【正文】 學的一種應用，模擬自然界的孵化環(huán)境，提供胚胎發(fā)育適宜的條件，用于家禽種蛋的孵化。本文立足于這些不足，設計了多孵化箱溫濕度測控系統(tǒng)。利用 HS1101 搭建頻率電路檢測孵化箱內(nèi)的濕度。 設計了溫濕度模糊控制算法。 編制了單片機驅(qū)動硬件的 C 語言程序和上位機管理軟件。 關鍵詞 :孵化箱，單片機，上位機，溫濕度，模糊控制 ABSTRACT Along with the rapid development of electronic, puter and control technology,Agricultural automation has developed to a new stage. Hatch measuring and control system is one of the applications of the imitates the natural hatching environment and provides the fitting condition of the embryo upgrowth. This article based on this deficiency and designed measuring and controlling system for temperature and humidity in mufti incubators based on MCU. The current situation and development direction of hatching systems inside and outside the country were described. Introduced the hatching principle designed technical standard of the system referred to the hatching profession carried out the hardware circuit design. 1. For the accuracy of temperature measurement and the cost control, use digital single data line temperature sensor DS18B20, establishes many temperature measurement spots。 近年來，隨著武漢經(jīng)濟發(fā)展速度的穩(wěn)步提升，武漢周邊地區(qū)的個體養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，尤其是江夏、黃破等地的個體養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，為當?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)的經(jīng)濟騰飛注入了新的生命力。而且控溫、控濕精度己經(jīng)不能滿足孵化過程中的要求，使得出雛率和健雛率較低，經(jīng)濟效益受到較大的影響。這樣導致孵化管理效率不高。為了節(jié)省投資成本，滿足一般養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)需要，對現(xiàn)存孵化設備進行改進并進行組網(wǎng)集散 化的這項研究將會有很大的市場前景和社會效益。 國際著名的孵化機廠家和公司有美國“雞王”孵化器公司、比利時“皮特森” 公司、加拿大的“詹姆斯威”公司 、荷蘭“派司雷風”公司、丹麥的“富基”公司、澳大利亞的“哈利森”公司等。管理人員可以通過手持掌機監(jiān)控孵化設備的運行，也可以通過 Inter 遠程訪問孵化場甚至修改某個孵化箱的控制參數(shù)。 80 年代末至 90 年代初期，養(yǎng)禽業(yè)有了極大的發(fā)展，國內(nèi)孵化設備己不能滿足需要，于是大型雞場開始大量從國外引進先進的孵化設備。典型的產(chǎn)品主要有 :“依愛”牌數(shù)顯孵化機、漢顯智能箱體孵化機、 FT 系列微控孵化出雛機等 (林其祿等， 1996)。吉林大學郁箏采用薄膜鉑電阻作為溫度傳感器， HS 系列電容作為濕度傳感器設計了基于現(xiàn)場總線的孵化控制系統(tǒng) (郁箏， 2020)，將工控中的現(xiàn)場總線思想運用到孵化控制中來，3 取得了一定的成果。但是產(chǎn)品的可靠性與國外先進水平有一定的差距。國內(nèi)在這方面相對落后，有個別廠家推出了集群控制系統(tǒng)，也只是處于起步階段，而且應用還非常少。新一代的孵化設備應朝著人性化、智能化、網(wǎng)絡化、高可靠性和節(jié)能型的方向發(fā)展，以下是孵化設備的發(fā)展趨勢 : ，要 求孵化控制器的控制精度越來越高。 影響孵化效果的因素較多，根據(jù)不同季節(jié)、不同環(huán)境、不 同品種、不同周齡種禽產(chǎn)的種蛋以及種蛋保存時間的長短等，孵化時所需的參數(shù)均有所變化。對孵化效果進行評估并指出其中的不足。所以一定要重視孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎發(fā)育過程中各階段對外界條件的要求。 孵化期間出現(xiàn)高溫，胚胎發(fā)育增快，孵化期縮短，胚胎死亡率增加，初生雛雞質(zhì)量下降 (王超， 1999)。若出現(xiàn)短期強烈溫度偏高，胚胎干燥、粘殼，尿囊出現(xiàn)血液顏色呈暗黑色，且皮膚、心臟略有點狀出血。 