毕业设计（论文）-小型孵化箱温湿度控制系统.doc

山山 东东 科科 技技 大大 学学 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题目 ：小型孵化箱温湿度控制系统 学 院 名 称 电气与自动化工程学院 专 业 班级 自动化 11-1 学 生 姓名 学 号 指 导 教 师 日 期 2015 年 6 月 17 日 山东科技大学学士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 全套设计加扣 3012250582 孵化设备是模拟自然界的孵化环境，为胚胎发育提供适宜的条件，用 于家禽种蛋孵化的一种仿生学应用。当前孵化设备温度和湿度的控制精度 不高，价格昂贵，孵化管理效率不高。基于以上原因，本文设计了基于单 片 STC89C51 的智能孵化箱温湿度测控系统，该系统主要有数字主控单元、 孵化箱、加热器、加湿器、传感器、电机、风扇等单元构成。数字主控单 元主要有按键显示模块、温度湿度采集模块、输出控制等模块构成。 温湿度传感器 SHT10 采集孵化箱内的温湿度并进过一系列转化计算 传送给单片机，单片机与预设值比较，然后通过光电耦合器 TLP521 和功 率驱动芯片 ULN2803AG 以及继电器等组成的输出控制部分电路来控制孵 化箱加温或减温、加湿或减湿，通风等来实现要求达到的孵化条件。另外 按键显示模块为用户提供了人机交互的通道，用户可以通过键盘输入预先 需要设定的参数，比如温度湿度值等。LCD 显示模块能够显示实时检测的 温度和湿度。报警系统当温度湿度超过报警值之后产生报警。 硬件系统设计完成后，在此基础上运用 C 语言编写了单片机驱动硬件 的程序，并运用 PROTEUS 仿真软件进行了仿真，做了简单的实物试验， 证明该设计能达到基本的设计要求且成本低廉，适合小型孵化控制的需求。 山东科技大学学士学位论文 摘要 II 最后对所设计的进行了总结反思，讨论了该设计的不足之处和今后的改进 方向，为此类设计今后系统性能的进一步提高奠定了基础。 关键词: 孵化箱；单片机；温湿度控制 山东科技大学学士学位论文 摘要 III Abstract Incubation equipment is a bionic application for poultry breeder eggs hatch, to simulate the hatching environment of nature, providing the suitable conditions for embryonic development. Now the temperature and humidity controlling accuracy of the incubation equipment is not high, which is expensive with poor efficiency incubator management. For these many reasons, this paper designed a temperature and humidity measurement and control system for the intelligent incubator based on microcontroller STC89C51, which mainly includes the digital master control unit, incubator, heater, humidifier, sensor, motor, fan and other units. Digital master control unit mainly consists of keys display module, temperature humidity acquisition module, output control modules, etc. The temperature and humidity collected by the temperature and humidity sensor SHT10 in the hand in a series of transformation calculation is transmitted to MCU. MCU compared it with preset value, and then through the output of the photoelectric coupler TLP521 and power drive chip ULN2803AG and relay controls part of the circuit to control the incubator of heating or cooling, humidification or dehumidification, ventilation, etc, to realize the required incubation conditions. Besides the key display module provides users with