基于单片机的孵化箱温湿度控制

摘要孵化设备是仿生学的一种应用，模拟自然界的孵化环境，提供胚胎发育适宜的条件，用于家禽种蛋的孵化。当前孵化设备的不足之处在于控温与控湿精度不高以单机孵化设备为主，导致孵化管理效率不高孵化设备价格普遍较高。本文立足于这些不足，设计了多孵化箱温湿度测控系统。介绍了国内外孵化设备的现状及发展方向，并提出利用串行通讯口设计低成本多孵化箱测控系统的研究思路。介绍了孵化原理和条件方面的内容，并参考孵化行业的技术标准确定了本系统的设计指标。然后进行了以单片机为核心的硬件电路设计1为了测温的准确性和成本控制，采用数字式单总线温度传感器DS18B20，在孵化箱内设置多个测温点利用HS1101搭建频率电路检测孵化箱内的湿度。2设计了现场数据实时显示电路，16位数码管实时显示孵化箱内现场状态设定温度，当前温度，设定湿度，当前湿度，加热状态，加湿状态，翻蛋状态等。3以光电耦合器TLP521和功率驱动芯片ULN2803AG以及继电器设计了输出控制部分电路。该电路运行稳定，对单片机主电路无干扰。设计了温湿度模糊控制算法。将孵化箱分解为三个独立的子系统温度控制子系统，湿度控制子系统和风门控制子系统。温度是孵化的第一也是最重要的条件。选择温度一风门联控为主，湿度一风门联控为辅的模糊控制算法。编制了单片机驱动硬件的C语言程序和上位机管理软件。设计了孵化模拟箱并进行了系统试验验证。实验结果表明，本系统能实现温度误差01，湿度误差15RH以内的孵化控制，可以用一台上位PC机实现多个孵化箱的集散控制。该系统成本低廉，适合中等孵化场的孵化控制需要。关键词孵化箱，单片机，上位机，温湿度，模糊控制ABSTRACTALONGWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONIC,COMPUTERANDCONTROLTECHNOLOGY,AGRICULTURALAUTOMATIONHASDEVELOPEDTOANEWSTAGEHATCHMEASURINGANDCONTROLSYSTEMISONEOFTHEAPPLICATIONSOFTHEBIONIESITIMITATESTHENATURALHATCHINGENVIRONMENTANDPROVIDESTHEFITTINGCONDITIONOFTHEEMBRYOUPGROWTHTHISARTICLEBASEDONTHISDEFICIENCYANDDESIGNEDMEASURINGANDCONTROLLINGSYSTEMFORTEMPERATUREANDHUMIDITYINMUFTIINCUBATORSBASEDONMCUTHECURRENTSITUATIONANDDEVELOPMENTDIRECTIONOFHATCHINGSYSTEMSINSIDEANDOUTSIDETHECOUNTRYWEREDESCRIBEDINTRODUCEDTHEHATCHINGPRINCIPLEDESIGNEDTECHNICALSTANDARDOFTHESYSTEMREFERREDTOTHEHATCHINGPROFESSIONCARRIEDOUTTHEHARDWARECIRCUITDESIGN1FORTHEACCURACYOFTEMPERATUREMEASUREMENTANDTHECOSTCONTROL,USEDIGITALSINGLEDATALINETEMPERATURESENSORDS18B20,ESTABLISHESMANYTEMPERATUREMEASUREMENTSPOTSUSINGHS1101TOBUILDFREQUENCYELECTRICCIRCUITTOEXAMINEHUMIDITY2DESIGNEDREALTIMEDATADISPLAYELECTRICCIRCUITTODISPLAYINCUBATORCONDITIONTHEHYPOTHESISTEMPERATURE,THECURRENTTEMPERATURE,THEHYPOTHESISHUMIDITY,THECURRENT，HUMIDITY,THEHEATINGCONDITION,WETADDINGCONDITION,EGGTURNINGCONDITION3DESIGNEDTHEOUTPUTCONTROLCIRCUITSBYELECTROOPTICALCOUPLERTLP521ANDPOWERACTUATIONCHIPULN2803AGASWELLASTHESOLIDSTATERELAYTHISELECTRICCIRCUITMOVEMENTISSTABLE,ANDHASNODISTURBANCETOTