禽蛋孵化溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方婷　葉明　周平

摘要針對(duì)小型禽蛋孵化加工廠出現(xiàn)的溫濕度控制不精確、孵化設(shè)備成本高等問(wèn)題，系統(tǒng)采用加熱器以及半導(dǎo)體制冷器作為恒溫恒濕的加熱與制冷執(zhí)行元件。DS18B20溫度傳感器反饋溫度信號(hào)，HR202L濕敏電阻反饋濕度信號(hào)，并且以STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心控制單元，通過(guò)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)封閉環(huán)境內(nèi)的溫濕度，同時(shí)將數(shù)據(jù)反饋在TFT彩屏上形成曲線圖。采用超聲波霧化器和外接帶有軸流抽風(fēng)機(jī)、干燥劑（活性炭）的盒體以及導(dǎo)管裝置進(jìn)行加濕和干燥。

關(guān)鍵詞禽蛋孵化；單片機(jī)；溫度檢測(cè)；濕度檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)S817.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）33-0223-04

Design of Temperature and Humidity Control System for Poultry Eggs Hatching

FANG Ting，YE Ming，ZHOU Ping*

（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei，Anhui 230036）

AbstractIn view of the inaccuracy of temperature and humidity control and the high cost of hatching equipment in smallsize eggs hatching factories，a heater and a semiconductor cooler were used as a heating and refrigerating implement element with constant temperature and humidity.DS18B20 temperature sensor feedback temperature signal， HR202L humidity sensitive resistor feedback humidity signal，and STM32F103ZET6 microcontroller was used as the core control unit. The temperature and humidity in the enclosed environment were monitored realtime by temperature and humidity sensors.At the same time， data were feedback to form curve figure on color screen in the TFT form. Humidifying and drying were carried out with an ultrasonic atomizer and an external axial fan， a desiccant （activated carbon） cartridge， and a catheter device.

Key wordsEgg hatching；Microcontroller；Temperature detection；Humidity detection

隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的興起，養(yǎng)禽業(yè)得到迅速發(fā)展，禽蛋孵化逐漸成為新的熱點(diǎn)。我國(guó)一些小型孵化器系統(tǒng)控制仍靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理，嚴(yán)重影響了孵化率和雛禽質(zhì)量。在這種情況下，就需要采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，科學(xué)、合理地調(diào)整孵化環(huán)境的控制因素，采用微控制器進(jìn)行孵化器內(nèi)部環(huán)境調(diào)控，從而給禽蛋的孵化過(guò)程建立一個(gè)良好的環(huán)境，達(dá)到既提高雛禽質(zhì)量、產(chǎn)量，又降低禽蛋的孵化成本的目的，這對(duì)于孵化系統(tǒng)施行自動(dòng)控制很有必要[1]。在禽蛋孵化過(guò)程中，溫度、濕度和氧氣濃度是決定孵化成功與否的關(guān)鍵因素，而孵化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是溫度和濕度調(diào)控[2]。

近年來(lái)，溫濕度測(cè)量與控制系統(tǒng)研究發(fā)展迅速。國(guó)際上先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、PLC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、傳感器技術(shù)以及數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展都為溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)提供了條件，使溫濕度檢測(cè)的功能集成化大幅度提高[1]。

我國(guó)禽蛋孵化主要為人工孵化，傳統(tǒng)的孵化箱溫度控制方式如下：通過(guò)讀取孵化室內(nèi)懸掛溫度計(jì)的溫度值獲得孵化室的現(xiàn)有溫度，然后將其與額定溫度進(jìn)行對(duì)比，判斷溫度過(guò)高或過(guò)低，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)孵化室進(jìn)行升溫處理。自動(dòng)孵化主要基于單片機(jī)控制的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)、基于PLC的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)、集散型溫濕度測(cè)量系統(tǒng)、基于FPGA控制的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)、基于DSP控制的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)[3]。針對(duì)小型禽蛋孵化加工廠要提高出雛率和健雛率但經(jīng)濟(jì)條件有限的情況，現(xiàn)有的孵化方式主要存在以下不足之處[4-14]：

①傳統(tǒng)禽蛋孵化方式控制精度有限。

傳統(tǒng)禽蛋孵化方式主要依靠人工監(jiān)測(cè)判斷，其中大部分是依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，因此該方式的缺點(diǎn)是控制不夠精確，可靠性不足，嚴(yán)重影響了孵化率和雛禽質(zhì)量，限制了孵化加工廠的發(fā)展。

②現(xiàn)有的孵化器設(shè)備成本高。

市場(chǎng)上出售的孵化器價(jià)格一般從幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)元不等，對(duì)于小型禽蛋孵化加工廠而言?xún)r(jià)格過(guò)高，造成其生產(chǎn)成本偏高，效益低，不利于工廠發(fā)展。

