【正文】 1 雛雞雞舍 模糊 溫 濕度控制器的設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 任小培 指導(dǎo)教師 許麗佳 摘要： 針對(duì)目前中國(guó)雛雞飼養(yǎng)自動(dòng)化水平低、管理技術(shù)落后的現(xiàn)狀，本文采用高精度的數(shù)字溫濕度傳感器 AM2302為測(cè)量元件，并結(jié)合高性能單片機(jī) STC89C52RC，設(shè)計(jì)了一款雛雞雞舍溫濕度模糊控制器。該系統(tǒng)主要由采集模塊、主控模塊和系統(tǒng)軟件三個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雛雞雞舍內(nèi)溫濕度的智能監(jiān)控、顯示和報(bào)警等操作。經(jīng)模型測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)溫度控制的最大誤差為 ℃ ，濕度控制的最大誤差為 %，可滿足育雛的基本條件。本文研究結(jié)果可為 雛雞 養(yǎng)殖 戶提供操作簡(jiǎn)便、控制效果較好的模糊 控制器 ，具有市場(chǎng)推廣價(jià)值 。 關(guān)鍵詞 ： 雞舍；模糊控制器； AM2302； STC89C52RC 2 Chicken coop temperature and humidity fuzzy controller design Electrification and automation of agriculture Xiaopei Ren Tutor Lijia Xu Abstract: Chickens reared for the current low level of automation in China, managing the technology behind the current situation, we use highprecision digital temperature and humidity sensor AM2302 as measuring element, bined with the highperformance singlechip STC89C52RC, designed a chicken coop temperature and humidity fuzzy controller. The system consists of three parts acquisition module, control module, and system software ponents, to achieve the temperature and humidity within the chicken coop intelligent monitoring, display and alarm operation. The model results show that the maximum error of the temperature control system ℃ , the maximum error is % humidity control, can satisfy the basic conditions of the brood. The results of this study may provide simple, better control of fuzzy controller for the chicken coop farmers with marketing value. Keywords: chicken coop。 fuzzy controller。 AM2302。 STC89C52RC 3 1 緒論 課題研究的背景及意義 課題研究的背景 中國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，雞禽養(yǎng)殖業(yè)是中國(guó)農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一。中國(guó)雞禽養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)歷了穩(wěn)定快速發(fā)展，總產(chǎn)量大幅提高。育雛是雞禽生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，雞舍環(huán)境控制直 接影響著雛雞的生長(zhǎng)發(fā)育，因此，創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，培育出發(fā)育良好、健壯的雛雞，才能保障最終獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益 [12]。 目前，針對(duì) 雞舍溫濕 度控制 系統(tǒng) 的研究有很多 ， 可謂正 向 兩個(gè)方向發(fā)展 。 一是 不斷的融入高 新 科技 技術(shù) 。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) [3]可以實(shí)現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)采集，也避免了繁瑣的布線工作 ； 智能控制技術(shù) [4]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的有效控制 ；通過 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) [56]，養(yǎng)殖戶通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)雞舍進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。