孵化器环境参数智能控制系统的研究(附件)
禽蛋在孵化期间，环境对雏禽的孵化率影响较大。依据雏禽孵化环境变化规律，运用智能控制相关知识，设计了一种孵化器环境参数控制器，能够监控雏禽孵化环境中的温度、湿度及氧气浓度等环境参数，为禽蛋的孵化及胚胎发育提供一个良好的环境。本设计以AT89C52单片机为控制核心。选用DHT11作为温湿度传感器，SK-25F 型氧气传感器作为氧气浓度传感器，DS1302作为系统时钟模块。单片机实时采集当前环境参数值，与设定值比较，当实际值偏离设定值，启动执行机构进行调节。
经调试，系统性能可靠，参数控制精确，且成本低、功耗低，维护方便，应用于小型养殖房或者小型养殖场，将会带来显著的经济效益。
关键词 孵化器，单片机，温度湿度控制，氧气浓度控制，UART通信
目 录
1 引言 1
1.1 课题来源与课题意义 1
1.2 课题在国内外发展状况 2
1.3 课题研究的启发 3
2 孵化器系统设计 4
2.1 系统总体结构设计 4
2.2 系统功能概述 5
2.3 系统方案比较 5
2.4 系统总体设计原则 6
3 孵化器硬件系统设计 7
3.1 系统电源设计设计 7
3.2 单片机系统设计 8
3.3 人机交互电路设计 10
3.4 环境参数采集部分设计 14
3.5 执行控制模块 17
3.6 时钟电路模块 17
3.7 UART模块 19
4 绘图与制板 19
4.1 原理图绘制 19
4.2 PCB板的制作 20
5 软件概述 21
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6 软硬件联调 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A系统总体原理图 27
附录B系统PCB图 28
附录C 打样后的PCB图 29
附录D 硬件实物图 30
1 引言
1.1 课题来源与课题意义
目前，国内养殖业主要以人工养殖为主，更多的是依靠人的养殖经验来控制孵化过程，缺乏智能化的设备渗入，孵化率受人的影响较大，孵化率低，环境参数的控制很难达到恒定适宜的状态，严重牵制着养殖业的发展。因此，能够提高孵化率，提供优质的雏禽的智能养殖将成为必然的需求。
智能养殖是促进养殖业经济发展的必然动力。全过程自动化的智能孵化器，使得出禽率高，雏禽质量高，是优质，高效及高产的最佳手段。在雏禽孵化的21天周期由主控制器实时采集环境因素并进行实时的调节控制保持环境因素的稳定与适宜[5]。通过环境参数传感器，可以以一定的周期对影响孵化率的环境参数进行采集，以数字量的形式向人们显示出来，可以让养殖人员有一个定量的认识。此外，在采集完环境因素如氧气浓度，温度以及湿度后，可以根据设定的标准值来对当前的环境进行调节，以达到一个较为稳定适宜的孵化环境，节约了人力的同时提高的孵化水平。
科学技术的发展促使智能化走进了生活生产的每个角落，孵化器也不应例外。现代的孵化器应该是一个全智能的产品，在没有人为干预的情况下，实现雏禽孵化期间全过程调控。在提高雏禽孵化率及孵化质量的基础之上，大大节省的了人的时间和劳动了。通过智能化技术来实现对环境因素的精确控制，以至于取替依靠人为上为控制，单单是依靠人的经验来对环境参数进行控制很难达到高精度的调控的，并且人也很难做到实时的控制。因此，需要一个智能控制器来替代人，实现对环境因素的实时精确的控制。
智能化的孵化器，将会带领养殖业走向一片新天地，这也是智能化与生产生活的又一次紧密的结合，具有重要的发展意义。对于智能孵化器，也存在着一些难点，一方面是环境因素采集的精确性及实时性，另一方面就是控制调节上存在的一些难点，需要考虑一些稳定调节的算法，如PID算法[6] 。然而，本课题正是集中于以下两方面进行研究的：一是孵化环境参数的检测，二是智能化控制算法，因此，本课题具有重要的实际意义。一个经济试用的孵化器解决方案才是我们研究的主要方向，所以，我们选择了这一课题。
1.2 课题在国内外发展状况
随着电子技术的迅猛的发展，现代的温湿度采集系统正从由分立元件构成的单一境因素的采集系统向软硬件结合的集成化，微型化，智能化，网络化，自动化以及人性化的智能系统发展[14]，能够对环境因素进行实时精确采集，并通过通信技术进行传输显示。
国外的孵化器设计技术发展远早于国内，主要经历以下三个阶段：一是，发展初期，这一时期是孵化器还处于发展的初级阶段；二是，多元成熟期，这个时期孵化器逐渐走向成熟且向多元化方向发展；三是发展全球化期；当前，国内孵化器处于第三个时期，技术方面主要体现在以下两种方面，一方面是引进的国外的技术，另一方面是对国外产品的仿制，虽然存在着一些自主的设计的产品，但是依然有很大的提高空间，有较多有待完善地方[12]。
