【導讀】的條件，用于家禽種蛋的孵化。當前孵化設(shè)備的不足之處在于:控溫與控濕精度。不高;以單機孵化設(shè)備為主，導致孵化管理效率不高;孵化設(shè)備價格普遍較高。文立足于這些不足，設(shè)計了多孵化箱溫濕度測控系統(tǒng)。介紹了孵化原理和條件方面的內(nèi)容，并參考孵化行業(yè)的技術(shù)標準確定了本系。制，采用數(shù)字式單總線溫度傳感器DS18B20，在孵化箱內(nèi)設(shè)置多個測溫點;利用HS1101搭建頻率電路檢測孵化箱內(nèi)的濕度。設(shè)定溫度，當前溫度，設(shè)定濕度，當前濕度，加熱狀態(tài)，加濕狀態(tài)，翻蛋狀態(tài)等。該電路運行穩(wěn)定，對單片機主電路無干擾。系統(tǒng)，濕度控制子系統(tǒng)和風門控制子系統(tǒng)。溫度是孵化的第一也是最重要的。選擇溫度一風門聯(lián)控為主，濕度一風門聯(lián)控為輔的模糊控制算法。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。箱并進行了系統(tǒng)試驗驗證?；刂?，可以用一臺上位PC機實現(xiàn)多個孵化箱的集散控制。該系統(tǒng)成本低廉，適合中等孵化場的孵化控制需要。

　　

【正文】 指令。 HD7279A 具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多 于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口 (黎莉等， 2020)。 HD7279A 的引腳功能如表 32 所示。 21 表 32 HD7279A 的引腳功能 本系統(tǒng)利用 2 片 HD7279A 共驅(qū)動 16 位 LED 來顯示系統(tǒng)各參數(shù) :設(shè)定溫度值，設(shè)定濕度值，實時溫度值，實時濕度值，翻蛋次數(shù)，加熱狀態(tài)，加濕狀態(tài)，風門狀態(tài)。顯示電路的硬件連接如圖 3 一 8 所示。HD7279A 的 CS， CLK， DATA 口分別接單片機 PO 口的 0~6 腳。 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。 HD7279A 采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從 D 川 rA 引腳送入芯片，并由 CLK端同步。當片選信號變?yōu)榈碗娖胶螅?DAIA 引腳上的數(shù)據(jù)在 CLK 引腳的上升沿被寫入 HD7279A 的緩沖寄存器。 22 輸出控制電路設(shè)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。該值將與設(shè)定值進行比較，并進行模糊運算。單片機根據(jù)運算結(jié)果對溫濕度控制設(shè)備進行控制。這是本系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。本孵化箱控制系統(tǒng)有大量的功能執(zhí)行部件，這些功能執(zhí)行部件包括大功率電熱絲、攪熱風扇電機、 增濕步進電機、風門驅(qū)動步進電機和翻蛋步進電機等。這些部件由于功率大，啟動和關(guān)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。即單片機發(fā)出的控制信號先經(jīng)過隔離光禍 TLP521 來驅(qū)動達林頓管 ULN2803，然后由達林頓管來驅(qū)動性能可靠的繼電器，通過繼電器間接控制這些功能部件。 加熱控制 由于孵化箱體積較大，本系統(tǒng)設(shè)計采用 4 組加熱電阻絲，每組電阻絲的功率為 200W。分布于孵化箱的四個側(cè)面，并在電阻絲背后安置大的攪熱風扇。單片機的 ， ， ， 輸出高低電平分別控制這四組電阻絲的通斷。共組成 5 種加熱狀態(tài) :不加熱，小加熱，中等加熱，較大加熱，完全加熱。由于電阻絲工作接通與關(guān)閉的23 瞬間會產(chǎn)生較大的干擾信號，故單片機輸出口接光電 耦合 器 TLP521來實 現(xiàn)工 作電 路 與控 制 電路 的電 氣 隔離 。 TLP521 的輸 出 功率 只 有150mw，無法驅(qū)動繼電器。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。加熱控制部分硬件圖如下 : 加濕、風門與翻蛋控制 在孵化箱中放置加濕水盤，為了便于控 制，水盤設(shè)置為方塊形狀。水盤上加方形頂蓋，步進電機控制水盤頂蓋的開度實現(xiàn)加濕量的選取。本系統(tǒng)設(shè)置 5 種加濕狀態(tài) :不加濕，頂蓋完全關(guān)閉 。小加濕，頂蓋開啟 1/4。中等加濕，頂蓋開啟一半 。較大加濕，頂蓋開啟 3/4。完全加濕，頂蓋完全開啟。風門的控制與加濕控制類似。在孵化箱的兩個側(cè)面設(shè)置風門，風門的形狀也為矩形。本系統(tǒng)設(shè)置 5 種風門狀態(tài) :不通風，頂蓋完全關(guān)閉 。小通風，頂蓋開啟 1/4。中等通風，頂蓋開啟一半 。較大通風，頂蓋開啟 3/4。完全通風，頂蓋完全開啟。在風門口安置向內(nèi)的鼓風風扇，只有在風門有開度時鼓風風扇才開始工作 。在孵化的前 18 天，需要每 2 個小時翻蛋 45 度 (蛋盤翻轉(zhuǎn) 45)。孵化箱內(nèi)的蛋盤一層一層置于專用的蛋車上，蛋車上安置有搖桿式的翻蛋機構(gòu)。步 進 電 機 牽 引 翻 蛋 機 構(gòu) 正 反 轉(zhuǎn) ， 實 現(xiàn) 定 時 翻 蛋 。 步 進 電 機 選 用35BY48BO4 型永磁式步進電機。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)。