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青岛科技大学研究生学位论文 智能化禽舍环境控制器的设计 摘要 家禽养殖过程中，禽舍的环境控制对于禽类的健康生长、最大程度地发挥其 生长性能有着重要意义，禽舍环境控制的好坏已成为影响家禽养殖发展的重要因 素。养殖产业化作为我国畜牧业发展的一个方向和趋势，也必然对养殖业本身特 别是养殖环境方面提出了更高的要求。 本课题在分析影响禽舍环境的主要因素的基础上，针对国内外养殖业的发展 现状及我国养殖业发展所存在的问题，设计了基于传感器技术、计算机技术、数 据处理技术、养殖技术的智能化禽舍环境控制系统。本论文给出了系统的总体结 构、硬件设计和软件设计，并对主要组成部分的功能及具体实现做了阐述。 该系统以a v r 单片机为核心，对禽舍内的温度、湿度、负压等参数进行监 测，然后传送给单片机进行处理，单片机根据相应的控制规则驱动执行机构运行， 实现对禽舍环境的控制。本课题主要完成了系统的总体方案设计、元器件的选型、 电路设计、驱动程序的编写和控制算法的设计，最后进行联合调试，并分别在实 验室和现场进行了测试。 经运行表明：该控制器性能稳定、功能完善、界面友好、操作方便，能有效 的解决密闭式禽舍的环境问题，改善禽舍局部小气候，提高饲料利用率，降低养 殖成本，对实现家禽的健康生长有着重要的现实意义，具有很好的推广价值。 关键词：禽舍环境控制单片机传感器 智能化禽舍环境控制器的设计 青岛科技大学研究生学位论文 t h ed e s i g n0 fi n t e l l i g e n tp o u l 月r yh o u s e e n v i r o n m e n tc o n t r o l l e r a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o lo fp o u l t r yh o u s eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rk e e p i n g a n i m a l sh e a l t ha n dm a x i m i z i n gi t sg r o w t h p e r f o r m a n c ei np o u l t r yp r o d u c t i o ni n p o u l t r yb r e e d i n gp r o c e s s ，t h es t a n do rf a l lo fb i r d h o u s ee n v i r o n m e n th a sb e c o m ea m a j o rf a c t o ri nt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o u l t r yb r e e d i n g t h ea q u a c u l t u r ei n d u s t r yi s t h ed i r e c t i o na n dt r e n do fc h i n a sl i v e s t o c kd e v e l o p m e n t ，i ti sb o u n dt ot h ea q u a c u l t u r e i n d u s t r yi t s e l fp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h eb r e e d i n ge n v i r o n m e n t t h i si s s u ei so nt h e b a s i so fa n a l y s i so ft h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep o u l t r y h o u s ee n v i r o n m e n ta n db a s e do nt h ep r o b l e m sf o rt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a q u a c u l t u r ed e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to fa q u a c u l t u r ei nc h i n a , w e d e s i g nt h ei n t e l l i g e n tp o u l t r yh o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e m sb a s e do ns e n s o r t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a q u a c u l t u r et e c h n o l o g y t h i sp a p e rg i v e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n ，a