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1、鸡舍环境智能监控系统设计 专业: 农业电气化与自动化 学号:XXX 姓名: XXX 指导老师:XXX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，本文设计了一套基于传感器网络的雏鸡鸡舍环境智能监控系统，该系统由参数采集模块、数据处理、控制模块3个部分组成，不仅能实现了对雏鸡鸡舍内温湿度、有害气体浓度的实时监控，还能根据检测的有害气体浓度自行启动清粪装置。经模型测试结果表明，本系统温度控制的最大误差为2，湿度控制的最大误差为4%，有害气体浓度能控制在允许的范围内。本文研究结果可为育雏养殖户提供操作简便、控制效果较好的智能养殖模式。关键词：传感器网络；鸡舍；单片机；自动控制；清粪装
2、置1 绪论 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1。育雏是鸡禽生产中非常关键的养殖环节，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才能保证育成鸡的生长发育、免疫力和成活率等，最终获得较好的经济效益2-6。中国现行育雏方式主要有两大类，即：立体笼养育雏和平面育雏7-12。中国鸡禽养殖业的育雏管理整体体现如下特点：养殖基础设施落后，机械化程度低，人力劳动成本高；自动、智能化程度低，环境控制波动大，养殖安全隐患高13-14。中国的“立体笼养”育雏设施已较为普及，生产实际中以其高密度饲养、提高鸡舍空间利用率而被养
3、殖户广泛采用，但多数设施只有加热、增湿和通风设备等基本设施，且对环境的污染也严重15-18。与平面育雏相比，笼养育雏管理技术水平的要求更高些。目前，中国部分大、中型鸡禽养殖企业开始引入自动监控技术19-24，在一定程度上提升了鸡舍环境的控制质量，对养殖户科学养殖具有重要的意义，但其布线复杂成本较高，智能化程度和科学化管理都有待提高。对此，本文设计了一套基于单片机控制的鸡舍环境智能监控系统。与现有的鸡舍环境监控系统相比，本系统对温湿度和有害气体浓度均实施了智能监控，设计了清粪装置以便根据有害气体的浓度及时清除舍内鸡粪25。本系统采用有线传感器网络技术，数据传输稳定，速度快，检修方便。本系统主要适
4、合于大中型雏鸡育雏养殖规模的养殖户。1.1 选题来源 养鸡业是国民经济的主要组成部分之一，根据国际家禽协会发表的数据显示，随着近几年国内市场对鸡肉的需求量增加，中国的养鸡业在市场需求的牵引下正在以很快的速度发展。同时，由于欧洲国家日益增长的对禽肉类的需求与环境保护问题之间的矛盾，使得国内的鸡肉市场走向了国际市场。所以，中国的养鸡业有先天条件：丰富的原材料、广阔的土地、庞大的消费市场等等。但是，现今中国的养鸡业却面临着两大问题：（1）中国的养殖业大部分还是依靠人工，而在全部生产成本中，人工费也会大幅度上涨，这将成为扩大规模化养殖的最大障碍因素。 （2）在规模化、密集化养殖过程中，最令人担心的是畜
5、禽疫病。现代畜产业也可以说是对疾病的战争。 由于管理者和饲养人员的频繁出入（人很可能是最大的疾病传染体），即使防疫再好，也会有批纰漏，预防疾病的发生将成为养鸡业中主要的课题。所以, 在鸡禽生产中必须要人为地为其创造良性的生态环境, 满足生长发育的需要。1.2 应用及存在的问题 养鸡业在大势发展过程中，由于各种条件的限制，使得对鸡的生长环境造成改变，从而影响了鸡的正常生长，造成总体收益不佳有如下原因：（1）人工对鸡舍的环境调节不精确，不能及时的对鸡舍环境进行改善，易造成鸡群生活在不利于生长的环境中；（2）在整个饲养，人工依据经验对环境改善的过程中，容易带入疾病传染体。1.3 意义及影响 本设计通
6、过控制鸡舍各项装置，对鸡舍的环境如温度、湿度、有害气体、除粪等进行调节。首先通过传感器的实时监测，然后采取相应的措施进行自动控制、管理和优化操作,设置各个环节最佳操作时机的装置。这样，不但能解决存在的问题,而且可以提高鸡舍环境质量,减轻操作人员的劳动强度,提高劳动效率和经济效益。 1.4 本设计研究的内容及设计指标 本设计主要是设计出一套可使用的鸡舍环境智能监控系统，对鸡舍环境进行实时检测和控制，主要做如下4个方面的工作:（1）确定系统的总体功能设计方案；（2）进行传感器的硬件电路和软件系统的设计；（3）单片机及与其相连的各个模块硬件电路及软件系统设计;（4）进行补偿装置驱动电路的设计。2 硬
7、件系统设计方案 2.1系统功能设计 本系统主要实现以下几个功能：温度监控、湿度监控、清粪功能。温度监控：对温室温度进行测量，并通过升温或降温达到鸡群生长的最适温度； 湿度监控：对温室湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到鸡群生长最佳湿度；清粪装置：对鸡舍里的粪便及时清除，避免造成空气中有害气体浓度过高；控制处理：当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制；显示：LCD就地显示输入值和相应的温湿度，液晶显示屏摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。2.2 系统总体设计 本设计是通过温湿度传感器、气体传感器采集鸡舍环境参数，再将采集的参数传至单片机进行分析处理，然后在传出指令控制驱动装置调
