XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЦИФРОВОЙ ИНКУБАТОР – ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в связи с ростом населения планеты Земля возрастает и потребность в большем количестве продовольствия, в том числе и мяса птицы, таких как курица, гусь, утка, индейка, перепела и других.
В естественных условиях, например, курица может за один раз вывести только до 15 цыплят, так как большее количество просто не вместится в гнездо. Возникла необходимость искусственного вывода цыплят. Человек придумал прибор под названием инкубатор (от латинского incubo, здесь – высиживаю птенцов [4]). Инкубатор – это прибор обеспечивающий поддержание в замкнутом пространстве определенной температуры и влажности воздуха, необходимой для зарождения и развития цыпленка в яйце.
Способы искусственной инкубации уходят своими корнями в далекую историю древности. Есть сведения, что еще в Древнем Египте, Китае за полторы тысячи лет до нового летоисчисления знали способы искусственного инкубирования яиц [4]. Тогда они были простыми и не очень эффективными. Например, температура поддерживалась за счет сжигания соломы, а влажность воздуха за счет испарения воды, находящейся в помещении инкубатора. Зачастую из-за нарушения режима инкубирования, например, при перегреве или охлаждении яйца, происходил сбой в развитии эмбриона цыпленка, и он погибал в яйце, так и не вылупившись.
Похожие на современные методы инкубации появились только тогда, когда началось использование электричества в 20 веке.
Мы предположили, что если собрать инкубатор в домашних условиях и обеспечить в нем нужную температуру, влажность воздуха, переворот яиц, то можно вывести цыплят курицы.
Мы определили объект исследования – цифровой инкубатор, а предмет исследования – технология изготовления цифрового инкубатора.
Целью нашего исследования стало создание цифрового автоматического инкубатора для вывода цыплят в домашних условиях. При этом, участие человека в процессе вывода цыплят должно быть минимальным, так как время сейчас является одним из ценных человеческих ресурсов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить литературу по данной теме;
- изучить условия необходимые для выведения яиц в домашних условиях;
- изготовить инкубатор с числовым программным управлением, обеспечивающим полностью автоматическое управление процесса выведения цыплят;
- провести закладку яиц в инкубатор;
- следить за параметрами, необходимыми для вывода цыплят.
В ходе выполнения проекта была изучена литература и источники информации в интернете, такие как Википедия, авторские статьи птицеводов, разных производителей инкубаторов.
2. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ИНКУБАЦИИ
Процесс инкубации – это естественный процесс развития яйцекладущих животных (птиц, земноводных, пресмыкающихся, ящериц, и т.п. представителей животного мира) от кладки яиц, икры и/или спор, до появления выводка, протекающий при определенных температурных и иных климатических условиях или искусственно созданной человеком среде [4]. Для каждого вида животных процесс инкубации различен и зависит от многих факторов, таких как температурный режим, влажность воздуха, а также некоторые химические особенности среды инкубации.
Для примера рассмотрим процесс инкубации куриного яйца.
Яйцо имеет сложное строение. В центре яйца расположен желток, на поверхности которого находится зародыш будущего цыпленка. В желтке содержится запас питательных веществ, необходимых для его роста и развития. Тонкая кожистая оболочка и белок яйца предохраняют зародыш от ударов о стенки яйца – скорлупу. На тупом конце яйца есть небольшое место для воздуха. Скорлупа яйца вся пронизана мельчайшими дырочками – порами. Через них во время развития зародыша постепенно испаряется белок. На его место поступает свежий воздух [1].
Если яйцо поместить в тепло, например, под курицу – наседку или в инкубатор, то зародыш разовьется в крохотного цыпленка. Проклюнув скорлупу, цыпленок выбирается из яйца [1].
Нормальная температура для развития зародышей в пределах 37,5 – 38 градусов С. Оптимальной считается 37,8 С, а к окончанию выклева температуру снижают до 37С [2].
Необходимо поддерживать относительную влажность воздуха 52 – 55% [2].
Время проведения вывода цыпленка курицы составляет 21 день. Формирование эмбриона в яйце проходит в несколько этапов:
1 этап: 1 – 7 день – в это время происходит формирование зародыша. Температуру необходимо поддерживать 38 градусов тепла при влажности воздуха 60 %.
2 этап: 7 – 11 дней – в это время у птенца начинает формироваться скелет. Температуру необходимо поддерживать 37,6 градусов тепла при влажности воздуха 45 %.