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITMAINCIRCUITDESIGNEDTEMPERATUREANDHUMIDITYFUZZYCONTROLALGORITHMTHEINCUBATORISSEPARATEDINTOTHREESUBSYSTEMSTEMPERATURECONTROLSUBSYSTEM,HUMIDITYCONTROLSUBSYSTEMANDWINDCONTROLSUBSYSTEMTEMPERATUREISTHEMOSTIMPORTANTCONDITIONOFHATCHINGCHOOSETEMPERATUREWINDCOUPLETSPRIMARILY,ANDHUMIDITYWINDCOUPLETSAUXILIARYFUZZYCONTROLALGORITHMDESIGNEDPROGRAMOFMCUANDTHESUPERIORMANAGEMENTSOFTWAREDESIGNEDTHEHATCHINGSIMULATIONBOXANDCARRIEDONTHESYSTEMTESTEXPERIMENTITISPROVEDTHATTHISSYSTEMCANMEASUREANDCONTROLTEMPERATUREWITHINTHEERROROF01,CANMEASUREANDCONTROLHUMIDITYWITHINTHEERROROF110RHITCANDISTRIBUTEDLYCONTROLMUFTIINCUBATORSTHESYSTEMCOSTISINEXPENSIVE,ANDITISSUITABLEFORTHEMEDIUMHATCHINGFACTORYKEYWORDSINCUBATOR,MICROCONTROLUNION,TEMPERATURE,HUMIDITY,FUZZYCONTROL目录第一章绪论111课题背景研究意义112国内外研究现状2第二章孵化条件及设计目标521孵化条件及设计目标5第三章系统总体设计方案931总体方案932单片机选择1033传感器信号检测电路设计11331温度信号的采集11332湿度信号的采集1534键盘与显示电路设计1935输出控制电路设计22351加热控制22352加湿、风门与翻蛋控制2336串行通信接口电路设计2437本章小结25第4章模糊控制算法设计2641模糊控制26411模糊控制的基本原理26412模糊控制系统的组成2742模糊控制器的设计32421模糊化和量化因子的选择32422隶属函数的确定34423模糊规则的建立37424模糊控制查询表的建立39第五章软件系统设计4351单片机程序设计43511单片机主程序43512数据采集程序模块45513模糊控制程序模块49514中断服务子程序52515通信程序模块5252PC机控制与管理软件设计54521主界面54522串口设置界面55524参数设置窗口57525控制输出窗口5853本章小结59第六章系统实验分析6061概述6062温湿度检测和控制实验60621检测与控制精度60622系统响应速度实验6363通信实验6464本章小结64第七章结论与讨论6571结论6572讨论66参考文献67附录系统硬件图77第一章绪论11课题背景研究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，而且还要保证健雏率尚书旗，2000。近年来，随着武汉经济发展速度的稳步提升，武汉周边地区的个体养殖业发展迅速，尤其是江夏、黄破等地的个体养殖产业发展迅速，为当地以及周边地区的经济腾飞注入了新的生命力。人们的生活逐渐富裕起来了，但是养殖场尤其是是孵化这个环节出现了较多的问题。本人走访了几家中小养殖场，目前使用的孵化设备主要有“依爱”牌数显、汉显智能箱体孵化机、FT系列微控孵化出雏机以及杰姆斯威公司的PT100型孵化机等。部分养殖场所使用的孵化设备由于使用年限较长，某些功能已经失去了功效。而且控温、控湿精度己经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。同时，本人也了解到当前孵化设备所存在的主要问题就是1温度和湿度的控制精度不高，和设定值的偏差较大，而且控制孵化过程中不可预知因素太多，从而不能满足较高的出雏率和健雏率。2大部分箱体孵化机的价格在2000元3万元人民币之间，对一般的养殖户来说，负担较大。3大多数的孵化机都是单机工作，没有实现孵化设备的网络化和集散化。这样导致孵化管理效率不高。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靳传道，2003。伴随着当前部分农产品价格的持续上涨，养鸡产业将会出现一个较为广阔的发展的空间。