1（毕业设计）单片机设计的卵化箱温度控制系统.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.66M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第一章绪论

1.1 课题背景研究意义

1.2 国内外研究现状

第二章孵化条件及设计目标

2.1孵化条件及设计目标

第三章系统总体设计方案

3.1总体方案

3.2单片机选择

3.3传感器信号检测电路设计

3.3.1温度信号的采集

3.3.2湿度信号的采集

3.4键盘与显示电路设计

3.5输出控制电路设计

3.5.1加热控制

3.5.2加湿、风门与翻蛋控制

3.6串行通信接口电路设计

3.7本章小结

第4章模糊控制算法设计

4.1模糊控制

4.1.1模糊控制的基本原理

4.1.2模糊控制系统的组成

4.2模糊控制器的设计

4.2.1模糊化和量化因子的选择

4.2.2隶属函数的确定

4.2.3模糊规则的建立

4.2.4模糊控制查询表的建立

第五章软件系统设计

5.1单片机程序设计

5.1.1单片机主程序

5.1.2数据采集程序模块

5.1.3模糊控制程序模块

5.1.4中断服务子程序

5.1.5通信程序模块

5.2 PC机控制与管理软件设计

5.2.1主界面

5.2.2串口设置界面

5.2.3历史曲线窗口

5.2.4参数设置窗口

5.2.5控制输出窗口

5.3本章小结

第六章系统实验分析

6.1概述

6.2温湿度检测和控制实验

6.2.1检测与控制精度

6.2.2系统响应速度实验

6.3通信实验

6.4本章小结

第七章结论与讨论

7.1结论

7.2讨论

参考文献

附录系统硬件图

摘要孵化设备是仿生学的一种应用，模拟自然界的孵化环境，提供胚胎发育适宜的条件，用于家禽种蛋的孵化。当前孵化设备的不足之处在于:控温与控湿精度不高;以单机孵化设备为主，导致孵化管理效率不高;孵化设备价格普遍较高。本文立足于这些不足，设计了多孵化箱温湿度测控系统。介绍了国内外孵化设备的现状及发展方向，并提出利用串行通讯口设计低成本多孵化箱测控系统的研究思路。介绍了孵化原理和条件方面的内容，并参考孵化行业的技术标准确定了本系统的设计指标。然后进行了以单片机为核心的硬件电路设计: 1.为了测温的准确性和成本控制，采用数字式单总线温度传感器 DS18B20，在孵化箱内设置多个测温点;利用 HS1101 搭建频率电路检测孵化箱内的湿度。 2.设计了现场数据实时显示电路，16 位数码管实时显示孵化箱内现场状态: 设定温度，当前温度，设定湿度，当前湿度，加热状态，加湿状态，翻蛋状态等。 3.以光电耦合器 TLP521 和功率驱动芯片 ULN2803AG 以及继电器设计了输出控制部分电路。该电路运行稳定，对单片机主电路无干扰。设计了温湿度模糊控制算法。将孵化箱分解为三个独立的子系统:温度控制子系统，湿度控制子系统和风门控制子系统。温度是孵化的第一也是最重要的条件。选择温度一风门联控为主，湿度一风门联控为辅的模糊控制算法。编制了单片机驱动硬件的 C 语言程序和上位机管理软件。设计了孵化模拟箱并进行了系统试验验证。实验结果表明，本系统能实现温度误差 0.1℃，湿度误差 15%RH 以内的孵化控制，可以用一台上位 PC 机实现多个孵化箱的集散控制。该系统成本低廉，适合中等孵化场的孵化控制需要。关键词:孵化箱，单片机，上位机，温湿度，模糊控制

目录第一章绪论.................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景研究意义 ........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.............................................................................................................. 2 第二章孵化条件及设计目标 ............................................................................................................5 2.1 孵化条件及设计目标 ..........................................................................................................5 第三章系统总体设计方案 ............................................................................................................9 3.1 总体方案 .............................................................................................................................. 9 3.2 单片机选择 ..................................................................................................................10 3.3 传感器信号检测电路设计 ..................................................................................... 11 3.3.1 温度信号的采集 ............................................................................................11 3.3.2 湿度信号的采集 ........................................................................................... 15 3.4 键盘与显示电路设计 ...............................................................................................19 3.5 输出控制电路设计 ....................................................................................................22 3.5.1 加热控制 ..........................................................................................................22 3.5.2 加湿、风门与翻蛋控制 .............................................................................23 3.6 串行通信接口电路设计 ..........................................................................................24 3.7 本章小结 .......................................................................................................................25 第 4 章模糊控制算法设计 ............................................................................................................ 26 4.1 模糊控制 .......................................................................................................................26 4.1.1 模糊控制的基本原理 ..................................................................................26 4.1.2 模糊控制系统的组成 ..................................................................................27 4.2 模糊控制器的设计 ....................................................................................................32 4.2.1 模糊化和量化因子的选择 ........................................................................ 32 4.2.2 隶属函数的确定 ........................................................................................... 34 4.2.3 模糊规则的建立 ........................................................................................... 37 4.2.4 模糊控制查询表的建立 .............................................................................39 第五章软件系统设计 ............................................................................................................... 43 5.1 单片机程序设计 ........................................................................................................ 43 5.1.1 单片机主程序 ................................................................................................ 43 5.1.2 数据采集程序模块 .......................................................................................45 5.1.3 模糊控制程序模块 .......................................................................................49 5.1.4 中断服务子程序 ........................................................................................... 52 5.1.5 通信程序模块 ................................................................................................ 52 5.2 PC 机控制与管理软件设计 ...................................................................................54 5.2.1 主界面 ...............................................................................................................54 5.2.2 串口设置界面 ................................................................................................ 55 5.2.4 参数设置窗口 ................................................................................................ 57 5.2.5 控制输出窗口 ................................................................................................ 58 5.3 本章小结 .......................................................................................................................59 第六章系统实验分析 ............................................................................................................... 60 6.1 概述 ................................................................................................................................ 60 6.2 温湿度检测和控制实验 ..........................................................................................60

