农用便携式雏鸡雌雄诊断器.doc

农用便携式雏鸡雌雄诊断器【摘要】传统的人工鉴别雏鸡雌雄的方法不仅很耗费时间，而且需要专业的鉴别师进行鉴别，且鉴别准确率不高，这给养殖业的生产带来了很大的不便。本文提出了一种应用电子技术，通过对雌鸡和雄鸡声音频谱的差异来鉴别其雌雄的方法。该方法主要是通过将雏鸡声音信号转换为电信号后对其进行放大、滤波（选频）、整形，得到方波信号来驱动计数译码显示电路对雏鸡的雌雄进行鉴别。由于使用的分离元件较少，所以调试比较容易，基本上无需调试，且对信号进行了选频处理，因此抗干扰能力较强，鉴别效果要好于人工鉴别，能有效的提高养殖业的生产效率。【关键词】频谱分析 带通滤波 波形整形前言：雏鸡的鉴别在养殖生产中有着重要意义。1.商品蛋禽场仅饲养雌雏鸡，饲养雄性雏鸡的价值不大，鉴别出雏鸡雌雄可以节省禽舍，劳动力和各种饲养费用。2.鉴别出雏鸡雌雄还可以提高母雏的成活率和整齐度。公母分开饲养有利于母雏的生长发育，避免雄性雏鸡发育快、抢食而影响母雏发育。3. 为获得较高的育雏率,培育出生长发育一致和价值高的鸡群对初生的雏鸡就必须进行选择和分群工作。分群的方法之一就是根据雌雄分群。然而初生雏鸡不像刚出生的哺乳动物那样，根据外生殖器官立即辨认出雌雄，而是必须等到第二性征出现后才可辨认。传统的鉴别方法有：伴性遗传鉴别法、肛门雌雄鉴别法、器械鉴别法（使用较少）等。这些鉴别对技术性要求都比较高，一般人是不容易掌握的1。通过对刚出生的雌鸡和雄鸡的声音频谱分别进行分析，发现可以通过雏鸡叫声的频率来鉴别其雌雄。由于现代电子硬件技术的发展，使得实现对雏鸡雌雄鉴别的自动化成为可能。本项目灵活运用有源滤波器，用了很小的成本实现了雏鸡雌雄鉴别的自动化。雏鸡雌雄鉴别仪能够准确鉴别出雌鸡和雄鸡，相比人工鉴别有很大的优势。因而雏鸡雌雄鉴别仪能够提高养鸡场的生产效率，在养殖业生产中广泛地推广应用。促进养殖业的发展。1.雏鸡声音的频谱通过频谱仪对大量雏鸡的叫声观察已经知道：雌雄的叫声的频率是不同的。雄雏鸡的在4.76kHz到4.84 kHz之间，其中心频率约为4.8KH。雌雏鸡的叫声频率在5.16到5.24之间，其中心频率约为5.2k。4.84-5.16k的雏鸡较少，约占采样鸡总数的5%,此类雏鸡容易引起误判可以结合人工判别方式进行鉴别。基于分析结果，我们设计出鉴别雌雄雏鸡的仪器。2.鉴别仪的原理框图 由于绝大部分雌雄雏鸡的音频不同，因此可采用音频鉴别方式来区分。首先将雏鸡声音信号通过传感器转换为电压信号，再将该电压信号放大后通过二阶带通滤波器进行选频处理，滤去干扰信号，得到有用信号，然后通过施密特触发器对其进行整形处理，得到方波信号，利用所得到的方波信号触发单稳态和计数电路，同时利用单稳态控制计数译码电路，最后通过显示电路来判别雏鸡的雌雄（图1）、（图2）。图1 系统总体框图图2 系统工作方式流程图3单元电路设计3.1信号采集与处理音频采样传感器选用普通麦克风，以动圈式为主，其工作原理是：当声波作用在话筒的振膜上，使之振动时，粘接在振膜上的音圈在磁路气隙中也相应地振动，切割磁力线，在线圈中产生感应电动势。从而将声音信号转换位电压信号 2。由于麦克风得到的电压信号一般只有几毫伏甚至更小，而带通滤波器的增益有限，因此我们先对信号进行放大。这里选用高速运放做一个增益Av可调的反相放大器，Av的范围为1-50，可令Av=20。然后将放大后的电压信号通过二阶有源带通滤波器，原理图如图3所示：图3信号放大与滤波电路原理图用上图所示电路可以设计出品质因数Q很高的二阶有源带通滤波器，考虑到实际制作滤波器滤波效果受电容容差，电阻阻差影响较大，因此选择较高品质因数的带通滤波器可以抵消这方面的影响3。根据雌雏鸡频谱在5.16-5.24k之间，可将滤波器的中心频率f0设为5.2k，带宽BW=0.3k，由BW= f0/Q，可求出品质因数Q17.34。为简便计算，可令C1=C2=C，R3=R4=R,R5=2R，然后根据f0=1/(2RC)，求出RC乘积，再选择合适的电阻电容便可确定C1,C2,R3,R4,R5的值。