鸡舍灯光控制器系统设计

鸡舍灯光控制器

学院：机电学院

年级专业：2006级机械电子工程学号：07806036

姓名：

指导教师：

中国陕西杨凌

目录

中文摘要 (1)

英文摘要 (1)

引言 (2)

1．方案论证 (2)

2．系统设计

2.1系统功能 (2)

2.2总体设计 (3)

2.2.1系统框图 (3)

2.2.2各模块框图 (3)

2.3原理简述 (4)

2.3.1补光原理 (4)

2.3.2电路原理 (4)

2.4器件选择 (4)

3．电路设计

3.1直流稳压电源 (5)

3.1.1直流稳压电源电路图 (6)

3.1.2器件选择和参数计算 (6)

3.2光照控制电路

3.2.1光照控制电路电路图及原理 (6)

3.2.2器件选择和参数计算 (6)

3.3时钟控制电路

3.3.1电子钟电路 (7)

3.3.2逻辑控制电路 (9)

3.4主电路

3.4.1主电路图 (13)

3.4.2说明 (13)

3.5整体电路图 (13)

3.6结果分析 (14)

3.6.1直流稳压电源模块 (14)

3.6.2CP模块 (15)

3.6.3电子钟模块 (15)

3.6.4控制模块 (15)

4．结论 (16)

参考文献 (17)

致谢 (18)

摘要

对鸡舍灯光控制方式进行分析，综合其优缺点提出一种合理的控制模式。运用电子技术相关知识设计了鸡舍灯光自动控制电路。采用光照控制电路和时钟控制电路组合控制，实现了对鸡舍进行自动补光。解决了不同天气、不同季节鸡舍灯光控制复杂的问题。核心部分是控制电路，其优劣决定了补光的合理性与准确性等整体性能。设计过程中采用了加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司的设计软件Multisim7.0，通过电脑仿真来设计电路图，并测试其各个模块的功能，最终实现设计要求。

关键词：鸡舍补光；光照控制；时钟控制

Abstract

Sheds light on the analysis of control, its advantages and disadvantages of the integrated control of a reasonable model. Knowledge of the use of electronic technology designed sheds light automatic control circuit. Illumination using the clock control circuit and control circuit combination of control, the realization of automatic sheds light up. Solution of different weather, different seasons sheds light control of complex issues. The core of the control circuits, their advantages and disadvantages determine the reasonableness of premium light, such as overall performance and accuracy. The design process used in Canada, Interactive Image Technologies Ltd. The company's design software Multisim7.0, through computer simulation to design schematics, and test the functions of its various modules, and ultimately the design requirements.

Keywords: sheds light up; light control; clock control

引言

鸡舍的灯光控制是蛋鸡饲养中的重要一环。根据鸡舍结构、饲养方式的不同，要确定相应的控制方法。不同灯光控制器不仅控制原理不同，而且其适用范围也不同。目前在实际生产采用的鸡舍灯光控制器的类型主要有：DF-24型可编程序定时控制器、KG-316型微电脑时控开关、渐开渐灭型灯光控制器、速开速灭型灯光控制器等，这些灯光控制器采用电脑芯片进行定时控制，价格比较昂贵。也有采用石英钟或其它方式作定时控制的灯光控制器，有的就是简单的定时控制，有的带有光敏控制。但其控制方式基本相同。

本设计采用常见的电子元器件实现光照控制和时钟控制相结合的控制电路。与高端的鸡舍灯光控制器相比，虽然功能较少，精度不高，但实现了基本的控制功能，满足了实际需要，同时大大降低了成本，适合于中小规模的养鸡场。与低端的鸡舍灯光控制器相比，功能比较完备，控制效果要更好。

