分布式禽舍环境检测控制系统

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1、(参赛编号)：(作品名称)合泰杯单片机应用设计竞赛初赛报告书(范本)参赛编号： 学 校：天津工业大学 作品名称： 分布式禽舍环境监测控制系统 指导老师： 荣锋 参赛队员： 刘晓勇，谢艳娜， 采用单片机型号： HT66F70A 日期： 2015 年 12 月 20 日一、 作品摘要家禽生产受养殖品种、饲料、疫病、生长环境和管理水平等因素的共同影响，其中环境因素所起的作用占20%30%。适宜的养殖环境可以充分发挥畜禽的生产潜力，增强动物抵抗力，减少疾病的发生，继而提高畜牧业的生产效益。目前，国内对畜禽养殖环境的监测主要靠养殖人员的人工观测，其调节有滞后性，生产效率低，占用人力资源多，不能适应规模化

2、、集约化的发展。本设计提出了一种分布式禽舍环境监测控制系统，并详细说明了系统的软硬件实现方案。系统综合了嵌入式技术、传感器技术等，对禽舍多种环境参数进行多点同步连续监测，根据设定的逻辑和阈值自动地控制环境调控设备，将禽舍环境参数控制在设定的范围，并具有锂电池充放电功能，给系统提供了双电源供电方案。分布式禽舍环境监测控制系统主要包括以HT66F70A为主控芯片的人机交互模块和以增强型51单片机为控制芯片的环境参数测量和调控设备控制模块。人机交互模块主要实现的功能就是设定环境参数，并实时的显示各种环境参数的值，以及环境调控设备的运行状态；环境参数测量和调控设备控制模块主要是对禽舍环境中温度等关键参

3、数进行周期性地采集，然后根据采集到的数据，按照一定的基准进行加热、风机组等的控制，并且实现高温、低温、过流和停电报警功能。用户在认为有必要的情况下，可以人为强制性开关控制系统，从而达到对禽舍环境的有效控制。 本设计方案已经和相关公司签订合同协议，并依据公司要求设计出样机，已经在部分禽舍试用，下一步将对生产出的样机进行功能的改进和完善。关键字：禽舍；环境监控；充放电管理；HT66F70A二、 作品介绍随着我国经济的快速发展和人民生活水平的逐步提高，特别是国际市场对肉食品需求多元化的发展趋势，促进了我国畜禽养殖业的快速发展。同时，由禽舍环境问题造成畜禽大量死亡带来的巨大经济损失，使人们越来越重视禽

4、场的环境质量及管理。目前，我国畜禽养殖业正处于由千家万户小规模、分散饲养为主向规模化、科学化养殖转型阶段，而大中型养殖场家禽种类繁多，每种家禽在不同的生长周期对生长环境的要求又不相同，使得大中型养殖场管理复杂、混乱，需要投入大量的人力、物力资源，从而增加了生产成本。针对上述问题，设计的分布式禽舍环境监测控制系统是一款集干烧式锅炉、通风、冷却、照明及报警控制于一体的智能禽舍环境温度控制器，内置共12路继电器控制，分为7路通风风机控制、1路冷却控制、1路照明控制和3个锅炉控制（引风机、鼓风机1、鼓风机2），并具有高低温、过流和停电报警功能。仪表内部自带7.4v，2200mAH的新动力锂电池，并可以

5、进行自动充放电管理，当外部供电电源断电后可以提供超响警报输出，电池电力不足时自动关闭。本机采用液晶屏与数码管同步显示，全部参数均汉字显示，而且禽舍温度采用醒目的数码管显示，可极大方便用户使用。本机可进行2路禽舍温度和1路炉温测量和控制，所有探头均可提供断线自动检测与报警功能。本机以实用、可靠及低成本为原则，将锅炉控制、通风冷却控制与过温停电报警三机合一，倾力为禽畜养殖户打造禽畜自动化养殖的优化选择。三、 作品功能与实用性现在的养殖场家禽种类繁多，每种家禽在不同的生长周期对生长环境的要求又不相同，而且对于温度的波动极为敏感，并且希望禽舍内的温度会自动调整，这就需要一款全新的、智能的禽舍环境检测控