human-computer interaction, in which users can through the keyboard input parameters needed to be set in advance, such as the upper limit of temperature humidity and so on. The LCD display module can display real-time detection of temperature and humidity. Alarm system works when the temperature and humidity exceed the upper limits. After the hardware system designed, on the basis of it the MCU driving 山东科技大学学士学位论文 摘要 IV hardware program is written by the C language. And using the PROTEUS simulation software simulations were made, a simple test done, proving that the design can meet the basic design requirements with low cost, suitable for medium small hatch control requirements. Finally the reflection on the design was summarized. And the deficiencies of the work and the future improvement direction were discussed, laying a solid foundation for this kind of design to improve the performance of the system in the future. Keywords: incubator,；microcontroller,；temperature and humidity 山东科技大学学士学位论文 目录 V 目录目录 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 目录目录.IV 1 绪论绪论 .1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 国内外研究进展.1 1.3 设计目标.3 2 系统方案选择系统方案选择 .5 2.1 总体方案.5 2.2 单片机的选择.6 2.3 传感器信号检测电路.7 2.4 显示电路的选择.8 2.5 键盘电路的选择.9 3 硬件系统设计硬件系统设计 .10 3.1 单片机系统.10 3.2 温湿度传感器及检测电路.11 3.3 显示电路.14 3.4 键盘电路.16 山东科技大学学士学位论文 目录 VI 3.5 报警及指示电路.17 3.6 输出控制电路.18 4 软件系统设计软件系统设计 .23 4.1 主程序.23 4.2 温度湿度采集程序.26 4.3 LCD 显示程序.29 4.4 键盘扫描程序.32 4.5 系统输出控制程序.36 5 系统仿真与调试系统仿真与调试 .39 5.1 系统软件调试与仿真.39 5.2 系统综合调试.44 结结 论论 .46 致致 谢谢 .47 参考文献参考文献 .48 附录附录 .49 附录 1：原理图.49 附录 2：仿真.50 附录 3：英文文献.51 附录 4：参考程序.71 山东科技大学学士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景及意义及意义 随着生活水平的提高，人们对物质生活的要求越来越高，尤其是日用 饮食，与前几十年相比，有了明显的改善。鸡肉、鸡蛋以其营养价值高、 价格便宜等优点，始终是人们日常生活中不可缺少的农产品。为了能够生 产出高质量的鸡肉，在养殖过程中对种蛋的选择以及种蛋孵化过程中的各 种影响因素提出了更高的要求，不仅要保证禽蛋的出雏率，还要保证健雏 率1 。 据了解，目前大多养殖场所使用的孵化设备控温、控湿精度不高，不 能满足孵化过程中的要求，使得出雏率和健雏率较低，经济效益受到较大 的影响，而且很多孵化设备价格昂贵，孵化管理效率不高。 随着我国加入 WTO，养殖业与世界接轨，竞争将会更加激烈。竞争 的结果，必将使养殖业沿着产业化、规模化的方向发展，而与之相配套的 孵化设备必将迎来新的挑战和机遇2。作为一个复杂的生物学过程，适当 地控制孵化温湿度，家禽孵化既能提高出雏率，而又能提高雏禽质量。在 孵化期间，如果湿度不适或者温度过高会增加死亡率，所以需要设计一种 能实现温湿度感应，温湿度控制的智能孵化机来满足市场，因此,该毕业设 计非常有实际意义。 1.2 国内外研究进展国内外研究进展 1.2.1 国外研究发展状况国外研究发展状况 孵化设备是养禽业的重要技术设备，它是根据家禽孵化的生物学原理， 利用经济合理的工程手段，创造孵化及出雏的人工控制生态环境的种仿生 山东科技大学学士学位论文 绪论 2 设备。 