n dt h em a i np a r to f t h ef u n c t i o na n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o na r ed e s c r i b e d i n d e t a i l t h ea v rm i c r o c o n t r o l l e ri st h ec o r eo ft h es y s t e mp a r a m e t e r s s u c ha s t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , n e g a t i v ep r e s s u r ei nt h ep o u l t r yh o u s e ，a n dt h e n t r a n s m i t t e dt o t h em i c r o c o n t r o l l e rf o r p r o c e s s i n g ，a c c o r d i n g t ot h e r u l e so fc o n t r o l ，t h e m i c r o c o n t r o l l e rd r i v e sd e v i c e st or u nt oc o n t r o lt h ep o u l t r yh o u s ee n v k o n m e n t t h em a i ns u b j e c to ft h ei s s u ei so v e r a l ls y s t e md e s i g n ，c o m p o n e n ts e l e c t i o n ， c i r c u i td e s i g n ，p r e p a r a t i o na n dc o n t r o la l g o r i t h md e s i g no ft h ed f i v e r t h ef m a lj o i n t c o m m i s s i o n i n g ，a n dw e r et e s t e di nal a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ta n d o n s i t e b vt 1 1 eo p e r a t i o ns h o w st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi ss t a b l e ，f u l l yf u n c t i o n a l ，f r i e n d l y i n t e r f a c e ，e a s yt oo p e r a t e ，i tc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fc l o s e dp o u l t r y h o u s e e n v i r o n m e n t ，i m p r o v et h eb i r d h o u s el o c a lc l i m a t e ，i m p r o v ef e e du t i l i z a t i o n ，r e d u c e i i i 智能化禽舍环境控制器的设计 f a r m i n gc o s t s ，i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h eh e a l t h yg r o w t ho ft h e p o u l t r y , a n dh a sg o o dp r o m o t i o n a lv a l u e k e y w o r d s ：p o u l t r yh o u s e e n v i r o n m e n t a lc o n t r o lm i c r o c o n t r o l l e rs e n s o r i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 研究的目的和意义 1 绪论 近年来，随着规模化养殖的快速发展，养殖业的集约化、工业化程度不断提 高，禽舍环境对家禽的健康和生产性能的影响越来越大。禽舍环境主要包括禽舍 内的温度、湿度、负压、空气质量、光照等，它们构成家禽生活的小气候环境， 影响着家禽的生长、发育、繁殖、生活和生产性能，尤其是现代养禽生产在全封 闭、高密度条件下环境问题变的更为突出，在家禽科学的研究工作者对家禽遗传 育种、饲料营养研究达到一定程度后，要想更大限度的提高家禽的生产性能，节 省养殖成本，增加养殖业的经济效益，就必须研究各种环境因素对家禽的影响， 找到家禽所适应的条件范围，为家禽生长创造理想的生活条件，使家禽的遗传潜 力得以充分发挥。 家禽养殖过程中，禽舍的环境控制对于禽类的健康生长、最大程度地发挥其 生长性能有着重要意义。禽舍环境控制的好坏已成为影响家禽养殖发展的重要因 素。养殖产业化作为我国畜牧业发展的一个方向和趋势，也必然对养殖业本身特 别是养殖环境方面提出了更高的要求【l 】。 