溫度值、預置設定溫度范圍、預置設定溫度范圍。流程圖如圖5所示。

【圖5】【圖6】

5、溫控系統的實現

該溫控系統設定溫度范圍上限為25℃，下限為23℃，可通過按鍵對設定溫度進行調整，將溫控范圍擴大，最后調試運行結果如圖6所示。

6、結論

本設計主要適用于農業工程中沼氣熱源用于仔豬舍加溫的自動溫控問題，完成了溫度控制系統總體結構和控制方案的設計以及溫度控制系統軟件、硬件設計。結合養殖場仔豬舍實際情況，充分利用了溫度傳感器DS18B20的工作特點，實現了溫控系統的測溫精度達0.5℃，控制精度達±1℃，響應速度和精準度能夠滿足仔豬舍自動溫控需求。（圖表略）