雞舍環境智能監控系統設計

1 緒論 

中國是農業生產大國，雞禽養殖業是中國農業中的重要產業之一。中國雞禽養殖業經歷了穩定快速發展，總產量大幅提高[1]。育雛是雞禽生產中非常關鍵的養殖環節，雞舍環境控制直接影響著雛雞的生長發育，因此，創造良好的生長環境才能保證育成雞的生長發育、免疫力和成活率等，最終獲得較好的經濟效益[2-6]。中國現行育雛方式主要有兩大類，即：立體籠養育雛和平面育雛[7-12]。中國雞禽養殖業的育雛管理整體體現如下特點：養殖基礎設施落后，機械化程度低，人力勞動成本高；自動、智能化程度低，環境控制波動大，養殖安全隱患高[13-14]。中國的“立體籠養”育雛設施已較為普及，生產實際中以其高密度飼養、提高雞舍空間利用率而被養殖戶廣泛采用，但多數設施只有加熱、增濕和通風設備等基本設施，且對環境的污染也嚴重[15-18]。與平面育雛相比，籠養育雛管理技術水平的要求更高些。目前，中國部分大、中型雞禽養殖企業開始引入自動監控技術[19-24]，在一定程度上提升了雞舍環境的控制質量，對養殖戶科學養殖具有重要的意義，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境智能監控系統。與現有的雞舍環境監控系統相比，本系統對溫濕度和有害氣體濃度均實施了智能監控，設計了清糞裝置以便根據有害氣體的濃度及時清除舍內雞糞[25]。本系統采用有線傳感器網絡技術，數據傳輸穩定，速度快，檢修方便。本系統主要適合于大中型雛雞育雛養殖規模的養殖戶。

1.1 選題來源 

養雞業是國民經濟的主要組成部分之一，根據國際家禽協會發表的數據顯示，隨著近幾年國內市場對雞肉的需求量增加，中國的養雞業在市場需求的牽引下正在以很快的速度發展。同時，由于歐洲國家日益增長的對禽肉類的需求與環境保護問題之間的矛盾，使得國內的雞肉市場走向了國際市場。所以，中國的養雞業有先天條件：豐富的原材料、廣闊的土地、龐大的消費市場等等。但是，現今中國的養雞業卻面臨著兩大問題：（1）中國的養殖業大部分還是依靠人工，而在全部生產成本中，人工費也會大幅度上漲，這將成為擴大規模化養殖的最大障礙因素。 （2）在規模化、密集化養殖過程中，最令人擔心的是畜禽疫病。現代畜產業也可以說是對疾病的戰爭。 由于管理者和飼養人員的頻繁出入（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，預防疾病的發生將成為養雞業中主要的課題。所以, 在雞禽生產中必須要人為地為其創造良性的生態環境, 滿足生長發育的需要。

1.2 應用及存在的問題 

養雞業在大勢發展過程中，由于各種條件的限制，使得對雞的生長環境造成改變，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）人工對雞舍的環境調節不精確，不能及時的對雞舍環境進行改善，易造成雞群生活在不利于生長的環境中；（2）在整個飼養，人工依據經驗對環境改善的過程中，容易帶入疾病傳染體。

1.3 意義及影響 

    本設計通過控制雞舍各項裝置，對雞舍的環境如溫度、濕度、有害氣體、除糞等進行調節。首先通過傳感器的實時監測，然后采取相應的措施進行自動控制、管理和優化操作,設置各個環節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境質量,減輕操作人員的勞動強度,提高勞動效率和經濟效益。 

1.4 本設計研究的內容及設計指標 

  本設計主要是設計出一套可使用的雞舍環境智能監控系統，對雞舍環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的設計；（3）單片機及與其相連的各個模塊硬件電路及軟件系統設計;（4）進行補償裝置驅動電路的設計。

2 硬件系統設計方案 

2.1系統功能設計

   本系統主要實現以下幾個功能：溫度監控、濕度監控、清糞功能。溫度監控：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：對雞舍里的糞便及時清除，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現場用于顯示當前的溫濕度。

 

 

2.2 系統總體設計 

  本設計是通過溫濕度傳感器、氣體傳感器采集雞舍環境參數，再將采集的參數傳至單片機進行分析處理，然后在傳出指令控制驅動裝置調節環境。可以通過按鍵區設置需要控制的溫度、濕度的范圍。

 

圖1 系統框圖

2.3 控制模塊

 STC89C52是美國ATMEL公司生產的低功耗、高性能CMOS 的8位單片機，片內含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，兼容標準8051指令系統及引腳，它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)，也可用傳統方法進行編程及通用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字節閃爍存儲器，128字節隨機存取數據存儲器，2個16位定時/計數器，32個I/O口， 1個串行通信口，1個5向量兩級中斷結構，另外，AT89C51還可以進行0HZ的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件的節電模式，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據存儲器中的內容，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

本系統對溫度參數采集采用DS18B20傳感器，DS18B20 的溫度檢測與數字數據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，即溫度檢測和數據處理。DS18B20 共有三種形態的存儲器資源，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 數據暫存器，用于內部計算和數據存取，數據在掉電后丟失，DS18B20 共 9 個字節 RAM，每個字節為 8 位。第 1、2 個字節是溫度轉換后的數據值信息，第 3、4 個字節是用戶 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  DS18B20實物圖