随着养殖业的发展，科技的进步，越来越多的养殖企业开始利用环境控制器 控制禽舍内机械及电子设备的运转，将禽舍的环境管理变得自动化、智能化。因 此开发一种智能化的禽舍环境控制器对禽舍环境进行监测和管理，可以为家禽生 长创造一个理想环境，实现家禽的健康生长，从而最大限度地节省人工，降低养 殖成本，创造较高的经济效益。 近年来，我国的禽舍在采用封闭方式进行饲养的同时，也采用了一系列先进 的环境控制技术，如湿帘降温、纵向通风、光照控制等。为禽舍的环境控制提供 了物质支持。但从宏观的角度看，在整个禽舍的环境控制中，各个环境因素之间 缺乏必要的联系，无法联合控制，而且多数设备还需要手动或机电式操作，控制 精度低，可靠性差，自动化水平不高，难以适应现代化规模化养殖模式的要求， 也在一定程度上制约了我国养殖业的发展和壮大【2 j 。本课题开发一种智能化禽舍 环境控制器，检测禽舍内的温度、湿度、负压等环境参数，控制锅炉、风机、湿 帘、进风窗、灯光等设备运转，科学管理影响家禽生长的各种环境因素，提高养 殖业的自动化水平，优化改善禽舍内的局部小气候，为家禽提供一个舒适的环境， 从而提高家禽的免疫力，改善饲料的转化率，对于家禽的健康生长有着重要的现 实意义。 智能化禽舍环境控制器的设计 1 2 养殖环境对家禽健康的影响 家禽的生活环境会对家禽的生长、繁殖、发育和健康产生重大影响，而家禽 的生活环境复杂多样，无法进行有效控制，因此在养殖过程中，为方便人为干预 家禽的生活环境，封闭式禽舍已被广泛应用于规模化养殖。气候因素是影响家禽 生长发育的重要环境因素，它可通过不同途径、不同方式对家禽产生影响，其中 最主要的是影响机体的热调节。 影响家禽健康生长的气候因素主要包括温度、湿度、空气质量和光照。家禽 只有在最适宜的气候条件下，才能最大程度的发挥生产性能，提高饲料利用率， 保证家禽的健康生长，以下就主要气候因子对养鸡的生产影响作简单阐述。 1 2 1 温度 家禽的生长需要合适的环境温度，在合适的温度条件下，家禽的生长最快， 饲料利用率也较高，饲养成本较低，因此适宜的温度是家禽发挥正常生产性能的 保证。 鸡是恒温动物，通过生理调节机能使产热和散热保持动态平衡，温度的变化 会影响鸡的生理机能和生产性能。鸡与环境之间的热交换是通过内、外表面进行 的，大部分显热通过体表进行交换，而大部分潜热则通过内表面( 呼吸器官) 进 行交换。 鸡在适宜的环境中主要借助物理调节来保持正常的体温。当环境温度升高 时，为减少体内产热，鸡的活动量和饮食量减少，饮水增加，生长变缓。当环境 温度较低时，鸡体散热增加，为产生足够热量维持热平衡，鸡的采食量增加。 养鸡是一个生物转化的过程，即将饲料的化学能转化成鸡体内的能量，在净 能量中，生产能量和维持能量所占的比例是经常变化的，只有环境温度适宜时， 才能使生产能量增加，维持能量减少，提高饲料的利用率【3 5 j 。 过热和过冷的环境温度都会对家禽的生长产生不利的影响，影响饲料的转化 效率。温度过高会导致鸡只生长迟缓，死淘率上升，甚至大批鸡只因热应激而死 亡，温度过低则导致饲料利用率下降，料蛋比和料肉比增高。冬季低温或者舍内 温度波动过大，会使鸡只抵抗力下降，诱发鸡群呼吸道疾病或诱发其它的疾病， 甚至换羽停产。在生命早期，冷和热应激都会降低雏禽获得抗体的能力，降低血 清中初乳免疫球蛋白的水平。由此可见温度是导致家禽出现冷热应激，影响家禽 健康和生产性能发挥的首要环境因素。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 2 湿度 湿度是禽舍环境的重要指标之一，湿度的高低对家禽的健康有着重要的影 响，禽舍内的湿度主要来源于鸡体表和呼吸道蒸发产生的水汽，禽舍内水、尿、 粪的蒸发产生的水汽，进入禽舍的外界空气所含的水汽等。 在养殖过程中，鸡主要通过体表水分的蒸发进行散热，而空气的湿度又是影 响蒸发的重要因素。当空气比较潮湿时，鸡体表的水分蒸发困难，不利于散热， 当空气湿度小时，体表的水分就易于蒸发，利于鸡体散热【6 7 1 。 在冬季低温时，空气潮湿，可使鸡体更感冰凉，夏季高温时湿度过高，则鸡 会认为更热。鸡群最适湿度为6 5 - 7 5 ，低湿的环境下空气过分干燥，特别是 在高温的环境下，易使鸡只体内水分大量散失，使皮肤和外裸黏膜发生干裂，减 弱皮肤和外裸黏膜对微生物的防御能力，低湿还会导致家禽羽毛生长不良，易引 发啄癖。高湿低温的环境容易导致鸡只体内热量的散失，使机体的抵抗力下降， 而在高湿高温条件下，尤其在相对湿度8 0 以上时，往往会造成鸡热应激或中暑， 导致发病率增加，死亡率增加。 1 2 3 空气质量 禽舍内的空气质量控制对鸡群的疾病防治至关重要，尤其是在封闭式禽舍 内，由于受到家禽呼吸、排放、有机物分解等影响，有害物质的含量较其他形式 的禽舍要高，主要的有害物质包括氨气、硫化氢、空气尘埃等。 在养殖过程中，氨气对鸡的健康危害最大，尤其是在冬季，禽室内氨气的浓 度是比较难控制的，如果能有效的控制禽舍内的氨气浓度，硫化氢和空气尘埃等 问题也会迎刃而解。当禽舍内的氨气浓度升高时，特别对小鸡而言，产生的氨气 会造成瞎眼，损害呼吸道粘膜。氨气的溶解度极高( o 时一升水可溶解9 0 7 克) ， 因此氨气会吸附在鸡的眼结膜和皮肤膜上，从而产生刺激和炎症。