孵化溫度偏低，將延長種蛋的孵化時間，胚胎發(fā)育遲緩，氣室大，相應死亡率增加，初生雛雞質(zhì)量下降。在環(huán)境溫度得到控制的前提下 (如 24℃ 25℃ )，就立體孵化箱而言，最適宜的孵化溫度是 ℃ 。 參考孵化行業(yè)的孵化標準，得出現(xiàn)有的孵化施溫方式主要有如下兩種 : ，大批種蛋整批人孵，應采用變溫孵化。故采用表 1 所列的施溫方案。所以大氣中水汽的密度又可以規(guī)定為大氣中所含水汽的壓強，又把它稱為大氣的絕對濕度，用符號 D表示，常用的單位是mmHg a 在許多與大氣濕度有關的現(xiàn)象里，如雞蛋的孵化，人們的感覺等等，都與大氣 的絕對濕度沒有直接的關系，主要是與大氣中水汽離飽和的遠近程度有關(郁箏， 2020)。 Ds 一當時氣溫下的飽和水汽壓 ((mmHg)。孵化機內(nèi)的相對濕度值決定著種蛋的失水多少、速度快慢。一般孵化器的相對濕度應經(jīng)常保持在 55%~70%(王小芬， 2020。一般孵化器內(nèi)氧氣含量為 21%，二氧化碳含量為 %。 4翻蛋 翻蛋的作用是 : 。 有助于胚胎運動，增強活力，保持胎位正常。但如進氣良好，各孵化條件正常也可不進行涼蛋。 ℃，機內(nèi)各點溫差不大于 ℃ 4. 溫度顯示分辨率 : 177。對于孵化設備溫度、濕度、通風和翻蛋的控制是重點，也是難點。根據(jù)需要發(fā)出驅(qū)動信號，實現(xiàn)加熱、加濕、翻蛋、 通風 等孵化控制功能。硬件電路設計主要包含兩部分 :以 AT89S52 為核心的單片機硬件系統(tǒng)設計及以 PC 為核心的管理系統(tǒng)軟件的設計。孵化箱內(nèi)溫濕度信號進入單片機，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。系統(tǒng)由上位 PC 機和多個分布于不同孵化箱的下位機構(gòu)成。 采用這種多級分布式結(jié)構(gòu)不僅避免了模擬信號因長距離傳輸引起的損耗，簡化了系統(tǒng)的布線，而且便于增加傳感器的個數(shù)和種類，系統(tǒng)易于擴展、升級。這是因為在孵化箱這樣的環(huán)境中存在有很多的干擾。 ，由于設計的通用智能終端長期在環(huán)境現(xiàn)場工作，為了節(jié)能，應選擇功 耗低的單片機 (王玉華， 2020)。由于該多孵化箱控制系統(tǒng)所要采集的數(shù)據(jù)量并不是特別大，單片機自帶的 SK 可編程 Flash 存儲器能夠滿足需要，所以不需要對存儲器進行擴展。下面分述溫濕度信號的采集。 DS18B20 是美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的可編程單總線數(shù)字溫度傳感器。 DS18B20 的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)可以由軟件編程確定，可12 以直接輸出 9 至 12 位的數(shù)字信號，默認值為 12 位。其中暫存存儲器作用是在單總線通信時確保數(shù)據(jù)的完整性，它包括 8 個字節(jié)，頭兩個字節(jié)為轉(zhuǎn)換的溫度讀數(shù)。 2 溫度傳感器 DS18B20 的工作原理 DS18B20 測溫原理如圖 32 所示。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預置值 (韓小斌等， 2020)。后者不需外加電源，當總線 (信號線 )為高時穩(wěn)定電源的提供是通過單線上的上拉電阻實現(xiàn)，總線信號為低時則由其內(nèi)部的電容供電，在此種方式下 VCC 接地。對 DS18B20 的操作要遵守嚴格的操作時序， 如果時序中任意一步缺少或錯亂， DS18B20 將不會響應。隨后即可發(fā)送功能命令，包括溫度變換命令 (44H)、寫暫存器 (儼 EH)讀暫存器 (BEH)命令、復制暫存存儲器命令 (48H)、重新調(diào)出 EERAM 命令 (BSH)，讀電源供電方式命令 (B4H)等。本系統(tǒng)中，孵化箱內(nèi)的 溫 度 檢 測 需 要 多 點 布 置 溫 度 傳 感 器 ， 單 總 線 上 需 要 掛 接 4 個14 DS18B20。 第一步對 DS18B20 復位。單片機向總線上發(fā)送跳過匹配 ROM 命令 (CCH)，然后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 (44H)，即所有在線的DS18B20 都將進行溫度轉(zhuǎn)換。與序列號匹配的 DS18B20 會將其暫存器內(nèi)的溫度值發(fā)送到總線上，單片機可以按位讀取，完成這個 DS18B20 的溫度采 集。常用的有高分子電阻式濕度傳感器、高分子電容式濕度傳感器等。高分子電容式濕度傳感器的工作原理 :高分子材料吸水后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境的相對濕度的改變而改變，元件的介電常數(shù)是水與高分子材料兩種介電常數(shù)的總和。 2 濕度傳感器 Hsllol 的工作原理和性能 HSll01 的原理是根據(jù)薄膜電容在不同濕度環(huán)境下電容量的變化來反映不同濕度。 2%。 5 秒 。典型值 190PF/55%RH。電橋供電電源為等幅高頻穩(wěn)定的交流電壓，在電橋輸出端可獲得受工作電容變化調(diào)制的調(diào)幅波信號輸出，調(diào)幅波信號經(jīng)放大、解調(diào)后，獲得低頻信號輸出，再由周 D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。