摘 要：本设计是对养鸡舍的研究。鉴于目前养鸡行业的现状，通过现有合适的物联网技术设计了一个基于AT89S51单片机的智能养鸡舍管理系统。与传统的养鸡舍相比，基于AT89S51单片机的智能鸡舍管理系统具有较好的防范干扰的能力，可以通过不同部位的传感器采集不同的参数，配合监控和报警系统，确定鸡舍的环境问题和相应的处理方式，同时构建一个更全面的管理系统，为未来的技术扩展提供接口。
关键词：养鸡舍、单片机、传感器、智能
1 引言
1.1智能化产品的概述
在国外，X和欧洲在智能产品领域一直占据主导地位，英国和X等国家是最早开始进行智能设计研究的。20世纪80年代，智能产品的产业链已经形成，通过在传统产品上增加存储和通信功能来实现智能化操控。目前，智能产品已经不仅仅局限于某个行业，而且逐渐扩展到到智能家居、智能机器人等领域。以智能养鸡舍为例子：人工智能、信息通信等新兴先进技术的发展，使智能养鸡舍在鸡禽的饲养中成为现实。国内和国外禽类生产的实践表 明：通过监测鸡舍的空气质量，温度湿度等关键参数，使鸡舍的整体环境更适应鸡群的生长需要，来提高蛋鸡的产蛋量和蛋鸡的健康质量。随着智能饲养技术和电子信息技术的快速发展，家禽生产中的关键设备也在快速发展，使监控平台能够控制每个农场的情况，并对生产和农场运作的绩效进行监控、管理和促进。
1.2选题的目的和意义
伴随着中国畜牧业的快速发展，养殖行业进行了大幅度变革。传统的养殖行业面临着许多问题，由于天气的原因可能会导致鸡舍内部的温度差会变大，从而影响鸡的健康。由于养殖规模的扩大，所需的人力也会增加，饲养人为的浪费也会大大增加。并且人为的饲养会导致饲养的粮食数量不一，鸡也会存在吃得太多，或者不够吃的情况， 从而产生一些不必要的疾病。并且鸡的喂养，粪便等都要需要人为进行操作处理。而智能养鸡舍的出现缓解了以上问题。智能养鸡舍受欢迎的主要原因是解决了传统养鸡舍的体力劳动造成的人力上过于劳累的问题。智能养鸡舍则环境可控，可以使鸡生活在最舒适的环境里，而且可以做到集约化，标准化。同时，可以减少生产所需的人力，由于饲养设备的先进性，饲养人为的浪费也就大大减少，从而提高生产效率的同时降低了饲养成本。而且智能养鸡舍还有环境比较隔绝，外界影响小，疾病好控制等优点。智能养鸡舍的研究成为了解决传统养殖行业需求的重要发展方向。
2 系统总体设计
2.1整体方案设计
该系统主要采取模拟器设计，主要选用传感器、单片机、时钟。其系统组成主要包括一下几部分：自动饲养机，自动清粪机，鸡舍的温度湿度控制，鸡舍的光线控制和鸡舍的氨气检测。传感器数据采集模块由5个模块组成， 用于清粪的处理、温度和湿度检测、氨气检测和光照检测。鸡舍的环境控制方式可分为手动和自动两种形式。在手动模式下，风扇、空调、照明、粪便处理等可以通过饲养员手动调控；在自动模式下，控制器控制设备，无需人工干预。具体如图1所示
图1 系统总体设计框图2.2 单片机介绍
AT89S51是一个低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有4000字节的只读系统内可编程（ISP）程序存储器，可被擦除1千次，为许多嵌入式控制系统提供了一个较为经济的解决办法。AT89S51单片机具有128个字节的RAM（随机存取存储器），32个外部双向输入输出端口，还有5个中断槽，2个优先级，两个16位可编程定时器计数器，两个全双工串行通信端口，一个时钟定时器（WDT），以及一个片上时钟振荡器。此外，AT89S51被设计和配置为在0赫兹振荡，并可通过软件设置为省电模式。在睡眠模式下，处理器停止工作，而RAM定时器计数器、串行端口和外部中断系统继续工作。关机模式冻结振荡器并保存RAM数据，暂停其他芯片功能，直到外部中断被启用或硬件被复位。该芯片还提供PDIP、TQFP和PLCC封装，以满足各种产品的需要。
AT89S51单片机引脚介绍
① 主 要 电 源VCC（针脚40）：连接到+5V电源。GND（针脚20）。接地终端 XTAL1（针脚19）：振荡器输入XTAL2（针脚18）：振荡器电路输出。
