禽蛋孵化温湿度控制系统的设计

2017-05-30方婷叶明周平

安徽农业科学 2017年33期

方婷　叶明　周平

摘要针对小型禽蛋孵化加工厂出现的温湿度控制不精确、孵化设备成本高等问题，系统采用加热器以及半导体制冷器作为恒温恒湿的加热与制冷执行元件。DS18B20温度传感器反馈温度信号，HR202L湿敏电阻反馈湿度信号，并且以STM32F103ZET6单片机作为核心控制单元，通过温湿度传感器实时监测封闭环境内的温湿度，同时将数据反馈在TFT彩屏上形成曲线图。采用超声波雾化器和外接带有轴流抽风机、干燥剂（活性炭）的盒体以及导管装置进行加湿和干燥。

关键词禽蛋孵化；单片机；温度检测；湿度检测

中图分类号S817.6文献标识码A文章编号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

隨着我国养殖业的兴起，养禽业得到迅速发展，禽蛋孵化逐渐成为新的热点。我国一些小型孵化器系统控制仍靠人工经验来管理，严重影响了孵化率和雏禽质量。在这种情况下，就需要采用先进的自动控制技术，科学、合理地调整孵化环境的控制因素，采用微控制器进行孵化器内部环境调控，从而给禽蛋的孵化过程建立一个良好的环境，达到既提高雏禽质量、产量，又降低禽蛋的孵化成本的目的，这对于孵化系统施行自动控制很有必要[1]。在禽蛋孵化过程中，温度、湿度和氧气浓度是决定孵化成功与否的关键因素，而孵化系统的关键技术是温度和湿度调控[2]。

近年来，温湿度测量与控制系统研究发展迅速。国际上先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研制和开发提供了条件，使温湿度检测的功能集成化大幅度提高[1]。

我国禽蛋孵化主要为人工孵化，传统的孵化箱温度控制方式如下：通过读取孵化室内悬挂温度计的温度值获得孵化室的现有温度，然后将其与额定温度进行对比，判断温度过高或过低，并根据判断结果对孵化室进行升温处理。自动孵化主要基于单片机控制的温湿度测量系统、基于PLC的温湿度测量系统、集散型温湿度测量系统、基于FPGA控制的温湿度测量系统、基于DSP控制的温湿度测量系统[3]。针对小型禽蛋孵化加工厂要提高出雏率和健雏率但经济条件有限的情况，现有的孵化方式主要存在以下不足之处[4-14]：

①传统禽蛋孵化方式控制精度有限。

传统禽蛋孵化方式主要依靠人工监测判断，其中大部分是依赖经验，因此该方式的缺点是控制不够精确，可靠性不足，严重影响了孵化率和雏禽质量，限制了孵化加工厂的发展。

②现有的孵化器设备成本高。

市场上出售的孵化器价格一般从几万到十几万元不等，对于小型禽蛋孵化加工厂而言价格过高，造成其生产成本偏高，效益低，不利于工厂发展。

由于单片机具有体积小、可靠性高、功能强、成本低和开发周期短等优点，已成为测控领域中必不可少且应用广泛的器件。为了有效提高禽蛋孵化中温湿度控制精确度，有效降低孵化设备成本，笔者设计了一种基于单片机控制的禽蛋孵化温湿度控制系统。

1系统设计

1.1部分系统方案的选择

1.1.1传感器系统。

传感器系统主要分为温度和湿度2个模块，温度传感器应用较多的是铂电组和热电偶。湿度的测量方法有2种：干湿球温度计法和固态电子式传感器直接测量法。由于干湿球法测量精度不高，目前恒温恒湿箱正逐步以固态传感器代替干湿球来进行湿度的测量。

Ds18B20温度传感器具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高、耐磨耐碰等优点；HR202L湿敏电阻是采用有机高分子材料的一种新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽、响应迅速、抗污染能力强、长期使用性能稳定可靠等优点。因此，将Ds18B20、HR202L构成传感器系统的方案最为理想。

1.1.2加热系统。

①方案一：半导体加热制冷片实现升温。

半导体加热制冷片主要是珀尔帖效应的应用，具有加热制冷双向工作、制热效率高等特点。半导体升温通过反接半导体制冷片的正负极来达到加热功能。但在实际应用中发现其制热效果缓慢。

②方案二：采用加热器升温法。

加热器的制作材料为立体式电阻丝，当电流通过电阻时，消耗电能，产生了热量，在实际应用中采用中空式电阻排列和立体式设计，发现采用这种升温方式效果很好，且在短时间内可达到快速升温的目的。