另外，可以將該濕敏電容置于振蕩電路中，組成多諧振蕩電路，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的頻率信號，可直接被單片機計數(shù)器所采集。 在應用過程中， HSll01 作為一個可變電容器，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。 7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路構(gòu)成了對 C 的放電回路，并將引腳 2， 6 端相連引入到片內(nèi)比較器， 便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。本濕度采集電路選用的是 n公司的 TLC555 振蕩器。此時輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R:放電，經(jīng)時間 T 放電后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 。 可見，空氣濕度通過 HS1101 與 TLC555 構(gòu)成的振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。用這種測量頻率法測出方波信號的頻率，從而也就測出了空氣中的相對濕度。根據(jù)技術(shù)手冊該傳感器的溫度系數(shù)與溫度曲線如圖 3 一 6 所示，并有關系式 : 其中 :RHr 為真實濕度值 。 19 由圖可看出濕度傳感器 HSll0l 在 10℃ 60℃下溫度系數(shù)為定值，此時濕度為 而當溫度位于 0℃ 10℃之間時，溫度系數(shù)滿足關系式 : 。通常，按鍵有獨立式和矩陣式兩種形式，本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤設 計，其接口電路如圖 3 一 7 所示。 另外，本系統(tǒng)設置了手動復位按鈕 (圖略 )。 HD7279A 是一種具有串行接口，可同時驅(qū)動 8 位共陰數(shù)碼管 (或64 只獨立的 LED)的智能顯示驅(qū) 動芯片 (姜楠等， 2020。 HD7279A 的引腳功能如表 32 所示。 HD7279A的 RC 端外接 RC 振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其值分別為 R 二 ，C=15PFoHD7279A 的 RESET 復位端直接與正電源連接。該值將與設定值進行比較，并進行模糊運算。這些部件由于功率大，啟動和關斷時產(chǎn)生的干擾信號強，為了有效的驅(qū)動和控制這些部件采用隔離光禍 +達林頓管 +繼電器的驅(qū)動方式來控制這些大功率模塊。單片機的 ， ， ， 輸出高低電平分別控制這四組電阻絲的通斷。所以在光禍后面接功率驅(qū)動芯片 ULN2803再驅(qū)動繼電器 SRD05VDCSLC 控制加熱電阻絲的通斷。小加濕，頂蓋開啟 1/4。風門的控制與加濕控制類似。中等通風，頂蓋開啟一半 。在孵化的前 18 天，需要每 2 個小時翻蛋 45 度 (蛋盤翻轉(zhuǎn) 45)。在光電 耦合 器與功率放大器 ULN2803之間加入鎖存器 SN74LS373(田茂勝， 2020)。它采用負邏輯，即 :邏輯 1 為一 3V 一 15V。所以本系統(tǒng)采用 M 人 XIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 芯片完成電平轉(zhuǎn)換 (毛玉蓉， 2020。圖為 PC機與多臺單片機組成的集散式通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖。單片機負責孵化箱內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理，并執(zhí)行相關機構(gòu)對現(xiàn)場進行控制。 本章小結(jié) 本章主要介紹多孵化箱控制系統(tǒng)的硬件電路的組成以及部分電路設計。尤其是溫度，微小的溫度變化都會顯著影響孵化 時間 和 孵 化 率 。近年來迅速發(fā)展的模糊控制方法具有適應性強、可靠性高、魯棒性好、控性能優(yōu)良，且控制簡單、程序簡潔、對硬件要求不高等優(yōu)點。比如在孵化箱溫濕度調(diào)節(jié)過程中，如果發(fā)現(xiàn)“溫度偏高、濕度很 高且溫度上升還很快”這一現(xiàn)象，人工控制應該是“打開風門通風”。 模糊控制技術(shù)是以計算機技術(shù)、模糊數(shù)學、模糊集合論等為基礎，通過模糊邏輯推理形成具有反饋系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)。 模 糊 控制 器(FuzzyControuer，即 Fc)獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特點 (劉曙光， 2020): 。但一個系統(tǒng)的語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 wang wanliang，1990)。 :包括被控對象和執(zhí)行機構(gòu)。白樺 等 ，2020)。且溫度與濕度之間存在交叉 耦合 ，即溫度控制會引起濕度變化，濕度控制會引 起溫度變化，采用傳統(tǒng)的 PID 控制是不適宜的。具體的 解耦 方法如下 (侯滿宏， 2020):1 根據(jù)溫度與濕度之