鸡对氨气很敏 感，即使低浓度的氨气也会引起鸡的结膜炎和上呼吸道粘膜充血、水肿及分泌物 增多。氨气会麻痹或损害鸡的呼吸道黏膜上皮及其纤毛，使病原微生物容易侵入， 降低鸡对疾病的抵抗力。空气中硫化氢也会刺激眼和呼吸道黏膜，引起炎症。尘 埃颗粒能机械的堵塞纤毛运动，空气尘埃若深入到呼吸道深处，将会极大的增加 呼吸道疾病发生的概率，对鸡只造成极大危害。因此，若禽舍通风不良，管理不 善，在高氨、高硫化氢、高尘埃的共同作用下，不但会导致呼吸道感染和炎症， 更严重的会降低呼吸道黏膜的相关淋巴组织对抗原的应答力。 智能化禽舍环境控制器的设计 1 2 4 光照 光照主要包括光照时间和光照强度，光照对鸡只的疾病影响很小，但合理的 光照时间、光照强度选择与鸡只发育和健康关系密切。适宜的光照对鸡的生命活 动、物质代谢和生产性能的发挥均有着重要影响。 光照时间的长短与鸡的性成熟密切相关【8 j ，对蛋鸡来说光照时间过长会导致 鸡提前性成熟，过早成熟的鸡开产早，但蛋重小，产蛋率低，高峰时间短：相反， 光照时间过短将延迟性成熟。另外，延长光照时间有利于鸡只延长采食时间，加 快生长速度，提高生产性能。 合理的光照强度有助于鸡的健康生长，光照过强则会使鸡休息不好，烦躁不 安，互相争斗甚至造成严重的啄癖和神经质。如果光照强度突然增强，则会使蛋 壳质量下降，软皮蛋、双黄蛋、无黄蛋等畸形蛋显著增多，严重的还会导致鸡猝 死。低强度的光照有利于脂肪的快速沉积，提高饲料转化率，但光照太弱，会使 鸡的采食量下降，饮水减少，影响生产发育。因此禽舍光照强度只要能保证鸡只 看到饲料和饮水，能正常活动即可。 1 3 国内外研究现状 随着近3 0 年来规模化养殖的快速发展，养殖业的集约化、工业化程度不断 提高，一些发达国家的大中型环境调控设备迅速发展起来，在禽舍环境控制方面 进行了较为系统和深入的研究，也取得了比较先进的经验，正朝着自动化、智能 化的方向发展1 9 j 。 荷兰的“派司雷风”公司已有几十年的历史，主要生产针对孵化厂的环境控 制设备，它生产的产品已经实现网络化和无线通信化【l 。德国的b i gd u t c h m a n 公司研制了a m a c s ( t h ea g r om a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ) 鸡舍监控管理系 统，它主要检测鸡舍内的温度、湿度、有害气体等环境参数，自动记录鸡舍内的 水量、料量等数据，自动控制通风、光照、喂料等设备的运转，还可通过网络进 行访问【l l 】。日本生产的环境调控集群控制系统还引入了专家系统，不仅能起到环 境调控的作用，还能诊断出发病畜禽。 发达国家对禽舍环境监控系统的研究己趋于成熟，实际应用也比较广泛，积 累了丰富的经验，在此基础上，随着科技的发展，不断有新的技术添加到禽舍环 境监控系统中，用以完善和改进其性能，使禽舍环境监控系统朝着智能化、可视 化、网络化的方向不断前进。 与国外发达国家相比，我国畜禽环境控制系统的研究起步较晚，上世纪九十 年代初开始，以单片机为核心的禽舍环境监控系统研究工作才逐步开展起来，发 4 青岛科技大学研究生学位论文 展至今，也相继涌现出了一些优秀的环境监控系统，初步实现了禽舍环境的智能 化控制。1 9 8 6 年崔引安首先提出畜牧业正向大规模集约化方向转变，环境改善与 控制的重要性日益增大，成为进一步提高畜牧生产的关键性制约因素。 “八五”期间，中国农业大学以8 0 9 8 单片机为核心开发了环境控制系统， 该系统以畜禽的日龄为基准，对畜禽舍内的温度、湿度和光照等环境因素进行调 节，初步实现了畜禽舍环境的智能化控制。“九五”期间，又在系统中嵌入了模 糊控制算法，研制成具有模糊控制功能环境控制系统，该系统的问世使中国畜禽 环境控制系统研究向前迈进了坚实的一步【l 2 。 “九五期间，江苏南京农业科学院在鸡舍环境视频监控和网络控制方面进 行了积极探索，研发了养鸡场的自动监控系统。该系统以鸡舍为单位，全方位、 多要素的实时监测禽舍环境指标和设备状况，并将数据通过4 8 5 总线传输给中心 计算机统一处理，设定控制算法和参数。中心计算机通过局域网接入互联网，把 视频图像与环境数据打包压缩后发送到管理者的手中，管理者通过监控计算机实 时监控生产现场。 虽然经过大量专家、学者以及工程技术人员的研究和探索，禽舍环境监测控 制系统在我国规模化养殖场中得到了较为广泛的应用，并取得了良好的效果，但 从整体来看，对各环境因素的控制相互独立，缺乏必要的联系，而且多数设备还 需饲养人员手动或机电式操作，自动化程度较低，难以满足现代化规模化养殖模 式的需求。 1 4 可行性分析 1 4 1 市场可行性分析 随着近3 0 年来规模化养殖的快速发展，养殖的集约化、自动化水平不断提 高，禽舍小气候环境对鸡的健康和生产性能的影响愈发显著，禽舍的环境问题已 成为制约我国当前养殖业发展的重要因素【l 引，只有创造一个空气新鲜，温、湿度 适宜，干暖舒适的环境条件，才能让畜禽休息好，保持旺盛食欲，发病率降低， 获得较高的增重速度和饲料转换率，创造较高的经济效益。据研究表明，冬夏季 禽舍内环境控制的不利将会导致畜禽生产性能下降1 0 2 0 ，严重影响到畜禽 的健康与生产力。