③控制引脚（4个引脚）。
RST (Pin9): 复位引脚，在2个机器周期内的高电平引脚可复位微控制器。ALE/PROG（针脚30）：地址锁定使能信号。
PSEN (Pin29): 外 部 存 储 器 的 读 取 选 择 信 号 。EA（针脚31）：内部和外部程序存储器选择，连接低电平从外部程序存储器读取指令，连接高电平从内部程序
存储器读取指令。
可编程I/O引脚（32个引脚）。 STC89C52RC微控制器有四组8位的可编程I/O端口，分别是P0、P1、P2和P3，每个端口有8位（8个引脚），总共有32个引脚。
端口P0（引脚39至引脚32）：8位双向I/O线，命名为P0.0至P0.7。端口P1（Pin1至Pin8）：8位准双向I/O线，名为P1.0至P1.7。
端口P2（Pin21至Pin28）：8位准双向I/O线，P2.0至P2.7。 端口P3（Pin10~Pin17）：名为P3.0~P3.7的8位准双向I/O线。工作频率35Mhz，可选择6T/12T。
图2 AT89S51 DIP封装图
2.3传感器的选择
E18-D8ONK是一种接受和发射于一体的光电传感器，其发射出的光可以被调制，接收端则可调节反射的光功率，更有利于传感器接收光照。该传感器具有以下特点：可检测距离，对可见光干扰小，成本低，安装方便，操作简单等。DS18B20温度传感器：DS18B20是一种数字温度传感器，DS18B20具有以下特点：体积小、精度高、负荷低等特点。DS18B20数字温度传感器线路连接简单，封装后使用在各种场合，如管道、穿线、磁力吸附、不锈钢封装等，图案多样，可根据应用情况而改变其外观。2.3.3 DHT11是一个温度和湿度组合传感器，包括一个校准的数字输出。它采用特殊的数字模块采集和温湿度检测技术，提供极高的可靠性和出色的长期稳定性。DHT11数字温湿度传感器具有以下特点：质量优异，反应超快，抗扰能力强，性价比高。其性能和原理图如下。
传感器性能说明图
DHT11数字温湿度传感器原理图
TSL2561光-数转换传感器是一种高速、低功耗、宽范围、可编程和灵活的数字亮度转换芯片，可用于广泛的屏幕监控应用，以确保在不断变化的照明条件下实现最佳的屏幕亮度并降低功耗；它还可用于控制街道照明、安全照明和许多其他应用。其具有6LEAD ChipSCALE和6LEAD TMB包装。TSL2561具有以下特点与功能：体积小、功耗少、可编程定时控制、具有50/60Hz自动调光的波动性、可设置光照强度的上下限。TSL2561传感器引脚分布引脚1：电源引脚，工作电压范围为2.7至3.5V。
引脚2：用于选择访问设备地址的引脚。引脚3：信号地，工作电压在2.7和3.5 V之间。引脚4：I2C或SMBus的时钟信号线和数据线。
引脚5：用于选择接入电压
TSL2561光-数字传感器引脚图
TSL2561传感器电路图
TSL2561传感器实物图
MQ137气体传感器：MQ137气体传感器使用的气敏材料是SnO，对氨气非常敏感，其具有很低的导电性。当传感器的环境中存在氨气时，传感器的电导率会随着空气中氨气浓度的增加而增加。MQ137具有以下特点：成本低，寿命长，控制方案简单，对氨的检测灵敏度高。
MQ137气体传感器模块图
图3 MQ137传感器基本电路
MQ137传感器实物图3硬件设计
3.1 自动饲料模块
传统的喂养方法包括手工喂养和管式喂养，这两种方法有其缺点，如工作量大、饲料容易被污染、饲料分布不均匀，而管式喂养则存在管子堵塞和饲料残留等问题。饲喂要可靠，易于管理，面积小，质量和数量高，保证相同的饲喂条件，饲料损失要低，饲料不易被污染等。在这些具体要求的基础上，自动饲喂系统逐渐出现，但目前的自动饲喂系统的设备使用起来过于繁琐，而且设备在养殖场内占用了很大的面积，给养殖场和饲喂者带来了困难，影响了工作的效率，增加了养殖场的成本。为了开发可直接销售的产品并合理优化空间，设计了一个基于分层蛋鸡场的自动喂养系统。梯形设计使喂食器可以同时喂食几个料斗，梯形设计大大减少了喂食器的尺寸，可以有效减少农场的设备面积。可以避免饲料的不均匀分配和浪费。阶梯式蛋鸡喂养自动化设备是国内外大规模、集约化、自动化蛋鸡喂养的首选。全自动化管理大大减少了操作人员的数量，降低了劳动强度，提高了生产力。