国外孵化机制造业起步较早，其特色是设计科学化、机型多样化、规 格标准化、部件通用化、电脑自控化。辅助仪器、设备、工具系列化，而 且用材考究，制造工艺精致，操作安全简便，运作程序完善，其装演与质 量都堪称上乘。 国际著名的孵化机厂家和公司有美国“鸡王”孵化器公司、比利时“皮特 森”公司、加拿大的“詹姆斯威”公司、荷兰“派司雷风”公司、丹麦的“富基” 公司、澳大利亚的“哈利森”公司等。据国际家禽杂志不完全统计，世 界各国较有规模孵化机制造厂约 350 家。荷兰“派司雷风”公司己有 10 多 年的历史3。部分公司的产品己经具备网络化和无线通信化的功能。人们 可以通过上位机监控孵化设备的运行，也可以通过 Internet 远程访问孵化 箱甚至修改控制参数。 1.2.2 国内研究发展状况国内研究发展状况 我国孵化设备的相比国外制造起步较晚。1980 年以前，只有少数鸡场 从日本引进少量的设备，并仿制了部分产品，谈不上有设计能力。80 年代 初期北京市平谷电子机械厂生产出了云峰牌孵化机，对当时养禽业有很大 的促进，同时北京西山孵化设备厂等也开始从事专业的孵化设备生产。80 年代末至 90 年代初期，养禽业有了极大的发展，国内孵化设备己不能满 足需要，于是大型鸡场开始大量从国外引进先进的孵化设备。这一来，对 我国孵化设备的研制产生了深远的影响，许多生产厂家从中吸收先进技术 改进自己的设计，设计水平有了很大程度的提高4。目前我国己经形成了 具有一定规模的有关孵化机设计和制造的专业队伍据。典型的产品主要有: “依爱”牌数显孵化机、汉显智能箱体孵化机、FT 系列微控孵化出雏机等。 这些设备，部分已经具有模糊控制技术，液晶显示，触摸屏等。吉林大学 郁筝采用薄膜铂电阻作为温度传感器，HS 系列电容作为湿度传感器设计 山东科技大学学士学位论文 绪论 3 了基于现场总线的孵化控制系统，将工控中的现场总线思想运用到孵化控 制中来，取得了一定的成果5。长春理工大学侯满宏采用模拟温度传感器 AD590 和 HS 系列湿度传感器以及 89C51 单片机设计了单孵化箱的控制系 统。 1.2.3 发展趋势发展趋势 随着生活水平的提高，养殖行业的不断发展，孵化场向大型化方向发 展趋势越来越明显。因此新一代的孵化设备应该向着人性化、智能化、网 络化、高可靠性和节能型的方向发展，以下是孵化设备的发展趋势: 1.控制精度越来越高。由于新型传感器向智能化、数字化、标准化发 展，使的孵化机的控制效果也会更加精确。 2.计算机网络技术的迅速发展使得远程控制得以实现，人们可以通过 互联网在远程监控和管理孵化设备，而且一个人可以同时监控管理多个多 地孵化设备，省时省力6。 3.将专家系统的引入孵化箱控制系统。引入孵化专家系统能够有效的 减轻孵化人员的负担，降低孵化过程的难度，减少孵化过程中可能出现的 错误，改善孵化效果等7。 1.3 设计目标设计目标 1.3.1 系统的主要技术指标系统的主要技术指标 根据施温方案得到本系统设计的主要参数如下: 1. 控温范围:36.5-38.5 2. 控湿范围:50%-80%RH 3. 温度显示分辨率:0.1 4湿度显示精度:5%RH 山东科技大学学士学位论文 绪论 4 1.3.2 系统的关键设计系统的关键设计 本系统的关键设计主要包括硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路 包括温湿度度检测电路、温度控制电路、湿度控制电路 数据显示电路， 键盘接口电路、报警指示电路。软件程序设计主要是单片机驱动硬件程序 及控制程序。 1.3.3 系统设计的主要内容系统设计的主要内容 第 1 章绪论主要介绍了课题背景研究意义，国内外情况及其发展和设 计目标。第 2 章主要介绍了系统的方案选择，包括单片机的选择、传感器 的选择、显示电路的选择和键盘电路的选择。第 3 章主要介绍了硬件系统 的设计，主要有单片机系统的设计，温度传感器及检测电路的设计，显示 电路按键电路设计和输出控制电路等五部分设计。第 4 章主要介绍了软件 系统设计，主要介绍了主程序和温度采集、LCD 显示、键盘扫描、输出控 制等子程序。第 5 章主要介绍了系统的仿真和实物调试。最后对本次设计 进行了总结和展望。 山东科技大学学士学位论文 方案选择 5 2 系统方案选择系统方案选择 2.1 总体方案总体方案 因为胚胎发育所需要的条件有温度、湿度、通风、翻蛋、凉蛋等。所 以本系统以孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，通过加热系统、 加湿系统、通风风扇等执行机构作为控制手段来达到设计目标。系统总体 框图如下图 3-1 所示： 孵化箱 现场 温度 现场 湿度 传感器信号采集电路 单片机 报警指 示电路 转换放大驱动电路 键盘显示 电路 增温系 统 增湿系 统 风门系 统 控制孵化箱 图 2-1 系统总体结构框图 本设计是以单片机为核心、外围电路做辅助的单片微型计算机控制系 统。系统工作过程是:单片机依据编写好的程序和温湿度探头采样的温湿度 信号进行数据处理与运算，根据需要发出驱动信号，实现增温、增湿、通 山东科技大学学士学位论文 方案选择 6 风等孵化控制功能。