6.2.1 检测与控制精度 ........................................................................................... 60 6.2.2 系统响应速度实验 .......................................................................................63 6.3 通信实验 .......................................................................................................................64 6.4 本章小结 .......................................................................................................................64 第七章结论与讨论 ....................................................................................................................65 7.1 结论 ................................................................................................................................ 65 7.2 讨论 ................................................................................................................................ 66 参考文献 ....................................................................................................................................... 67 附录系统硬件图 ...................................................................................................................... 72

第一章绪论 1.1 课题背景研究意义随着生活水平的提高，人们对物质生活的要求越来越高，尤其是日用饮食，与前几十年相比，有了明显的改善。鸡肉、鸡蛋以其营养价值高、价格便宜等优点，始终是人们日常生活中不可缺少的农产品。为了能够生产出高质量的鸡肉，在养殖过程中对种蛋的选择以及种蛋孵化过程中的各种影响因素提出了更高的要求，不仅要保证禽蛋的出雏率，而且还要保证健雏率(尚书旗，2000) 。近年来，随着武汉经济发展速度的稳步提升，武汉周边地区的个体养殖业发展迅速，尤其是江夏、黄破等地的个体养殖产业发展迅速，为当地以及周边地区的经济腾飞注入了新的生命力。人们的生活逐渐富裕起来了，但是养殖场尤其是是孵化这个环节出现了较多的问题。本人走访了几家中小养殖场，目前使用的孵化设备主要有“依爱”牌数显、汉显智能箱体孵化机、FT 系列微控孵化出雏机以及杰姆斯威公司的 PT100 型孵化机等。部分养殖场所使用的孵化设备由于使用年限较长，某些功能已经失去了功效。而且控温、控湿精度己经不能满足孵化过程中的要求，使得出雏率和健雏率较低，经济效益受到较大的影响。同时，本人也了解到当前孵化设备所存在的主要问题就是: 1.温度和湿度的控制精度不高，和设定值的偏差较大，而且控制孵化过程中不可预知因素太多，从而不能满足较高的出雏率和健雏率。 2.大部分箱体孵化机的价格在 2000 元~3 万元人民币之间，对一般的养殖户来说，负担较大。 3.大多数的孵化机都是单机工作，没有实现孵化设备的网络化和集散化。这样导致孵化管理效率不高。随着我国加入 WTO，养殖业与世界接轨，竞争将会更加激烈。竞争的结果，必将使养殖业沿着产业化、规模化的方向发展，而与之相配套的孵化设备必将迎来新的挑战和机遇(靳传道，2003)。伴随着当前部分农产品价格的持续上涨，养鸡产业将会出现一个较为广阔的发展的空间。为了节省投资成本，满足一般养殖户的生产需要，对现存孵化设备进行改进并进行组网集散化的这项研究将会有很大的市场前景和社会效益。 1