阶梯式自动饲料机的设计：电机1安装在笼形支撑架上，电机1的输出端与齿轮2的齿轮相连，齿轮2的输出轴与齿轮3相连，送料小车上的齿轮带动齿轮3进行驱动。
阶梯式自动饲料机设计图
阶梯式自动饲料机实物图
饲料车的结构设计：通过阶梯式的方式使多个特殊的投料槽连接在一起，通过这种方式，小车可以同时运行几个料槽，而驱动装置可以让小车连续向这些料槽注料。本研究中设计的饲料车可以有效地减少饲料者的工作量。均匀地对各个饲料槽进行投料，避免饲料分配不均和浪费的不良现象，同时阶梯式的设计可以更好地保质保量，提升了鸡舍的卫生，减少了各种疫情的发生，保证了蛋鸡养殖场生产的质量。
料槽的设计：在实践中发现，如果在运动开始前的喂料阶段，只有最上层的料斗装满小车，底层就没有料可 落，造成喂料不均匀；如果在运动开始前，三层料斗同时装满小车，一开始就有大量的饲料留在料斗里，造成大量的损失。因此，从一开始就必须开发出一种机制，以实现同时卸货、同时操作手推车和均匀分配饲料。考虑到建筑成本和大规模进料的实用性，设计将采用拉出式钢板结构，结构简单，生产和维护成本低。在料槽的顶部和末端， 在料槽开口和料槽底部之间的距离高度，安装了一个与料槽开口大小相等的平台的拉出式钢片，目的是当料槽移动到位置时，钢片会堵住料槽开口，饲料不会再溢出。这种机制的优点是成本低廉，易于维护。饲料车的设计和实物如下图。
饲料车与阶梯式料槽设计图
饲料车实物图
饲料车的速度调节装置设计
饲料车按设定的速度、出料口按设定的大小均匀的下料，每次下料的量相同，但因鸡的周龄不同而导致采食量的变化，不得不对下料的量做一定的调整，通过试验分析可以通过变频器调节三相电动机的输出转速实现调节下料的量。具体实施方法是三相电先接入变频器的输入端，从变频器的输出端出来的三相电接入电动机，只要在变频器的操作面板上操作就可以实现电动机的变速。
阶梯式自动送料模块的操作：首先，在起始位置每个饲料车都连接一个饲料输送管，当饲料员启动送料开关， 送料管自动向料槽内添加饲料，当所有料槽都装满时，饲料添加停止，同时，饲料车启动按钮被启动，电动机正转并带动饲料车匀速前进，当饲料车到达鸡笼的末端的时候触发安装在此处的行程开关，之后电机又会出现正转，如此反复。
3.2 自动清粪模块
目前，中国家禽养殖场的粪便清理方法主要有人工清理、传送带清理，刮粪机清理。根据调查，现在大部分的养鸡场自动清粪代替了传统的人工清理。相比刮粪机清理，传送带清理占多数。而且传送带清理的效率较高，并且能更好的减轻饲养人员的压力，更好的减轻鸡舍内氨气的含量。本模块的设计在传统传送带的设计基础上，结合了E18-D8ONK光电传感器检测技术，对粪便进行自动化式的清理，实现鸡粪的快速、及时、有效处理，有效的减轻了人员的压力。
传送带清粪机总体包括机械和控制两部分。机械部分主要依靠电动机驱动，使滚筒转动带动传送带，从而实现清理的目的。并且传送带的另一面装有漆刷，滚筒下面装有刮刀。同时，在粪便收集室安装了一个警报器。该系统的工作原理如下：当鸡粪落在传送带上并积累到一定量时，传送带发生变形，形成一个U形面，当U形面的底部覆盖E18-D8ONK光电传感器的光束时，传感器产生一个电信号，触发电机启动。粪便在输送带下被输送到清洁辊上，更多的牵引物被下面的刷子和刮刀清洁，鸡粪从粪车出口处被收集，当设定的娄车鸡娄达到最大时间时，控制器会定期检查电机运行时间，提醒外面的养殖人员做好鸡粪收集。整体设计符合自动控制的要求，以实现鸡粪的高效清理。
输送带托辊和支架的建造：普通的传送带滚筒会使传送带表面过于平坦，无法收集干燥的化肥，导致化肥掉到地上。为了解决这个问题，我们将在支架上设计一个角度约为5°的V型槽，使两组滚筒对称地分布在传送带的两侧。当鸡粪落到传送带上时，传送带呈现U型，鸡粪向中心滑落，从而便于收集干燥的鸡粪，防止鸡粪粘附。这种反复的变形不仅有利于粪便的收集和清理，还能减少粪便的粘性，延长其使用寿命。输送带的横截面原理如图1所示。