为了节省投资成本，满足一般养殖户的生产需要，对现存孵化设备进行改进并进行组网集散化的这项研究将会有很大的市场前景和社会效益。12国内外研究现状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多年的历史林其禄等，1996。部分公司的产品己经实现网络化和无线通信化。管理人员可以通过手持掌机监控孵化设备的运行，也可以通过INTERNET远程访问孵化场甚至修改某个孵化箱的控制参数。我国孵化设备的制造比国外起步较晚。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侯满宏，2006。经过多年的发展，我国目前己经形成具有一定规模的从事孵化机设计和制造的专业队伍，基本上满足我国养禽业的需要。据不完全统计，国内主要生产孵化设备的厂家有电子工业部41所，南京实验仪器厂，北京市西山孵化设备厂，杭州余杭畜禽设备厂浙江农业大学以及杭州富阳春江孵化设备厂等排名不分先后。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林其禄等，1996。这些机型，部分已经采用先进的电脑模糊控制技术，液晶显示，触摸屏等。电子工业部41所研制的模糊孵化设备可以根据一年四季气候的变化、胚胎发育的状况、以及箱体内二氧化碳和氧气的含量自动调节箱体内的温度、湿度和风门的位置，从而以电脑的控制实现了“看胎施温”这种人脑思维。一些实验室和个人也对孵化控制技术进行了有意义的研究。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了基于现场总线的孵化控制系统郁筝，2003，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。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侯满宏，2006。纵观国内外孵化设备的研究和制造现状，国内在这一方面虽然取得了一定的成果，有一些具有竞争力的产品，但与发达国家相比，我们的孵化设备还是存在着很大的差距，整理如下1在控制技术方面，国内先进机型性能指标己经达到了较高的水平，控制效果良好，孵化效果以及对环境的适应能力也较好。但是产品的可靠性与国外先进水平有一定的差距。温湿度控制的精确度及其稳定性有待进一步提高，孵化设备中使用的电子元器件的质量需要得到保证。2在生产工艺方面，我国整体生产工艺水平欠缺，产品外观和结构与国外先进水平都有一定的差距。3在辅助孵化生产管理方面，国外主要厂家都具有一些可以帮助用户进行管理和提高自动化程度的辅助设备，其中最主要的是孵化机集群控制系统，它已经普遍应用在国外的现代化孵化场中。国内在这方面相对落后，有个别厂家推出了集群控制系统，也只是处于起步阶段，而且应用还非常少。随着养殖行业的不断发展，孵化场向大型化方向发展已经是大势所趋。孵化场的大型化对生产的组织管理提出了更高的要求。因而仅能实现机械化、自动化的孵化设备远远不能满足人们的需要。新一代的孵化设备应朝着人性化、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控制精度的提高随着孵化器容量的增加及对胚胎发育生理的不断研究，要求孵化控制器的控制精度越来越高。新型传感器向智能化、数字化、标准化发展，使孵化机的控制效果更加精确。2网络资源的利用一个公司可能有若干分散在全国各地的孵化场，每个孵化场又有若干台孵化设备，为了便于管理，将每个孵化场内的若干台孵化设备通过某种通信途径连接起来，由一台计算机来控制，这台计算机再通过INTERNET网络可与公司总部或其它孵化场进行通讯。这样，公司的管理者在办公室内就能监视和控制各地孵化场的运转情况，甚至能了解每台孵化设备的运转情况，而且可以在世界各地均可通过INTERNET网络对远在他乡的孵化设备进行监控金美华等，2005。3专家系统的引入影响孵化效果的因素较多，根据不同季节、不同环境、不同品种、不同周龄种禽产的种蛋以及种蛋保存时间的长短等，孵化时所需的参数均有所变化。在目前的条件下，生产过程中这些参数仍然需要孵化人员根据自己的经验来确定，也就是说孵化管理人员的经验仍然是孵化效果的决定性因素。专家系统就是将不同品种的种蛋在不同的环境下孵化时所需的参数组合在一起，必要时自动调用把孵化时可能出现的故障现象和解决措施集成在里面，必要时指导使用者对故障的处理对孵化效果进行评估并指出其中的不足。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，改善孵化效果等靳传道，2003。