農(nóng)業(yè)電氣化與自動化專業(yè)范文

1、 雞舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設計 專業(yè): 農(nóng)業(yè)電氣化與自動化 學號:XXX : XXX 指導老師:XXX摘 要:針對目前中國雛雞飼養(yǎng)自動化水平低、管理技術落后的現(xiàn)狀，本文設計了一套基于傳感器網(wǎng)絡的雛雞雞舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、控制模塊3個部分組成，不僅能實現(xiàn)了對雛雞雞舍溫濕度、有害氣體濃度的實時監(jiān)控，還能根據(jù)檢測的有害氣體濃度自行啟動清糞裝置。經(jīng)模型測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)溫度控制的最大誤差為2，濕度控制的最大誤差為4%，有害氣體濃度能控制在允許的圍。本文研究結(jié)果可為育雛養(yǎng)殖戶提供操作簡便、控制效果較好的智能養(yǎng)殖模式。關鍵詞：傳感器網(wǎng)絡；雞舍；單片機；自動控制；清糞裝置1 緒

2、論 中國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，雞禽養(yǎng)殖業(yè)是中國農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一。中國雞禽養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)歷了穩(wěn)定快速發(fā)展，總產(chǎn)量大幅提高1。育雛是雞禽生產(chǎn)中非常關鍵的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，雞舍環(huán)境控制直接影響著雛雞的生長發(fā)育，因此，創(chuàng)造良好的生長環(huán)境才能保證育成雞的生長發(fā)育、免疫力和成活率等，最終獲得較好的經(jīng)濟效益2-6。中國現(xiàn)行育雛方式主要有兩大類，即：立體籠養(yǎng)育雛和平面育雛7-12。中國雞禽養(yǎng)殖業(yè)的育雛管理整體體現(xiàn)如下特點：養(yǎng)殖基礎設施落后，機械化程度低，人力勞動成本高；自動、智能化程度低，環(huán)境控制波動大，養(yǎng)殖安全隱患高13-14。中國的“立體籠養(yǎng)”育雛設施已較為普與，生產(chǎn)實際中以其高密度飼養(yǎng)、提高雞舍空間利用率而被養(yǎng)殖戶廣泛

3、采用，但多數(shù)設施只有加熱、增濕和通風設備等基本設施，且對環(huán)境的污染也嚴重15-18。與平面育雛相比，籠養(yǎng)育雛管理技術水平的要求更高些。目前，中國部分大、中型雞禽養(yǎng)殖企業(yè)開始引入自動監(jiān)控技術19-24，在一定程度上提升了雞舍環(huán)境的控制質(zhì)量，對養(yǎng)殖戶科學養(yǎng)殖具有重要的意義，但其布線復雜成本較高，智能化程度和科學化管理都有待提高。對此，本文設計了一套基于單片機控制的雞舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。與現(xiàn)有的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)對溫濕度和有害氣體濃度均實施了智能監(jiān)控，設計了清糞裝置以便根據(jù)有害氣體的濃度與時清除舍雞糞25。本系統(tǒng)采用有線傳感器網(wǎng)絡技術，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，速度快，檢修方便。本系統(tǒng)主要適合于大中型

4、雛雞育雛養(yǎng)殖規(guī)模的養(yǎng)殖戶。1.1 選題來源 養(yǎng)雞業(yè)是國民經(jīng)濟的主要組成部分之一，根據(jù)國際家禽協(xié)會發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示，隨著近幾年國市場對雞肉的需求量增加，中國的養(yǎng)雞業(yè)在市場需求的牽引下正在以很快的速度發(fā)展。同時，由于歐洲國家日益增長的對禽肉類的需求與環(huán)境保護問題之間的矛盾，使得國的雞肉市場走向了國際市場。所以，中國的養(yǎng)雞業(yè)有先天條件：豐富的原材料、廣闊的土地、龐大的消費市場等等。但是，現(xiàn)今中國的養(yǎng)雞業(yè)卻面臨著兩大問題：（1）中國的養(yǎng)殖業(yè)大部分還是依靠人工，而在全部生產(chǎn)成本中，人工費也會大幅度上漲，這將成為擴大規(guī)?；B(yǎng)殖的最大障礙因素。 （2）在規(guī)?；⒚芗B(yǎng)殖過程中，最令人擔心的是畜禽疫病?，F(xiàn)代畜