6、制系统。本设计将嵌入式技术、传感器技术相结合，设计了一种分布式禽舍环境监测控制系统，能够实现对多种环境参数进行多点同步连续监控，根据设定的逻辑和阈值自动控制环境调控设备，将禽舍环境参数控制在设定的范围。本系统采用PT100温度传感器测量禽舍内空气温度，该传感器的温度范围为0到100，精度可以达到0.1，很好的适应了禽畜养殖的苛刻温度要求。炉温采用的K型热电偶传感器，测试范围0到600，精度可以达到1。同样很好的满足了禽舍的功能要求。在系统工作过程中，提供高、低温报警、传感器探头损坏等报警提示，并在显示界面将具体损坏的探头显示出来。报警采用的是超响报警器报警，足够引起养殖户的注意，在养殖户按下任

7、意键，报警停止。系统同时还带有锂电池充放电模块以及双电源切换模块，使得在有市电给系统供电时，锂电池不供电，当市电断电时，立即切换到锂电池供电状态，并提供断电报警功能。本系统创新性的增加了降温曲线设置，用户只需要选择使用降温曲线功能，只需要设置首日温度：xx.x，即上鸡第一天的禽舍目标温度，主要是用于曲线降温时的降温开始温度，然候设置好降温阶段和每阶段的降温度数，系统便会每天自动降低禽舍目标温度，并将饲养日龄及禽舍目标温度显示到液晶屏第二行右侧。系统还有断电保护数据功能，利用控制芯片内置的EEPROM，使得数据数据在断电市得以保存，并在重新上电时，重新读取保存在EEPROM里的数据。图1 系统总

8、体框图该系统的建立可以优化禽舍内环境，有效地对家禽的疾病进行预防，提高禽业的科技水平和综合能力，促进家禽养殖业的增产、增收和增效，实现家禽养殖自动化管理，还可减少现场管理人员的劳动强度，提高企业的劳动生产率，提升企业的经济效益，有很好的实用性。四、 设计原理分布式禽舍环境监测控制系统主要是为了给广大禽畜养殖用户提供一款智能的环境控制系统，该系统的核心控制芯片是HT66F70A，主要负责将环境检测控制模块检测到的数据，包括禽舍内部空气温度、水温度以及锅炉温度等实时地显示在人机交互界面上。环境控制模块采用增强型51单片机STC12LE5A60S2作为核心控制单元，内部集成有10位A/D 转换功能，

9、分别采用PT100温度传感器和K型热电偶传感器测量禽舍温度、水温和锅炉温度。禽舍温度禽舍内的实时温度，数码管显示的温度即为禽舍平均温度。如果室内有2个温度探头，可以通过直接按“”键在液晶屏上查看探头1、2的温度值。液晶屏显示屏幕首行左侧显示的日期是当前的日期，用户可以手动设置；屏幕首行右侧的数字，指的是炉子风道内的实时温度；屏幕第二行左侧显示的是当前的具体时间，同样用户可以手动设置；屏幕第二行右侧显示的饲养的天数（第xx天），则其后的数字为用户自主设定的禽舍的目标温度或者是按照降温曲线设置后的第xx天的禽舍目标温度。指示灯显示电源：控制仪内部的电源指示；引风机：锅炉引风机运行指示；鼓风机1：禽

10、舍鼓风机1运行指示；鼓风机2：禽舍内鼓风机2运行指示；冷却水泵：冷却水泵的运行指示；照明:照明灯运行指示；风机组1-7：1到7号风机组运行指示灯；报警：探头故障或停电、过流、过温指示。键盘通常显示界面下，按设定键后进入参数设置，允许用户进行各项参数设定。在参数设定时按下此键，退出参数设定。 +键，参数设定时，按此键光标处数字加1。-键，参数设定时，按下此键，光标处数字减1。“键”：通常界面显示下，按此键显示探头1、2的温度值；参数设定时，按下此键光标右移一位，移到最右一位后再按此键光标将回到最左边的数字位。键，通常界面下，按此键显示完整的日历时钟；参数设定时，按此键返回上一参数设置。确认键，通

