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1、雏鸡鸡舍模糊温湿度控制器的设计雏鸡鸡舍模糊温湿度控制器的设计农业电气化与自动化 任小培指导教师 许丽佳摘要：摘要：针对目前中国雏鸡饲养自动化水平低、管理技术落后的现状，本文采用高精度的数字温湿度传感器AM2302为测量元件，并结合高性能单片机STC89C52RC，设计了一款雏鸡鸡舍温湿度模糊控制器。该系统主要由采集模块、主控模块和系统软件三个部分组成，实现了对雏鸡鸡舍内温湿度的智能监控、显示和报警等操作。经模型测试结果表明，本系统温度控制的最大误差为0.7，湿度控制的最大误差为2.5%，可满足育雏的基本条件。本文研究结果可为雏鸡养殖户提供操作简便、控制效果较好的模糊控制器，具有市场推广价值。关
2、键词：关键词：鸡舍；模糊控制器；AM2302；STC89C52RCChicken coop temperature and humidity fuzzycontroller designElectrification and automation of agriculture Xiaopei RenTutor Lijia XuAbstract: Chickens reared for the current low level of automation in China, managing the technology behind the current situation, we use
3、 high-precision digital temperature and humidity sensor AM2302 as measuring element, combined with the high-performance single-chip STC89C52RC, designed a chicken coop temperature and humidity fuzzy controller. The system consists of three parts acquisition module, control module, and system softwar
4、e components, to achieve the temperature and humidity within the chicken coop intelligent monitoring, display and alarm operation. The model results show that the maximum error of the temperature control system 0.7 , the maximum error is 2.5% humidity control, can satisfy the basic conditions of the
5、 brood. The results of this study may provide simple, better control of fuzzy controller for the chicken coop farmers with marketing value.Keywords: chicken coop; fuzzy controller; AM2302; STC89C52RC1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 课题研究的背景中国是农业生产大国，鸡禽养殖业是中国农业中的重要产业之一。中国鸡禽养殖业经历了稳定快速发展，总产量大幅提高。育雏是鸡禽生产中非常关键的养殖环
6、节，鸡舍环境控制直接影响着雏鸡的生长发育，因此，创造良好的生长环境，培育出发育良好、健壮的雏鸡，才能保障最终获得较好的经济效益1-2。目前，针对鸡舍温湿度控制系统的研究有很多，可谓正向两个方向发展。一是不断的融入高新科技技术。例如，无线传感器网络技术3可以实现大范围的数据采集，也避免了繁琐的布线工作；智能控制技术4可以实现对复杂环境的有效控制；通过网络通信技术5-6，养殖户通过互联网对鸡舍进行远程监控。这些技术特征虽为养殖户带来了方便，但是增加了养殖成本。二是设计廉价且高效的控制器。这类控制器通常采用高性能的主控芯片，能实现对数据的综合分析功能，并提供便捷的人机交互界面，其着重解决环境监控中的
7、主要矛盾，优化了系统结构，很大程度地降低成本，因而更容易得到养殖户的青睐。科学研究的市场价值是检验研究成果的重要标准之一，能够推广于市场，服务于社会，才能充分发挥研究的价值。目前，针对鸡舍环境控制领域，永星电子仪表有限公司已经推出的鸡舍智能控制器，该仪器结合上位机实现对鸡舍环境的控制，功能全面且提供良好的人机交互界面，该产品由于使用上位机控制，成本较高，主要适合大规模饲养的养殖户。1.1.2 课题研究的意义本设计是以高性能的单片机为主控芯片，提供便捷的人机交互界面，方便养殖户的操作，启动后便开始逐点采集数据，并采用模糊控制技术实现了智能监控，这是一套价格低廉、方便实用的温湿度控制器。本设计具有
8、以下几项重要意义。（1）探究调控温湿度能够改善鸡舍空气质量。本设计主要通过控制加热、增湿和通风装置实现对温湿度的自动调控，而温度与湿度之间存在相互反向制约的关系，导致温湿度最终处于动态平衡。若采集的温度或湿度偏高，控制器便启动通风装置，即可起到净化鸡舍空气质量的作用。（2）设计采集控制电路节省单片机 I/O 资源。本设计采用 AM2302 数字温湿度传感器，该传感器支持单总线通信协议。据其资料介绍，传感器的数据线 SDA 需单独接至单片机I/O 口完成通信，便导致一个传感器占用一个管脚。（3）探究 51 单片机实现模糊控制算法的设计。本设计的模糊控制算法所涉及的变量较多，又限于单片机内部资源较