国外的孵化器产业发展的较早，技术比较完善，更趋向于智能化，操作简单方便，各个部件考虑完善。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长约350家。部分公司的产品已经实现网络化和无线通信化[5] 。
检测是控制的基础，也只有检测到了准确的数据才能够实现控制算法的最大效用，否则将是徒劳。然而，对于精确数据的采集，目前，国内外都出现多种解决方案，主要分为两个方面：一是硬件解决方案，即采用高精度误差小的传感器，二是软件解决方案，即采用一些补偿及衰减误差的算法，对采集到的不精确的数据进行一定的算法处理，从而得到一个相对精确的值，国外在这方面发展的比较成熟。
此外，国内外大多数孵化器仅仅集中于对孵化环境中的温度或者温湿度进行采集控制的，然而家禽孵化系统是一个复杂的动态系统，可检测的环境参数多，温度当然是最核心的因素，但是很少有对孵化器气体环境参数进行检测控制的，在气体检测方面的研究还是存在一定欠缺的。国外在孵化器网络化通信方面做得相对领先些，国内大多数孵化器还是存于分立的状态。网络化的孵化器可以通过局域网，将多个孵化器进行组网，实现一对多的监控，将多个孵化器的参数及状态通过网络通信传输到PC端，达到一台PC机对多个孵化器进行监控的效果。这将会成为国内首要发展的目标。
1.3 课题研究的启发
孵化环境中可检测的参数较多，通过查阅资料及调查研究，发现对孵化率影响较大的环境参数主要以下三个：温度，湿度以及氧气浓度，因而，本课题将主要对温度，湿度以及氧气浓度进行检测与控制，相应地，也将会采用以上三个环境参数检测的传感器。
采用高精度的传感器，虽然可以解决采集数据准确度的问题，但是高精度误差小的传感器价格往往比较昂贵，通过查阅资料发现，还有一种较为经济较为灵活的解决方案，即通过软件算法来对采集的数据进行补偿以到衰减误差的效果，如卡尔曼滤波，滑动取平均等算法。课题目的在于研究出一个经济的孵化器解决方案，软件滤波将是一个很好的选择，本课题将采用软件滤波的方案，而选择价格相对便宜的传感器。
工作电压、功耗，封装。
抗干扰性能，保密性。
图3-8显示屏接口电路
对于非专业人员，无法了解系统程序的运行状态，必须以一种现实存在的信号来展示系统的运行情况。最基本的是借用LED的亮灭及闪烁情况来表示某种讯息。再高级点的是由LED构成的数码管，可以显示阿拉伯数字，由于其显示限制，一般运用于显示相对简单的场合。本系统需要显示时间，温度，湿度及氧气浓度等讯息，单单靠数码管难以满足要求，因而需要一个显示更为全面的显示器。常见的显示器分为以下三种：
1 引言 1
1.1 课题来源与课题意义 1
1.2 课题在国内外发展状况 2
1.3 课题研究的启发 3
2 孵化器系统设计 4
2.1 系统总体结构设计 4
2.2 系统功能概述 5
2.3 系统方案比较 5
2.4 系统总体设计原则 6
3 孵化器硬件系统设计 7
3.1 系统电源设计设计 7
3.2 单片机系统设计 8
3.3 人机交互电路设计 10
3.4 环境参数采集部分设计 14
3.5 执行控制模块 17
3.6 时钟电路模块 17
3.7 UART模块 19
4 绘图与制板 19
4.1 原理图绘制 19
4.2 PCB板的制作 20
5 软件概述 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
6 软硬件联调 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A系统总体原理图 27
附录B系统PCB图 28
附录C 打样后的PCB图 29
附录D 硬件实物图 30
1 引言
1.1 课题来源与课题意义
目前，国内养殖业主要以人工养殖为主，更多的是依靠人的养殖经验来控制孵化过程，缺乏智能化的设备渗入，孵化率受人的影响较大，孵化率低，环境参数的控制很难达到恒定适宜的状态，严重牵制着养殖业的发展。因此，能够提高孵化率，提供优质的雏禽的智能养殖将成为必然的需求。
智能养殖是促进养殖业经济发展的必然动力。全过程自动化的智能孵化器，使得出禽率高，雏禽质量高，是优质，高效及高产的最佳手段。在雏禽孵化的21天周期由主控制器实时采集环境因素并进行实时的调节控制保持环境因素的稳定与适宜[5]。通过环境参数传感器，可以以一定的周期对影响孵化率的环境参数进行采集，以数字量的形式向人们显示出来，可以让养殖人员有一个定量的认识。此外，在采集完环境因素如氧气浓度，温度以及湿度后，可以根据设定的标准值来对当前的环境进行调节，以达到一个较为稳定适宜的孵化环境，节约了人力的同时提高的孵化水平。