特别是在现代的养殖体系中，鸡的遗传性能不断被优化，品种 也在不断的更新换代，但鸡对小气候环境的适应能力却越来越差，其抗病能力和 健康水平也在逐步下降u 4 。巧j 。 养殖产业化作为我国畜牧业发展的一个方向和趋势，必然对养殖环境特别是 智能化禽舍环境控制器的设计 禽舍的环境控制方面提出了更高的要求。因此规模化养鸡的环境控制技术要不断 跟上现代养鸡生产的需要，适时调整养鸡环境控制的目标和策略，不断研究开发 与应用新型的鸡舍环境控制技术与设备，为现代养鸡业的发展和进步提供保障和 支持【1 6 1 。 1 4 2 技术可行性分析 要更好地对家禽养殖环境进行控制，需采取先进技术。近年来，随着科学技 术的发展，特别是微电子技术的进步，各类传感器的出现，以单片机为代表的自 动控制技术正朝着高性能、多功能、集成化、网络化方向发展，开创了微控技术 的新天地，使单片机系统成为最典型、最广泛、最普及的嵌入式微型控制系统1 1 7 j 。 单片机拥有计算机的基本核心部件，将其嵌入到电子系统中，可以满足控制对象 要求，且实现方式比模拟控制思想简洁和方便，从而为电子系统高级智能化奠定 了基础。 单片机作为自动控制技术的典型代表，自2 0 世纪7 0 年代以来，广泛运用于 工业控制、机械、电子、航空航天、农业工程、医疗等各个领域，并发挥了至关 重要的作用。单片机在近3 0 年来的发展过程中形成了种类繁多、性能各异的各 系列产品，使单片机最大限度的与应用需求相匹配，对不同的应用进行功能的量 体裁衣，从而降低功耗，提高可靠性。单片机的主要特点是单片化，从而使功耗 和成本下降、可靠性提高【l 引。 随着养殖业的不断发展和壮大，健康养殖越来越受到社会各方面的重视，以 单片机为代表的自动控制技术也必然会在家禽养殖中得到更广泛的应用。 1 5 主要研究内容及技术路线 1 5 1 主要研究内容 禽舍环境的控制技术是一门多学科的交叉技术，本课题设计了基于传感器技 术、计算机技术、数据处理技术、养殖技术的智能化禽舍环境控制系统，系统操 作方便灵活、控制精度高。课题的主要内容是在分析影响禽舍环境的主要因素的 基础上，针对国内外养殖业的发展现状及我国养殖业发展所存在的问题，发现现 有禽舍环境控制系统的不足，查阅相关文献，提出新的控制方案，在现有的环境 控制技术上，增加或改进相应功能，实现对禽舍环境的智能化控制，从而为家禽 生长创造一个理想环境。本课题主要完成了元器件的选型、电路设计、驱动程序 的编写和控制算法的设计，最后进行联合调试，并分别在实验室环境和现场进行 6 青岛科技大学研究生学位论文 了测试。主要研究内容如下： ( 1 ) 系统整体方案的设计 将控制器按功能划分为检测单元、控制单元、辅助单元和执行单元，对每个 单元的设计提出相应的要求。 ( 2 ) 硬件电路设计 主要任务是设计基于单片机的控制系统，控制单元主要完成单片机的选择和 外围电路设计，如时钟、复位、a d 转换等电路：检测单元设计的主要任务是选 择合适的温度、湿度、负压等传感器；辅助单元主要包括人机交互、报警、实时 时钟等，主要任务是选择合适的显示器件和驱动芯片，并根据系统需要设计电路； 执行单元主要是继电器的驱动电路设计。 ( 3 ) 驱动程序设计。 完成硬件电路设计后，需针对各个芯片或器件编写相应的驱动程序，驱动程 序的编写要可靠、高效，并留出接口，方便主程序调用。 ( 4 ) 控制算法设计。 若要对禽舍环境实施有效的控制，必须选取合适的算法和合理的控制手段， 主要任务是选取合适的控制算法并实现。 本控制器主要实现以下目标： ( 1 ) 实时采集、显示禽舍内的各环境参数，主要包括温度、湿度和负压等； ( 2 ) 控制器能在一定范围内自动控制和调节禽舍内的温度、湿度、通风和 光照，保证禽舍的局部小气候满足家禽生长的需要： ( 3 ) 禽舍管理人员能根据禽舍设备状况和实际控制的需要，设置不同的控 制参数； ( 4 ) 设计人性化的操作界面，操作简单明了，界面通俗易懂； ( 5 ) 控制器的可靠性高，能满足低温、潮湿等恶劣环境。 1 5 2 技术路线 具体的技术路线如图1 - 1 所示。 7 智能化禽舍环境控制器的设计 1 6 本章小结 图1 1 技术路线图 f i g 1 1t e c h n i c a lr o u t 本章主要介绍了课题的研究背景和意义，介绍了禽舍环境中的主要气候因子 对家禽的影响，分析了国内外禽舍环境控制器的研究现状，最后通过对现有的禽 舍环境控制器进行研究，给出了课题的主要研究内容、设计目标和技术路线。 青岛科技大学研究生学位论文 2 智能化禽舍环境控制器的原理设计 2 1 禽舍结构简介 一个合理的禽舍布局结构，可以为鸡提供一个良好的生存环境，使其充分发 挥生产潜力，所以在了解鸡本身的生理特点以后，还必须合理地规划和建造禽舍。 禽舍结构的设计是建立在最佳环境的理性指标和建筑造价经济指标二者兼顾的 基础上的，主要涉及到禽舍的通风换气、保暖、降温、给排水、采光等因素。禽 舍主要有封闭式和开放式两种建造方式，其中封闭式禽舍四周无窗，因而无法借 助自然光进行照明，需采用人工光照，而且需要采用机械方式与外界进行通风， 消耗能源，但这类禽舍的小气候环境容易控制和管理。开放式禽舍为有窗禽舍， 是充分利用自然资源来控制禽舍环境的节能禽舍，一般无需采用动力通风，但禽 舍环境受外界影响较大。 