這些技術(shù)特征雖為養(yǎng)殖戶帶來了方便，但是增加了養(yǎng)殖成本。二是設(shè)計(jì)廉價(jià)且高效的控制器。這類控制器 通常 采用高性能 的主控芯片 ，能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析功能，并提供 便捷 的人機(jī)交互 界面 ， 其著重解決環(huán)境監(jiān)控中的主要矛盾，優(yōu)化 了 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) ，很大程度地降低成本，因而更容易得到養(yǎng)殖戶的青睞。 科學(xué) 研究 的 市場(chǎng)價(jià)值 是檢驗(yàn) 研究 成果的重要標(biāo)準(zhǔn)之一 ， 能夠 推廣于 市場(chǎng)， 服務(wù)于社會(huì)，才能 充分 發(fā)揮 研究的 價(jià)值。 目前，針對(duì)雞舍環(huán)境控制領(lǐng)域，永星電子儀表有限公司已經(jīng)推出的雞舍智能控制器，該儀器結(jié)合上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍 環(huán)境 的控制， 功能全面且 提供良好的人機(jī)交互界面 ，該產(chǎn)品由于使用上位機(jī)控制，成本較高，主要適合大規(guī)模飼養(yǎng)的養(yǎng)殖戶。 課題研究的意義 本 設(shè)計(jì)是以高性能的 單片機(jī) 為主控芯片，提供便捷的人機(jī)交互界面，方便養(yǎng)殖戶的操作，啟動(dòng)后便開始逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù) ， 并 采用 模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn) 了 智能監(jiān)控， 這 是一套價(jià)格低廉、 方便實(shí)用的 溫濕度控制器 。本設(shè)計(jì)具有以下幾項(xiàng)重要意義 。 （ 1） 探究調(diào)控 溫濕度 能夠 改善雞舍空氣質(zhì)量。本設(shè)計(jì)主要通過控制加熱、增濕和通風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的自動(dòng)調(diào)控，而溫度與濕度之間存在相互反向制約的關(guān)系，導(dǎo)致溫濕度最終處于動(dòng)態(tài)平衡。 若采集的 溫度或濕度偏高，控制器便啟動(dòng)通風(fēng)裝置，即可 起到 凈化雞舍空氣質(zhì)量 的作用 。 （ 2） 設(shè)計(jì)采集控制電路節(jié)省單片機(jī) I/O資源。本設(shè)計(jì)采用 AM2302數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器支持單總線通信協(xié)議。 據(jù) 其資料 介紹 ，傳感器的數(shù)據(jù)線 SDA 需 單獨(dú)接至單片機(jī)I/O口完成通信，便導(dǎo)致一個(gè)傳感器占用一個(gè)管腳。 4 （ 3） 探究 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的 模糊控制 算法所涉及的變量較多，又限于單片機(jī)內(nèi)部資源較少，則需對(duì)模糊控制模型進(jìn)行 等效 簡(jiǎn)化 。又因單片機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)占用過多的資源，故將模糊變量均定義為整型 。 論文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 論文研究的內(nèi)容 （ 1）按鍵模塊的設(shè)計(jì) 按鍵模塊作為養(yǎng)殖戶設(shè)置目標(biāo)溫濕度 的輸入接口 ，其硬件電路 的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和 減少 占用單片機(jī) I/O 口 的原則 ； 其軟件 功能 的設(shè)計(jì)應(yīng) 滿足可設(shè)置任意溫濕度，簡(jiǎn)單高效以避免養(yǎng)殖戶頻繁的操作。另外，由于隨著育雛日齡的增長(zhǎng)，所需求的溫濕度會(huì)有所變化， 本設(shè)計(jì)的按鍵模塊應(yīng)可供養(yǎng)殖戶任何時(shí)刻的操作。 （ 2）顯示模塊的設(shè)計(jì) 顯示模塊是本設(shè)計(jì)中重要的部分，其任務(wù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)的實(shí)時(shí)交互。由于顯示器件的種類繁多，價(jià)格懸殊。本設(shè)計(jì)應(yīng)選擇一種價(jià)格低廉、 高 性能的顯示器。另外， 顯示器可以實(shí)時(shí)反映出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。