9、少，则需对模糊控制模型进行等效简化。又因单片机的浮点运算会占用过多的资源，故将模糊变量均定义为整型。1.2 论文研究的内容和目标1.2.1 论文研究的内容（1）按键模块的设计按键模块作为养殖户设置目标温湿度的输入接口，其硬件电路的设计应遵循结构简单，和减少占用单片机 I/O 口的原则；其软件功能的设计应满足可设置任意温湿度，简单高效以避免养殖户频繁的操作。另外，由于随着育雏日龄的增长，所需求的温湿度会有所变化，本设计的按键模块应可供养殖户任何时刻的操作。（2）显示模块的设计显示模块是本设计中重要的部分，其任务是实现人机的实时交互。由于显示器件的种类繁多，价格悬殊。本设计应选择一种价格低廉、高性
10、能的显示器。另外，显示器可以实时反映出系统运行状态和环境参数。例如，在温湿度设置阶段，显示器能实时显示出养殖户当前设定的各参数值；在采集控制阶段，其能显示当前温湿度，以及各个AM2302 温湿度传感器的输入和各个执行装置的输出状态。（3）采集模块的研究温湿度传感器是整个系统误差的主要来源，故对其精度要求较高。由于，本设计采用模糊算法实现高精度的控制，相较于普通控制，增加了对参数值变化率的分析，因此，传感器还应具有较强的稳定性和飘移抑制能力。采集控制电路的目的是节约单片机 I/O 资源，同时满足远距离数据的传输。本设计采用七个 AM2302 传感器采集环境参数，且该传感器支持单总线通信协议，故需
11、研究如何实现单片机一个 I/O 口与各传感器通信，这也是本设计的重点。（4）模糊控制算法的设计模糊控制算法是对参数分析处理的核心部分，其运算过程较为复杂，往往是通过上位机进行处理。而本设计中是通过单片机实现模糊运算7，而且要达到理想的控制效果，可见在软件设计上具有相当的难度。1.2.2 论文研究的目标本设计工作流程为：养殖户根据雏鸡饲养实际需求，通过按键设置温湿度目标值并启动；单片机通过参数采集模块对鸡舍内外温湿度进行定时轮流采集，由LCD1602模块显示舍内温湿度，并调用模糊控制算法对舍内温湿度进行模糊分析；单片机根据模糊分析结果，同时结合舍外环境参数，得到最终控制信息，并通过驱动电路直接控
12、制加热装置、增湿装置、通风装置；另外，若温度或湿度超出允许范围，控制器进行报警并继续进行调控。基于实现上述功能，本设计研究的具有四大目标。一是，参数采集的出错率接近于零；二是，操作简单，良好的人机交互方式；三是，环境综合控制能力强，满足雏鸡饲养条件；四是，整体设计低成本，具有市场推广潜力。1.3 论文的结构本论文的结构如下：第一部分初步介绍了基于单片机实现的温湿度模糊控制器基本框架，和课题研究的背景和意义，以及论文研究的具体内容和目标。第二部分介绍温湿度模糊控制器的硬件设计，其中着重介绍了采集模块、按键模块、显示模块和继电控制及报警模块的电路设计。第三部分介绍温湿度模糊控制器各个模块的软件设计
13、，其中重点针对模糊控制算法的实现进行了详细的阐述，以及结合舍外环境划分的各种控制方式。第四部分详细介绍了对该控制器性能的测试方法与测试结果。第五部分客观地评价该模糊控制器，并对本设计进行前景与展望分析。2 总体设计2.1 系统组成本设计主要由采集模块、主控模块和系统软件三大板块构成。其中，采集模块最多可支持 7 个采集点，由采集控制电路选通并实现；主控模块主要包括高性能的单片机、按键电路、显示电路、继电控制及报警电路等，其结构如图 1 所示。图 1 系统结构图（1）采集模块采集模块是本设计的重要部件，所选用传感器的精度和稳定性直接关系到整个控制器的控制效果。本设计采用具有单总线通信的 AM23
14、02 数字温湿度传感器，通过采集控制电路实现对多个 AM2302 的数据采集工作，由于其仅占用主控芯片一个 I/O 通信口，也大大地节省了管脚资源。（2）主控模块主控模块是本设计的核心部件，选用高性能的 STC89C52RC 单片机为主控芯片。该模块连接按键电路实现温湿度目标值的设定并启动，通过单片机 P1.0 口读取采集模块的数据，由显示电路实时显示采集的温湿度，并连接继电控制及报警电路以实现对加热装置、增湿装置和通风装置的实时控制；若采集参数超出设定值允许的范围则启动蜂鸣器报警。（3）系统软件系统软件犹如控制器的指挥官，使控制器按预设的时序工作。严谨的软件设计可实现各个硬件模块的正常工作，
15、良好的逻辑设计可节省硬件资源，降低设计成本。本设计采用模块化编程，通过按键电路和显示电路实现人机交互，具有操作简单、性能可靠的特点，启动后，系统依次循环调用采集程序、显示程序、报警程序、模糊控制程序、综合控制程序最终实现对各继电器的开关控制。2.2 系统特征（1）结构的人性化本设计将采集控制电路和主控模块集成于主控板（PCB 板） 。各路采集和控制的连线方式均采用三线制设计，其中包括：电源线、信号线和地线。该控制器最多可支持 7 个采集点，经测试，传输距离最远可达到 80 米，可充分满足普通雏鸡鸡舍的监测条件。另外，采集和控制信号接口线均位于控制器的左侧，其右侧安装按键电路和显示电路，具有布局
16、合理，设计美观和安装调试方便的特点。（2）操作的安全性该控制器采用继电器实现弱电对强电的开关控制，本设计将各继电器安装在各个单独的 PCB 板上，并分别通过主控板引出的控制信号线进行作用，则避免了由于意外将强电电压施加到主控板的情况，充分保障了养殖户的安全。（3）高性能的传感器本设计选用广州奥松电子有限公司最新推出的 AM2302 温湿度传感器，该传感器的检测精度具有明显的提高，其温湿度的分辨率达到 16 位。该传感器在温度为 25的条件下，湿度误差为2%，在湿度为 63%的条件下，温度误差仅为0.5，其测试情况如图 2所示。图 2 AM2302 测试结果（4）控制的智能化本设计采用模糊控制算法实现了对采集参数的分析。模糊控制作为智能技术的重要组成部分，具有较为完善的理论体系，并已在诸多领域取得良好的控制效果。为此，本设计将模糊控制技术应用到雏鸡鸡舍环境的监控，可以有效克服鸡舍环境的大滞后、非线性等特性，最终实现代替人工的作用。（5）良好的人机交互开机或复位，显示模块显示完欢迎界面，便提示并等待养殖户设定目标值；养殖户可通过按键模块进行复位、