第二章孵化条件及设计目标21孵化条件及设计目标211孵化原理孵化是指禽蛋后文均以鸡蛋为对象体外发育成雏的阶段，它是通过外界条件如温度、湿度、通气等条件的影响，使鸡蛋变成雏鸡的过程。孵化的好坏直接影响孵化率的高低，小鸡的成活率以及生长发育和生产性能。所以一定要重视孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎发育过程中各阶段对外界条件的要求。212孵化条件胚胎发育所需要的条件有温度、湿度、通风、翻蛋、凉蛋等。1温度条件温度是孵化过程中最重要的条件。保证胚胎正常发育所需的适宜温度，才能获得高孵化率和优质雏鸡。孵化期间出现高温，胚胎发育增快，孵化期缩短，胚胎死亡率增加，初生雏鸡质量下降王超，1999。当孵化温度超过42时，胚胎会在23小时内死亡。如果孵化的头两天温度过高，在孵化的56天时就会出现粘壳，发育畸形增多如果孵化的第38天温度过高，尿囊合拢提前，出雏时间会提前，但出雏时间将会拖长若出现短期强烈温度偏高，胚胎干燥、粘壳，尿囊出现血液颜色呈暗黑色，且皮肤、心脏略有点状出血。孵化后期长时间温度偏高，会导致破壳早、内脏充血，破壳后死亡多余中于，2005张丽娟，2004张伟，2000。孵化温度偏低，将延长种蛋的孵化时间，胚胎发育迟缓，气室大，相应死亡率增加，初生雏鸡质量下降。当孵化温度低至为356时，胚胎大多数会死于壳内。由上看出，鸡胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，温度在36405，都有一些种蛋能出雏。但是在使用电力孵化设备的情况下，上述温度不是胚胎发育最适温度郁筝，2003。在环境温度得到控制的前提下如2425，就立体孵化箱而言，最适宜的孵化温度是378。出雏期间为37375。另外，孵化过程中不同时期的孵化温度有所不同，需要进行微调。因此，对孵化机内的温度精确测量是十分重要的廖纪朝，1998。参考孵化行业的孵化标准，得出现有的孵化施温方式主要有如下两种I大型孵化器，大批种蛋整批人孵，应采用变温孵化。具体施温方案如表II立体分批孵化可采用恒温孵化法，具体温度见表2技术文献。表11不同胚龄期孵化室与孵化箱内温度关系附华氏F与摄氏C的温度换算公司F329/SCC5/9XF32表12立体孵化分批入孵所取的温度孵化室内温度孵化箱内温度1283891833852393832953805322375由于本系统是多孵化箱控制系统，为了便于管理并提高孵化效率，采用大批种蛋整批入孵方式，即孵化出雏一体化。故采用表1所列的施温方案。依据室内温度将孵化温度分段确定为李明晖，2006表1一立体孵化分批入孵所取的温度2湿度条件I绝对湿度和相对湿度大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的，即以每1M3大气中所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。要想直接测量出大气的水汽密度，方法比较复杂。而理论计算表明，在一般的气温条件下，大气的水汽密度与大气中水汽的压强数值十分接近。所以大气中水汽的密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号D表示，常用的单位是MMHGA在许多与大气湿度有关的现象里，如鸡蛋的孵化，人们的感觉等等，都与大气的绝对湿度没有直接的关系，主要是与大气中水汽离饱和的远近程度有关郁筝，2003。比如，同样是LOMMHG的绝对湿度，如果是在炎热的夏季中午，由于离当时的饱和水汽压约31MMHG尚远，使人感到干燥，然而如果是在冬季的傍晚，由于水汽压接近当时的饱和水汽压约18MMHG而使人感到潮湿。因此通常把大气的绝对湿度和当时气温下的饱和水汽压的比值的百分数称为大气的相对湿度，即式中H相对湿度D大气的绝对湿度MMHGDS一当时气温下的饱和水汽压MMHG。上式表明，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度为100RH。II湿度对孵化效果的影响孵化机内的相对湿度，对孵化效果也起着一定的作用。在正常情况下，从种蛋入孵到出壳，全期水分的损失约占蛋重的12左右，为确保胚胎的正常发育，种蛋内水分的蒸发应保持一定的速度。孵化机内的相对湿度值决定着种蛋的失水多少、速度快慢。而种蛋失水又间接衡量着种蛋氧吸收量的多少，即湿度的主要作用在于调节胚蛋的失水。如果不能使胚蛋获得最佳的失水率，会影响孵化率，甚至带来灾难性后果。可见，精确的测量与控制孵化机内的湿度也是至关重要的。