由于單片機(jī)具有體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、成本低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，已成為測(cè)控領(lǐng)域中必不可少且應(yīng)用廣泛的器件。為了有效提高禽蛋孵化中溫濕度控制精確度，有效降低孵化設(shè)備成本，筆者設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的禽蛋孵化溫濕度控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1部分系統(tǒng)方案的選擇

1.1.1傳感器系統(tǒng)。

傳感器系統(tǒng)主要分為溫度和濕度2個(gè)模塊，溫度傳感器應(yīng)用較多的是鉑電組和熱電偶。濕度的測(cè)量方法有2種：干濕球溫度計(jì)法和固態(tài)電子式傳感器直接測(cè)量法。由于干濕球法測(cè)量精度不高，目前恒溫恒濕箱正逐步以固態(tài)傳感器代替干濕球來(lái)進(jìn)行濕度的測(cè)量。

Ds18B20溫度傳感器具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、耐磨耐碰等優(yōu)點(diǎn)；HR202L濕敏電阻是采用有機(jī)高分子材料的一種新型濕度敏感元件，具有感濕范圍寬、響應(yīng)迅速、抗污染能力強(qiáng)、長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，將Ds18B20、HR202L構(gòu)成傳感器系統(tǒng)的方案最為理想。

1.1.2加熱系統(tǒng)。

①方案一：半導(dǎo)體加熱制冷片實(shí)現(xiàn)升溫。

半導(dǎo)體加熱制冷片主要是珀?duì)柼?yīng)的應(yīng)用，具有加熱制冷雙向工作、制熱效率高等特點(diǎn)。半導(dǎo)體升溫通過(guò)反接半導(dǎo)體制冷片的正負(fù)極來(lái)達(dá)到加熱功能。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其制熱效果緩慢。

②方案二：采用加熱器升溫法。

加熱器的制作材料為立體式電阻絲，當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)，消耗電能，產(chǎn)生了熱量，在實(shí)際應(yīng)用中采用中空式電阻排列和立體式設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)采用這種升溫方式效果很好，且在短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到快速升溫的目的。

由于在實(shí)際應(yīng)用中采用加熱器升溫法效果理想，滿足實(shí)際需求，因此采用第2種方案實(shí)現(xiàn)溫度控制。

1.1.3控制器選擇方案。

①方案一：AT89S52。

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，但其反應(yīng)速度慢，晶振的頻率太低，不能滿足其使用要求，由于該系統(tǒng)需要一種高精度、反應(yīng)靈敏的控制器，因而不符合試驗(yàn)條件。

②方案二：STM32F103ZET6。

使用STM32F103ZET6作為處理芯片，完成對(duì)電路的監(jiān)控測(cè)試和控制功能。通過(guò)STM32F103ZET6對(duì)溫濕度進(jìn)行處理與控制，保持溫濕度上升或者下降到某固定值，以實(shí)現(xiàn)溫濕度的恒定，并且攜帶2.8寸TFT彩屏，使得曲線表達(dá)更為精準(zhǔn)、清晰。

由于STM32F103ZET6具有多功能、寬范圍及高精度等特點(diǎn)，因此選用STMF103更為理想。

1.2對(duì)流系統(tǒng)

采用軸流流風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣對(duì)流以及循環(huán)作用。將2個(gè)軸流流風(fēng)機(jī)設(shè)置成對(duì)角形式，進(jìn)行空氣流動(dòng)導(dǎo)向，達(dá)到理想運(yùn)作模式。

1.3恒溫單元實(shí)現(xiàn)

該溫控系統(tǒng)是采用閉環(huán)控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將STM32F103ZET6微處理器作為控制器，受控對(duì)象為加熱器和半導(dǎo)體制冷器，并將其作為禽蛋孵化器的加熱與制冷執(zhí)行元件，反饋通路由Ds18B20溫度檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。

熱敏電阻將孵化器內(nèi)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換送入微處理器將檢測(cè)溫度值顯示在TFT彩屏上，同時(shí)將鍵盤(pán)預(yù)設(shè)值和檢測(cè)到的溫度值顯示于TFT中形成曲線圖進(jìn)行比較，通過(guò)繼電器的控制作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)孵化器密閉空間的溫度調(diào)節(jié)，并輔以外圍包有隔熱層，以達(dá)到恒溫的目的。恒溫實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.4加濕與降濕單元實(shí)現(xiàn)

