【正文】 雛雞雞舍模糊溫濕度控制器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文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(wú)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(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[56]，養(yǎng)殖戶(hù)通過(guò)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(hù)帶來(lái)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(lèi)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(hù)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(hù)。 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(hù)的操作，啟動(dòng)后便開(kāi)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(guò)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。 （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(guò)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(hù)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(mǎn)足可設(shè)置任意溫濕度，簡(jiǎn)單高效以避免養(yǎng)殖戶(hù)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(hù)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(lèi)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(hù)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(lái)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(mǎn)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(guò)程較為復(fù)雜，往往是通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行處理。而本設(shè)計(jì)中是通過(guò)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(jiàn)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(hù)根據(jù)雛雞飼養(yǎng)實(shí)際需求，通過(guò)按鍵設(shè)置溫濕度目標(biāo)值并啟動(dòng)；單片機(jī)通過(guò)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(guò)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(mǎn)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（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(guò)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)，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(guò)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(kāi)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(mǎn)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(kāi)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(guò)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(hù)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，濕度誤差為177。2%，在濕度為63%的條件下，溫度誤差僅為177?！妫錅y(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(kāi)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(hù)設(shè)定目標(biāo)值；養(yǎng)殖戶(hù)可通過(guò)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(jiàn)如圖3所示。明確功能劃分模塊接口設(shè)計(jì)選擇器件焊接調(diào)試圖3 設(shè)計(jì)流程圖 采集模塊器件選型及電路設(shè)計(jì)（1）AM2302溫濕度傳感器本設(shè)計(jì)采用高精度的AM2302溫濕度傳感器，溫度分辨率為16 bit，濕度分辨率為16 bit。AM2302是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性，卓越的穩(wěn)定性，超小的體積和極低的功耗等優(yōu)點(diǎn)[8]。AM2302采用單總線通信方式，單片機(jī)將數(shù)據(jù)線SDA拉低1毫秒作為起始信號(hào)，AM2302響應(yīng)信號(hào)后直接輸出40位數(shù)據(jù)，其格式為“濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位+校驗(yàn)位”。因此可見(jiàn)，采集過(guò)程的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線SDA完成，AM2302可方便地與單片機(jī)進(jìn)行單總線通信，AM2302數(shù)傳電路如圖4所示。圖4 AM2302數(shù)傳電路圖在圖4中，若數(shù)據(jù)線短于30米時(shí)，；反之則根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減少上拉電阻的阻值。經(jīng)過(guò)測(cè)試，AM2302單總線通信有效距離最遠(yuǎn)可達(dá)80米，可見(jiàn)其完全滿(mǎn)足中、小型規(guī)模育雛室環(huán)境參數(shù)的采集工作。（2）74LS138芯片74LS138是3線8線的譯碼器，其工作原理為：當(dāng)選通端G1為高電平，且/G2A和/G2B均為低電平時(shí)，才能將地址端A、B、C的二進(jìn)制編碼在對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出；另外，能利用G/G2A和/G2B級(jí)聯(lián)拓展成2線 4線譯碼器，外接反相器可級(jí)聯(lián)拓展成32線譯碼器等等功能。因此，74LS138較為廣泛地被運(yùn)用到數(shù)字電路。其管腳圖如圖5所示。圖5 74LS138 管腳圖（3）74LS125芯片 74LS125為三態(tài)輸出的四總線緩沖器，主要是由四個(gè)獨(dú)立的三態(tài)門(mén)緩沖器構(gòu)成。其中，CCCC4作為各緩沖器選通的使能端，僅當(dāng)使能端為低電平時(shí)，輸入端才能將數(shù)據(jù)傳送到輸出端；反之輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)，近似于斷路狀態(tài)，電壓信號(hào)跟隨外部電路變化而變化。其管腳圖如圖6所示。圖6 74LS125管腳圖（4）74HC14芯片 74HC14是一款支持高速的CMOS器件，其管腳兼容低功耗肖特基TTL系列。74HC14實(shí)現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器，其主要功能是將上升沿、下降沿較緩，或者畸變較大的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為清晰、無(wú)抖動(dòng)的方波信號(hào)。因此，74HC14的運(yùn)用有利于改善信號(hào)，提升電路穩(wěn)定性。其管腳如圖7所示。圖7 74HC14管腳圖（5）74LS32芯片 74LS32是四2輸入的或門(mén)集成電路，是一款常用的TTL芯片，其輸出端滿(mǎn)足Y=A+B的邏輯運(yùn)算。例如，若輸入端A、B均為低電平時(shí)，輸出端Y為低電平，否則均輸出高電平。該芯片的管腳圖如圖8所示。 圖8 74LS32管腳圖控制器通過(guò)高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)AM2302的采集工作。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)最多支持7個(gè)采集點(diǎn)，包括1個(gè)舍外采集點(diǎn)和6個(gè)舍內(nèi)采集點(diǎn)，其中舍內(nèi)采集點(diǎn)安裝的空間位置和數(shù)量可由實(shí)際控制效果確定，其采集控制電路如圖9，詳細(xì)參見(jiàn)附錄A。圖9 采集控制電路圖在圖9中。，。，此運(yùn)用了三態(tài)門(mén)在未選通狀態(tài)下的高阻輸出特性，可有效消除各采集點(diǎn)之間的電平影響。另外，本設(shè)計(jì)通過(guò)排針CJ引出7個(gè)信號(hào)接口，其中CJ0用于連接舍外采集點(diǎn)，CJ1CJ6分別連接舍內(nèi)采集點(diǎn)。 主控模塊的硬件設(shè)計(jì) 主控芯片的選型STC89C52RC單片機(jī)是STC公司推出的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K的可編程Flash存儲(chǔ)器，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)采用PDIP40封裝形式，其管腳封裝如圖10所示。圖10 STC89C52RC封裝圖 按鍵模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為養(yǎng)殖戶(hù)提供可實(shí)時(shí)操作的按鍵電路，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對(duì)雞舍溫濕度目標(biāo)值的設(shè)置。此采用獨(dú)立按鍵的方法，共使用五個(gè)獨(dú)立按鍵，各按鍵的用途分別是復(fù)位、切換、增大、減小和啟動(dòng)。而按鍵電路在結(jié)構(gòu)上可分為復(fù)位電路和參數(shù)設(shè)置電路。其中，復(fù)位按鍵接至單片機(jī)的復(fù)位管腳，由于單片機(jī)采用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平作為復(fù)位信號(hào)，故本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖11所示。另外，切換按鍵可實(shí)現(xiàn)溫度或濕度的選擇功能；增大按鍵對(duì)溫度作用是+1℃/次，對(duì)濕度是+1%/次；同理，減少按鍵對(duì)溫度的作用是1℃/次，對(duì)濕度是1%/次；啟動(dòng)按鍵實(shí)現(xiàn)結(jié)束參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置電路如圖12所示。圖11 復(fù)位電路圖圖12 參數(shù)設(shè)置電路圖 在圖12中，（QH）、增大(ZD)、減少(JX)和啟動(dòng)(QD)按鍵的輸入口，各個(gè)輸入口均外接有上拉電阻，并且串接發(fā)光二極管?？梢?jiàn)，若沒(méi)有按鍵操作，二極管不發(fā)光；若有按鍵操作，相應(yīng)輸入口立即被下拉至低電平，并且二極管發(fā)光直到松開(kāi)按鍵。 顯示模塊的設(shè)計(jì)顯示模塊作為本設(shè)計(jì)人機(jī)交互的重要窗口，需實(shí)時(shí)反饋控制器運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶屏，其可方便地與8位單片機(jī)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；其擁有三條控制端，分別是