一般孵化器的相对湿度应经常保持在5570王小芬，2000刘洪恩，2007顾道良，1998。3通风胚胎在发育过程中会不断地吸入氧气，排出二氧化碳。一般孵化器内氧气含量为21，二氧化碳含量为05。二氧化碳超过05，胚胎发育迟缓，超过1，死亡率增高，并出现胎位不正和畸形等现象。所以必须重视通风，使孵化箱内空气保持清新。一般在孵化初期，为保温以及使温度平稳可以关闭进气孔或部分开放进气孔一般可开启1/41/3，以后逐渐增大进气孔，出雏时完全开放进气孔。4翻蛋翻蛋的作用是1可避免胚胎与壳膜粘连。因卵黄含脂量高，相对密度较小，总是浮在蛋的上部，易与壳接触。翻蛋可经常改变蛋的位置使其不会因粘连而造成胚胎死亡。2翻蛋可使胚胎受热均匀，有利于胚胎发育。3翻蛋有助于胚胎运动，增强活力，保持胎位正常。翻蛋一般呈90度，前45度后45度，每2小时翻一次。18天以后可不再翻蛋，整批入孵时14天后即可不再翻蛋。5凉蛋凉蛋可使孵化器彻底换气，同时间歇的低温还可促进胚胎发育，增强活力，有利于后期胚胎散热。但如进气良好，各孵化条件正常也可不进行凉蛋。如通风不良或利用同一孵化器出雏时则应进行凉蛋。一般每天28次，每次1540分钟，凉至蛋壳表面温度接近于32即可。23设计目标及控制方案231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35402控湿范围5080RH3控温精度温度误差不超过015，机内各点温差不大于034温度显示分辨率015湿度显示精度5RH232工作重点基本电路设计通信电路等。控制系统设计系统软件设计24本章小结本章主要介绍了家禽孵化的原理以及孵化过程中必备的几个条件。提出了本系统的孵化方案和控制目标。对于孵化设备温度、湿度、通风和翻蛋的控制是重点，也是难点。第三章系统总体设计方案31总体方案本系统选取孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，以加热系统、加湿系统、通风风扇、翻蛋电机等执行机构作为控制手段。系统总体框图如下图所示框图分析及具体模块实现方法及手段孵化控制系统组成如图所示，孵化控制主要分为电气控制、机械执行及其它一些辅助机构部分。孵化设备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，实现加热、加湿、翻蛋、通风等孵化控制功能。孵化单片机箱控制设备最核心的部分是温湿度控制模块。它是以单片机为核心、外围电路做辅助的单片微型计算机控制系统。通过传感器检测电路、执行器件驱动电路、键盘接口、LED数码显示等，使其既可以独立完成对孵化箱内温湿度的实时测控，又可以通过串行通信接口实现与上位机的信息交互根据上述功能要求，可对该应用系统进行硬件设计。硬件电路设计主要包含两部分以AT89S52为核心的单片机硬件系统设计及以PC为核心的管理系统软件的设计。传感器信号检测电路将孵化箱内环境参数温度、湿度实时地转换为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。单片机上电运行后会提取存储器中默认的温湿度参数，并开始输出温湿度控制信号。在特殊情况下如孵化禽蛋的种类变化，根据需要，可以通过按键修改存储器中默认的温湿度参数值，故需要对系统进行按键电路设计。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度值。该值将与设定值进行比较，并进行运算。单片机根据运算结果对温湿度控制设备进行控制。在传统的单机孵化控制系统的基础上，采用多级分布式结构的设计思想。系统由上位PC机和多个分布于不同孵化箱的下位机构成。每台单片机完成一个孵化箱的测控任务，其主要功能是完成各孵化箱内温湿度信号的采集与处理，并直接控制孵化现场。单片机通过RS232总线将现场数据和孵化控制状态上传至上位PC机进行保存。上位机可以设定下位机的工作参数、查询下位机的工作状态、设定温湿度的报警阀值，从而实现对多个孵化箱的统一管理，显著提高了孵化场的管理效率。采用这种多级分布式结构不仅避免了模拟信号因长距离传输引起的损耗，简化了系统的布线，而且便于增加传感器的个数和种类，系统易于扩展、升级。信号采集电路的功能是将孵化箱内环境参数温度、湿度实时地转为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。32单片机选择在现今市场上，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王玉华，2005。本系统主控MCU选用ATMEL公司的AT89S52。