科学技术的发展促使智能化走进了生活生产的每个角落，孵化器也不应例外。现代的孵化器应该是一个全智能的产品，在没有人为干预的情况下，实现雏禽孵化期间全过程调控。在提高雏禽孵化率及孵化质量的基础之上，大大节省的了人的时间和劳动了。通过智能化技术来实现对环境因素的精确控制，以至于取替依靠人为上为控制，单单是依靠人的经验来对环境参数进行控制很难达到高精度的调控的，并且人也很难做到实时的控制。因此，需要一个智能控制器来替代人，实现对环境因素的实时精确的控制。
智能化的孵化器，将会带领养殖业走向一片新天地，这也是智能化与生产生活的又一次紧密的结合，具有重要的发展意义。对于智能孵化器，也存在着一些难点，一方面是环境因素采集的精确性及实时性，另一方面就是控制调节上存在的一些难点，需要考虑一些稳定调节的算法，如PID算法[6] 。然而，本课题正是集中于以下两方面进行研究的：一是孵化环境参数的检测，二是智能化控制算法，因此，本课题具有重要的实际意义。一个经济试用的孵化器解决方案才是我们研究的主要方向，所以，我们选择了这一课题。
1.2 课题在国内外发展状况
随着电子技术的迅猛的发展，现代的温湿度采集系统正从由分立元件构成的单一境因素的采集系统向软硬件结合的集成化，微型化，智能化，网络化，自动化以及人性化的智能系统发展[14]，能够对环境因素进行实时精确采集，并通过通信技术进行传输显示。
国外的孵化器设计技术发展远早于国内，主要经历以下三个阶段：一是，发展初期，这一时期是孵化器还处于发展的初级阶段；二是，多元成熟期，这个时期孵化器逐渐走向成熟且向多元化方向发展；三是发展全球化期；当前，国内孵化器处于第三个时期，技术方面主要体现在以下两种方面，一方面是引进的国外的技术，另一方面是对国外产品的仿制，虽然存在着一些自主的设计的产品，但是依然有很大的提高空间，有较多有待完善地方[12]。
国外的孵化器产业发展的较早，技术比较完善，更趋向于智能化，操作简单方便，各个部件考虑完善。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长约350家。部分公司的产品已经实现网络化和无线通信化[5] 。
检测是控制的基础，也只有检测到了准确的数据才能够实现控制算法的最大效用，否则将是徒劳。然而，对于精确数据的采集，目前，国内外都出现多种解决方案，主要分为两个方面：一是硬件解决方案，即采用高精度误差小的传感器，二是软件解决方案，即采用一些补偿及衰减误差的算法，对采集到的不精确的数据进行一定的算法处理，从而得到一个相对精确的值，国外在这方面发展的比较成熟。
此外，国内外大多数孵化器仅仅集中于对孵化环境中的温度或者温湿度进行采集控制的，然而家禽孵化系统是一个复杂的动态系统，可检测的环境参数多，温度当然是最核心的因素，但是很少有对孵化器气体环境参数进行检测控制的，在气体检测方面的研究还是存在一定欠缺的。国外在孵化器网络化通信方面做得相对领先些，国内大多数孵化器还是存于分立的状态。网络化的孵化器可以通过局域网，将多个孵化器进行组网，实现一对多的监控，将多个孵化器的参数及状态通过网络通信传输到PC端，达到一台PC机对多个孵化器进行监控的效果。这将会成为国内首要发展的目标。
1.3 课题研究的启发
孵化环境中可检测的参数较多，通过查阅资料及调查研究，发现对孵化率影响较大的环境参数主要以下三个：温度，湿度以及氧气浓度，因而，本课题将主要对温度，湿度以及氧气浓度进行检测与控制，相应地，也将会采用以上三个环境参数检测的传感器。
采用高精度的传感器，虽然可以解决采集数据准确度的问题，但是高精度误差小的传感器价格往往比较昂贵，通过查阅资料发现，还有一种较为经济较为灵活的解决方案，即通过软件算法来对采集的数据进行补偿以到衰减误差的效果，如卡尔曼滤波，滑动取平均等算法。课题目的在于研究出一个经济的孵化器解决方案，软件滤波将是一个很好的选择，本课题将采用软件滤波的方案，而选择价格相对便宜的传感器。
工作电压、功耗，封装。
抗干扰性能，保密性。
图3-8显示屏接口电路
对于非专业人员，无法了解系统程序的运行状态，必须以一种现实存在的信号来展示系统的运行情况。最基本的是借用LED的亮灭及闪烁情况来表示某种讯息。再高级点的是由LED构成的数码管，可以显示阿拉伯数字，由于其显示限制，一般运用于显示相对简单的场合。本系统需要显示时间，温度，湿度及氧气浓度等讯息，单单靠数码管难以满足要求，因而需要一个显示更为全面的显示器。常见的显示器分为以下三种：
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