1.4.1加濕系統(tǒng)。

加濕系統(tǒng)通過(guò)超聲波霧化器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路超聲波振蕩，傳輸?shù)綁弘娞沾烧褡颖砻?，壓電陶瓷振子?huì)產(chǎn)生軸向機(jī)械共振變化，再傳輸?shù)脚c其接觸的液體，使液體表面隆起，并在隆起的周?chē)l(fā)生空化作用，由這種空化作用產(chǎn)生的沖擊波將以振子的振動(dòng)頻率不斷反復(fù)，使液體表面產(chǎn)生有限振幅的表面張力波，通過(guò)張力波的飛散作用使液體霧化將空氣潤(rùn)濕。

1.4.2降濕系統(tǒng)。

將各種干燥劑通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，最終確定最佳降濕方案，確定以活性炭為首的干燥劑，通過(guò)孵化裝置外接帶有軸流流風(fēng)機(jī)和活性炭的盒體以及導(dǎo)管裝置，加上軸流流風(fēng)機(jī)的引向作用，將封閉空間內(nèi)的空氣引入干燥劑裝置內(nèi)進(jìn)行降濕，再返回到孵化系統(tǒng)內(nèi)，直至滿足條件要求。恒濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1電壓跟隨器

電壓跟隨電路的作用是避免熱敏電阻和微處理器的相互影響，提高數(shù)據(jù)采集速度與精確度。電壓跟隨電路如圖3所示。

2.2程控電路

以STM32F103VE 芯片的FSMC接口連接RGB接口數(shù)字屏，并利用DMA 從片外FLASH 讀取顯示數(shù)據(jù)。DMA即直接內(nèi)存存取，CPU只需配置DMA相關(guān)的寄存器后，DMA 控制器就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址傳送到另一個(gè)地址，不占用CPU 時(shí)間。程控電路圖如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

主程序流程圖如圖5所示。主程序主要通過(guò)延時(shí)函數(shù)、復(fù)位函數(shù)、位讀寫(xiě)函數(shù)、字讀寫(xiě)函數(shù)、DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)、Ds18B20和HR202L的控制函數(shù)以及控制算法部分，從而實(shí)現(xiàn)溫濕控系統(tǒng)的基本功能。通過(guò)人工按鍵的方式實(shí)現(xiàn)手動(dòng)設(shè)置預(yù)設(shè)值，再通過(guò)程序控制，使得實(shí)際值滿足要求。系統(tǒng)升溫程序和系統(tǒng)發(fā)揮部分程序分別見(jiàn)圖6和圖7。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1儀器與設(shè)備

數(shù)字溫濕度計(jì)，型號(hào)HT6290，溫度范圍為-10～60 ℃，濕度10%～95%；

高精度溫度計(jì)，型號(hào)TM917HA，溫度范圍為-100～1 370 ℃；

開(kāi)關(guān)電源，型號(hào)LRS-200-12，額定功率204 W。

4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.1溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

依據(jù)設(shè)計(jì)的禽蛋孵化溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度精確控制檢測(cè)，在試驗(yàn)孵化箱內(nèi)放置8個(gè)Ds18B20溫度傳感器，通過(guò)設(shè)置采集數(shù)據(jù)頻率，達(dá)到每10 s更新1次數(shù)據(jù)，并最后顯示在TFT彩屏。系統(tǒng)檢測(cè)的孵化箱溫度值見(jiàn)表1。

為了更加精確地驗(yàn)證該試驗(yàn)的可靠性，采用TM917HA高精度溫度計(jì)進(jìn)行另一組試驗(yàn)，每10 s進(jìn)行1次記錄。人工檢測(cè)的溫度值見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)表1與表2數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的溫度控制精度在0.1 ℃以?xún)?nèi)，控制精度完全達(dá)到孵化箱的要求，因此該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.2濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)于該系統(tǒng)的濕度檢測(cè)，采用4個(gè)HR202L濕度傳感器放置于孵化箱內(nèi)部不同位置，每20 s采集1次數(shù)據(jù)。系統(tǒng)檢測(cè)的濕度值見(jiàn)表3。

利用HT6290數(shù)字溫濕度計(jì)進(jìn)行另一組試驗(yàn)，測(cè)定數(shù)據(jù)如表4所示。

通過(guò)對(duì)表3和表4數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)偏差較小，由于禽蛋孵化對(duì)濕度精度要求不高，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案符合要求。

5結(jié)論

筆者對(duì)一種禽蛋孵化溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)方案的選擇（包括溫濕度傳感器、控制器和加熱加濕方案的選擇）以及軟硬件的配合，設(shè)計(jì)了一種理論可行的系統(tǒng)方案，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)精確性較高，能滿足設(shè)計(jì)要求，總體設(shè)計(jì)合理。該研究為小型禽蛋孵化加工廠提供了一種切實(shí)可靠的方案。

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