3 этап: 12 – 20 дней – окончательный этап формирования птенца. Температуру необходимо поддерживать 37,5 градусов тепла при влажности воздуха 80 %. Два раза в день необходимо проветривать инкубатор – его открывают на 10-15 минут. В естественных условиях курица отлучается от гнезда для потребления пищи и воды.
Этапы развития цыпленка по дням изображены в Приложении I.
Также в период от 1 до 19 дня необходимо обеспечить поворот яйца более 4-х раз в сутки – это позволяет уменьшить вероятность прироста зародыша к стенке яйца, причем угол поворота должен быть не меньше 45С. Начиная с 18-го дня инкубации, яйца уже не переворачивают, иначе возможны смещения и травмы, которые приводят к гибели и уродствам цыплят [2]. В естественных условиях курица сама периодически переворачивает яйца в гнезде [2]
На 21 день – происходит наклев и вылупление цыплят в инкубаторе. Нужно дождаться пока все птенцы вылупятся и обсохнут. До этого камеру инкубатора открывать нельзя – всех птенцов нужно забирать одновременно. Обычно процесс вылупления цыплят заканчивается в течение суток. На этом процесс инкубации в домашних условиях считается завершенным.
3. СОЗДАНИЕ ИНКУБАТОРА
Для вывода цыплят в домашних условиях мы разработали свой инкубатор, работающий от электричества. Уже успешно вывели кур несушек, кур бройлеров и индюшат. Это очень выгодно, т.к. при стоимости яйца в 50 рублей стоимость мяса взрослой птицы достигает до 600 рублей. Кроме того, ежедневно куры несут яйца.
Прежде чем приступили к изготовлению икубатора, перед нами стала проблема:
- во многих домашних икубаторах вода доливается в ванночку в ручную, по мере ее испаренияя. Для этого нужно постоянно следить за водой и необходимо присутствие человека, можно вовремя забыть залить воду тем самым снизить уровень влажности. Снижение уровня владжности может привести к гибели зародышей цыплят в яйце, особенно на последней стадии развития птенцов, так как высокая влажность нужна для размягчения скорлупы яйца, при этом цыпленку будет легче проклюнутся. Для этого нужно предусмотреть автоматический залив воды в лоток и с обеспечением необходимого запаса воды;
- иногда отключают электричество и инкубатор перестает обогревать яйца, в последствии зародыши птенцов гибнут. Необходимо предусмотреть резервный источник питания (автомобильный аккумулятор на 12 В) с возможностью автоматического перехода на него при отключении электричества. Также нужно минимизировать в этом процессе присутствие человека;
- чтобы осуществлять периодический поворот лотка с яйцами (каждые 2-ва часа), необходимо находится дома, что не удобно. Необходимо предусмотреть автоматический поворот лотка.
- сделать простой и понятный в управлении, который под силу освоить даже людям старшего возраста незнакомыми с компьютерами, смартфонами и другой популярной электронной техникой.
Инкубатор состоит из следующих частей:
Корпус с крышкой (Приложение II).
Корпус должен быть теплым для сохранения тепла. Выполнили из строительного материала – сэндвич - панели с пенопластом. Крышка корпуса имеет смотровое окно, внутри инкубатора встроена лампочка для подсветки, что позволяет контролировать процессы внутри инкубатора. На левой стенке инкубатора имеется снизу вентиляционное отверстие диаметром 20 мм для поддержания нормального содержания кислорода в воздухе внутри инкубатора. Несоблюдение этого требования может привести к появлению большого числа задохликов [3].
2. Лоток для яиц (Приложение III).
При изучении литературы были рассмотрены разные виды механизмов переворота яйца. В основном в инкубаторах используются следующие способы:
1. С помощью ручного метода. Основной недостаток данного метода в необходимости присутствия человека в процессе.
2. С помощью вращающихся валиков с шероховатой поверхностью, при вращении которых за счет силы трения происходит переворот яиц, расположенных поверх валиков. Недостатком данного метода является то, что данная конструкция более сложная в исполнении и дорогостоящая, а также часто яйцо проскальзывает и недостаточно переворачивается из-за попадания влажности на ролик.
3. С помощью горизонтально расположенного лотка с сеткой, с переворачиванием его относительно горизонтальной оси на 45 градусов в одну и в другую сторону. Данный метод также имеет недостаток в том, что после поворота, верхняя часть лотка с яйцами нагревается больше, чем нижняя. То есть происходит не равномерный обогрев яйца.
В своем инкубаторе мы решили использовать третий способ. Изготовили из деревянной рамки и металлической сетки лоток. Сетка используется для того, чтобы лоток мог хорошо проветриваться для поступления кислорода к яйцам. Данный лоток позволяет заложить до 78 куриных яиц.