1.2 国内外研究现状孵化设备是养禽业的重要技术设备，它是根据家禽孵化的生物学原理，利用经济合理的工程手段，创造孵化及出雏的人工控制生态环境的种仿生设备。国外孵化机制造业起步较早，其特色是设计科学化、机型多样化、规格标准化、部件通用化、电脑自控化。辅助仪器、设备、工具系列化，而且用材考究，制造工艺精致，操作安全简便，运作程序完善，其装演与质量都堪称上乘。国际著名的孵化机厂家和公司有美国“鸡王”孵化器公司、比利时“皮特森” 公司、加拿大的“詹姆斯威”公司、荷兰“派司雷风”公司、丹麦的“富基” 公司、澳大利亚的“哈利森”公司等。据《国际家禽》杂志不完全统计，世界各国较有规模孵化机制造厂约 350 家。荷兰“派司雷风”公司己有 10 多年的历史(林其禄等，(1996)。部分公司的产品己经实现网络化和无线通信化。管理人员可以通过手持掌机监控孵化设备的运行，也可以通过 Internet 远程访问孵化场甚至修改某个孵化箱的控制参数。我国孵化设备的制造比国外起步较晚。1980 年以前，只有少数鸡场从日本引进少量的设备，并仿制了部分产品，谈不上有设计能力。80 年代初期北京市平谷电子机械厂生产出了云峰牌孵化机，对当时养禽业有很大的促进，同时北京西山孵化设备厂等也开始从事专业的孵化设备生产。80 年代末至 90 年代初期，养禽业有了极大的发展，国内孵化设备己不能满足需要，于是大型鸡场开始大量从国外引进先进的孵化设备。这一来，对我国孵化设备的研制产生了深远的影响，许多生产厂家从中吸收先进技术改进自己的设计，设计水平有了很大程度的提高 (侯满宏，2006)。经过多年的发展，我国目前己经形成具有一定规模的从事孵化机设计和制造的专业队伍，基本上满足我国养禽业的需要。据不完全统计，国内主要生产孵化设备的厂家有:电子工业部 41 所，南京实验仪器厂，北京市西山孵化设备厂，杭州余杭畜禽设备厂(浙江农业大学)以及杭州富阳春江孵化设备厂等 (排名不分先后)。典型的产品主要有:“依爱”牌数显孵化机、汉显智能箱体孵化机、FT 系列微控孵化出雏机等(林其禄等，1996)。这些机型，部分已经采用先进的电脑模糊控制技术，液晶显示，触摸屏等。电子工业部 41 所研制的模糊孵化设备可以根据一年四季气候的变化、胚胎发育的状况、以及箱体内二氧化碳和氧气的含量自动调节箱体内的温度、湿度和风门的位置，从而以电脑的控制实现了“看胎施温”这种人脑思维。一些实验室和个人也对孵化控制技术进行了有意义的研究。吉林大学郁筝采用薄膜铂电阻作为温度传感器，HS 系列电容作为湿度传感器设计了基于现场总线的孵化控制系统(郁筝，2003)，将工控中的现场总线思想运用到孵化控制中来， 2

取得了一定的成果。长春理工大学侯满宏采用模拟温度传感器 AD590 和 HS 系列湿度传感器以及 89C51 单片机设计了单孵化箱的控制系统(侯满宏，2006') 。纵观国内外孵化设备的研究和制造现状，国内在这一方面虽然取得了一定的成果，有一些具有竞争力的产品，但与发达国家相比，我们的孵化设备还是存在着很大的差距，整理如下: 1.在控制技术方面，国内先进机型性能指标己经达到了较高的水平，控制效果良好，孵化效果以及对环境的适应能力也较好。但是产品的可靠性与国外先进水平有一定的差距。温湿度控制的精确度及其稳定性有待进一步提高，孵化设备中使用的电子元器件的质量需要得到保证。 2.在生产工艺方面，我国整体生产工艺水平欠缺，产品外观和结构与国外先进水平都有一定的差距。 3.在辅助孵化生产管理方面，国外主要厂家都具有一些可以帮助用户进行管理和提高自动化程度的辅助设备，其中最主要的是孵化机集群控制系统，它已经普遍应用在国外的现代化孵化场中。国内在这方面相对落后，有个别厂家推出了集群控制系统，也只是处于起步阶段，而且应用还非常少。随着养殖行业的不断发展，孵化场向大型化方向发展已经是大势所趋。孵化场的大型化对生产的组织管理提出了更高的要求。因而仅能实现机械化、自动化的孵化设备远远不能满足人们的需要。新一代的孵化设备应朝着人性化、智能化、网络化、高可靠性和节能型的方向发展，以下是孵化设备的发展趋势: 1.控制精度的提高随着孵化器容量的增加及对胚胎发育生理的不断研究，要求孵化控制器的控制精度越来越高。新型传感器向智能化、数字化、标准化发展，使孵化机的控制效果更加精确。 2.网络资源的利用一个公司可能有若干分散在全国各地的孵化场，每个孵化场又有若干台孵化设备，为了便于管理，将每个孵化场内的若干台孵化设备通过某种通信途径连接起来，由一台计算机来控制，这台计算机再通过 Internet 网络可与公司总部或其它孵化场进行通讯。这样，公司的管理者在办公室内就能监视和控制各地孵化场的运转情况，甚至能了解每台孵化设备的运转情况，而且可以在世界各地均可通过 Internet 网络对远在他乡的孵化设备进行监控(金美华等，2005) 。 3.专家系统的引入影响孵化效果的因素较多，根据不同季节、不同环境、不同品种、不同周龄种禽产的种蛋以及种蛋保存时间的长短等，孵化时所需的参数均有所变化。在目前的条件下，生产过程中这些参数仍然需要孵化人员根据自己的经验来确定，也就是说孵化管理人员的经验仍然是孵化效果的决定性因素。专家系统就是将不同品种的种蛋在不同的环境下孵化时所需的参数组合在一 3

起，必要时自动调用;把孵化时可能出现的故障现象和解决措施集成在里面，必要时指导使用者对故障的处理;对孵化效果进行评估并指出其中的不足。引入孵化专家系统能够有效的减轻孵化人员的负担，降低孵化过程的难度，减少孵化过程中可能出现的错误，改善孵化效果等(靳传道，2003)。 4

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