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類型分類：: 科普知識

數據分類：: PTC機柜加熱器

封閉式蛋雞舍環境控制系統的設計

發布日期：2022-04-27 點擊率：104

摘要：針對全封閉的蛋雞舍結構特點和室內環境因子不同于外界環境等問題，設計開發了全封閉蛋雞舍環境調控系統。該系統以單片機LPC21 32為微控器，由上位機和智能監控點構成監控硬件系統，其執行機構由濕簾風機、噴霧等設施組成。該系統根據智能監控點傳來的傳感器所采集信息數據，通過一定算法分析決策，能夠實現雞舍內的溫度、濕度、光照度、二氧化碳、氨氣和硫化氫按照設定值自動調控。夏季試驗結果表明：在封閉式蛋雞舍試用的環境調控系統，對蛋雞舍環境因子中的溫度和濕度進行了調控試驗，試驗期間的蛋雞的產蛋率比對照組高出約15％，說明設計的蛋雞舍環境控制系統具有推廣價值。

關鍵詞：蛋雞舍；單片機；環境控制
中圖分類號：S831．4 9 文獻標識碼：A 文章編號：1003—188X(2009)09—0143—04

0 引言

蛋雞舍在結構上是一個全封閉的系統，雞舍內部環境受設計結構的制約和影響，形成了不同于外界環境的所謂“雞舍小氣候”，主要包括室內的溫度、濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等要素[1-4]。雞舍結構的全封閉性又決定了雞舍與外界的物質與能量交換，進而會引起雞舍小氣候環境的變化，這種變化在一定程度上又會影響蛋雞的生長及其產蛋率[5-6]。由此，本文設計的雞舍環境監控系統主要功能是實現雞舍內溫度、濕度、光照度和有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度等環境因子的智能監測和控制。

1 系統構建

本監控系統采用上位機周期性地向各個監測點發送監測命令，并接收各個監測點送來的數據，對所采集數據進行處理、顯示和保存，且對專門控制濕簾風機(包括噴霧)單元發送執行指令，從而實現對執行機構的控制，如圖1所示。

1．1 上位機

本設計上位機為PC機。上位機主要功能是：一是通過Rs一485串行通訊，向下位機發送數據采集命令，并可接收下位機傳送的傳感器所采集的數據；二是在上位機界面，設定下位機的地址分站號、時間、報警上下閾值和控制參數；三是對采集數據進行顯示和數據庫保存，并能發出執行機構所需指令；四是對歷史數據進行查看，并可進行歷史曲線顯示、分析和打印等。

1．2 智能監控點

4個智能監測點和1個控制點即下位機，采用PHILIPS公司的ARM系列型號為LPC2132單片機，作為微控制器，采用8路開關量輸出和環境因子數據輸入。其中，環境因子數據包括溫度、濕度、光強、二氧化碳、氨氣和硫化氫等6個量。智能監控點的原理框圖，如圖2所示。

雞舍溫濕度控制是本課題的一個重要研究對象，雞舍溫濕度具有如下特點：非線性、分布不均勻性、時變性、控制時延性、多變量禍合性等。同時，執行機構(如濕簾風機)的動作也不僅僅影響某一個因子，如對有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度也有影響，因而對其實現精確控制具有一定難度，需要系統多方面的協調配合。因此，對該系統采取了全閉環控制的策略，即當室內溫濕度升高時，傳感器將采樣到的值傳至控制單元，控制單元通過與用戶設定值比較，當偏差絕對值大于用戶設定的偏置值時，發出指令使執行機構動作，其控制過程如圖3所示。該閉環控制同樣適用于對光照度和有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度等環境因子的調控。

智能監控點實現的主要功能如下：一是可以將采集來的數據在顯示器上進行顯示；二是可通過不同類型的傳感器采集溫度、濕度、光強、二氧化碳、氨氣和硫化氫等數據，并能進行對溫度、濕度、光強、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環境因子的控制，其中溫度、濕度可先通過模糊控制算法進行控制；三是可以通過鍵盤設置參數，如聲光報警，能接收上位機命令，實現參數設置和輸出控制；四是可以通過串行通信接口接收上位機發送的命令，并把采集到的數據和控制信息傳輸至上位機，實現和上位機的通訊；五是實時時鐘控制，可提供系統數據采集時間顯示和按時間存儲數據；六是可通過按鍵方式來進行手動／自動控制方式的切換；七是可以實時切換到對某一個或某幾個監測量的調控。

2 系統硬件的選擇及其典型電路設計

根據封閉式蛋雞舍環境特征，選擇不同測量功能的傳感器，應具有長期的穩定性，能使系統真正做到快速反應，調控環境效果高效，且數據采集范圍應符合蛋雞活動的環境因子要求。為此，在進行系統硬件設計時，分別選擇了數字溫度傳感器DS18B20，HU－MIREL公司的高分子電容式濕度傳感器HS1101，美國TAGS公司推出的光強度數字轉換芯片TSL2561。