5、產(chǎn)業(yè)也可以說是對疾病的戰(zhàn)爭。由于管理者和飼養(yǎng)人員的頻繁出入（人很可能是最大的疾病傳染體），即使防疫再好，也會有批紕漏，預防疾病的發(fā)生將成為養(yǎng)雞業(yè)中主要的課題。所以, 在雞禽生產(chǎn)中必須要人為地為其創(chuàng)造良性的生態(tài)環(huán)境, 滿足生長發(fā)育的需要。1.2 應用與存在的問題養(yǎng)雞業(yè)在大勢發(fā)展過程中，由于各種條件的限制，使得對雞的生長環(huán)境造成改變，從而影響了雞的正常生長，造成總體收益不佳有如下原因：（1）人工對雞舍的環(huán)境調(diào)節(jié)不精確，不能與時的對雞舍環(huán)境進行改善，易造成雞群生活在不利于生長的環(huán)境中；（2）在整個飼養(yǎng)，人工依據(jù)經(jīng)驗對環(huán)境改善的過程中，容易帶入疾病傳染體。1.3 意義與影響 本設計通過控制雞舍各項裝置

6、，對雞舍的環(huán)境如溫度、濕度、有害氣體、除糞等進行調(diào)節(jié)。首先通過傳感器的實時監(jiān)測，然后采取相應的措施進行自動控制、管理和優(yōu)化操作,設置各個環(huán)節(jié)最佳操作時機的裝置。這樣，不但能解決存在的問題,而且可以提高雞舍環(huán)境質(zhì)量,減輕操作人員的勞動強度,提高勞動效率和經(jīng)濟效益。1.4 本設計研究的容與設計指標 本設計主要是設計出一套可使用的雞舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，對雞舍環(huán)境進行實時檢測和控制，主要做如下4個方面的工作:（1）確定系統(tǒng)的總體功能設計方案；（2）進行傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計；（3）單片機與與其相連的各個模塊硬件電路與軟件系統(tǒng)設計;（4）進行補償裝置驅(qū)動電路的設計。2 硬件系統(tǒng)設計方案 2.1

7、系統(tǒng)功能設計 本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個功能：溫度監(jiān)控、濕度監(jiān)控、清糞功能。溫度監(jiān)控：對溫室溫度進行測量，并通過升溫或降溫達到雞群生長的最適溫度； 濕度監(jiān)控：對溫室濕度進行測量，并通過噴霧或去濕達到雞群生長最佳濕度；清糞裝置：對雞舍里的糞便與時清除，避免造成空氣中有害氣體濃度過高；控制處理：當溫度、濕度越限時報警，并根據(jù)報警信號提示采取一定手段控制；顯示：LCD就地顯示輸入值和相應的溫濕度，液晶顯示屏擺放在生產(chǎn)現(xiàn)場用于顯示當前的溫濕度。2.2 系統(tǒng)總體設計本設計是通過溫濕度傳感器、氣體傳感器采集雞舍環(huán)境參數(shù)，再將采集的參數(shù)傳至單片機進行分析處理，然后在傳出指令控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)環(huán)境?？梢酝ㄟ^按鍵區(qū)設

8、置需要控制的溫度、濕度的圍。圖1 系統(tǒng)框圖2.3 控制模塊STC89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 的8位單片機，片含4K的可編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)與引腳，它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法進行編程與通用8位微處理器于單片機芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價位STC89C52單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制的領域。STC89C52提供以下的功能標準：4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，2個16位定時/計數(shù)器，3

9、2個I/O口， 1個串行通信口，1個5向量兩級中斷結(jié)構，另外，AT89C51還可以進行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式，閑散方式停止中央處理器的工作，可允許隨機保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復位。它的工作頻率可達33MHz。STC89C52 單片機管腳如圖2所示。圖2 STC89C52單片機管腳圖2.4 采集模塊2.4.1 溫度采集模塊本系統(tǒng)對溫度參數(shù)采集采用DS18B20傳感器，DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。DS18B20 共有

10、三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼（冗余校驗）。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 1、2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 3、4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。溫度傳感器實物和溫度采集電路分別如圖3、圖4所示。圖3 D

11、S18B20實物圖 圖4 溫度采集電路圖2.4.2 濕度采集模塊本設計對環(huán)境中的濕度參數(shù)采集選用HF3223濕度傳感器，HF3223是一款頻率輸出濕敏模塊，部集成了濕敏電容HS1101和信號處理電路，其相對濕度20%RH85%RH區(qū)間，最大測量誤差低于±5%RH，其中置的濕敏電容HS1101的穩(wěn)定性更達到±2%RH。輸出頻率與相對濕度的線性關系為 ：Fout=9740-18*RH。HF3223的輸出信號可以直接連接微處理器的定時器/計數(shù)器，編寫定時器/計數(shù)器中斷程序即可實現(xiàn)高分辨率的頻率測量。真正的濕度值需要經(jīng)過溫度補償才能得到，溫度補償公式： RH=（X%RH）/（1.0