1．方案论证

系统的方案有三种：

①恒光强电路

设定鸡舍内的光照强度，对鸡舍内光照强度进行检测，与设定值比较后输出控制信号，控制补光设备补光，使鸡舍内的光照强度恒定。

②光照延时电路

白天利用自然光照，傍晚从某一设定时刻开始补光，用延时装置控制补光设备补光一段时间。

③光照、时钟双控电路

用时钟电路设定需要补光的时间段和不需要补光的时间段，在需要补光的时间段内，光照控制电路控制补光设备补光，使鸡舍内的光照强度恒定。

方案1比较容易实现，但不够科学，没有考虑鸡的生活习性，另外耗能也比较大；方案2节约了电能，充分利用了自然光，但不易实现凌晨补光和阴雨天的补光，延迟补光的开始时间也需要随着季节的改变而改变，不方便调节；方案3具有方案1、2的优点，同时弥补了其缺陷：在夜晚设定了不补光的时间段，使鸡能够休息好，在补光的时间段保持鸡舍内的光照强度恒定，在晴天实现了傍晚、凌晨双段补光，同时解决了阴雨天气补光的问题，在季节变换时也不需要调节。因此采用方案3。

2．系统设计

2.1系统功能

该系统应具备以下功能：

① 在晴天实现日出前、日落后双段时间补光 ② 在阴雨天可实现自动补光

③ 季节交替时能自动调节补光时间的长短

2.2总体设计

2.2.1系统框图

鸡舍灯光控制器的原理框图如下，电路包括以下几个部分：直流稳压电源、光照控制电路、时钟控制电路以及主电路。

图1 鸡舍灯光控制器原理框图

2.2.2各模块框图

直流稳压电源如图2：

光照控制电路如图3：

时钟控制电路如图4：

图2 直流稳压电源原理框图 图3 光照控制电路原理框图

图4 时钟控制电路原理框图

主电路如图5：

图5主电路原理框图

2.3原理简述

2.3.1补光原理

补光原理如图6.

图6 补光原理图

如上图6所示，光照控制和时钟控制两种控制方式叠加在一起就是补光的实际效果，夏季补光实现了凌晨提前二个小时补灯光，天亮后接受自然光，天黑后延续二个小时补光。随着昼夜时差；春、夏、秋、冬补光时间自行调节，冬季补光时间相对最长，补光时间可提前及延长4-5小时之久。

通过对光敏电阻的调整，还可以设定阴雨天全天自动补光的功能。

2.3.2电路原理

如系统框图所示，对市电进行变压、整流、滤波、稳压后获得直流稳压电源，为光照控制电路、时钟控制电路提供低压直流电源；光照控制电路、时钟控制电路对控制量进行处理后控制主电路中补光设备的运行，进行补光。

直流稳压电源、光照控制电路、主电路为模拟电路；时钟控制电路为数字电路。

2.4器件选择

表1：元器件明细表

3．电路设计

3.1直流稳压电源

3.1.1直流稳压电源电路图

考虑到直流稳压电源的输出电压固定，输出电流变化范围较小，可采用二极管稳压电路。电路图如右图7：

3.1.2器件选择和参数计算 输出电压：V U O 6= 负载电流：mA I L 40~10=

UI 的选择：UI ＝（2～3）UZ=12~18V

变压器的选择：变比k=220/（12~18）=12.2~18.3：1；可取k=15：1，此时UI=14.7V 稳压管的选择：V U U O Z 6==，mA I Z 60~5= 限流电阻的选择：Ω=Ω+-=+-=

3.19340

56

7.14max min Im max k I I U U R L Z z in

Ω=Ω+-=+-=

3.12410

606

7.14min max Im min k I I U U R L Z z ax ；取Ω=150R

电容的选择：取C=220μf

整流二极管的选择：D1~D4选用IN4007 3.2光照控制电路

3.2.1光照控制电路电路图及原理 使用光敏电阻将光强信号转化为电信号，通过晶体管放大后控制继电器的吸合，设计电路如右图8.

根据光敏电阻的特点，在充足的自然光线下光敏电阻R3为低阻2K Ω ，这时晶体管Q1截止，继电器K 释放，当夜暮来临后光敏电阻呈高阻2M Ω，Q1饱和导通，继电器吸合，K 的常开触点接通补光灯泡供电回路。

