基于单片机的孵化箱温湿度控制

基于单片机的孵化箱温湿度控制内容摘要：

活率以及生长发育和生产性能。 所以一定要重视孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎发育过程中各阶段对外界条件的要求。 孵化条件 胚胎发育所需要的条件有温度、湿度、通风、翻蛋、凉蛋等。 1温度条件 温度是孵化过程中最重要的条件。 保证胚胎正常发育所需的适宜温度，才能获得高孵化率和优质雏鸡。 孵化期间出现高温，胚胎发育增快，孵化期缩短，胚胎死亡率增加，初生雏鸡质量下降 (王超， 1999)。 当孵化温度超过 42℃时，胚胎会在 2 ~3 小时内死亡。 如果孵化的头两天温度过高，在孵化的 5~6天时就会出现粘壳，发育畸形增多。 如果孵化的第 3~8 天温度过高，尿囊合拢提前，出雏时间会提前，但出雏时间将会拖长。 若出现短期强烈温度偏高，胚胎干燥、粘壳，尿囊出现血液颜色呈暗黑色，且皮肤、心脏略有点状出血。 孵化后期长时间温 度偏高，会导致破壳早、内脏充血，破壳后死亡多 (余中于， 2020。 张丽娟， 2020。 张伟， 2020)。 孵化温度偏低，将延长种蛋的孵化时间，胚胎发育迟缓，气室大，相应死亡率增加，初生雏鸡质量下降。 当孵化温度低至为 ℃时，胚胎大多数会死于壳内。 由上看出，鸡胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，温度在 ℃ ，都有一些种蛋能出雏。 但是在使用电力孵化设备的情况下，上述温度不是胚胎发育最适温度 (郁筝， 2020)。 在环境温度得到控制的前提下 (如 24℃ 25℃ )，就立体孵化箱而言，最适宜的孵化温度是 ℃。 出雏期间为 37℃ ℃。 另外，孵化过程中不同时期的孵化温度有所不同，需要进行微调。 因此，对孵化机内的温度精确测量是十分重要的 (廖纪朝， 1998)。 参考孵化行业的孵化标准，得出现有的孵化施温方式主要有如下两种 : ，大批种蛋整批人孵，应采用变温孵化。 具体施温方案如表 ，具体温度见表 2(技术文献 )。 6 表 11 不同胚龄期孵化室与孵化箱内温度关系 附 :华氏 (F)与摄氏 (C)的温度换算公司 :F: 32+9/SC。 C=5/9x ( F32 ) 表 12 立体孵化分批入孵所取的温度 ┌────────┬────────┐ │孵化室内温度 (℃ )│孵化箱内温度 (℃ ) │ ├────────┼────────┤ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └────────┴────────┘ 由于本系统是多孵化箱控制系统，为了便于管理并提高孵化效率，采用大批种蛋整批入孵方式，即孵化出雏一体化。 故采用表 1 所列的施温方案。 依据室内温度将孵化温度分段确定为 (李明晖， 2020 ) 表 1 一立体孵化分批入孵所取的温度 2 湿度条件 I 绝对湿度和相对湿度 大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的，即以每 1m3 大气中所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。 要想直接测量出大气的水7 汽密度，方法比 较复杂。 而理论计算表明，在一般的气温条件下，大气的水汽密度与大气中水汽的压强数值十分接近。 所以大气中水汽的密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号 D表示，常用的单位是mmHg a 在许多与大气湿度有关的现象里，如鸡蛋的孵化，人们的感觉等等，都与大气 的绝对湿度没有直接的关系，主要是与大气中水汽离饱和的远近程度有关(郁筝， 2020)。 比如，同样是 lOmmHg 的绝对湿度，如果是在炎热的夏季中午，由于离当 时的饱和水汽压 (约 31mmHg)尚远，使人感到干燥，然而如果是在冬季的傍晚， 由于水汽压接近当时的饱和水汽压 (约 18mmHg)而使人感到潮湿。 因此通常把大气的绝对湿度和当时气温下的饱和水汽压的比值的百分数称为大气的相对湿度，即 式中 :H— 相对湿度。 D— 大气的绝对湿度 (mmHg)。 Ds 一当时气温下的饱和水汽压 ((mmHg)。 上式表明，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度为 100%RH。 II 湿度对孵化效果的影响 孵化机内的相对湿度，对孵化效果也起着一定的作用。 