Поворот лотка осуществляется с помощью встроенного в инкубатор мотор - редуктора. Мотор-редуктор – это электропривод, совмещающий в одном корпусе электродвигатель и редуктор (состоит из зубчатых шестеренок). Лоток одной стороной надевается на ось, другой стороной на вал мотор - редуктора.
Проблему неравномерного прогрева решили с помощью размещения в инкубаторе вентилятора для интенсивного перемешивания нагретого воздуха (Приложение IV).
На вентиляторе установлены металлические спирали из нихромовой проволоки (нагреватели), к которым подается ток и напряжение 12 В, на спирали дует вентилятор, тем самым обеспечивает требуемую температуру в инкубаторе. Изменение температуры регулируется подаваемой силой тока. Чем больше ток, тем больше нагрев, и наоборот.
3. Датчики (Приложение V).
Контроль за температурой и влажностью в инкубаторе осуществляется с помощью следующих датчиков:
- датчика температуры с точностью показания 0,1 градус;
- датчика влажности с точностью показания 1 процент.
При работающем инкубаторе показания с датчиков постоянно передаются на контроллер управления (электронная схема управления), в котором с помощью программы выполняется управление следующими механизмами инкубатора:
- нагревательными элементами для поддержания требуемой температуры в инкубаторе;
- вентилятором для увлажнения воздуха.
Без данных датчиков изготовление автоматического инкубатора было бы не возможным.
4. Ванночка для воды с вентилятором (Приложение VI).
При выборе механизма увлажнения были рассмотрены различные способы:
1. С помощью системы распыления воды через форсунку. Данный способ требует установки дополнительного электрического оборудования (компрессора) что ведет к удорожанию инкубатора и дополнительному расходу электроэнергии.
2. С помощью нагрева воды и её испарения. Данный способ требует размещения нагревательного элемента непосредственно в ванночке с водой, что повышает риск поражение человека электрическим током. Кроме того, при данном методе выделяется дополнительное тепло, в связи с чем, регулировать температуру в инкубаторе становится сложней
3. С помощью размещения ванночки с водой в инкубаторе, за счет которой происходит естественное испарение воды. Данный метод также имеет недостаток в том, что испарение воды происходит медленно и не всегда в достаточном объеме для достижения требуемого уровня влажности.
В нашем инкубаторе мы решили использовать третий способ. Для увеличения процесса испарения воды мы решили над ванночкой с водой расположить дополнительный вентилятор. Если необходимо влажность снизить, вентилятор автоматически отключается программой.
Вода в ванночку поступает по трубке из другой емкости. Для того чтобы вода в ванночке не переливалась, используется поплавковый клапан. Поплавковый клапан – несложная конструкция устройства, позволяющего контролировать уровень воды в емкости. По мере поступления воды поплавок устройства поднимается на поверхности воды и в определенный момент перекрывает доступ воды с помощью клапана.
5. Провод с клеммами для подсоединения к аккумулятору (Приложение VII).
Для того, чтобы при отключении электричества инкубатор продолжал работать есть возможность подключить к инкубатору аккумуляторную батарею. Аккумулятор подключается с помощью контактов «крокодилов». Он позволит обеспечить стабильную работу инкубатора до 20 часов. Переключение инкубатора на аккумулятор выполняется автоматически.
Аккумулятор – это химический источник тока (накопительная батарея) многоразового действия, который может быть заряжен после разряда.
6. Панель управления с контроллером.
Одна из самых главных частей автоматического инкубатора это его схема управления, можно сказать «мозги». Для того чтобы инкубатор работал и выполнял все свои функции, необходимо было разработать техническое задание. Техническое задание включало в себя описание параметров работы инкубатора: диапазон регулирования температуры (от 35 до 40 градусов Цельсия с шагом регулировки 0,1 градус);
диапазон регулирования влажности воздуха (от 45 до 85 % относительной влажности с шагом регулировки 1%), интервал времени переворота лотка (от 30 до 390 минут с шагом регулировки 30 мин), а также звуковой сигнализации.
Для разработки электронной схемы и компьютерной программы мы обратились к опытным профессионалам, которые выполнили работу в соответствии с нашим техническим заданием.
В итоге получился «умный» автоматический инкубатор, способный вывести цыплят из яиц с соблюдением всех режимов работы, почти без участия человека.