系統(tǒng)程序執(zhí)行時，由單片機的 、 口根據(jù)控制要求不斷的輸出脈沖信號，在每一個時鐘信號的上升沿到達時將輸出脈沖鎖存在 SN74LS373 里，下一個時24 鐘信號到達時，由 SN74LS373 將控制脈沖 (TTL 電平 )輸出到 ULN2803中，經(jīng) ULN2803 反相后的信號直接驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)，精確地牽引加濕、風門與翻蛋。 串行通信接口電路設(shè)計 Al， 89552 單片機片具有一個可編程串行刀 O 口，通過引腳 RXD和 TXD 可以和計算機進行全雙工的串行異步通信。 RS 一 232C 是異步通信中應(yīng)用最廣泛的標準總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的接口。它采用負邏輯，即 :邏輯 1 為一 3V 一 15V。邏輯 O 為 :+3V~+lSV。由于單片機輸出的是竹 L 電平，而普 通的 PC 機配置的是 RS 一 232C 接口，二者的電氣規(guī)范不一樣。因此，要完成 PC 機和單片機的通訊，必須進行電平轉(zhuǎn)換。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。趙慶亮等， 2020)。 此芯片包含兩路接收器和兩路驅(qū)動器，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的 +SV 電壓變換成 RS 一 232C 所需要的 +1OV 電壓。本電路利用其一路接收器 Rl 和驅(qū)動器 Tl，連接方式如上圖。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。圖中 DBg 九針插頭是 RS 一 232C 接口通向外部的標準連接器。 本系統(tǒng)的上位機為 PC 機，下位機為多臺分布于不同孵化箱的單片機，由此構(gòu)成主從式多機通信系統(tǒng)。所謂主從式，即系統(tǒng)的 PC 機為主機，單片機為從機。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(guān)機構(gòu)對現(xiàn)場進行控制。上位機定時向下位機發(fā)送控制指令。25 這種硬件的連接關(guān)系決定了主機發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)可同時被多臺從機接收。主機發(fā)出通信報文后，所有的下位機都會收到該信息，但是只有序列號與報文地址相匹配的從機才會響應(yīng)該命令報文。 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(shè)計。本系 統(tǒng)硬件電路 用到的 芯片 有 :一塊 AT8955 DS18BHSll0 MAX232CPE、 TLC55 HD727 FJ546lAH、 HD74LS21A、 TLP521ULN280 SRD05VDCSLC 等。 26 第 4 章 模糊控制算法設(shè)計 孵化箱中的溫濕度系統(tǒng)是一種非線性的、滯后的、時變系統(tǒng)，是一個復雜的大系統(tǒng)，很難建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。孵化系統(tǒng)對溫度濕度的控制精度要求較高。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 。本 系 統(tǒng) 要 求 孵化 箱 體 內(nèi) 穩(wěn) 態(tài)溫 度 誤 差 不 超過 土℃，機內(nèi)各點溫差不大于 ℃。 相對濕度在 40%~70%RH 不等。由于孵化設(shè)備的數(shù)學模型難以精確確定，且系統(tǒng)參數(shù)受內(nèi)部多種隨機因素及被控參數(shù)相互間的影響，所以采用常規(guī)的控制方法效果不是很理想。近年來迅速發(fā)展的模糊控制方法具有適應(yīng)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。因此，對本孵化系統(tǒng)采用模糊控制是非常合適的。 模糊控制 模糊控制的基本原理 實際工作中很多難以實現(xiàn)自動控制的控制過程一般是由經(jīng)驗豐富的熟練工作人員實施人工控制。在這個控制過程中，工作人員是通過對被控制對象或過程表現(xiàn)出來 的現(xiàn)象的觀察，根據(jù)積累的經(jīng)驗，包括書本知識和自己頭腦中形成的概念等，做出對某種執(zhí)行機構(gòu)的實施操作的決策，從而實現(xiàn)對被控制對象或過程的控制作用，達到預期的目的。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(yīng)該是“打開風門通風”。這里“溫度偏高’，、“濕度很高”、“上升很快”是模糊概念 (并不知道具體多高多快 )，“打開風門通風”是模糊控制 (并沒有說明打開多少個天窗，也沒有指明開度 )。人工控制和自動控制的主要區(qū)別就在于決策的作出是基于經(jīng)驗而不是具體的某種數(shù)值運算。 模糊控制的目標就是在總結(jié)人工控制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將其加以總結(jié)和描述，并用語言表達出來，形成一種定性的、不精確的判斷規(guī)則，即若干組定性的條件表達語句，然后利用模糊數(shù)學這一工具使之定量化，并轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，并通過計算機實現(xiàn)控制。 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(chǔ)，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)。