11、常界面下按此键进入加密参数设定，用户只有输入正确的操作口令后才能进入相应的参数设置。在参数设定时按此键后所设本项参数的数值将被保存到仪器中，并显示下一项参数。报警处理：当禽舍温度大于等于目标温度加高温报警温差或者少于目标温度减高温报警温差时，蜂鸣器连续报警。禽舍温度探头1、探头2或者炉温探头有损坏的，蜂鸣器连续鸣响，报警器鸣响，并在液晶屏上具体显示“探头xx坏”。过流保护装置动作及停电时，超响警报器鸣响。要解除警报，只需按一下任意键。液晶背光源：通常界面下按“设定键”和“”键，或者在菜单设置界面下按任意键，背光源点亮，30秒后关闭。数码管显示：通常界面下，数码管显示禽舍平均温度，按“键”可以查

12、看禽舍内探头1、2温度，延时3秒后返回禽舍内平均温度值显示。设置控制参数：本机参数分为加密参数设定与不加密参数设定两部分：不加密参数可以在通常显示界面下按“设定”键进入参数设置，加密参数则必须在通常显示界面下按“确认”键后输入正确的操作口令才能进入相应的参数设置。加密参数又分为两类，一类有工厂技术人员在出厂或安装时进行设定；另一类是由用户输入密码后进行设定。具体的参数值设置参见上节的键盘部分本机参数在需要设定时，只需要在通常显示界面下按“设定”键进入参数设置。具体的参数值设置参见上节的键盘部分，在此将举例说明，以便用户能尽快掌握。如某参数显示00.0，现在需要改为24.7。首先需要说明的是光标

13、在哪一位即表示哪一位是正在修改的参数位，任何参数修改前光标总在最左边的第一位上。现在我们按下2次“+”键，此时第1位变成了2，然后再按“”键把光标移到第2位上，按下4次+键后第2位变成了4，然后再按下“”键光标会自动跳到非数字位移到第3位数字位上，按7次+键或者按下3次-键第3位变成了7，然后按下确认键，至此，参数数字输入完成，仪器自动显示下一条参数。如果你觉得刚才的数字输入错误的话，可以按键返回刚才的参数，重新设定。其他参数类型的设置，同理。参数设置期间，如果你超过了1分钟不按任何键的话，仪器将自动退出参数设定。4.1控制温度禽舍目标温度：xx.x，设置的禽舍预期温度。注意：本机很多差值类参

14、数，都是与此设定值的差值。目标温度温差：x.x，禽舍实际温度低于禽舍目标温度，且相差值大于此温差值时，禽舍开始加热；禽舍实际温度高于禽舍目标温度，且相差值大于此温差值时，禽舍开始加热。例如：禽舍目标温度为30.5，目标温度温差是0.3，则禽舍温度达到30.8时，禽舍停止加热；当禽舍温度达到30.1时，禽舍加热开始。时控温度：xx.x，设置的禽舍预期最低温度，当禽舍实际温度大于此值时，最小风机组会按照设定的最小通风间隔时间和最小通风运行时间进行工作，直到禽舍实际温度低于时控温度，最小风机组停止工作。例如：时控温度设置为26.5，当禽舍实际温度大于26.5时，最小风机组会按照设定的运行状态工作，直

15、到禽舍实际温度小于等于26.5时，最小风机组停止工作。具体的通风设置，请看4.3节通风设置。4.2温度超限报警低温报警温差：x.x，禽舍温度低于禽舍目标温度，且相差值大于此温差值时，蜂鸣器鸣响，报警喇叭鸣响，并在液晶屏幕上显示“低温报警”。高温报警温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度，且相差值大于等于此值时，蜂鸣器鸣响，报警喇叭鸣响，并在液晶屏幕上显示“高温报警”。4.3通风设置最小通风风机组：x。本仪器指定1-7个风机组中的某一个风机组作为最小通风风机组使用，用户可以自行设定。最小通风间隔时间：xx分xx秒，当禽舍温度低于目标温度，且差值小于风机组1长转温差时，风机组1作为最小通风风机组使