Панель управления инкубатора состоит из 2-х цифровых индикаторов, кнопок для управления, и 3-х индикаторов лампочек, показывающих состояние процесса инкубации (Приложение VIII).
Первый цифровой индикатор показывает температуру воздуха в инкубаторе. Второй цифровой индикатор показывает влажность воздуха в инкубаторе.
Кнопка управления для программирования позволяет выбирать требуемые параметры инкубации – температуру, влажность, количество поворотов лотка, границы по отклонению температуры, при которых срабатывает звуковая сигнализация
Кнопки и ОК позволяют задать требуемое цифровое значение, на которые должен выйти при работе инкубатор.
Кнопка для поворота лотка позволяет включать и отключать режим автоматического поворота, а также управлять наклоном лотка в ручном режиме. Лоток может поворачиваться как в одну, так и в другую сторону на 45 градусов.
Индикатор со значком аккумулятора позволяет контролировать работу от аккумулятора. Например, если значок мигает зелёным цветом, то инкубатор работает от аккумулятора, если горит красным цветом, то аккумулятор разрядился.
Для удобства пользованием инкубатором мы изготовили инструкцию (Приложение IX). Теперь данным инкубатором сможет пользоваться наша бабушка.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
После сборки нашего инкубатора и подключения всех необходимых узлов, мы провели его испытание. В инкубатор было заложено 48 яиц курицы-несушки. Подготовили дневник наблюдения на 21 день, по которому устанавливали каждый день требуемую температуру, влажность, частоту переворота лотка. В итоге мы получили следующий результат: - вывод цыплят начался на 21 день, как и положено; - из 48 яиц вылупилось 39 цыплят, 6 яиц оказались не оплодотворенными, поэтому эмбрионы цыплят в них не зародились, в 3-х яйцах цыплята погибли на разных стадиях развития (Приложение X). Цыплята погибают обычно, если даже соблюдены все режимы работы инкубатора, когда используется не качественное (старое) яйцо.
Считаем наш эксперимент удачным. Результаты можно посмотреть в приложении XI. Данная работа мне позволила изучить процесс вывода птенцов из яйца, разобраться, как устроен инкубатор и что нужно для его эффективной работы. Участие в данном проекте научило меня находить и отбирать нужную информацию из разных источников, вести наблюдение за ходом эксперимента, а также анализировать полученные результаты. В ходе работы над проектом мы пришли к выводу, что выведение птиц в домашних условиях дело очень хлопотное, но возможное, при условии соблюдения всех условий: инкубатор с системой электрообогрева, системой увлажнения, системой вентиляции, контроль температуры и влажности, своевременное переворачивание яиц, наблюдение за яйцами. Что такой процесс как вывод птенцов из яиц можно значительно облегчить, если его по максимуму автоматизировать.
В заключении можно сказать, что использование в сельском хозяйстве автоматизированных приборов существенно облегчает труд человека, позволяет обеспечивать население продуктами в требуемых объемах. Наука не стоит на месте, человек периодически придумывает новые способы автоматизации процессов труда, новые методы производства продукции, в том числе возможно в будущем процесс инкубации яиц будет еще проще и эффективней.
5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бессарабов Б.Ф. Инкубация яиц сельскохозяйственной птицы: Учебное пособие. / Б.Ф. Бессарабов – СПб.: Издательство «Лань», 2015. - 160 с.
2. Википедия: свободная энциклопедия / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Egg_incubation.
3. Зипер А.Ф. Инкубаторы. Режимы инкубации. Типы инкубаторов. Отбор яиц / А.Ф. Зипер, Н.Н. – М.: ООО «Издательство АСТ»; Донецк: «Сталкер», 2003. – 110.
4. Школа инкубаторостроения Минифермер / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://minifermer.org/page_47.html.
5. Щербатов В.И. Инкубация яиц сельскохозяйственной птицы: монография / В.И. Щербаков, Л.И. Смирнова, О.В. Щербатов - Краснодар: КубГАУ, 2015. – 184 с.
Приложение I
Этапы развития цыпленка по дням в яйце
Приложение II
Корпус инкубатора с крышкой
Приложение III
Лоток для яиц
Приложение IV
Вентилятор с нагревательными элементами
Приложение V
Датчики температуры и влажности
Приложение VI
Емкости для воды, поплавковый клапан, вентилятор для увлажнения
Приложение VIII
Клеммы и аккумулятор
Приложение VIII
Панель управления инкубатора
Приложение IX
Инструкция по использованию инкубатора
Приложение X
Числовые результаты
Приложение XI
Результаты вывода яиц в инкубаторе