3.2.2器件选择和参数计算

V1即直流稳压电源的输出电压，为6V

LED1为电源指示灯，mA I V U VD VD 20~5,6.1==

图7 直流稳压电源电路图

图8 光照控制电路电路图

R1为保护电阻，Ω=Ω-=-=880~22020

~56

.1611k I U V R VD VD ，取Ω=4701R 晶体管Q1选择9013

R3为光敏电阻，低阻2K Ω，高阻2M Ω R2取为6 K Ω 电位器R4的选择：

对于Q1，Ω≈K r be 2，Q1导通时V U be 7.0=，故V V U r r R U be be be R 8.27.02

2

623=?+=+= R3=2K Ω时应保证Q1可靠截止，

[]()Ω=Ω-=+-=

K K r R R U U V R be R R 52.1828

.28.26)(2333

1min 4∥∥ R3=2M Ω时应保证Q1饱和导通，

[]()Ω=-=+-=

K K M r R R U U V R be R R 1.9828

.28.26)(2333

1max 4∥∥ 故电位器R4取为10 K Ω

继电器K1选择电压继电器，V U K 61=

D1反并联在K1线圈两端，其反压保护作用，选用IN4007 3.3时钟控制电路 3.3.1电子钟电路 1.CP 模块

CP 信号发生器是秒表电路的核心，其作用是产生一个标准频率的脉冲信号，振荡频率的精度和稳定度决定了电子钟的质量。设计中采用555定时器与RC 组成多谐振荡器来实现。设计CP 信号发生器如右图9所示。

考虑到计时最小单位为1s ，故设定输出的脉冲频率为1Hz ，周期T=1s ，占空比为2/3。

多谐振荡器振荡周期的计算公式如下：

()()1s

2ln 23/12ln 3/22ln 121211221211=+=+====+=C R R T T T T

C R T T C R R T

由于实际电路中要求R1、R2≥1K Ω，同时R1+R2≤3.3M Ω，故取C1=10μF ，代入上式计算得

图9 CP 信号发生

R1=R2=48 K Ω。可取两个47 K Ω的电阻与一个2K Ω的电位器串联实现，电位器滑动端调至50%位置处。

为提高555定时器比较器参考电压的稳定性，在5脚与地之间接电容C2=0.01μF 。 2.计时器模块

由电子表原理可知1s 、1min 、1h 位为十进制，10s 、10min 位为六进制，10h 位为二十四进制。故1s 、1min 、1h 位直接使用十进制计数器74160，10s 、10min 位用74160接成六进制计数器，10h 位用74160接成二十四进制计数器。

可利用置位法接成六进制计数器，原理图如图10所示。

利用74160的同步置数端（LD ’）实现的六进制计数器电路如图11所示。

同样，可用2片74160实现二十四进制计数器。计数器采用异步CP 方式连接，低位的进位信号是高位的时钟信号。由于74160是CP ↑作用的计数器，故片间通过非门连接。

图11 六进制计数器电路图

图10 六进制计数器原理图

电路图如图12所示。

3.译码显示模块

采用集成的译码显示模块，内含电阻、译码器、显示器 4.调时模块

利用按钮开关控制1min 、1h 位，利用CP 信号发生器的脉冲作为调时的脉冲信号 5.电子钟电路总电路图

经过以上设计可得到电子钟电路总电路图如图13所示。

3.3.2逻辑控制电路图12 二十四进制计数器电路图

图13 电子钟电路电路图

利用小时位的两个74160的输出作为逻辑控制电路的控制信号，实现一天之中0~3、22~23时控制信号为0，其余时刻控制信号为1

列出真值表如表2。

表2 真值表

利用Multisim中的逻辑转换器对真值表进行化简得到逻辑表达式：Y=AE'+B +C+D 输出变量Y的高电平控制继电器的吸合，利用基本逻辑门组成逻辑电路即可实现此功能。

由此可设计出时钟控制电路如下图14.

图14 时钟控制电路电路图

3.4主电路

3.4.1主电路图

主电路采用白炽灯进行补光，将白炽灯并联后与开关、继电器串联组成电路。电路如

15.

下图

图15 主电路电路图

3.4.2说明

白炽灯额定电压为220V，根据实际情况可并联多个，但应根据其功率选择相应的熔断器F1。

继电器K1、K2分别受光照控制电路和时钟控制电路的控制。

J1为应急开关，合上J1后，控制电路不再起作用。

3.5整体电路图

将以上设计的直流稳压电源、光照控制电路、时钟控制电路、主电路组合起来，得到整体电路如下图16.

