楊正君，高麗偉

（ 1.杰輝空調(diào)設(shè)備有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025 ）

1.引言

在孵蛋的過(guò)程中，溫度和濕度對(duì)胚胎的發(fā)育至關(guān)重要，同時(shí)還要保證良好的通風(fēng)換氣，以保障胚胎能夠得到充足的氧氣，為了避免胚胎與蛋膜的粘連，還要定期進(jìn)行翻蛋操作。本系統(tǒng)針對(duì)孵化要求設(shè)計(jì)出利用單片機(jī)作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器，在孵化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、控濕、翻蛋、通風(fēng)、超溫濕報(bào)警，采用 GPRS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，減輕人員負(fù)擔(dān)，提高孵化率。

2.系統(tǒng)組成模塊

本系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器DS18B20 和數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10 采集溫濕度，通過(guò)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)當(dāng)前溫濕度值和用戶通過(guò)鍵盤控制電路或者 GPRS 遠(yuǎn)程控制預(yù)設(shè)的溫濕度上下限值和預(yù)置值控制風(fēng)扇和電熱絲的啟動(dòng)和停止，以便于對(duì)孵化器的溫濕度環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)作出調(diào)整，達(dá)到預(yù)設(shè)溫濕度狀態(tài)。當(dāng)超過(guò)一定溫濕度范圍，系統(tǒng)將信號(hào)通過(guò) GPRS 發(fā)給監(jiān)控人員，可以實(shí)現(xiàn)集中實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)可以替代人工控制孵化箱溫濕度和翻蛋，減輕人員負(fù)擔(dān)，有效提高孵化率。

孵化器控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 孵化機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

3.總體電路與工作說(shuō)明

采用C8051F340 單片機(jī)作為系統(tǒng)測(cè)控單元，以鍵盤或者通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控作為系統(tǒng)的人機(jī)控制，通過(guò)DS18B20 和SHT10 測(cè)量分散在不同地點(diǎn)的孵化機(jī)內(nèi)部溫濕度，實(shí)時(shí)通過(guò)PWM 方式來(lái)控制風(fēng)機(jī)對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)控制，并實(shí)時(shí)將當(dāng)前溫濕度和翻蛋情況數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 發(fā)給監(jiān)控人員，其中GPRS 控制器通過(guò)RS232 串口與控制器連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

總體電路如圖2 所示。

圖2 總體電路圖

4.數(shù)據(jù)采集模塊

4.1.溫度采集模塊

溫度對(duì)于孵化率有很大的影響，孵化要求溫度控制精度±0.3℃，機(jī)內(nèi)各點(diǎn)溫差不大于 0.3℃，為控制精度和各點(diǎn)溫差，需要使用多塊精度高且通信接口較少的溫度傳感器。DS18B20 固有測(cè)溫分辨率為0.5℃，且采用獨(dú)特的一線通信技術(shù)，可以將多個(gè)器件掛在一線上。因?yàn)橐痪€通信接口，因此對(duì)時(shí)序有很高的要求，為了保證時(shí)序，需要做精確的延時(shí)。測(cè)溫必須先完成ROM 設(shè)定，然后通過(guò)其提供的功能命令，首先讀ROM， 在程序中可以通過(guò)搜索ROM，ROM 匹配這些指令操作選定掛在一線上多個(gè)器件中某一個(gè)器件[1]。

4.2.濕度采集模塊

高濕會(huì)影響尿囊液的排除，造成幼雛毛過(guò)長(zhǎng)，大肚皮，顯得笨重遲鈍；低濕會(huì)使蛋內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)多，造成幼雛體小毛短。因此需要精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸和穩(wěn)定性好的濕度傳感器。SHT10 應(yīng)用專利的工業(yè) COMS工程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性且該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。在使用時(shí)應(yīng)選擇CRC 校驗(yàn)，以保證I2C 通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可靠性。不加CRC 校驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)溫度、濕度讀數(shù)異常現(xiàn)象；增加了 CRC 校驗(yàn)后，受干擾的數(shù)據(jù)將會(huì)被剔除，不會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。所以本系統(tǒng)選擇 CRC 校驗(yàn)，提高了抗干擾能力，防止溫度、濕度異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)[2]。

5.控制模塊

5.1.風(fēng)機(jī)控制模塊

在孵化機(jī)的左右兩側(cè)上方各設(shè)有一排通風(fēng)口，該通風(fēng)口不但能夠通風(fēng)換氣降溫，而且還起著調(diào)節(jié)上下溫差以及控制濕度的作用。良好的通風(fēng)條件能夠提供給胚胎足夠的氧氣，同時(shí)排除二氧化碳，以保證胚胎的氣體代謝和生理功能的進(jìn)行。孵化機(jī)的上部有個(gè)排風(fēng)扇，我們可以對(duì)采集到的溫濕度和預(yù)設(shè)的溫濕度進(jìn)行對(duì)比分析和控制，通過(guò)設(shè)置它的啟停個(gè)數(shù)以及時(shí)間控制通風(fēng)換氣的周期和換氣時(shí)間。通過(guò)OUT0 口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM 脈沖，改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率變化，從而改變負(fù)載電機(jī)速度，控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速[3]。