由于在实际应用中采用加热器升温法效果理想，满足实际需求，因此采用第2种方案实现温度控制。

1.1.3控制器选择方案。

①方案一：AT89S52。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，但其反应速度慢，晶振的频率太低，不能满足其使用要求，由于該系统需要一种高精度、反应灵敏的控制器，因而不符合试验条件。

②方案二：STM32F103ZET6。

使用STM32F103ZET6作为处理芯片，完成对电路的监控测试和控制功能。通过STM32F103ZET6对温湿度进行处理与控制，保持温湿度上升或者下降到某固定值，以实现温湿度的恒定，并且携带2.8寸TFT彩屏，使得曲线表达更为精准、清晰。

由于STM32F103ZET6具有多功能、宽范围及高精度等特点，因此选用STMF103更为理想。

1.2对流系统

采用轴流流风机进行空气对流以及循环作用。将2个轴流流风机设置成对角形式，进行空气流动导向，达到理想运作模式。

1.3恒温单元实现

该温控系统是采用闭环控制理论进行设计的，将STM32F103ZET6微处理器作为控制器，受控对象为加热器和半导体制冷器，并将其作为禽蛋孵化器的加热与制冷执行元件，反馈通路由Ds18B20温度检测电路和转换模块构成。

热敏电阻将孵化器内的温度信号转变为电压信号，经过转换送入微处理器将检测温度值显示在TFT彩屏上，同时将键盘预设值和检测到的温度值显示于TFT中形成曲线图进行比较，通过继电器的控制作用来实现对孵化器密闭空间的温度调节，并辅以外围包有隔热层，以达到恒温的目的。恒温实现结构图如图1所示。

1.4加湿与降湿单元实现

1.4.1加湿系统。

加湿系统通过超声波雾化器来实现。电路超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化，再传输到与其接触的液体，使液体表面隆起，并在隆起的周围发生空化作用，由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波，通过张力波的飞散作用使液体雾化将空气润湿。

1.4.2降湿系统。

将各种干燥剂通过多次试验进行对比，最终确定最佳降湿方案，确定以活性炭为首的干燥剂，通过孵化装置外接带有轴流流风机和活性炭的盒体以及导管装置，加上轴流流风机的引向作用，将封闭空间内的空气引入干燥剂装置内进行降湿，再返回到孵化系统内，直至满足条件要求。恒湿系统结构图如图2所示。

2系统硬件电路的设计

2.1电压跟随器

电压跟随电路的作用是避免热敏电阻和微处理器的相互影响，提高数据采集速度与精确度。电压跟随电路如图3所示。

2.2程控电路

以STM32F103VE 芯片的FSMC接口连接RGB接口数字屏，并利用DMA 从片外FLASH 读取显示数据。DMA即直接内存存取，CPU只需配置DMA相关的寄存器后，DMA 控制器就会自动将数据从一个地址传送到另一个地址，不占用CPU 时间。程控电路图如图4所示。

3系统软件的实现

主程序流程图如图5所示。主程序主要通过延时函数、复位函数、位读写函数、字读写函数、DAC转换函数、Ds18B20和HR202L的控制函数以及控制算法部分，从而实现温湿控系统的基本功能。通过人工按键的方式实现手动设置预设值，再通过程序控制，使得实际值满足要求。系统升温程序和系统发挥部分程序分别见图6和图7。

4系统测试

4.1仪器与设备

数字温湿度计，型号HT6290，温度范围为-10～60 ℃，湿度10%～95%；

高精度温度计，型号TM917HA，温度范围为-100～1 370 ℃；

开关电源，型号LRS-200-12，额定功率204 W。

4.2试验数据

4.2.1温度试验数据。

依据设计的禽蛋孵化温湿度控制系统进行温度精确控制检测，在试验孵化箱内放置8个Ds18B20温度传感器，通过设置采集数据频率，达到每10 s更新1次数据，并最后显示在TFT彩屏。系统检测的孵化箱温度值见表1。

为了更加精确地验证该试验的可靠性，采用TM917HA高精度温度计进行另一组试验，每10 s进行1次记录。人工检测的温度值见表2。

通过对表1与表2数据的对比发现，该系统的温度控制精度在0.1 ℃以内，控制精度完全达到孵化箱的要求，因此该系统符合设计要求。

4.2.2湿度试验数据。

对于该系统的湿度检测，采用4个HR202L湿度传感器放置于孵化箱内部不同位置，每20 s采集1次数据。系统检测的湿度值见表3。