为使电路稳定工作要求同相比例放大电路的AvF3，由Q=1/(3-AvF)可求出AvF2.9410dB,因此基本达到设计要求3.2整形控制电路该单元电路有由两个555分别构成施密特触发器和单稳态触发器，如图5所示：图5 整形控制电路图5中第一个555构成施密特触发器，将经过滤波器处理后的波形从2脚输入，由3脚输出方波信号经过反向器分别接入单稳态触发器，和计数脉冲输入端EN。单稳态的延迟时间约为0.05秒。由3脚输出分别控制译码电路的BI，再经反相器接计数电路的CR端。3.3 计数译码显示电路该单元电路由计数译码显示电路组成，计数部分采用双十进制计数器CD4518，EN端口下降沿脉冲计数，CR端口和译码电路BI端口受单稳态电路控制。其中CR高电平清零，BI低电平消隐。当计数至250小于270时，绿色发光二极管发光，用以判别是否雌鸡，当计数超过270时红绿发光二极管都发光，系统可能出现故障，需重新再测。电路原理图如图6所示：图6 计数译码显示电路4.鉴别仪工作原理由以上各单元电路我们得到图7所示的雏鸡雌雄鉴别原理图：图7 雏鸡雌雄鉴别原理图声音信号由传感器输入，经放大、滤波、整形后输出方波信号，该方波信号一部分用于下降沿脉冲计数，一部分用于单稳态的触发信号，由555构成的不可重复单稳态电路延迟时间约为0.05s，即当方波信号的第一个下降沿脉冲来时触发单稳态，在0.05s的高电平期间，计数译码电路同时工作，若以5.1kHz信号输入，则在0.05s期间约可计数255，此时通过与门接在计数器输出端的绿色发光二极管发光，当单稳态时间结束时，CR端由低电平变为高电平清零，BI端由高电平变为低电平消隐，当方波信号的下降沿再次触发单稳态时，电路重复上述过程。如果所加信号频率低于5k，即可能为雄鸡声音信号，其衰减幅度较大，无法通过施密特整形为方波信号，即使声音信号幅度较大，产生的方波信号在单稳态期间也无法计数达到250以上，因此绿色发光二极管也不会发光。图7中红色发光二极管用于系统故障检测，系统可能出现的故障主要有器件的损坏导致单稳态时间过长，或是当单稳态结束时，计数脉冲的下降沿刚好到来，系统将继续计数。如出现上述两种情况，红色发光二极管将发光。5.实验分析为检测系统的稳定性与准确性进行了一系列的实验，实验结果如下：对放大滤波电路的选频特性检测：在养鸡厂随机抽取若30只刚孵化一天的雏鸡，健康状况良好，分别对每只雏鸡的声音信号通过传感器，放大滤波电路进行处理，再通过数字示波器进行位图存储。图8（a），（b）分别为其中两只雏鸡声音信号的位图存储波形。由图8（a）可以看出其频率大于5K，约为5.17k左右，初步可判断其为雌鸡，而图8（b）可以很明显的看出其频率小于5k，且幅值不到一伏，说明信号衰减很大，初步可判断其为雄鸡。然后我们将这两组波形对应的雏鸡由专业鉴别师鉴别，与初步判断结果一致。（a）雌雏鸡声音放大滤波后截图（b）雄雏鸡声音放大滤波后截图图8对系统判别准确性与稳定性检测：抽取30只已由专业鉴别师鉴别出雌雄的雏鸡并标记出来。15只雌鸡分别标记为：a,b,c,d,e,f,g,h,I,j,k,l,m,n,o;15只雄鸡标记为:A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O。将雏鸡雌雄鉴别器放在一个安静的房间中，依次取出30只雏鸡放到鉴别仪的传感器的信号输入端，其叫声信号马上就被采集到。按照编号顺序，依次观察鉴别的情况并记录如下表1：编号绿灯红灯判别结果编号绿灯红灯判别结果a10雌A00雄b10雌B00雄c10雌C00雄d10雌D00雄e10雌E00雄f10雌F10待定g10雌G00雄h10雌H00雄i10雌I00雄j10雌J00雄k00待定K00雄l10雌L00雄m10雌M00雄n10雌N10待定o10雌O00雄注：“1”表示亮，“0”表示不亮；表1从实验数据来看雌雏鸡分辨率93.33%，雄雏鸡分辨率为86.6%，基本与鉴别师鉴别结果一致，且系统稳定性较好。表1中有三组数据与鉴别师鉴别结果不一致，可能其声音频率在4.84-5.16之间，需结合其他人工鉴别方法进行区分。