在正常情况下，从种蛋入孵到出壳，全期水分的损失约占蛋重的 12%左右，为确保胚胎的正常发育，种蛋内水分的蒸发应保持一定的速度。 孵化机内的相对湿度值决定着种蛋的失水多少、速度快慢。 而种蛋失水又间接衡量着种蛋氧吸收量的多少，即湿度的主要作用在于调节胚蛋的失水。 如果不能使胚蛋获得最佳的失水率，会影响孵化率，甚至带来灾难性后果。 可见，精确的测量与控制孵化机内的湿度也是至关重要的。 一般孵化器的相对湿度应经常保持在 55%~70%(王小芬， 2020。 刘洪恩， 2020。 顾道良， 1998)。 3通风 胚胎在发育过程中会不断地吸入氧气，排出二氧化碳。 一般孵化器内氧气含量为 21%，二氧化碳含量为 %。 二氧化碳超过 %，胚胎发育迟缓，超过 1%，死亡率增高，并出现胎位不正和畸形等现象。 所以必须重视通风，使孵8 化箱内空气保持清新。 一般在孵化初期，为保温以及使温度平稳可以关闭进气孔或部分开放进气孔 (一般可开启 1/4~1/3)，以后逐渐增大进气孔，出雏时完全开放进气孔。 4翻蛋 翻蛋的作用是 :。 因卵黄含脂量高，相对密度较小，总是浮在蛋的上部，易与壳接触。 翻蛋可经常改变蛋的位置使其不会因粘连而造成胚胎死亡。 ，有利于胚胎发育。 有助于胚胎运动，增强活力，保持胎位正常。 翻蛋一般呈 90 度，前 45 度后 45 度，每 2小时翻一次。 18 天以后可不再翻蛋，整批入孵时 14 天后即可不再翻蛋。 5凉蛋 凉蛋可使孵化器彻底换气，同时间歇的低温还可促进胚胎发育，增强活力，有利于后期胚胎散热。 但如进气良好，各孵化条件正常也可不进行凉蛋。 如通风不良或利用同一孵化器出雏时则应进行凉蛋。 一般每天 2}8次，每次 1540分钟，凉至蛋壳表面温度接近于 32℃即可。 设计目标及控制方案 系统的主要技术指标 根据施温方案得到本系统设计的主要参数如 下 : 1. 控温范围 :35℃ ~40℃ 2. 控湿范围 :50%~80%RH 3. 控温精度 :温度误差不超过177。 ℃，机内各点温差不大于 ℃ 4. 温度显示分辨率 : 177。 ℃ 5．湿度显示精度 :5%RH 工作重点 基本电路设计 : 通信电路等。 控制系统设计 : 系统软件设计 : 本章小结 本章主要介绍了家禽孵化的原理以及孵化过程中必备的几个条件。 提出了本系 统的孵化方案和控制目标。 对于孵化设备温度、湿度、通风和翻蛋的控制是重点，也是难点。 9 第 三 章 系统总体设计方案 总体方案 本 系统选取孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，以加热系统、加湿系统、 通风 风扇、翻蛋电机等执行机构作为控制手段。 系统总体框图如下图所示 框图分析及具体模块实现方法及手段 孵化控制系统组成如图所示，孵化控制主要分为电气控制、机械执行及其它一些辅助机构部分。 孵化设备工作过程是 :单片机依据编写好的程序和温湿度探头采样的温湿度信号进行数据处理与运算。 根据需要发出驱动信号，实现加热、加湿、翻蛋、 通风 等孵化控制功能。 孵化箱控制设备最核心的部分是温湿度控制模块。 它是以单片机为核心、外围电路做辅助的单片微型计算机控制系统。 通过传感器检测电路、执行器件驱动电路、键盘接口、 LED 数码显示等，使其既可以独立完成对孵化箱内温湿度的实时测控，又可以通过串行通信接口实现与上位机的信息交互根据上述功能要求，可对该应用系统进行硬件设 单片机 10 计。 硬件电路设计主要包含两部分 :以 AT89S52 为核心的单片机硬件系统设计及以 PC 为核心的管理系统软件的设计。 传感器信号检测电路将孵化箱内环境参数 (温度、湿度 )实时地转换为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。 单片机上电运行后会提取存储器中默认的温湿度参数，并开始输出温湿度控制信号。 在特殊情况下 (如孵化禽蛋 的种类变化 )，根据需要，可以通过按键修改存储器中默认的温湿度参数值，故需要对系统进行按键电路设计。 孵化箱内温湿度信号进入单片机，由程序作出处理并得到系统的温湿度值。 该值将与设定值进行比较，并进行运算。 单片机根据运算结果对温湿度控制设备进行控制。 在传统的单机孵化控制系统的基础上，采用 多级分布式结构的设计思想。 系统由上位 PC 机和多个分布于不同孵化箱的下位机构成。 每台单片机完成一个孵化箱的测控任务，其主要功能是完成各孵化箱内 温湿 度 信 号 的 采集 与 处 理 ， 并直 接 控 制 孵 化现 场。 单 片 机通 过RS232 总线将现场数据和孵化控 制状态上传至上位 PC 机进行保存。 