图1传送带U型横截面图下载原图
注:1传送带2鸡粪3.斜支撑辊:4三角架3.3 温度检测模块
养鸡舍通常采用笼子进行养殖，养殖舍内鸡笼一般分为3层或者4层，每层笼子之间的高度约为50 cm。由于鸡笼的高度不一样，其每层所处的温度也有其差别，不同位置的鸡笼温差很大，因此，需要改变三维传感器的位置来确定鸡舍的温度。因此，我们使用具有3个终端的DS18B20温度传感器来确定鸡舍的温度，温度范围为50℃至120℃。最重要的是，DS18B20有一个独特的单线接口，这在市场上是独一无二的。可以将测温结果与芯片一起跟踪回微机，同时跟踪地址信号。对于多维温度系统，MCU返回值可以准确定位温度地址。单个机器可以通过恢复温度和地址含义来更好地控制所在区域的风扇和空调。
3.4 湿度检测模块
鸡舍的湿度检查基本上决定了鸡舍的空气含水量。 此设计使用 DHT11 数字热湿传感器作为复合物来检测温带的湿度共3个引脚，其中只有1个是数据传输指标，所以只有1个输入/输出。DHT11的湿度量程在5%～95% RH。鸡舍的湿度将要管控在20%～60% RH，如果鸡舍内的空气含水量超出预先设置的阈值时，传感器则会检测到，会通过控制装置打开鸡舍内的排风扇或者风扇，从而降低鸡舍内的湿度。如果鸡舍内的空气含水量小于预先设置的阈值，则会通过传感器控制鸡舍内的洒水装置来调节鸡舍内的湿度。
3.5 光照强度检测模块
由于蛋鸡鸡对光照特别敏感，光照时间和强度的变化对蛋鸡生长、产蛋和性成熟有很大影响，这对产蛋鸡群有很大影响，特别是对产蛋率有很大影响。因此，合理的光照强度和时间可以间接促进母鸡的采食和休息，从而促进其生长和发育。TSL2561传感器是由TAOS数字光强转换芯片开发的，它将光强转换为数字输出信号。TSL2561传感器具有速度快、范围广、可编程等优点。鸡舍内的光照强弱程度检测则通过TSL2561传感器来检测的，当凌晨或者傍晚的时候鸡舍内的光线比较暗，到达一定的设置阈值时，传感器则会检测到，会通过控制装置打开鸡舍内的灯泡，从而使鸡舍内的光线达到正常水准。相反，当白天阳光充足，鸡舍内的光线超过设置的阈值时，则会关闭灯泡。通常鸡舍内的灯泡装置会连接时钟模块进行定时智能操控。
3.6氨气检测模块
氨气（NH3）对鸡具有已下危害：（1）会造成氧气运输功能受损：例如：氨气会使呼吸道粘膜上皮损坏，当氨气进入肺部时，与体内血红蛋白结合，使氧气运输功能受到损坏，降低鸡的抗病能力。 (2) 造成呼吸频率降低：当鸡舍内的氨气含量达到20ppm，并持续6周以上就会造成蛋鸡呼吸困难从而出现少数蛋鸡致死的情况。如果达50ppm，数日后蛋鸡发生支气管炎，喉头水肿等症状，从而造成蛋鸡呼吸不顺畅并出现死亡。（3）会造成蛋鸡产蛋量下降如果一只蛋鸡在50-80ppm的环境中饲养两个月，产蛋水平将下降9%；如果一只蛋鸡在100ppm的环境中饲养10周，那么产蛋水平将从81%下降到68%；即使鸡回到正常环境中，也需要12周才能恢复正常时期的生产水平。因此科学的降低鸡舍内的氨气浓度有利于鸡的生长、发育、产蛋等。为了确定氨气浓度，我们使用MQ137传感器。MQ137 传感器不仅对氨非常敏感，而且对各种含氨气体也非常敏感，因此它是一种低成本的传感器，适用于广泛的应用。它可以有效地防止鸡舍内有害气体的中毒，而且MQ137传感器对有害气体灵敏度较为明显，其特点是对氨气的灵敏度高，陈本低，驱动电路简单等，可以在很大程度上防止有害气体对鸡或畜禽养殖户造成的可能性，所以我们的鸡舍这才决定在鸡舍内使用这种传感器。一旦安装了氨气传感器，当鸡舍内的氨气含量超过设定的限度时，MQ137传感器它就会检测到，并发出声音警报，并会打开鸡舍内的排风扇装置，将多余的氨气排出鸡舍，从而保持鸡舍内的良好环境。MQ137基本电路如图3所示。
3.7 蜂鸣器
