基于单片机多孵化箱温湿度自动控制系统

基于单片机多孵化箱温湿度自动控制系统内容摘要：

亚的 “哈利森 ”公司等。 据《国际家禽》杂志不完全统计，世界各国较有规 模孵化机制造厂约 350家。 荷兰 “派司雷风 ”公司己有 70多年的历史 (林其禄等， 1996)。 部分公司的产品己经实现网络化和无线通信化。 管理人员可以通过手持掌机监控孵化设 备的运行，也可以通过 Inter远程访问孵化场甚至修改某个孵化箱的控制参数。 我国孵化设备的制造比国外起步较晚。 1980年以前，只有少数鸡场从日本引进少量的设备，并仿制了部分产品，谈不上有设计能力。 80年代初期北京市平谷电子机械厂生产出了云峰牌孵化机，对当时养禽业有很大的促进，同时北京西山孵化设备厂等也开始从事专业的孵化设备生产。 80年代末至 90年代初期，养禽业有了极大的发展，国内孵化设备己不能满足需要，于是大型鸡场开始大量从国外引进先进的孵化设备。 这一来，对我国孵化设备的研制产生了深远的影响，许多生产厂家从中吸收先进技术改进自己的设计，设计水平有了很大程度的提高(侯满宏， 2020). 经过多年的发展，我国目前已经形成具有一定规模的从事孵化机设计和制造的专业队伍，基本上满足我国养禽业的需要。 据不完全统计，国内主要生产孵化设备的厂家有 :电子工业部 41所，南京实验仪器厂，北京市西山孵化设备厂，杭州余杭畜禽设备厂 (浙江农业大学 )以及杭州富阳春江孵化设备厂等 (排名不分先后 )。 典型的产品主要有 :“依爱 ”牌数显孵化机、汉显智能箱体孵化机、 FT系列微控孵化 出雏机等 (林其禄等， 1996)。 这些机型，部分 已经采用先进的电脑模糊控制技术， 液晶显示，触摸屏等。 电子工业部 41所研制的模糊孵化设备可以根据一年四季气候的变化、胚胎发育的状况、以及箱体内二氧化碳和氧气的含量自动调节箱体内的温度、湿度和风门的位置，从而以电脑的控制实现了 “看胎施温 ”这种人脑思维。 一些实验室和个人也对孵化控制技术进行了有意义的研究。 吉林大学郁筝采用薄膜铂电阻作为温度传感器， HS 系列电容作为湿度传感器设计了基于现场总线的孵化控制系统 (郁筝， 2020)，将工控中的现场总线思想运用到孵化控制中来，取得了一定的成果。 长春理工大学侯满宏采 用模拟温度传感器 AD590和 HS 系列湿度传感器以及 89C51单片机设计了单孵化箱的控制系统 (侯满宏， 2020)0 纵观国内外孵化设备的研究和制造现状，国内在这一方面虽然取得了一定的成果，有一些具有竞争力的产品，但与发达国家相比，我们的孵化设备还是存在着很大的差距，整理如下 : ，国内先进机型性能指标己经达到了较高的水平，控制效果 ，我国整体生产工艺水平欠缺，产品外观和结构与国外先进水平都有一定的差距。 ，国外主要厂家 都具有一些可以帮助用户进行管理和提高自动化程度的辅助设备，其中最主要的是孵化机集群控制系统，它已经普遍应用在国外的现代化孵化场中。 国内在这方面相对落后，有个别厂家推出了集群控制系统，也只是处于起步阶段，而且应用还非常少。 随着养殖行业的不断发展，孵化场向大型化方向发展已经是大势所趋。 孵化场的大型化对生产的组织管理提出了更高的要求。 因而仅能实现机械化、自动化的孵化设备远远不能满足人们的需要。 新一代的孵化设备应朝着人性化、智能化、网络化、高可靠性和节能型的方向发展，以下是孵化设备的发展趋势 : ，要 求孵化控制器的控制精度越来越高。 新型传感器向智能化、数字化、标准化发展， 使孵化机的控制效果更加精确。 ，每个孵化 场又有若干台孵化设备，为了便于管理，将每个孵化场内的若干台孵化设备通过某种通信途径连接起来，由一台计算机来控制，这台计算机再通过 Inter网络可与公司总部或其它孵化场进行通讯。 这样，公司的管理者在办公室内就能监视和控制各地孵化场的运转情况，甚至能了解每台孵 化设备的运转情况，而且可以在世界各地均可通过 Inter网络对远在他乡的孵化设备进行监控 (金美华等，2020). ，根据不同季节、不同环境、不 同品种、不同周龄种禽产的种蛋以及种蛋保存时间的长短等，孵化时所需的参数均有所变化。 在目前的条件下，生产过程中这些参数仍然需要孵化人员根据自己的经验来确定，也就是说孵化管理人员的经验仍然是孵化效果的决定性因素。 专家系统就是将不同品种的种蛋在不同的环境下孵化时所需的参数组合在一起，必要时自动调用。 把孵化时可能出现的故障 现象和解决措施集成在里面，必要时指导使用者对故障的处理。 