它的實現(xiàn)不依賴于被控制對象的精確數(shù)學模型，而是在總結(jié)實際操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上27 模仿人的思維方式，通過邏輯推理形成模糊控制決策規(guī)則表，然后通過規(guī)則表確定控制量補償值的大小。它具有不需要建 立精確數(shù)學模型，控制靈活適應(yīng)性強，動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，運行速度 和穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)魯棒性和容錯性良好等傳統(tǒng)控制方法不可比擬的優(yōu)點，因而常用來解決用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復雜控制問題(李善軍， 2020)。 模糊控制的基本思想是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而這些經(jīng) 驗多 是 用 語 言 表達 的 具 有 相 當模 糊 性 的 控 制規(guī) 則 。 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): 。它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場 操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。 ，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 ，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異 。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。 的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。 ，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán) 結(jié)構(gòu)的數(shù) 字控制系 統(tǒng) (諸靜， 1995。 wang wanliang，1990)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如 圖4 一 1 所示。 28 模糊控制系統(tǒng)一般由四個部分組成 : :它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時又具有模糊化和去模糊功能的控制器。 /輸出接口裝置 :模糊控制器通過輸入 /輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。 :包括被控對象和執(zhí)行機構(gòu)。被控對象可以是線性或非線性的、定?；驎r變的、也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。 :傳感器是將被控對象或各種過程的被 控制量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的 精 度往 往 直 接 影 響 整 個控 制 系 統(tǒng) 的 精 度 (楊彬， 2020。白樺 等 ，2020)。 模糊控制 解耦 方法 溫、濕度聯(lián)控是一個多變量控制系統(tǒng)對象，溫度控制和濕度控制之間相互影響且動態(tài)特性差異較大，特別是溫度和濕度的相關(guān)性較強，易產(chǎn)生 耦合 現(xiàn)象，所以必須對系統(tǒng)的溫度和濕度進行 解耦 控制。解耦 控制有兩種方法，串級控制和分程控制方法。溫濕度控制是一種非線性的、滯后的時變的復雜過程。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?，F(xiàn)有的研究和實踐表明，對于無法取得精確數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)，采用模糊控制可以獲得令人滿意的控制效果。溫度、濕度之間的 耦合 關(guān)系如圖 4 一 2 所示。 29 溫濕度之間有 耦合 ，就必須對其 解耦 。具體的 解耦 方法如下 (侯滿宏， 2020):1 根據(jù)溫度與濕度之間的關(guān)系，采用預估 解耦 主要思想如下 : 基于空氣焙動態(tài)平衡思想，在平衡狀態(tài)下，假設(shè)只進行溫度的單變量調(diào)節(jié)，即空氣中水分不變，則溫度 T 的變化對相對濕度有如下影響 式 中 :Pqbl 未溫度 Tl 下的飽和水蒸氣壓力 (Pa)。 Pqb:為溫度幾下的飽和水蒸氣壓力 (Pa)。 RH1 為實測的相對濕度 。 RH2 為預估的參與運算的相對濕度。 在溫度控制回路中，用預估相對濕度 RH2 代替實測的相對濕度RH1 參與控制運算。該 解耦 方法，利用公式 (4 一 l)進行 解耦 必須是在假設(shè)只進行溫度的單變量調(diào)節(jié)即空氣中水分不作為前提條件。也就是說，在系統(tǒng)平衡前，前提條件不完全存在用公式儼一 l)進行 解耦只是近似 解耦 ，只有當系統(tǒng)趨于平衡時才成立。 2 通過 解耦 環(huán) Al， A2 實現(xiàn)控制 解耦 由圖 4 一 3 可知，該控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器。經(jīng)過 解耦 ，控制器的實際出為 : 30 其中， Ct、 Ch 分別表示溫度與濕度模糊控制器的輸出 。Kt、凡分別表示溫度與濕度模糊控制器的比例因子 。Ut、 Uh 分別表示溫度與濕度控制器的實際輸出 。Al、戊分別表示溫度與濕度之間的 解耦 系數(shù)。 當 Al，凡為 0