16、用，即停一会儿，转一会儿，停止的时间就是最小通风间隔时间，转动的时间就是最小通风运行时间。例如：禽舍目标温度为30.5，风机组1长转温差0.5，最小通风间隔时间为03分30秒，最小通风运行时间为01分20秒，则禽舍温度达到31.0时，风机组1长转（持续通风）；当禽舍温度低于31.0时，风机组1将停3分30秒转1分20秒，如此循环进行下去。最小通风运行时间：xx分xx秒，见最小通风间隔时间中的解析。风机组1的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组1长转（持续通风）。风机组2的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组2长转（持续通风）。风机

17、组3的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组3长转（持续通风）。风机组4的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组4长转（持续通风）。风机组5的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组5长转（持续通风）。风机组6的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组6长转（持续通风）。风机组7的长转温差：x.x，禽舍温度高于禽舍目标温度的值大于等于此值时，风机组7长转（持续通风）。4.4冷却设备设置冷却开始温度：xx.x，禽舍温度达到此值时，冷却设备进入循环运行模式，即转一会儿停一会儿。停止的

18、时间就是冷却间隔时间，转动的时间就是冷却运行时间，例如：冷却开始温度设为35.5，冷却间隔时间为10分30秒，冷却运行时间为04分20秒，则禽舍温度达到35.5时，冷却水泵运行4分20秒，停止10分30秒后再运行4分20秒，循环往复直到温度低于35.5结束。冷却间隔时间：xx分xx秒，见冷却开始温度中的解析。冷却运行时间：xx分xx秒，见冷却开始温度中的解析。4.5降温曲线设置上鸡首日温度：xx.x，上鸡第一天的禽舍目标温度，主要是用于曲线降温时的降温开始温度。饲养天数：xx日。此值只能设置为0或者1。若设为0，则取消曲线降温功能，也就是不再按照预设的降温阶段表每天自动更新禽舍目标温度。日龄可

19、调节。若设为1，开始曲线降温，每天自动降低禽舍目标温度，并将饲养日龄及禽舍目标温度显示到液晶屏第二行右侧。如果是很多天前上的鸡，将饲养天数设为1，启动降温曲线，将上鸡时刻设为上鸡当天的时刻。那么此后液晶屏上显示的饲养日龄是从上鸡当天算起的。上鸡时刻：年月日时分，xxxxxxxxxx，进鸡的准确时间，从左到右为年月日时分，每项占两位数字。曲线降温时每天自动更新日龄及目标温度时，都是以此时间开始的。饲养第1-9降温阶段：x天x.x，曲线降温各阶段的自动降温幅度表，最多允许设定9个阶段，每阶段最大的降温幅度为9.9。每阶段的降温幅度除以该阶段的天数，就是该阶段每天的降温幅度。把天数设为0，将取消该降

20、温阶段。举例：例如阶段1:7天2.2；阶段2:8天2.4；阶段3:7天2.0；阶段4:6天0.0；阶段5:7天2.2；阶段6:0天2.0；阶段7:6天2.0；阶段8:0天2.2；阶段9:7天2.2。此设置的阶段6和阶段8无效。第7阶段实际变成了第6阶段，第9阶段实际变成了第8阶段。对于第1阶段7天降2.2，前6天每天降0.3，第7天降0.4。第3阶段7天降2.0，前6天每天降0.3，第7天降0.2。阶段4,6天降0摄氏度，意思是这6天禽舍目标温度保持不变。曲线阶段天数结束后，若用户不重新设置降温曲线，则禽舍目标温度会一直保持为最后一阶段的最后一天的目标温度。注意: 降温阶段最长只能计数99天。