12、546-0.00215*T） （1）其中，溫度T單位?。?RH表示真實值 ； X表示測量值 。濕度頻率轉(zhuǎn)換原理圖和濕度傳感器實物圖如圖5、圖6所示。圖5 濕度/頻率轉(zhuǎn)換電路圖圖6 濕度傳感器實物圖2.4.3 有害氣體采集模塊有害氣體濃度檢測采用MQ-135傳感器和PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MQ-135中氣敏材料SnO2的電導率隨空氣中有害氣體濃度的增加而增加，該傳感器部電路將電導率的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。MQ135和PCF8591檢測有害氣體濃度連線如圖6所示。MQ135的模擬電壓輸出信號管腳AO與PCF8591的模擬信號輸入端AIN0相連。PCF8591的I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線SDA、SC

13、L分別與STC89C52芯片的管腳P1.3、P1.4相連，實現(xiàn)將AIN0通道的模擬電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號。圖7 MQ135和PCF8591連接電路圖2.5 顯示模塊本設計采用LCD1602液晶顯示屏用來實時顯示環(huán)境中的溫度、濕度，這樣更能一目了然的知道雞舍中此時的環(huán)境。所使用的LCD1602液晶顯示屏引腳圖如圖 8 所示。1602字符型液晶模塊是點陣型液晶，驅(qū)動方便，經(jīng)過編程后顯示容多樣化。圖8 LCD1602引腳圖LCD液晶顯示屏實物圖和連接電路圖分別如圖9、圖10所示。圖9 LCD液晶顯示屏實物圖圖10 LCD1602液晶顯示連接電路2.5蜂鳴器報警模塊蜂鳴器額定電流30mA,而對于STC8

14、9C52單片機，P3口的灌電流為15mA,由此可見，僅靠單片機的P3口電流是不能驅(qū)動蜂鳴器的，必須使用晶體管放大電路，為了使單片機的功率更小，所以使用PNP型晶體管,當外部環(huán)境的溫度或者濕度超過預設值的時候，基級變?yōu)榈碗娖剑澍Q器導通鳴叫。蜂鳴器的功能提示環(huán)境溫度超出設定值提醒注意，電路如圖11所示。圖11 報警電路圖2.6 清糞裝置機械結(jié)構自行設計的清糞裝置由刮糞裝置、沖水裝置、可逆電機和控制單元組成，清糞裝置的結(jié)構如圖12所示。圖12中，刮糞裝置包括減速器、轉(zhuǎn)軸、傳動軸、鏈條、齒輪、育雛籠、刮糞桿和接糞板，沖水裝置由水塔、水管、電磁閥和排糞槽組成。1.控制單元 2.可逆電機 3.刮糞裝置

15、4.沖水裝置圖12清糞裝置的結(jié)構圖在圖12中，清糞裝置通過可逆電機的正反轉(zhuǎn)動帶動各層的刮糞板同步地來回運動，將育雛籠各層接糞板上的雞糞清除到排糞槽，并開啟電磁閥通過沖水將糞便排出雞舍。刮糞裝置使用齒輪和鏈條作為主要的傳動部件，可有效避免運行過程中的打滑，保障了上下層之間的同步性。刮糞裝置兩側(cè)機械結(jié)構對稱，刮糞板固定在相應層兩側(cè)的橫向鏈條上，與育雛籠的長邊保持平行，緊貼于接糞板。各層刮糞板的位置一致，可實現(xiàn)各層同步清除的操作。刮糞裝置將各層雞糞同時清除到排糞槽，沖水裝置的電磁閥開啟通過引出高處水塔的水流將在排糞槽的雞糞排出雞舍。其排糞槽采用270°圓弧管道和120°豎直向上的

16、長開口設計，保證雞糞完全落入槽，其水塔安裝在雞舍頂部，保證沖水時水流的速度。2.6.1 清糞裝置的控制清糞裝置控制單元是由檢測單元、STC89C52芯片、ULN2003芯片和繼電器組構成，安裝在育雛籠的底層且靠近可逆電機。檢測單元是兩個光電傳感器，分別安裝在育雛籠底層的橫向鏈條兩端，用于檢測刮糞板的位置；STC89C52芯片是下位機的主控芯片，負責檢測信號和控制執(zhí)行機構，其輸出管腳通過ULN2003芯片驅(qū)動繼電器組實現(xiàn)對清糞裝置的控制，電路設計如圖13所示。圖13 清糞裝置控制電路圖3 系統(tǒng)軟件的設計3.1總體控制流程如果說硬件是系統(tǒng)的四肢，那么軟件就是系統(tǒng)的大腦。肢體在大腦的支配下才能正常運