图16 整体电路图

3.6结果分析

利用仿真软件Multis i m7.0对设计的电路进行仿真测试并分析测试结果如下：

由于整体电路的元件比较多，仿真起来速度很慢，所以先对各个模块进行仿真调试：3.6.1直流稳压电源模块

在整体电路图中的直流稳压电源（即在带载情况下）输出端加示波器，观察输出电压的幅值及波形是否平稳，结果如下图

17

3.6.2CP 模块

在多谐振荡器的输出端接示波器后开始仿真，观察输出信号并测量其幅值、周期、占空比，结果见图18，符合设计要求。

3.6.3电子钟模块

电子钟模块的测试主要有三个方面：

组成的六进制、二十四进制计数器的测试：将六进制、二十四进制计数器独立出来，在CP 端加上脉冲信号发生器，观察其QA~QD 端和进位输出端的信号波形。

片间进位是否正常的测试：将计数器模块独立出来，在CP 端加上脉冲信号发生器，频率适当调大一些（如10KHz ），观察数码管显示以判断进位是否正常。

调时电路的测试：按下调时按钮开关，观察数码管显示以判断是否实现调时功能。 经过仿真，结果符合设计要求。 3.6.4控制模块

控制模块的测试主要有两个方面：

光照控制电路的测试：在光照控制电路两端加上6V 直流电源，改变光敏电阻的阻值（在亮阻2K~暗阻2M 之间），观察继电器在光敏电阻为亮阻时是否释放及在暗阻时是否吸合。

时钟控制电路的测试：将逻辑控制电路独立出来，在1h 、10h 位的计数器的CP 端加上脉冲信号发生器，在逻辑电平输出端加示波器，观察数码管显示为00~03、22~23时输出逻辑电平是否为低电平，数码管显示为04~21时输出逻辑电平是否为高电平。

经过仿真，结果符合设计要求。

t=10 ms/Div U=5V/Div

t=1s/Div

U=5V/Div

图17 直流稳压电源测试波形图

图18：CP 模块测试波形图

4．结论

经过设计方案的比较、论证、确定，系统电路的设计、仿真测试，最终完成了设计任务，实现了预定功能。

电路的主要优点在于采用光照控制电路和时钟控制电路相结合进行控制，实现了对鸡舍进行自动补光。解决了不同天气、不同季节鸡舍灯光控制复杂的问题。另外，由于采用的是常见的电子元器件，电路简单、无需编程，造价也比较低廉，易于更换、维修。

不足之处在于控制不够灵活，如果要改变时钟控制的设置，需要修改整个逻辑控制电路。由于采用单电源供电，导致掉电后数据丢失，每次通电后都需要重新调整时间。另外，时钟控制电路的精度受555定时器发生的脉冲精度的限制，使用一段时间后需要校正时间。

参考文献

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［2］黄松波．光照不足对产蛋鸡的影响[J]. 养禽与禽病防治, 2005,(01)

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［4］华成英、童诗白．模拟电子技术基础[M]．第四版：高等教育出版社，2006 ［5］阎石．数字电子技术基础[M]．第五版：高等教育出版社，2005

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［8］田良、王尧．综合电子设计与实践[M]：东南大学出版社，2002

［9］黄永定．电子实验综合实训教程[M]：机械工业出版社，2004

［10］吴立新．实用电子技术手册[M]：机械工业出版社，2002

致谢

在本论文完成之际，首先要感谢我的导师卢博友教授对我的论文全面指导和生活上的热情关怀，使我在专业理论以及应用实践上有了很大的提高；卢老师言传身教，使我受益匪浅，同时他的治学的严谨、做人的原则，对工作的认真负责是我们今后工作和学习的楷模。

我还要感谢所有同学的热情关心和无私帮助。在论文的撰写过程中，每每遇到困难停滞不前的时候，总会得到他们及时、中肯的帮助与指引；那种平等、友爱的同学之谊是让我倍感珍惜，而难以忘怀的。

最后，我还要向多年来给我精神和物质支持的父母表示深深的谢意!感谢他们为保证我的学业的顺利完成所付出的艰辛!

再一次向所有关心、帮助我的人表示衷心的感谢!