 

                            圖4  溫度采集電路圖

2.4.2 濕度采集模塊

本設計對環境中的濕度參數采集選用HF3223濕度傳感器，HF3223是一款頻率輸出濕敏模塊，內部集成了濕敏電容HS1101和信號處理電路，其相對濕度20%RH~85%RH區間，最大測量誤差低于±5%RH，其中內置的濕敏電容HS1101的穩定性更達到±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/計數器，編寫定時器/計數器中斷程序即可實現高分辨率的頻率測量。真正的濕度值需要經過溫度補償才能得到，溫度補償公式：

         RH=（X%RH）/（1.0546-0.00215*T）                     （1）

其中，溫度T單位取℃；

      RH表示真實值 ；

       X表示測量值 。

濕度頻率轉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模數轉換器。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，該傳感器內部電路將電導率的變化轉化為電壓信號。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總線的數據線、時鐘線SDA、SCL分別與STC89C52芯片的管腳P1.3、P1.4相連，實現將AIN0通道的模擬電壓值轉化為數值信號。

  

                                   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，驅動方便，經過編程后顯示內容多樣化。

  

                                 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STC89C52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,當外部環境的溫度或者濕度超過預設值的時候，基級變為低電平，蜂鳴器導通鳴叫。蜂鳴器的功能提示環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，清糞裝置的結構如圖12所示。圖12中，刮糞裝置包括減速器、轉軸、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 4.沖水裝置

圖12 清糞裝置的結構圖

在圖12中，清糞裝置通過可逆電機的正反轉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內，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。刮糞裝置兩側機械結構對稱，刮糞板固定在相應層兩側的橫向鏈條上，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內，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內的雞糞排出雞舍。其排糞槽采用270°圓弧管道和120°豎直向上的長開口設計，保證雞糞完全落入槽內，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行機構，其輸出管腳通過ULN2003芯片驅動繼電器組實現對清糞裝置的控制，電路設計如圖13所示。

 

圖13  清糞裝置控制電路圖

3 系統軟件的設計

3.1總體控制流程

如果說硬件是系統的四肢，那么軟件就是系統的大腦。肢體在大腦的支配下才能正常運行。系統軟件通過對各模塊的運算和處理，將其轉換成命令信號，發送到各個部分，從而能控制整個系統。良好的軟件系統能很好的提高系統的運行的效率、精確性、穩定性。

整個軟件系統包括參數采集模塊、顯示模塊、驅動模塊、按鍵，控制系統以STC89C52單片機為核心，以C語言為開發環境。該系統的主程序處于鍵控循環工作方式，當按下測量鍵時，主程序開始調用讀取子程序、鍵處理子程序，并把測量結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。系統軟件結構如圖14所示。    

 

圖14 系統軟件結構圖

該系統的控制程序是根據整個工作過程來編制的，各種傳感器合理的分布在雞舍內部，傳感器采集到的信號是模擬信號，需要進行A/D（用ADC0832）轉換后傳送給單片機，單片機接收發送過來的信息，然后通過模糊控制系統做出相應決策。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，做出相應的調節。其程序框圖可以表示如圖15所示。

 

圖15  系統流程圖

3.2按鍵控制

系統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、下限的設置時跟據端口的高低的次數來調節，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實時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出蜂鳴且報警燈亮。接通電源，LCD開始初始化，采用八位的數據端口，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，根據數據轉換過來的數值，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。   

4 結論

    本論文從實踐出發，對雞舍環境控制系統的總體功能進行設計，深入了解了環境對雞群的生長影響從而設計出基于單片機對雞舍環境的監控系統，設計出了一種具有實用性的監控設計。在人工養殖方面具有可操作性，可以將系統稍作修改應用于其他的舍內養殖。在人工方面節約大量成本，還能更準確的控制舍內環境，避免因環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，基本實現大體功能，這兩個月的畢業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。

 

 

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致謝

 踉踉蹌蹌地忙碌了兩個月，我的畢業設計課題也終將告一段落。點擊運行，也基本達到預期的效果，虛榮的成就感在沒人的時候也總會冒上心頭。但由于能力和時間的關系，總是覺得有很多不盡人意的地方，譬如功能不全、外觀粗糙、底層代碼的不合理……數不勝數。可是，我又會有點自戀式地安慰自己：做一件事情，不必過于在乎最終的結果，可貴的是過程中的收獲。以此語言來安撫我尚沒平復的心。

畢業設計，也許是我大學生涯交上的最后一個作業了。想籍次機會感謝四年以來給我幫助的所有老師、同學，你們的友誼是我人生的財富，是我生命中不可或缺的一部分。我的畢業指導老師XX老師，她一直以來以一位長輩的風范來寬容我的過錯，給我不厭其煩的指導。在此，特向她道聲謝謝。

大學生活即將匆匆忙忙地過去，但我卻能無悔地說：“我曾經來過。”大學四年，但它給我的影響卻不能用時間來衡量，這四年以來，經歷過的所有事，所有人，都將是我以后生活回味的一部分，是我為人處事的指南針。就要離開學校，走上工作的崗位了，這是我人生歷程的又一個起點，在這里祝福大學里跟我風雨同舟的朋友們，有一個絢爛繽紛的未來。

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