5.2.電熱絲和加熱器控制模塊

溫濕度控制電路是從溫度傳感器和濕度傳感器中獲得溫度值和濕度值，根據(jù)溫濕度值控制加熱器和電熱絲的啟動(dòng)和停止，以便于對(duì)孵化器的環(huán)境作出相應(yīng)調(diào)整。本系統(tǒng)的加熱器系統(tǒng)采用兩個(gè)不同功率的電熱絲組合而成，一個(gè)為主加熱器，一個(gè)為輔加熱器；加濕器只用了一個(gè)電熱絲對(duì)水進(jìn)行加熱，增加孵化箱內(nèi)濕度。本系統(tǒng)通過(guò)光耦將加熱強(qiáng)電電路與單片機(jī)控制電路隔離，防止其干擾單片機(jī)的工作。使用繼電器功率驅(qū)動(dòng)電路，將小電流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為大電流驅(qū)動(dòng)，使電熱絲在220v 電壓下工作。

5.3.翻蛋模塊

為定時(shí)地對(duì)盛放蛋的蛋架翻動(dòng)一下，避免蛋發(fā)生粘連等問(wèn)題。這里選用L298 這款高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)后面的直流電機(jī)，進(jìn)而控制翻蛋架的旋轉(zhuǎn)。為了保持翻轉(zhuǎn)角度的精確控制，選用了限位開關(guān)來(lái)控制。其中OUT1 和OUT2 控制翻轉(zhuǎn)的方向，配合限位開關(guān)控制翻轉(zhuǎn)的角度大小。

5.4.鍵盤和顯示模塊

根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)變量，包括溫度上下限值、濕度設(shè)定值，以保證系統(tǒng)可以工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中工作。系統(tǒng)會(huì)顯示從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的顯示信息，比如溫度值、濕度值、溫度上下限值等，給用戶一個(gè)直觀的顯示，以便于控制系統(tǒng)根據(jù)顯示信息做出相應(yīng)操作。

5.5.GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

系統(tǒng)帶有自檢功能，當(dāng)加熱設(shè)備或者風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，或者溫度超過(guò)預(yù)設(shè)最高上限或者低于最低下限，故障信號(hào)將通過(guò)GPRS 發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控人員，及時(shí)處理，提高孵化率，減少損失。GPRS 通過(guò)RS232 串口與系統(tǒng)控制器連接，GPRS 模塊采用一款整合了GSM與GPRS 通信技術(shù)的模塊EM310。GPRS 模塊上電后，進(jìn)行撥號(hào)連接。連接成功后，GPRS 模塊發(fā)送TCP 連接請(qǐng)求，在收到數(shù)據(jù)中心的響應(yīng)后，認(rèn)為握手連接成功，并通過(guò)心跳保持技術(shù)，保持永久在線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊、監(jiān)測(cè)與控制[4]。

6.遠(yuǎn)程孵化機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

溫濕度系統(tǒng)是一種非線性的、滯后的、時(shí)變系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，孵化系統(tǒng)對(duì)溫度濕度的控制精度要求較高。尤其是溫度，微小的溫度變化都會(huì)顯著影響孵化時(shí)間和孵化率?？刂破魍ㄟ^(guò)不間斷檢測(cè)孵化機(jī)內(nèi)的溫度、濕度及有關(guān)信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制風(fēng)機(jī)和加熱設(shè)備工作，若發(fā)現(xiàn)異常，控制單元能輸出報(bào)警信號(hào)并通過(guò)GPRS 發(fā)送相關(guān)信息。通過(guò)GPRS 以一種短消息的方式將此信息發(fā)送給總控中心，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集工作，從而實(shí)現(xiàn)集中管理和監(jiān)控，達(dá)到無(wú)人值守的目的。

系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

7.總結(jié)

本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)孵化機(jī)控制方法進(jìn)行了深入研究，結(jié)合孵化機(jī)自身特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境，提出了一套基于 GPRS 傳輸模塊，通過(guò)遠(yuǎn)程、集中的方式對(duì)分散的孵化機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，極大限度地節(jié)省勞動(dòng)力，同時(shí)提高孵化率，具有很高的研究?jī)r(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

[1] 吳亮.DS18B20 型數(shù)字溫度傳感器在煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2005，（10）.

[2] 張艷麗，張勇.基于SHT11 的溫濕度控制器[J].自動(dòng)測(cè)量與控制，2007，（05）.

[3] 鄭憲偉，趙玉林.基于 AVR 單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī) PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2008，（01）.

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