对孵化效果进行评估并指出其中的不足。 引入孵化专家系统能够有效的减轻孵化人员的负担，降低孵化过程的难度，减少孵化过程中可能出现的错误，改善孵化效果等 (靳传道， 2020)0 模糊控制又叫人思控制，是近十年来兴起的一种先进的控制技术，它的工作就华中农业大学硕士学位论文 :基于单片机的多孵化箱温湿度控制系统的研究是模拟人脑的思维过程。 1965年美国加利福尼亚大学的 Zadeh教授发表了题为 “模糊集 ”和 “模糊 集与 系统 ”两篇开创性的论文，奠定了模糊理论和应用研究的基础 ( Zadeh, 1965)。 从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。 一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法 —模糊控制也随之问世了。 模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。 模糊控制技术一问世就得到了广泛的应用，美国、英国、日本、荷兰、丹麦等国相关科研人员开始 对不同的复杂控制过程进行模糊控制的实验。 1973年 L. A Zadeh给出了用模糊语言进行系统描述的方法， 1974年美国的马达尼首次应用这种方法实现了蒸汽发动机的模糊控制实验，取得了满意的效果。 进入 80年代，模糊控制开始由实验室转入工业实践， 1983年日本第一套工业实用系统秋田市净化水场模糊控制药剂投放量装置投入运行 (赵文海， 1996。 H R Berenji, 1992)。 日本九州大学的户贝博士与山川教授于 1983年分别开发了将模糊推理作为硬件的模糊集成块，后来制成了推理机及模糊控制用的 “模糊计算机 ”，每 秒钟能推理 1000万次。 我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快。 诸如在模糊控制、 模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。 1986年，都志杰等人用单片机研制了工业用模糊控制器。 随后，何钢、能秋思、刘浪舟、于旭亮、张广成、田成方、李友善等人相继将模糊控制方法成功应用在气炼机、玻璃炉窑、化工大滞后过程、功率因数补偿、选矿破碎过程、锅炉与甜菜制糖控制系统中，都取得了较好的效果。 模糊控制理论在农业自动化方面也得到了广泛的应用，其 典型应用是温室自动控制系统。 2020年，西北农林科技大学王国美应用模糊控制理论进行了温室自动控制系统的研究，通过 8098单片机采集温室的参数因子，并进行模糊运算，实现温度、湿度、氧气浓度等因素的联控 (王国美， 2020)0 2020年，大连理工大学王生成设计了一种控制规则自调整模糊控制器，通过 Matlab仿真对工业恒温箱进行控制。 对恒温箱的动态性能进行了分析 (王生成， 2020)0 2020年，李善军设计了以单片机为主控芯片的温湿度两级优化监控系统。 通过单片机采集温室中的环境因子，并发送至上位 PC机，采用间接模 糊解祸的方法实现温湿度的解祸，并实施温湿度联控。 2020年徐玲将模糊理论的知识表达与神经网络的自学习能力有机地结合起来，设计了模糊神经网络控制器，并设计了智能温室温湿度控制系统。 它综合了模糊逻辑和神经网络各自的优点来提高整个系统的学习能力和控制性能，取得了很好的效果 (徐玲， 2020)。 综上所述，近年来发展迅速的模糊控制理论适合于多参数，大滞后的控制场合。 本系统为多孵化箱温湿度控制系统，很难建立系统的精确模型，适合应用模糊论进行控制。 本章主要介绍了本课题的来源、研究本课题的 目的和意义。 同时介绍了当前国 内外孵化设备的研究和生产现状，介绍了模糊控制理论的发展和应用情况。 这些对 本系统的研究都有很好的借鉴和参考价值。 第二章孵化的条件及设计目标 孵化是指禽蛋 (后文均以鸡蛋为对象 )体外发育成雏的阶段，它是通过外界条 件 (如温度、湿度、通气等条件 )的影响，使鸡蛋变成雏鸡的过程。 孵化的好坏直 接影响孵化率的高低，小鸡的成活率以及生长发育和生产性能。 所以一定要重视孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎发育过程中各阶段对外界条件的要求。 胚胎发育所需要的条件有温度、湿度、通风、翻蛋、凉蛋等。 温度是孵化过程中最重要的条件。 