上位机可以设定下位机的工作参数、查询下位机的工作状态、设定温湿度的报警阀值，从而实现对多个孵化箱的统一管理，显著提高了孵化场的管理效率。 采用这种多级分布式结构不仅避免了模拟信号因长距离传输引起的损耗，简化了系统的布线，而且便于增加传感器的个数和种类，系统易于扩展、升级。 信号采集 电路的功能是将孵化箱内环境参数 (温度、湿度 )实时地转为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。 单片机选择 在现今市场上，单片机的生产厂商很多、单片机的类型也很多。 对于本孵化箱控制系统，进行单 片机选型应该遵循的原则或要求主要是 :。 这是因为在孵化箱这样的环境中存在有很多的干扰。 ，因为这样可以简化电路的设计，也可以让电路的调试更加容易。 ，单片机生产厂商要提供免费的调试软件，使单片机程序大部分能够在 PC 机上仿真出来而且无误。 而且，单片机程序语言要多样化，要既可以用单片机汇编语言也11 可以用 C 语言编写程序。 ，由于设计的通用智能终端长期在环境现场工作，为了节能，应选择功 耗低的单片机 (王玉华， 2020)。 本系统主控 MCU 选用 Atmel 公司的 AT89S52。 它是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 可编程 Rash 存储器。 使用 Atmel公司高密度非易失性存储器 技术制造，与工业上普遍使用的 80C51 芯片的指令和引脚完全兼容。 由于该多孵化箱控制系统所要采集的数据量并不是特别大，单片机自带的 SK 可编程 Flash 存储器能够满足需要，所以不需要对存储器进行扩展。 AT89552 单片机作为下位机负责采集孵化箱内的环境参数，对各个孵化箱内的温湿度值进行模糊运算，输出控制信号驱动 执行机构，从而实现对孵化箱内各参数的实时控制。 另外，各个单片机并将本孵化箱内的温湿度数据通过串行通讯接口上传给上位 PC 机。 传感器信号检测电路设计 传感器信号检测电路的功能是将孵化箱内环境参数 (温度、湿度 )实时地转换为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。 下面分述温湿度信号的采集。 温度信号的采集 1 温度传感器的选择 在众多应用于环境温度监测的温敏元件中，温敏电阻虽然成本低，但 后续 电路 复杂 ，且需 进行 温度 标定。 电流 型集 成温度 传感 器AD590 也因其输出为模拟信号，且输出信号较弱故需后续放大及 AD转换电路，若采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格偏高，这就使系统的成本升高 (刘源， 2020)。 本系统的温度传感器选择 DS18B20。 DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的可编程单总线数字温度传感器。 单总线即以 1 根数据线将测量到的温度结果以串行数华中农业大学硕士学位论文 :基于单片机的多孵化箱温湿度控制系统的研究字信号输出，与微控制器进行连接。 DS18B20 片内 ROM 中有唯一的 64 位序列号，所以可以在 1 根总线上挂接任意多个 DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。 DS18B20 的 测 温 范 围 从 55℃ 到 +125℃ ， 测 量 精 度 可 以 达 到℃。 DS18B20 的温度转换结果的位数可以由软件编程确定，可12 以直接输出 9 至 12 位的数字信号，默认值为 12 位。 DS18B20 进行一次温度采集至多需要大约 1 秒钟的时间，在孵化控制系统中能够满足需要。 DS18B20 内部存储器包括一个暂存 RAM 和一个非易失性电可擦除 E178。 RAM。 其中暂存存储器作用是在单总线通信时确保数据的完整性，它包括 8 个字节，头两个字节为转换的温度读数。 数字温度传感器DS18B20 有三个引脚，分别是 VCC， GND， DATA。 其中 VCC 和 GND 是DS18B20 的供电引脚，接入 +5V 电源和地。 DAIA 是 DS18B20 的数据线，用来传送指令和温度数据 (吴春蕾， 2020)。 2 温度传感器 DS18B20 的工作原理 DS18B20 测温原理如图 32 所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高温度系数晶振。