它最核心的部分是温湿度控制模块，另外还有传感器 检测电路、驱动电路、键盘接口、LCD 数码显示等模块。最终该系统可以 实现对温度、湿度、时间进行实时监测与控制功能：当温度、湿度低于设 定值以下时，系统自动启动加温、加湿。当温度、湿度上升到设定值以上 时，停止加温、加湿；当温度、湿度高于设定报警值时，系统自动启动风 扇降温、排湿，使温度下降、湿度降低，并且蜂鸣器产生报警指示灯点亮。 1602 液晶显示器即时显示温度、湿度、设定的温度、湿度值。 2.2 单片机的选择单片机的选择 在现今市场上，单片机的生产厂商很多、单片机的类型也很多。对于 本孵化箱控制系统，进行单片机选型应该遵循的原则或要求主要是: 1.选择的单片机必须有较好的稳定性。这是因为在孵化箱这样的环境 中存在有很多的干扰。 2.选择的单片机必须具有丰富的片上外围设备，因为这样可以简化电 路的设计，也可以让电路的调试更加容易。 3.选择的单片机要有方便的调试功能，单片机生产厂商要提供免费的 调试软件，使单片机程序大部分能够在 PC 机上仿真出来而且无误;而且， 单片机程序语言要多样化，要既可以用单片机汇编语言也可以用 C 语言编 写程序。 4.选择的单片机功耗要低，由于设计的通用智能终端长期在环境现场 工作，为了节能，应选择功耗低的单片机 目前最常用的两种单片机是 AT89C51 系列单片机和 STC89C51 系列 单片机。STC89C51 系列单片机的指令系统和 AT89C51 系列的完全兼容， 但实际操作起来却存在很多问题： （1）AT89C51 不带 ISP 下载，要用下载器才行，STC89C52 可以用 山东科技大学学士学位论文 方案选择 7 你的 USB 转串口下载，下载软件可以到 STC 厂家网上去下。 （2）STC 单片机执行指令的速度很快，大约是 AT 的 3-30 倍，尽管 快是好事，但这样一来，你在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用，最 典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用 STC 时注意得加长延时， 大约是 AT 的 1030 倍就差不多。 （3）STC 单片机对工作环境的要求比较低，电压低于 5 伏时仍然正 常工作，甚至 3 伏到 4 伏之间都还可以工作，然而这样的环境下 AT 肯定 不行了，所以当一个系统用 STC 单片机好用，但用 AT 的单片机不工作时， 直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。 综上我选择用 STC89C52 芯片完成。 2.3 传感器信号检测电路传感器信号检测电路 方案一：采用独立的温度和湿度传感器 1)温度传感器的选择 温度传感器的有很多的选择，常用的有热敏电阻，温度传感器铂电阻 Pt1000，模拟温度传感器 AD590K，数字温度传感器 DS18B20。热敏电阻 精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差； AD590K 具有较高精度和重复性但其测量的值需要经过运算放大、模数 转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难8。 2）湿度传感器的选择 常用湿敏传感器可采用 H0S-201，这是一种高湿度开关传感器，它的 工作电压为 1v 以下，频率为 50HZ1KHZ。可测量相对湿度范围在 0%100%RH,工作温度范围为 050。 方案二：采用一体化的温度湿度传感器 选用 SHT10 作为设计的温湿度检测模块。SHTIO 测湿精度 山东科技大学学士学位论文 方案选择 8 4.5%RH，测温精度0.5（25）,测湿量程 0100%RH,测温量程- 40123.8。满足设计要求。 经上述分析，方案一稍显复杂。方案二既能满足设计要求且简便易行。 由于本系统采用的 SHT10 本身自带 A/D 转换模块，能将检测的温度湿度 值直接传送单片机，然后由单片机控制将温湿度值通过液晶显示屏显示出 来，并将每次读入的数据与上限做比较，以决定是否调用报警和启动调湿 调温装置。 2.4 显示电路的选择显示电路的选择 电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管显示和 LCD 液晶显 示。 方案一：采用数码管显示 数码管显示的数据内容比较直观，可以显示从 0 到 9 中的任意一个数 字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数 比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的 位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制，并 且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的 扩展受到了限制。 方案二：采用液晶屏显示 液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根 据自己的需求，显示自己所需要的，甚至是自己动手设计的图案。