8、节环境。可以通过按键区设置需要控制的温度、湿度的范围。图1 系统框图2.3 控制模块 STC89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位STC89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制的领域。STC89C52提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储
9、器，2个16位定时/计数器，32个I/O口， 1个串行通信口，1个5向量两级中断结构，另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式，闲散方式停止中央处理器的工作，可允许随机保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。它的工作频率可达33MHz。STC89C52 单片机管脚如图2所示。图2 STC89C52单片机管脚图2.4 采集模块2.4.1 温度采集模块本系统对温度参数采集采用DS18B20传感器，DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测
10、和数据处理。DS18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验）。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。温度传感器实物和温度采集
11、电路分别如图3、图4所示。 图3 DS18B20实物图 图4 温度采集电路图2.4.2 湿度采集模块本设计对环境中的湿度参数采集选用HF3223湿度传感器，HF3223是一款频率输出湿敏模块，内部集成了湿敏电容HS1101和信号处理电路，其相对湿度20%RH85%RH区间，最大测量误差低于5%RH，其中内置的湿敏电容HS1101的稳定性更达到2%RH。输出频率与相对湿度的线性关系为 ：Fout=9740-18*RH。HF3223的输出信号可以直接连接微处理器的定时器/计数器，编写定时器/计数器中断程序即可实现高分辨率的频率测量。真正的湿度值需要经过温度补偿才能得到，温度补偿公式： RH=（X%
12、RH）/（1.0546-0.00215*T） （1）其中，温度T单位取； RH表示真实值 ； X表示测量值 。湿度频率转换原理图和湿度传感器实物图如图5、图6所示。图5 湿度/频率转换电路图图6 湿度传感器实物图2.4.3 有害气体采集模块有害气体浓度检测采用MQ-135传感器和PCF8591模数转换器。MQ-135中气敏材料SnO2的电导率随空气中有害气体浓度的增加而增加，该传感器内部电路将电导率的变化转化为电压信号。MQ135和PCF8591检测有害气体浓度连线如图6所示。MQ135的模拟电压输出信号管脚AO与PCF8591的模拟信号输入端AIN0相连。PCF8591的I2C总线的数据线、
13、时钟线SDA、SCL分别与STC89C52芯片的管脚P1.3、P1.4相连，实现将AIN0通道的模拟电压值转化为数值信号。 图7 MQ135和PCF8591连接电路图2.5 显示模块本设计采用LCD1602液晶显示屏用来实时显示环境中的温度、湿度，这样更能一目了然的知道鸡舍中此时的环境。所使用的LCD1602液晶显示屏引脚图如图 8 所示。1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化。 图8 LCD1602引脚图LCD液晶显示屏实物图和连接电路图分别如图9、图10所示。 图9 LCD液晶显示屏实物图图10 LCD1602液晶显示连接电路2.5蜂鸣器报警模块蜂鸣器额定电
14、流30mA,而对于STC89C52单片机，P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。蜂鸣器的功能提示环境温度超出设定值提醒注意，电路如图11所示。图11 报警电路图2.6 清粪装置机械结构自行设计的清粪装置由刮粪装置、冲水装置、可逆电机和控制单元组成，清粪装置的结构如图12所示。图12中，刮粪装置包括减速器、转轴、传动轴、链条、齿轮、育雏笼、刮粪杆和接粪板，冲水装置由水塔、水管、电磁阀和排粪槽组成。1.控制单元 2
15、.可逆电机 3.刮粪装置 4.冲水装置图12 清粪装置的结构图在图12中，清粪装置通过可逆电机的正反转动带动各层的刮粪板同步地来回运动，将育雏笼各层接粪板上的鸡粪清除到排粪槽内，并开启电磁阀通过冲水将粪便排出鸡舍。刮粪装置使用齿轮和链条作为主要的传动部件，可有效避免运行过程中的打滑，保障了上下层之间的同步性。刮粪装置两侧机械结构对称，刮粪板固定在相应层两侧的横向链条上，与育雏笼的长边保持平行，紧贴于接粪板。各层刮粪板的位置一致，可实现各层同步清除的操作。刮粪装置将各层鸡粪同时清除到排粪槽内，冲水装置的电磁阀开启通过引出高处水塔的水流将在排粪槽内的鸡粪排出鸡舍。其排粪槽采用270圆弧管道和120竖直向上的长开口设计，保证鸡粪完全落入槽内，其水塔安装在鸡舍顶部，保证冲水时水流的速度。2.6.1 清粪装置的控制清粪装置控制单元是由检测单元、STC89C52芯片、ULN2003芯片和继电器组构成，安装在育雏笼的底层且靠近可逆电机。检测单元是两个光电传感器，分别安装