标准封闭式禽舍一般为1 1 8 1 2 0 米1 3 米，分为控制区和养殖区，控制区 安装环境控制器及相应的电控箱，监测和控制禽舍内的设备；养殖区饲养鸡只。 整个禽舍的布局如图2 1 所示。 图2 1 禽舍布局 f i g 2 - 1p o u l t r yh o u s el a y o u t 智能化禽舍环境控制器的设计 2 1 2 禽舍执行设备 禽舍环境控制器检测到禽舍内的环境参数后，通过单片机进行处理，驱动执 行设备运行来达到环境控制的目的。 禽舍内的执行设备主要包括喷雾、湿帘、热风炉、风机、进风窗、灯光、水 线、料线等设备，它们的功能如下： ( 1 ) 喷雾 喷雾机构采用水力或气力使水雾化，然后向禽舍内喷射，开启喷雾会使禽舍 内的温度降低，同时还会增加禽舍内的湿度。 ( 2 ) 湿帘 湿帘风机机构是夏季禽舍降温的关键技术，当夏季室外温度高时，通风机构 已不能有效地起到降温作用，此时需开启湿帘机构降温，它利用水作为热交换介 质降低禽舍内的温度，当空气流经多孔、湿润的湿帘表面时，大量水分蒸发，降 低了空气自身的温度，然后风机运转，将经过湿帘降温的冷空气源源不断的引入 室内，从而达到降温效果，一般湿帘机构能使舍内温度降低4 。c , - , , 7o c 。 ( 3 ) 热风炉 热风炉采用直接加热的方式，利用热风作为介质和载体对禽舍进行加热，保 证鸡只的正常生长。 ( 4 ) 风机 风机是禽舍通风的主要设备，主要功能是通风、降温和除湿。当禽舍内环境 适宜时，风机定时开启，进行通风，满足鸡只的最小呼吸量，温度升高时依次开 启各个风机组来降温，湿度过高也需启动风机排除湿气。 ( 5 ) 进风窗 禽舍内的进风窗由电机驱动实现开启和关闭，一般与风机配合使用，当风机 启动时，进风窗要开启到指定位置，降低禽舍内的负压。 ( 6 ) 灯光 实现禽舍内光照时间的控制和光照强度的调节。 ( 7 ) 水料线 对禽舍供水和供料。 2 1 2 禽舍控制系统组成 禽舍环境控制系统通过各种传感器实时检测禽舍内温度、湿度、负压等主要 的环境参数，然后对采集的数据进行处理，通过一定的控制规则，驱动相应的执 行设备运行，实现对禽舍环境的控制，使其达到鸡只生长的最适宜状态。 青岛科技大学研究生学位论文 禽舍环境控制系统的组成直接影响到环境控制系统的效果，根据禽舍内执行 设备的功能，一般标准的养鸡场主要由以下几个控制系统组成。 ( 1 ) 温度控制系统 温度控制系统主要包括加热系统和降温系统。加热系统的主要组成设备是热 风炉，它为禽舍提供适宜的温度，一般采用燃煤热风炉，性价比较高。 通风降温系统主要由进风窗、风机组成，通风降温的主要目的是排除禽舍内 的余热及多余的水分、降低禽舍温度、同时还可以排除舍内有害气体，调节舍内 空气中的气体成分【1 9 】。禽舍一般采用强制通风方式，即利用风机向禽舍外排风， 使禽舍内形成负压，强迫外界空气通过两侧的进风窗进入禽舍，穿越禽舍由风机 排到舍外。 湿帘风机降温系统主要由湿帘、风机、和水泵组成，一般用于夏季禽舍外温 度较高，通风降温已不能达到预期的温度目标时使用，冬季外界温度较低，一般 不需要开启湿帘风机。 ( 2 ) 湿度控制系统 湿度控制系统包括喷雾机构和除湿风机。当禽舍内湿度较低时，喷雾装置通 过控制禽舍顶梁上的喷嘴向禽舍喷射雾状水滴，对禽舍进行加湿。当禽舍内湿度 过大时，开启风机和进风窗，将湿气排出到舍外，达到调节湿度的目的。 ( 3 ) 通风控制系统 通风的主要目的是保证鸡群在任何气候条件下均舒适、健康并维持其生产水 平。通风控制系统主要包括风机和进风窗，通风控制系统可以排除禽舍内过多的 热量和湿气，减少尘埃，减少诸如氨气和二氧化碳等有害气体在禽舍内的蓄积， 在禽舍环境正常时，还能提供充足的氧气，从而保证鸡只的最小呼吸量，即风机 按设定时间开启和关闭，定时将禽舍内的空气与外界进行交换，确保禽舍内的空 气能满足每只鸡的需求。 ( 4 ) 光照控制系统 光照控制系统主要是控制禽舍内的照明设备，实现禽舍内光照时间的控制和 光照强度的调节。 禽舍内的多数执行设备具有多种功能，理解禽舍内各个控制系统与执行设备 之间的关系对智能化禽舍环境控制器的设计至关重要，禽舍内的控制系统与执行 设备的关系如图2 2 所示。 智能化禽舍环境控制器的设计 图2 - 2 控制系统与执行设备的关系图 f i g 2 2t h ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e ma n dp e r f o r md e v i c e s 2 2 禽舍自动化控制指标 2 2 1 温度控制指标 鸡是恒温动物，通过产热和散热维持体温恒定，温度的高低对鸡的健康有着 重要的影响，随着日龄的增加、体重的增长，鸡对禽舍的温度需求也在不断发生 变化，一般育雏第一天对温度的要求稍高，要控制在3 3 - 一3 5 。c 之间，以后每周 降低2 c - - 3 ，直至1 8 - - 2 5 ，然后保持到鸡出栏。具体要求如表2 1 所示。 表2 - 1 温度要求 t a b 2 1t e m p e r a t u r er e q u i r e m e n t s 日龄温度 1 日龄2 日龄 3 日龄 - 4 日龄 5 日龄7 日龄 2 周龄 3 周龄 4 周龄 5 周龄 3 3 3 5 3 l 3 3 2 9 3 1 2 7 2 9 2 4 2 6 2 l 2 3 1 8 2 5 2 2 2 湿度控制指标 湿度的高低主要影响家禽体表的蒸发散热，低湿的环境会导致鸡体内水分大 量散失；高湿环境对鸡的影响分两种情况，低温高湿易导致鸡体内热量散失，高 温高湿则相反，导致鸡体内热量散不出去，前者会降低机体抵抗力，后者往往会 引起中暑或热应激，甚至造成死亡。 