当需要 显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完 成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计 比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。 字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之 山东科技大学学士学位论文 方案选择 9 一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。 本设计为使得电路设计简单且显示内容丰富直观，因此选用方案二液 晶屏做显示设备。 2.5 键盘电路的选择键盘电路的选择 由于需要对温度湿度的上限进行设定，因此需要使用按键。 方案一：使用独立式键盘。独立式键盘是指直接用 I/O 口线构成的单 个按键电路。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 方案二：使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位 于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端，其特点是 简单且不增加成本，这种按键适合按键数较多的场合。 根据以上的论述， 因本系统需要的按键不多，共需四个按键，第一 个设定的温度值加 0.1，第二个设定的温度值减 0.1，第三个设定的湿 度值加 1%，第四个设定的湿度值减 1%，要求简单。所以采用方案一独立 式键盘即直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，这样电路配置灵活，软件 结构简单。 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 10 3 硬件系统设计硬件系统设计 3.1 单片机系统单片机系统 3.1.1 STC89C52 单片机概述单片机概述 STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片 机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼 容传统8051,但速度快812倍，内部集成MAX810专用复位电路9。 3.1.2 STC89C52 单片机特点单片机特点 工作电压： 5.5V - 3.5V（5V单片机） ； 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的 080MHz； 用户应用程序空间 4K/8K/16k/32K/64K字节； 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过 120mA； 3.1.3 单片机控制系统电路单片机控制系统电路 单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组 成。 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 11 图 3-1 单片机控制系统电路原理图 如图3-1所示，单片机的RST引脚接复位电路，单片机的 XTAL1、XTAL2引脚接晶振电路。单片机P3口的P3.0、P3.1、P3.2、 P3.3 接键盘电路，控制温度、湿度上限值的输入。单片机P2口的 P2.0、P2.1、P2.2、 P2.3接输出控制电路，以实现加热、加湿、通风功能。 单片机的P0口分别接LCD1602的数据引脚。单片机P2口的 P2.4、P2.5、P2.6接LCD1602使能信号，读写选择，数据命令选择引脚。 单片机的P1.6、P1.7接SHT10测温测湿模块。单片机的P1.0,P1.1接温度、 湿度报警指示电路。单片机的P1.2、P1.3、P1.4接温度、湿度、风门工作 指示灯电路。 3.2 温湿度传感器及检测电路温湿度传感器及检测电路 3.2.1 传感器性能说明传感器性能说明 现代传感器在原理与结构上千差万别，所以在根据具体的测量目的、 测量对象以及测量环境合理地选择好系统所用的传感器后，要了解其工作 原理，特点和使用注意事项。如图 3-2 为 SHT10 的内部框图，表 3-1 为 SHT10 的测量量程和精度。 信号放大电路 测温元件 测湿元件 14位bit A/D 串行通信 接口及CRC 发生器 OTP校验存储单元SCK DATA GND VCC 图 3-2 SHT10 内部框图 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 12 表 3-1 SHT1O 测量量程和精度 SHT10量程精度 测量温度 -40-123.80.5（25） 测量湿度0-100% RH4.5%RH 3.2.2 SHT10 简介及电路模块简介及电路模块 1. SHT10的特点 SHT10的主要特点如下： 相对湿度和温度的测量兼有露点输出； 全部校准，数字输出； 接口简单（2-wire）,响应速度快； 超低功耗，自动休眠； 出色的长期稳定性； 超小体积（表面贴装） ； 测湿精度4.5%RH，测温精度0.5（25） 。 