保证胚胎正常发育所需的适宜温度，才能获得高孵化率和优质雏鸡。 孵化期间出现高温，胚胎发育增快，孵化期缩短，胚胎死亡率增加，初生雏鸡质量下降 (王超， 1999)。 当孵化温度超过 42℃ 时，胚胎会在 2 3小时内死亡。 如果孵化的头两天温度过高，在孵化的 56天时就会出现粘壳，发育畸形增多。 如果孵化的第 3~5天温度过高，尿囊合拢提前，出雏时间会提前，但出雏时间将会拖长。 若出现短期强烈温度偏高，胚胎干燥、粘壳，尿囊出现血液颜色呈暗黑色，且皮肤、心脏略有点状出血。 孵化后期长时间温度偏高，会导致破壳早、内脏充血，破壳后死亡多 (余中于， 2020。 张丽娟， 2020。 张伟， 2020)0 孵化温度偏低，将延长种蛋的孵化时间，胚胎发育迟缓，气室大，相应死亡率增加，初生雏鸡质量下降。 当孵化温度低至为 ℃ 时，胚胎大多数会死于壳内。 由上看出，鸡胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，温度在 0C，都有一些种蛋能出雏。 但是在使用电力孵化设备的情况下，上述温度不是胚 胎发育最适温度 (郁筝， 2020)。 在环境温度得到控制的前提下 (如 24^25 0C )，就立体孵化箱而言，最适宜的孵化温度是 0C。 出雏期间为 37^ 0C。 另外，孵化过程中不同时期的孵化温度有所不同，需要进行微调。 因此，对孵化机内的温度精确测量是十分重要的 (廖纪朝， 1998)0 参考孵化行业的孵化标准，得出现有的孵化施温方式主要有如下两种 : ，大批种蛋整批人孵，应采用变温孵化。 具体施温方案如表 to ，具体温度见表 2(技术 文献 )。 表 11不同胚龄期孵化室与孵化箱内温度关系 Table 11 Relationship between the temperature and the length of hatching 附 :华氏 (F)与摄氏 (C)的温度换算公司 :F: 32+9/5C。 C=5/9x (F32) 表 12立体孵化分批入孵所取的温度 Table 12 The temperature selected of nonwhole cubical hatching 由于本系统是 多孵化箱控制系统，为了便于管理并提高孵化效率，采用大批种蛋整批入孵方式，即孵化出雏一体化。 故采用表 1所列的施温方案。 依据室内温度将孵化温度分段确定为 (李明晖， 2020) 表 1一立体孵化分批入孵所取的温度 Table 12 The temperature selected of nonwhole cubical hatching 1绝对湿度和相对湿度 大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的，即以每 lm 3大 气中所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。 要想直接测量出大气的水汽密度，方法比较复杂。 而理论计算表明，在一般的气温条件下，大气的水汽密度与大气中华中农业大学硕士学位论文 :基于单片机的多孵化箱温湿度控制系统的研究水汽的压强数值十分接近。 所以大气中水汽的密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号 D表示，常用的单位是 mmHg a在许多与大气湿度有关的现象里，如鸡蛋的孵化，人们的感觉等等，都与大气 的绝对湿度没有直接的关系，主要是与大气中水汽离饱和的远近程度有关 (郁筝， 2020)。 比如，同样是 l0mmRg的绝对湿度，如果是在炎热的夏季中午，由于离当时的饱和水汽压 (约 31mmHg)尚远，使人感到干燥，然而如果是在冬季的傍晚， 由于水汽压接近当时的饱和水汽压 (约 18mmHg)而使人感到潮湿。 因此通常把大气的绝对湿度和当时气温下的饱和水汽压的比值的百分数称为大气的相对湿度，即 式中 :H—相对湿度。 D—大气的绝对湿度 (mmHg)。 D一当时气温下的饱和水汽压 ((mmHg) o 上式表明，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度为 100%RH o 2湿度对孵化效果的影响 孵化机内的相对湿度，对孵化效果也起着一定的作用。 在正常情况下，从种蛋入孵到出壳，全期水分的损失约占蛋重的 12%左右，为确保胚胎的正常发育，种蛋内水分的蒸发应保。