禽舍湿度般要求在6 5 7 5 之间，低于4 0 为低湿，高于8 0 为高湿。 青岛科技大学研究生学位论文 育雏期( 前3 周) 相对湿度控制在6 5 - - 7 5 最适宜。后期应避免高湿，相对湿 度应控制在5 5 - - - 6 0 。 育雏前三天相对湿度要控制在7 0 以上，使雏鸡顺利完成由出雏器到鸡舍环 境的转变，育雏期相对湿度小于5 0 将造成鸡只脱水，7 天后相对湿度超过8 0 将会引起垫料潮湿。 2 2 3 通风换气指标 通风换气的目的是尽可能排除舍内污浊空气，引进新鲜空气，保持舍内空气 清新，降温、散湿，降低鸡的体感温度，这是衡量鸡舍环境的重要指标。具体要 求如下： ( 1 ) 在空气湿度增大、温度增高、空气质量差( 氨气浓度2 0 m g k g ) 时自动 开启进风窗，进行自然通风或机械通风； ( 2 ) 在最小通风模式下，风机的运行周期合理，既要保证鸡只的最小呼吸量 和禽舍内的空气质量，又要避免空气交换率过高导致禽舍内热量损失大，加热系 统频繁启动； ( 3 ) 进风窗的开启角度要小于4 5 度，使得从进风窗进入的空气能达到房顶 的最高部，与禽舍内的空气充分交换；机械排风会使禽舍内产生负压，导致家禽 受负压影响而缺氧和呼吸困难，此时由控制器通过负压传感器检测禽舍内的负压 值，并合理控制进风窗的开启程度，以降低禽舍内的负压，负压一般控制在2 0 p a 。 2 2 4 光照控制指标 光照是家禽不可缺少的环境条件之一， 重于通风换气，对禽舍内的光照影响不大， 明【2 0 】，鸡常用的光照时间如下： 对于封闭式禽舍，两侧的小窗主要侧 一般采取人工光照来保证禽舍内的照 ( 1 ) 1 日龄2 日龄：2 4 小时光照，让鸡尽可能地适应新环境； ( 2 ) 3 日龄以后2 3 小时光照，1 小时黑暗：黑暗是为了使鸡适应生产过程 中突然停电，避免引起炸群等应激，黑暗时间在晚上，即天黑以后不开灯，停一 小时后再开灯。 鸡常用的光照强度如下： ( 1 ) 1 日龄5 日龄：每平方米1 5 瓦2 0 瓦，灯泡功率不宜过大； ( 2 ) 6 日龄至鸡出栏：每平方米o 7 5 瓦1 0 瓦。 光照强度不宜过强，能保证鸡只看到饲料和饮水，能正常活动即可，光照强 度过强易使鸡兴奋并导致啄癖，对生长催肥不利。 智能化禽舍环境控制器的设计 2 3 系统方案设计 2 3 1 系统结构 针对以上控制指标，设计本系统的控制方案，本系统以单片机为核心，通过 各类传感器检测禽舍内的温度、湿度、负压、进风窗开度等信息，然后将检测到 的信息传送给单片机进行相应处理，送液晶屏和数码管进行实时显示，同时根据 相应的控制规则输出控制信号，通过驱动电路驱动执行设备运转，保证禽舍环境 的正常，系统结构框图如图2 3 所示。 2 3 2 系统总体设计 图2 3 系统结构 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 整体方案的设计在保证系统的可靠性和稳定性的前提下，尽可能的实现低成 本、低功耗。在此原则下进行硬件选型，同时考虑软硬件的兼容性，经过反复论 证，设计了基于a v r 单片机的智能化禽舍环境控制器。总体方案如图2 - 4 所示。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 禽舍执行设备 图2 - 4 系统总体结构 f i g 2 - 4t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 单片机通过读取禽舍内安装的温度、湿度和负压传感器来检测禽舍内的温 度、湿度和负压等环境参数，环境控制器根据设定值，按照相应的控制规则通过 驱动电路驱动执行设备动作，实现温度、湿度、通风、光照控制，对禽舍内的小 气候进行调节，为家禽生长创造一个理想环境，实现家禽的健康生长。 整个禽舍环境控制系统按功能可划分为检测单元、控制单元、执行单元和辅 助单元四部分。这四个单元构成一个整体，保证控制系统的正常运行。控制单元 是整个控制系统的核心，检测单元和辅助单元都直接或间接的为其服务，执行单 元也由控制单元进行支配，各个单元的功能如下： ( 1 ) 检测单元：主要包括温度、湿度和负压传感器，主要负责检测禽舍内 的温度、湿度和负压等环境参数，并将检测结果送单片机进行处理； ( 2 ) 控制单元：对检测单元送来的信号进行处理，建立相应的控制规则， 对信号进行分析运算，通过驱动电路驱动执行单元； ( 3 ) 执行单元：包括温度控制单元、湿度控制单元、通风控制单元和光照 控制单元，分别实现对禽舍内温度控制系统、湿度控制系统、通风控制系统和光 照控制系统的控制； ( 4 ) 辅助单元：主要包括按键输入单元、显示单元和报警单元，其中按键 输入单元作为系统的输入设备，实现人机交互；显示单元主要实时显示当前的日 龄、温度、湿度、负压和设备的运行状态；报警单元主要是当禽舍的环境指标达 到警戒线时利用声光进行报警提示。 四大单元的关系如图2 5 所示。 