2. SHT10 实物图及原理图 如图 3-3,3-4 分别为 SHT10 的实物图和原理图 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 13 图 3-3 SHT10 实物图 图 3-4 SHT10 原理图 3. 温湿度采集电路原理图 图 3-5 温湿度采集电路原理 如图 3-5 所示为温度、湿度采集电路原理图。SHT10 的供电电压为 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 14 2.4V5.5V，所以引脚 4 VDD 接 5v 电压，传感器上电后，要等待 11ms，从“休眠”状态恢复，在此期间不发送任何指令。引脚 1 GND 接地， 电源引脚（VDD 和 GND）之间可增加 1 个 100uF 的电容器，用于去耦滤 波。串行时钟输入（引脚 3 SCK）是 SHT1O 与单片机之间通信的同步时 钟，所以接单片机的 P1.7 口，串行数据（引脚 2 DATA）是 1 个三态门， 用于单片机与 SHT10 之间的数据传输，接单片机的 P1.7 口。DATA 的状 态在串行时钟 SCK 的下降沿之后发生改变，在 SCK 的上升沿有效。在数 据传输期间，当 SCK 为高电平时，DATA 数据线上必须保持稳定状态。 为避免数据发生冲突，单片机应该驱动 DATA 使其处于低电平状态，所以 外部接 1 个上拉电阻将信号拉至高电平。 3.3 显示电路显示电路 3.3.1 LCD1602 简介简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。本设计用长沙太 阳人电子有限公司的 1602 字符型液晶显示器实物如图 3-6，图 3-7 所示。 图 3-6 液晶显示屏正面 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 15 图 3-7 液晶显示屏背面 3.3.2 LCD1602 的基本参数的基本参数 LCD1602 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。 LCD1602 主要技术参数： 显示容量:162 个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 3.3.5 显示电路原理图显示电路原理图 如图 3-8 所示为 LCD1602 显示电路原理图。引脚 1 GND 接电源地， 引脚 2 VCC 接 5V 正电源，引脚 3 V0 为液晶显示器对比度调整端，接正 电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使 用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。引脚 4RS 接单片机 P2.4， 高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。引脚 5R/W 接单片 机 P2.5 口，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，因为不从液晶读 取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态， 即低电平。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电 平时可以写入数据。引脚 6 接单片机 P2.6 口，当 P2.6 口由高电平跳变成 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 16 低电平时，液晶模块执行命令。714 引脚 D0D7 接单片机的 P0 口， 接收来自单片机的信息。引脚 15 背光源正极接 VCC，为仿真直接加 5V 电压烧坏背光灯，在 15 脚串接一个 10 欧电阻用于限流。引脚 16 背光源 负极接 GND。 图 3-8 显示电路原理图 3.4 键盘电路键盘电路 3.4.1 按键电路按键电路 单片机上电运行后会提取单片机程序中设置的默认的温湿度参数，并 开始输出温湿度控制信号。在特殊情况下，可以根据需通过按键修改存默 认的温湿度参数值，所以对系统设计了按键电路。本系统采用的独立式键 盘设计，其接口电路如图 3-9 所示。 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 17 图 3-9 按键电路 本系统扩展 4 个用于修改系统参数的按键:S1、S2、S3、S4 分别为温 度设定值+0.1、-0.1的操作键、湿度设定值+1%RH 和一 1%RH 操作键。 4 个按键分别接至单片机外部中断口 P3.3,P3.2,P3.4,P3.5。当某个按键按下 时，输出低电平,单片机通过按键扫描程序扫描判断按键值并修改单片机相 应的温湿度目标参数。 