例如，在溫濕度設(shè)置階段， 顯示器能實(shí)時(shí)顯示出 養(yǎng)殖戶當(dāng)前設(shè)定的各參數(shù)值；在采集控制階段，其能顯示當(dāng)前溫濕度，以及各 個(gè) AM2302溫濕度傳感器 的 輸入 和 各 個(gè) 執(zhí)行 裝置 的 輸出 狀態(tài)。 （ 3） 采集模塊的研究 溫濕度傳感器是整個(gè)系統(tǒng)誤差的主要來源，故對(duì)其精度要求較高。由于，本設(shè)計(jì)采用模糊 算法實(shí)現(xiàn)高精度的控制 ，相較于普通控制，增加了對(duì)參數(shù)值變化率的 分析， 因此，傳感器 還應(yīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和飄移抑制能力。 采集控制電路的目的是節(jié)約單片機(jī) I/O 資源 ，同時(shí)滿足遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳輸。 本設(shè)計(jì)采用七個(gè) AM2302傳感器采集環(huán)境參數(shù)， 且該傳感器支持單總線通信協(xié)議，故需研究如 何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)一個(gè) I/O口與各傳感器通信，這也是本設(shè)計(jì)的 重 點(diǎn)。 （ 4） 模糊控制算法的設(shè)計(jì) 模糊控制算法是對(duì)參數(shù)分析處理的核心部分，其運(yùn)算 過程 較為復(fù)雜，往往是通過 上位機(jī)進(jìn)行處理 。而本設(shè)計(jì)中是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算 [7]，而且要達(dá)到理想的控制效果，可見在軟件設(shè)計(jì)上具有相當(dāng)?shù)碾y度。 論文研究的目標(biāo) 本設(shè)計(jì)工作流程為： 養(yǎng)殖 戶 根據(jù)雛雞飼養(yǎng)實(shí)際需求，通過按鍵設(shè)置溫濕度目標(biāo)值并啟動(dòng)；單片機(jī)通過參數(shù)采集模塊對(duì)雞舍內(nèi)外溫濕度進(jìn)行定時(shí)輪流采集，由 LCD1602模塊顯示 5 舍內(nèi)溫濕度，并調(diào)用模糊控制算法對(duì)舍內(nèi) 溫濕度進(jìn)行模糊分析；單片機(jī)根據(jù)模糊分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合舍外環(huán)境參數(shù)，得到最 終控制信息，并 通過驅(qū)動(dòng)電路直接控制加熱裝置、增濕裝置、通風(fēng)裝置；另外，若溫度或 濕度 超出 允許范圍，控制器進(jìn)行報(bào)警并繼續(xù)進(jìn)行調(diào)控。 基于實(shí)現(xiàn)上述功能， 本設(shè)計(jì) 研究的具有 四 大目標(biāo)。一是，參數(shù)采集的出錯(cuò)率接近 于 零；二是， 操作簡(jiǎn)單，良好的人機(jī)交互方式；三是，環(huán)境綜合 控制能力強(qiáng) ，滿足雛雞飼養(yǎng)條件；四是，整體設(shè)計(jì)低成本，具有市場(chǎng)推廣潛力。 論文的結(jié)構(gòu) 本論文的結(jié)構(gòu)如下： 第一部分 初步 介紹 了基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的溫濕度模糊控制器基本框架， 和 課題研究的 背景和意義， 以及論文研究的具體內(nèi)容和目標(biāo)。 第二部分介紹 溫濕度模糊控制器的硬件設(shè)計(jì)，其中著重介紹了采集模塊、按鍵模塊、顯示模塊和繼電控制及報(bào)警模塊的電路設(shè)計(jì)。 第三部分介紹 溫濕度模糊控制器各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)，其中重點(diǎn)針對(duì)模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以及結(jié)合舍外環(huán)境劃分的各種控制方式。 第四部分 詳細(xì) 介紹 了對(duì)該控制器性能的測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果。 第五部分客觀地評(píng)價(jià)該模糊控制器，并對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行前景與展望分析。 2 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 本設(shè)計(jì)主要由采集模塊、主控模塊和系統(tǒng)軟件三大板塊構(gòu)成。其中 ，采集模塊最多可支持 7個(gè)采集點(diǎn)，由采集控制電路選通并實(shí)現(xiàn)；主控模塊主要包括高性能的單片機(jī)、按鍵電路、顯示電路、繼電控制及報(bào)警電路等，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 6 （ 1）采集模塊 采 集模塊是本設(shè)計(jì)的重要部件，所選用傳感器的精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)控制器的控制效果。本設(shè)計(jì)采用具有單總線通信的 AM2302數(shù)字溫濕度傳感器，通過采集控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè) AM2302的數(shù)據(jù)采集工作，由于其僅占用主控芯片一個(gè) I/O通信口，也大大地節(jié)省了管腳資源。 （ 2）主控模塊 主控模塊是本設(shè)計(jì)的核心部件，選用高性能的 STC89C52RC單片機(jī)為主控芯片。該模塊連接按鍵電路實(shí)現(xiàn)溫濕度目標(biāo)值的設(shè)定并啟動(dòng)，通過單片機(jī) 口讀取采集模塊的數(shù)據(jù)，由顯示電路實(shí)時(shí)顯示采集的溫濕度，并連接繼電控制及報(bào)警電路以實(shí)現(xiàn)對(duì) 加熱裝置、增濕裝置和通風(fēng)裝置的實(shí)時(shí)控制；若采集參數(shù)超出設(shè)定值允許的范圍則啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。 （ 3）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件猶如控制器的指揮官，使控制器按預(yù)設(shè)的時(shí)序工作。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖O(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件模塊的正常工作，良好的邏輯設(shè)計(jì)可節(jié)省硬件資源，降低設(shè)計(jì)成本。本設(shè)計(jì)采用模塊化編程，通過按鍵電路和顯示電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，具有操作簡(jiǎn)單、性能可靠的特點(diǎn)，啟動(dòng)后，系統(tǒng)依次循環(huán)調(diào)用采集程序、顯示程序、報(bào)警程序、模糊控制程序、綜合控制程序最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各繼電器的開關(guān)控制。 系統(tǒng) 特征 （ 1）結(jié)構(gòu)的人性化 本設(shè) 計(jì)將采集控制電路和主控模塊集成于主控板（ PCB 板）。各路采集和控制的連線方式均采用三線制設(shè)計(jì)，其中包括：電源線、信號(hào)線和地線。該控制器最多可支持 7個(gè)采集點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到 80米，可充分滿足普通雛雞雞舍的監(jiān)測(cè)條件。另外，采集和控制信號(hào)接口線均位于控制器的左側(cè)，其右側(cè)安裝按鍵電路和顯示電路，具有布局合理，設(shè)計(jì)美觀和安裝調(diào)試方便的特點(diǎn)。 （ 2）操作的安全性 該控制器采用繼電器實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的開關(guān)控制，本設(shè)計(jì)將各繼電器安裝在各個(gè)單獨(dú)的 PCB板上，并分別通過主控板引出的控制信號(hào)線進(jìn)行作用，則 避免了由于意外將強(qiáng)電電壓施加到主控板的情況，充分保障了養(yǎng)殖戶的安全。 （ 3）高性能的傳感器 本設(shè)計(jì)選用廣州奧松電子有限公司最新推出的 AM2302溫濕度傳感器，該傳感器的檢測(cè)精度具有明顯的提高，其溫濕度的分辨率達(dá)到 16位。該傳感器在溫度為 25℃ 的條件下， 7 濕度誤差為 177。2%，在濕度為 63%的條件下，溫度誤差僅為 177?！?，其測(cè)試情況如圖 2所示。 圖 2 AM2302測(cè)試結(jié)果 （ 4）控制的智能化 本設(shè)計(jì)采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集參數(shù)的分析。模糊控制作為智能技術(shù)的重要組成部分，具有較為 完善的理論體系，并已在諸多領(lǐng)域取得良好的控制效果。為此，本設(shè)計(jì)將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到雛雞雞舍環(huán)境的監(jiān)控，可以有效克服雞舍環(huán)境的大滯后、非線性等特性，最終實(shí)現(xiàn)代替人工的作用。 （ 5）良好的人機(jī)交互 開機(jī)或復(fù)位，顯示模塊顯示完歡迎界面，便提示并等待養(yǎng)殖戶設(shè)定目標(biāo)值；養(yǎng)殖戶可通過按鍵模塊進(jìn)行復(fù)位、切換、增大、減小和啟動(dòng)操作；啟動(dòng)后，顯示電路顯示各采集點(diǎn)和各控制信號(hào)接口線是否有信號(hào)，并分別顯示采集的溫濕度。 3 硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為 了充分 提高溫濕度的控制效果， 采用全數(shù)字電路設(shè)計(jì)方式，以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)用的可靠性 ，并選擇高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)的數(shù)字溫濕度傳感器以減小系統(tǒng)誤差。本設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)操作方便 ，且具有良好的 人機(jī)交互 效果， 故 對(duì)控制器各模塊 進(jìn)行人性化布局。該控制器的設(shè)計(jì)流程見 如 圖 3所示。 圖 3 設(shè)計(jì)流程圖 采集模塊 器件選型