有害氣體濃度的監測傳感器分別為：co2濃度傳感器選用美國FIGARO公司生產的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號為MIC—NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號為(H2S傳感器)M-100。

2．1 溫度測量電路的設計

DS18B20有兩種供電方式：寄生電源和單獨供電。本課題為確保測量結果的精確度，采用單獨供電方式。圖4為蛋雞舍溫度測量電路，單總線P0.15連接單片機LPC2132引腳PO.15／EINT2，其上拉電阻為4.7k歐，當總線閑置時，其工作狀態為高電平。

2．2 濕度測量電路的設計

蛋雞舍濕度傳感器HS1 101作為可變電容與單片機LPC2132管腳P0．17相連。控制電壓端之所以用電阻R1=909k歐，而不用O.1μF電容，是為了匹配濕度傳感器HS1101的溫度系數而引進的一個溫度系數。R3=1k歐是短路保護電阻，為了使占空比盡量接近50％，R4要選得比R2小得多，但應保證電路的輸出頻率在6660Hz附近，此處選R4=49.4kQ，R2=576k歐，具體如圖5所示。

2．3 光強測量電路的設計

蛋雞舍光強傳感器TSL2561，通過I2C總線協議訪問，單片機LPC2132內部帶有I2C總線控制器，將該總線的時鐘線和數據線直接與TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連，INT引腳與單片機LPC2132的外部中斷引腳EINT3相連。光強測量電路如圖6所示。

2．4 二氧化碳測量電路的設計

為了使蛋雞舍二氧化碳傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，但是加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩定性，因此加熱電壓必須穩定，其范圍應在(5．0±0．2)VDC之內，此處管腳1接5．0V電壓。CO：測量電路，如圖7所示。TGS4160型CO2傳感器的輸出電壓為(0-3.0)V，所以可以采用3.3V參考電壓，并可與單片機LPC2132的A／D轉換引腳P0.27直接相連。

3 蛋雞舍環境監控系統的軟件設計

3．1 典型雞舍溫濕度測控主程序設計

當蛋雞舍內溫度≥目標溫度+溫度偏置(溫度設定上限)時，啟動濕簾外翻窗，在濕簾外翻窗打開至終點時，外翻窗電機終點限位開關閉合，閉合信號傳回控制器后，控制器撤銷“濕簾外翻窗開”信號，同時驅動風扇和濕簾運行。當雞舍內溫度≤ 目標溫度+溫度偏置(溫度設定下限)，關閉風扇和濕簾進入系統定時，定時時間到時，一次控制流程結束，其程序控制流程如圖8所示。

當蛋雞舍內濕度≤目標濕度+濕度偏置(濕度設定下限)時，啟動噴霧裝置進行清水噴霧，從而使雞舍的濕度有所回升；當雞舍的濕度≥目標濕度+濕度偏置(濕度設定上限)時，關閉噴霧裝置，進入系統定時，定時時間到時，雞舍內濕度一次控制流程結束。

3．2 蛋雞舍溫度采集程序設計

雞舍溫度控制系統采用美國DALLAS公司生產的可編程序數字式DS18B20的溫度傳感器，它直接輸出數字信號，并且不需要進行信號放大，采用單總線結構，無需外接其它元器件。DS1 8B20單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時間概念，而單片機LPC2132對其各種操作必須嚴格按協議進行，否則將無法讀取溫度數據。蛋雞舍溫度采集程序流程圖，如圖9所示。

4 蛋雞舍環境控制系統的試驗

設計的蛋雞舍環境控制系統分別進行了溫度和濕度測控試驗，試驗時間為2008年7月29日-8月2日，試驗地點在江蘇啟東市北新鎮。為了比對溫濕度的測量值精度，在雞舍空間不同部位布設干濕球溫度計，試驗選取雞舍內距門9，37，79，107m等4個位置斷面，對高度方向溫度分布狀態進行了分析，如圖10所示。從高度方向看，雞籠前后兩端高度方向溫差并不大，這是由于雞籠兩端分別更靠近進風口和排風口，受滲漏熱風和出舍熱風影響較大的緣故。中間部分籠架由于受滲漏熱風和出舍熱風影響小，從籠底到籠頂總體呈現出逐漸增高的態勢，這與熱空氣密度小、分布位置相對較高等因素有關。與沒有采用環境調控系統蛋雞舍相對照，采用環境調控系統的雞舍蛋雞產蛋率要高出15．3％，這說明所設計的封閉式蛋雞舍環境監測與調控系統，在家禽養殖業極具重要推廣意義。