3.4.2 复位电路复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU 和系统中的其 它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 图 3-10 复位电路 如图 3-10 所示，本次设计采用的复位方式是按键复位方式。单片机的 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 18 复位键接一个电容至 VCC 并在其两端并联按键与电阻串联的电路。在加 电瞬间，电容通过电阻充电，就在 RST 端出现一定时间的高电平，只要高 电平时间大于 10ms，就可以使 MCS-51 有效的复位。 3.5 报警及指示电路报警及指示电路 当温度和湿度超过报警值时，设定了报警指示电路，该电路可实现声 光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便价格低廉、智能化的 报警电路。 图 3-11 报警指示电路 如图 3-11 所示。该电路采用一个小功率的三极管（Q2）来驱动扬声 器（LS4） ，当单片机接收到超温信号或超湿信号时，P1.0 口输出低电平， Q2 导通，致使扬声器得电工作，发出报警声音。同时二极管（D5）导通 点亮，指示电路的工作状态。 3.6 输出控制电路输出控制电路 孵化箱内温湿度信号进入单片机，由程序作出处理并得到系统的温湿 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 19 度值。该值将与设定值进行比较运算，单片机根据运算结果对温湿度控制 设备进行控制。这是本系统的一个重要环节。本孵化箱控制系统有大量的 功能执行部件，这些功能执行部件包括大功率电热丝、搅热风扇电机、超 声波增湿器、风门驱动步进电机等。电热丝由于功率大，搅热风扇电机、 超声波增湿器、风门驱动步进电机在启动和关断时产生的干扰信号强，为 了有效的驱动和控制这些部件采用光电耦合隔离+达林顿管+继电器的驱动 方式来控制这些大功率模块。即单片机发出的控制信号先经过光耦隔离 TLP521 来驱动达林顿管 ULN2803，然后由达林顿管来驱动性能可靠的继 电器，通过继电器间接控制这些功能部件。 3.6.1 加热控制加热控制 1.加热组成 图 3-12 加热电路原理图 加热控制部分电路原理图如图 3-12 所示.本系统设计采用 2 组加热电 阻丝，电阻丝分布于孵化箱的两侧，并在两侧安置大的搅热风扇。单片机 的 P2.0，P2.1 输出高低电平分别控制这两组电阻丝的通断。共组成 3 热状 态:不加热，中等加热，完全加热。一开始通电，孵化箱内温度低，所以系 统自动采取完全加热，这样有助于孵化箱内的温度快速上升，当温度上升 到一定范围后（高于设定值-1） ，单片机通过比较传感器采集电路采集回 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 20 的温度与设定值比较，来选择中等加热即关掉一组电阻丝，只保留一组加 热，这样防止温度加热过快，超过最适宜温度。当温度达到设定值后，单 片机发出控制信号，关掉加热系统，即保持不加热状态。 由于电阻丝工作接通与关闭的瞬间会产生较大的干扰信号，故单片机 输出口接光电耦合器 TLP521 来实现工作电路与控制电路的电气隔离。 TLP521 的输出功率只有 150mw，无法驱动继电器。所以在光耦后面接功 率驱动芯片 ULN2803 再驱动继电器 SRD-05VDC-SLC 控制加热电阻丝的 通断。 2.PID 算法控制的精确加热方式 自动加热通过 PID 算法来改变 PWM 的脉冲宽度，PID 算法有位置式 和增量式两种，增量式 PID 算法得到的结果是增量，也就是说，在上一次 的控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的控制量。位置式算法则 直接指明本周期内要通电多长时间。本系统采用的是位置式 PID 算法。标 准的直接计算公式：Pout(t)=Kp*e(t)+KiSum_e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1); 其中， e(t)为基本偏差，表示当前测量值与设定目标间的差值，设定目标是被减 数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过 了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差 Sum_e(t)=e(t)+e(t-1) +e(t-2)+ +e(1)是每次偏差值的代数和，是面向积分项用的一个变动数据。 基本偏差的相对偏差 e(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差， 以考察当前被控量的变化趋势，有利于快速反应，是面向微分项的一个变 动数据。Kp、Ki 和 Kd 是 PID 算法的 3 个控制参数，分别称为比例常数， 积分常数和微分常数，不同的控制对象选择不同的数值，需要经过现场整 定才能获得较好的效果。比例调节的作用是按比例反应系统的偏差，系统 一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。通过 PID 算 法可