17、行。系統(tǒng)軟件通過對各模塊的運算和處理，將其轉(zhuǎn)換成命令信號，發(fā)送到各個部分，從而能控制整個系統(tǒng)。良好的軟件系統(tǒng)能很好的提高系統(tǒng)的運行的效率、精確性、穩(wěn)定性。整個軟件系統(tǒng)包括參數(shù)采集模塊、顯示模塊、驅(qū)動模塊、按鍵，控制系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以C語言為開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當按下測量鍵時，主程序開始調(diào)用讀取子程序、鍵處理子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在液晶顯示器上顯示出來，從而完成整個程序過程。系統(tǒng)軟件結(jié)構如圖14所示。 圖14 系統(tǒng)軟件結(jié)構圖N該系統(tǒng)的控制程序是根據(jù)整個工作過程來編制的，各種傳感器合理的分布在雞舍部，傳感器采集到的信號是模擬信號，需要進行A/

18、D（用ADC0832）轉(zhuǎn)換后傳送給單片機，單片機接收發(fā)送過來的信息，然后通過模糊控制系統(tǒng)做出相應決策。LCD顯示模塊實時顯示當前溫濕度；單片機還用于控制電磁閥和繼電器，做出相應的調(diào)節(jié)。其程序框圖可以表示如圖15所示。圖15 系統(tǒng)流程圖3.2按鍵控制系統(tǒng)中使用按鍵輸入預設溫度和濕度。溫度濕度是依次輸入的并且依次以下限、上限輸入，按確認鍵將設置溫濕度值存入單片機中。其檢測流程圖如圖16所示。 圖16 按鍵檢測的流程圖在按鍵輸入中需要對程序中的中斷進行多次查詢，上限、下限的設置時跟據(jù)端口的高低的次數(shù)來調(diào)節(jié)，其主要程序如下所示。3.3報警控制 報警模塊具備兩項功能，即為報警燈和聲音報警。報警燈模塊是完

19、成LED亮，以便從視覺上提醒用戶。LED是由51單片機控制3個藍色色LED燈組成的。當用戶輸入溫度的上下限值后，系統(tǒng)進行實時的采樣，并判斷出當前溫度與用戶輸入溫度之間的差異，如果當前溫度低于用戶輸入的下限溫度值，則說明當前溫度過低，系統(tǒng)自動啟動警報燈，此時警報燈亮，同時開始加溫，直至加到所需溫度值時警報燈熄滅。反之，如果當前溫度高于用戶輸入的上限溫度值，則說明當前溫度過高，系統(tǒng)也會自動啟動警報燈，但此時降溫警報燈亮，同時開始降溫，直至降到所需溫度值時警報燈熄滅。3.4編程思想 本次設計主要是能夠?qū)崟r顯示出當前確切的溫濕度，并且在高于上限值或者低于下限值的時候能夠發(fā)出蜂鳴且報警燈亮。接通電源，L

20、CD開始初始化，采用八位的數(shù)據(jù)端口，兩行顯示，5*7的點陣，其中第一行顯示當前溫度，第二行顯示當前濕度，根據(jù)鍵盤可以進入設置上限，下限值界面，再進入濕度設置，在程序設計中，分別定義溫濕度參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過來的數(shù)值，判斷是否超過上下限的預設值。1602顯示當前的溫濕度值，如果溫度值超過設定值,報警并啟動繼電器。再次循環(huán)判斷，如果沒有超過預設值，蜂鳴器不會蜂鳴，1602正常顯示，也同樣再次循環(huán)。 4 結(jié)論 本論文從實踐出發(fā)，對雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)的總體功能進行設計，深入了解了環(huán)境對雞群的生長影響從而設計出基于單片機對雞舍環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)，設計出了一種具有實用性的監(jiān)控設計。在人工養(yǎng)殖方面具有可操作性，可

21、以將系統(tǒng)稍作修改應用于其他的舍養(yǎng)殖。在人工方面節(jié)約大量成本，還能更準確的控制舍環(huán)境，避免因環(huán)境關系而造成的損失。雖然這個設計做的比較簡單，很多東西都考慮的不是很細，也有一些特別情況沒有做，但是用了很多精力用來完成這個論文，鑒于個人知識有限和時間的關系所以并沒有把自己當初設想的所有情況都考慮進去，基本實現(xiàn)大體功能，這兩個月的畢業(yè)論文讓我學會的很多，覺得自己學的太少還有很多需要認真學習，學無止境，所以要更努力。參考文獻1 王寒笑，安玉發(fā)，麗芬. 中國肉雞養(yǎng)殖成本分析J. 中國家禽，2006，28 (14)：10-13.Wang Hanxiao，An Yufa，Chen Lifen. Analysi

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