系统采用蜂鸣器来实现声音报警如果单片机通过温度、湿度、氨气和光传感器检测到鸡舍内的环境不符合标准，就会发出声音警报；如果符合标准，就不会发出警报。我们将把蜂鸣器连接到一个三极管上，其基极与AT89S51 单片机的P0.5脚相连。当P0.5引脚上有高电平时，蜂鸣器就能发出蜂鸣声。蜂鸣器的控制电路如图6所示。
图6 蜂鸣器的驱动电路原理图3.8 DS1302时钟模块
DS1302是XDALLAS公司生产的高性能、低功率、实时RAM时钟芯片。它提供年、月、日、周、小时、分钟和秒的读数，并有闰年偏移，工作电压为2.0至5.5V。它使用3线接口与处理器进行同步通信，可以使用顺序模式同时传输多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31 x 8的RAM寄存器，用于临时数据存储。DS1302是DS1202的增强版，与DS1202兼容，但增加了两个主/电源引脚和可变备用电源能力。原理图：
(1) 实时时钟能够计算秒、分、小时、日期和其他数据，并能设定闰年。
(2) 31个8位RAM存储器用于临时数据存储。
(3) 一系列的I/O端口被安排在一起，以便有更少的引脚。
(4）时钟读写有两种方式：单字节传输和多字节传输相结合。
(5)TTL输出有效信号为低电平。
(6) 使用寿命长，稳定性可靠。(7) 快速响应的恢复特性。
4软件设计
4.1系统开发环境
本设计软件部分主要实现以下功能：自动清粪检测，温度湿度检测，氨气检测，光照检测。用户可以使用C语言来编写代码进而通过Keil软件进行该部分软件的设计，而且Keil软件是一款应用于单片机程序编写的软件。本设计主要是采用Keil 4这个版本来进行程序的编写。
4.2 系统程序流程图设计
本设计以AT89S51单片机为核心，该系统包括自动饲养模块，自动清粪模块，氨气检测模块，温度、湿度检测模块，光照检测模块。自动饲养这一模块人为操控机器进行实现饲养，自动清粪这一模块主要通过E18-D8ONK传感器进行控制反馈，当传送带上的粪便积攒到一定量使传送带呈现u形并触碰到传感器的光束时，传感器会产生电信号，此时电机进行运转。氨气检测模块则采用MQ137气体传感器进行检测，当鸡舍内的氨气浓度到达20PPM时，传感器检测气体浓度超标，排气扇打开。温度、湿度检测模块则分别采用DS18B20传感器和DHT11数字温湿度传感器，当温度和湿度分别达到其设置的上下阈值时，传感器会向单片机发送信号，此时风扇，排风扇和空调会相应的工作。光照检测模块通过TSL2561光-数字转换传感器进行调控，光照的强度达到预先设置的阈值时会进行灯泡的关开，并通过DS1302时钟模块进行灯光的定时开启或关闭。
5结论
基于AT89S51单片机设计的智能养鸡舍通过温度传感器，湿度传感器，氨气传感器，光照传感器来进行数据的检测，在检测到鸡舍内部环境处于异常状态时，及时的进行相应的调节，从而使鸡舍环境处于一个理想的状态。但是，由于本人的知识储备不够多，再加上实际操作中的一些小瑕疵，该智能养鸡舍还有较多需要提高的地方。
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谢 辞
行文至此，稿已将成，也就意味着大学生涯即将结束。始于2018年秋，终于2023年夏，四年光阴如烟火，目之所及，满眼繁华，点点生活，皆是回忆。
桃李不言，下自成蹊。首先要感谢我的毕业设计指导老师邓广福老师，从本文的选题到设计及修改后的定稿， 每一步都离不开老师的悉心点拨与指导。同时还要感谢辅导员老师及能源与机械学院的全体老师在我大学四年给我生活和学习上的帮助。得遇良师，何其有幸，师恩难忘，铭记于心。
同窗数载，知己难求。我要感谢在大学期间陪我走到最后的室友，还有猛男干饭组。我们来自天南海北，但我们相聚与此，皆是缘分。
父母之爱子，姐姐之爱弟，则为之计深远。感谢父母姐姐二十余载对我无微不至的照顾和关心，不求回报的付出与给予，给我在求学路上巨大的支持，是我最强大的靠山。
文末搁笔，仅以寥寥拙笔，简述心头之感，言辞有尽，情谊依旧。祝各位前程似锦，功不唐捐！
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