21、4.6时钟设置时钟年月日设定：xx年xx月xx日，时钟校准。时钟时分秒设定：xx时xx分xx秒，时钟校准。4.7锅炉设置关引风机炉温：xxx，炉温大于等于此值时，引风机关闭。引风机温差：xx，炉温低于关引风机炉温，且差值小于此温差，引风机开启。如：引风机炉温设为120，引风机温差设为20，则炉温达到120时引风机关闭，当炉温低到99时，引风机启动。开鼓风机1炉温：xxx，禽舍加热期间，炉温大于等于此值时，鼓风机1启动。鼓风机1炉温差：xx，炉温低于开鼓风机1炉温与此值之差，鼓风机1关闭。如：开鼓风机1炉温设为80，鼓风机1炉温差设为5，则炉温达到80时，鼓风机1运行，当炉温低到74时，鼓风机1

22、关闭。开鼓风机2炉温：xxx，禽舍加热期间，炉温大于等于此值时，鼓风机2启动。如果只有1个鼓风机时，此值应设大，如600。鼓风机2炉温差：xx，炉温低于开鼓风机2炉温与此值之差，鼓风机2关闭。强制降炉温温度：xxx，禽舍不需要加热时，如果炉温大于等于此值，鼓风机1运行，防止炉温过高造成锅炉损坏。不需要时可把此值设大，如900。降炉温温差：xx，降炉温时，炉温低于强制降炉温温度与此值之差，鼓风机1,2停止，降炉温结束。照明关闭时间：xx小时xx分，照明灯关闭的时间。本机照明灯采用定时控制方式，即停一段时间，亮一段时间（照明开启时间）。照明关闭时间：xx小时xx分，照明灯开启的时间。锅炉冬夏模式：

23、冬或夏，设为冬季模式时，不管禽舍是否需要加热，水温与炉温总保持在不低于设定值的下限。设为夏季模式时，只要禽舍不需要加热就关闭引风机。按+或-键进行转换。4.8舍温探头选择及各测温探头温度校正操作口令：8543。输入8543后按“确认”键，进入用户加密参数设定。舍温探头选择：针对相应的探头选择“是”或者“否”。选择“是”表示使用该探头，选择“否”表示不使用该探头。对于正常工作的探头，其温度显示为实测温度；对于不能正常工作或者未使用的探头，其温度显示为0。注意：在使用2个室内温度传感器探头时，如果其中一个坏了，控制器会将它自动舍弃，并读取那个好的传感器数值继续工作，同时将损坏探头的温度数显示位0。

24、舍温探头1-2校正：x.x，如果禽舍温度探头的显示值高于标准温度此值为负，低于标准温度为正。例如：本机显示1号探头温度为25.6，而水银标准温度计指示的是25.2，那么1号探头的校正值就是-0.4。炉温探头校正：xx，方法同上。注意：本机所用探头均为高精度温度探头，一般不用校正，用户校正时一定要采用水银标准温度计，与探头放在一起，并至少40分钟以上，并在温度稳定时进行。4.9通风温差操作口令：8543，输入口令后，按“确认”键，进入此种设定。通风结束温差：x.x，风机组通风降温幅度，此值适用于除最小风机组之外的所有通风风机组。例如，设定风机组5长转温差为1.2，禽舍目标温度设为30，通风结束温

25、差设为0.3，当禽舍温度达到31.2是风机组5开始运转，当降温到30.8时，风机组5关闭。五、 实作设计结构分布式禽舍环境监测控制系统可以分为2层，第一层是环境信息采集和继电器控制层，第二层是环境信息显示层。第一层的控制芯片采用的是增强型的51微控制器，自带10位A/D转换功能和EEPROM存储功能，可以提供环境数据的实时保存，并提供报警功能，第二层中的控制单元采用HT66F70A，外接环境检测控制模块、时钟模块、报警模块，人机交互模块等；外加的锂电池充放电模块可以充当环境检测系统的后备电池，当有市电或者市电转化的稳压电源供电时，锂电池不给系统供电，当市电断电时，由锂电池给系统供电，便形成了双