智能化禽舍环境控制器的设计 2 4 本章小结 i 检测单元 t1 r 辅控执 助 制 行 单 单单 兀兀兀 图2 5 各单元关系 f i g 2 - 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hu n i t 本章详细介绍了封闭式禽舍的结构及禽舍内各种设备的作用，针对禽舍内的 温度、湿度、通风和光照控制系统提出了禽舍自动化的控制指标，并根据设计的 原则和要求给出了控制系统的运行方案，在此基础上提出了系统的整体方案，并 将其划分为四大单元，详细介绍了各个单元的功能。 青岛科技大学研究生学位论文 3 智能化禽舍环境控制器的硬件设计 硬件设计是整个控制系统设计的基础， 虑系统的精度、分辨率、稳定性、可靠性、 系统的硬件进行优化设计。 在满足系统要求的同时，还应充分考 成本等技术指标，在此基础上对控制 整个控制系统主要分为控制单元、检测单元、辅助单元和执行单元，在硬件 设计过程中，采用模块化设计的方法，分别设计每个单元的电路，并进行验证， 然后进行整合，构成整个系统，整个控制系统的硬件构成如图3 1 所示。 图3 - 1 硬件结构 f i g 3 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r e 各个单元设计的主要任务如下： ( 1 ) 控制单元设计 控制单元主要以单片机为核心，主要工作是单片机型号的选取，另外还包括 单片机外围的晶振、复位、电源等电路的设计，主要功能是对传感器采集的信号 进行处理，并向执行机构发送控制信号。 ( 2 ) 检测单元设计 主要任务是选择合适的温度、湿度、负压、位置等传感器，采集禽舍环境信 号，传送给单片机进行处理。 ( 3 ) 辅助单元设计 主要是选择合适的显示器件、键盘及数码管驱动芯片、实时时钟芯片、i o 扩展芯片等，并根据选择的芯片设计电路，主要功能是实现人机交互，辅助其他 单元实现相应功能。 1 7 智能化禽舍环境控制器的设计 ( 4 ) 执行单元设计 主要由光耦和继电器组成，单片机对采集的数据进行处理，发出控制信号， 通过光耦和继电器驱动执行机构，对环境参数进行调节。 3 1 控制单元设计 3 1 1 单片机的选择 控制单元是整个硬件的核心，控制单元的设计主要是单片机的选择。单片机 的种类很多，常用的有p i c 系列、5 1 系列、a v r 系列等。各个系列的单片机各 有所长，在处理速度、稳定性、功耗、功能、价格等方面各有千秋。这些种类繁 多的单片机家族，为设计者提供了很大的选择空间。本系统中单片机的输入输出 信号较多，要求单片机有足够的i o 口，足够的定时计数器和中断，足够的程序 存储空间，还应该具有较高的运算速度，针对以上要求，单片机选择a t m e l 公司 的a v r 单片机。 a v r 单片机吸取了p i c 及5 1 等单片机的优点，同时在内部结构上做了一些 重大改进，其主要优点如下【2 。 ( 1 ) 采用c m o s 技术和r i s c 架构，实现了高速、低功耗。a v r 单片机采 用h a r v a r d 结构，具有一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操 作使用不同的数据总线，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。具有3 2 个通用寄存器( 相当于5 1 单片机的3 2 个累加器) ，克服了单一累加器数据处理 造成的瓶颈现象。 ( 2 ) 内嵌大容量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持并行方式编程，也 可以使用串行在线下载( i s p ) 、在应用下载( 1 a p ) 方式写入，便于产品的调试、 开发、生产及更新。片内集成了可擦写1 0 万次的e e p r o m ，相当于又增加一个 芯片，可长期保存关键数据，掉电后不丢失，方便了使用，减少了系统空间。片 内包含1 2 8 b - - 一8 k bs r a m ，十分适合使用c 语言进行编程。 ( 3 ) a v r 单片机的i o 是真正的i o 口，全部带有可设置的上拉电阻，可设 定为输入或输出。i o 的驱动能力强，可直接驱动l e d 、s s r 或继电器。 ( 4 ) a v r 单片机具有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测 电路等，带有可设置的启动复位延时计数器，简化了电路设计，提高了系统工作 的可靠性。 ( 5 ) 内部集成有模拟比较器、多通道1 0 位a d 转换器、硬件s p i 、t w i 。 充分体现了单片机技术向“片上系统”发展的要求。 青岛科技大学研究生学位论文 ( 6 ) a v r 单片机有多个带预分频器、功能强大的8 位和1 6 位定时器计数 器，有多种模式可选，还具有输入捕获及p w m 等多种功能。 ( 7 ) 性能优良的串行同异步通信u s a r t 口，不占用定时器，具有硬件产 生校验码、硬件检测和校验、两级接收缓冲等功能，提高了通信的可靠性，方便 程序的编写。 ( 8 ) a v r 单片机具有多种省电休眠模式，工作电压