26、电源供电系统。图2 系统方案设计框图图3 系统结构设计5.1基于HT66F70A的环境信息显示层的设计方案主控单元模块采用HT66F70A作为主控制器芯片。该芯片自带EEPROM，为断电时需要保护的数据提供了很好的保存方法；通过串口可以很好的和环境检测控制模块通信，对得到的环境数据信息进行处理、显示等并在出现紧急情况时报警。该层包括电源模块，按键模块，显示模块，报警模块，锂电池充放电模块。显示模块使用的是12864液晶与8段数码管共同显示。液晶屏上显示当前的时间，炉温的温度，禽舍内的目标温度等。在常规显示界面下，当按下“”键时，会显示禽舍内两个温度传感器的温度值。数码管显示的两个温度传感器温度

27、的平均值。按键模块可以设置系统的各项温度参数，这些参数设置好后会通过UART接口传递给环境信息采集和继电器控制层，从而控制相应的继电器打开或者关闭。图4 环境信息显示层的结构图5.2基于增强型51单片机的环境信息采集和继电器控制层的设计方案环境信息采集和继电器控制层采用STC12LE5A60S2芯片作为主控制器。主要是实现炉温节点、室温节点1、室温节点2等的温度采集以及根据设定的逻辑和阈值自动控制环境调控设备，将禽舍环境参数控制在设定的范围。图5 环境信息采集和继电器控制层设计结构测试炉温节点的传感器采用的是K型热电偶传感器，并配合以集成冷结温度补偿的精密热电偶放大器，使得传感器的温度测试范围

28、0到660，精确范围达到1。很好地适应了炉温测试温度范围广，测试精度较高的要求。测试室温节点的传感器采用的是PT100温度传感器，采用分压式的原理测得对应的电压，进而求得相对应的电阻，然后根据传感器的电阻与温度对照表，求得相应的温度。测温的范围从0到100，精确范围达到0.1。以上两种传感器都是模拟传感器，通过利用STC12LE5A60S2芯片内部集成的10位A/D转换器，从而得到相应的数字量，进而得到相应的温度。5.5软件结构的设计方案分布式禽舍环境监测控制系统的软件设计流程图，图6 软件设计流程图图7 多机通信从机中断服务程序流程图5.5系统的创新点1. 分布式禽舍环境监测控制系统设计了自

29、动降温曲线设置，无需人工每天设置禽目标舍温度，很好地节省了大量的人力，物力等，为规模化的养殖提供了很好的解决方案。2.本系统设计了一种锂电池充放电的电路结构，为系统提供了双电源供电，并提供了断电报警功能，使得养殖户及时的发现问题，避免造成严重的损失。3.采用了PT100和K型热电偶温度传感器，使得温度测量的精度很高，很好地满足了实际养殖过程中用户对温度的敏感性要求。六、 参考文献1 钟翔,李刚,张桂英等.无线传感器网络技术及其在畜禽舍环境监控中的应用J.中国家禽,2012,34(22):41-43.2 Cole G W. The Application of Control Systems T

30、heory to the Analysis of Ventilated Animal Housing Environments J. Trans of the ASAE, 1980, 23(2):431-436. 3 Proudfoot F G, Hulan H W. Interrelationship among Lighting, Ambient Temperature, and Dietary Energy and Broiler Chicken Performance J. Poultry Science, 1997,66:1744-1749.4 朱伟兴,毛罕平,李萍萍等.智能温室群集散控制系统设计研究J.农业工程学报,1999,15(4):162-166.5 杨军, 乔晓军, 王成. 基于专家系统的禽舍环境监控系统设计J.农机化研究，2007,06:163-166,169.6 吴援明,唐军. 模拟电路分析与设计基础M.科学出版社,1999.7 胡广书.数字信号处理:理论、算法与实现M. 北京：清华大学出版社，2002.-12-