它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程RASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业上普遍使用的80C51芯片的指令和引脚完全兼容。由于该多孵化箱控制系统所要采集的数据量并不是特别大，单片机自带的SK可编程FLASH存储器能够满足需要，所以不需要对存储器进行扩展。AT89552单片机作为下位机负责采集孵化箱内的环境参数，对各个孵化箱内的温湿度值进行模糊运算，输出控制信号驱动执行机构，从而实现对孵化箱内各参数的实时控制。另外，各个单片机并将本孵化箱内的温湿度数据通过串行通讯接口上传给上位PC机。33传感器信号检测电路设计传感器信号检测电路的功能是将孵化箱内环境参数温度、湿度实时地转换为电信号，经过信号处理电路之后送入单片机。下面分述温湿度信号的采集。331温度信号的采集1温度传感器的选择在众多应用于环境温度监测的温敏元件中，温敏电阻虽然成本低，但后续电路复杂，且需进行温度标定电流型集成温度传感器AD590也因其输出为模拟信号，且输出信号较弱故需后续放大及AD转换电路，若采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格偏高，这就使系统的成本升高刘源，2006。本系统的温度传感器选择DS18B20。DS18B20是美国DALLAS公司生产的可编程单总线数字温度传感器。单总线即以1根数据线将测量到的温度结果以串行数华中农业大学硕士学位论文基于单片机的多孵化箱温湿度控制系统的研究字信号输出，与微控制器进行连接。DS18B20片内ROM中有唯一的64位序列号，所以可以在1根总线上挂接任意多个DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。DS18B20的测温范围从55到125，测量精度可以达到00625。DS18B20的温度转换结果的位数可以由软件编程确定，可以直接输出9至12位的数字信号，默认值为12位。DS18B20进行一次温度采集至多需要大约1秒钟的时间，在孵化控制系统中能够满足需要。DS18B20内部存储器包括一个暂存RAM和一个非易失性电可擦除ERAM。其中暂存存储器作用是在单总线通信时确保数据的完整性，它包括8个字节，头两个字节为转换的温度读数。数字温度传感器DS18B20有三个引脚，分别是VCC，GND，DATA。其中VCC和GND是DS18B20的供电引脚，接入5V电源和地。DAIA是DS18B20的数据线，用来传送指令和温度数据吴春蕾，2006。2温度传感器DS18B20的工作原理DS18B20测温原理如图32所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数。当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1。计数器1的预置将重新被装入并重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值韩小斌等，2002。3温度传感器DS18B20与单片机的连接DS18B20有两种封装模式3脚和8脚封装，其中3脚封装比较常用，引脚功能分别为地电源VCC、GND、信号DATA。DS18B20可通过两种方式供电外加电源工作方式和寄生电源方式。前者需要外加电源，正负极分别接引脚VCC5V及GND后者不需外加电源，当总线信号线为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现，总线信号为低时则由其内部的电容供电，在此种方式下VCC接地。本系统采用3脚封装的DS18B20，选用外加电源工作方式。采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力，保证工作的稳定性，电路连接如图33所示。4温度传感器DS18B20工作过程对DS18B20的操作顺序为初始化，发送ROM命令，发送功能命令。对DS18B20的操作要遵守严格的操作时序，如果时序中任意一步缺少或错乱，DS18B20将不会响应。初始化包括主机发出复位脉冲通过将总线拉低至少480S来实现随即主机等待DS18B20发回的存在脉冲。DS18B20则从检测到复位脉冲的上升沿开始等待15一16S后通过将单线总线拉低60240S实现存在脉冲的发送。初始化完成后单片机即可发送ROM命令，包括搜索ROM命令F0H、读ROM命令33H、匹配ROM命令55H、跳过ROM命令CCH及报警搜索命令ECH。随后即可发送功能命令，包括温度变换命令44H、写暂存器俨EH读暂存器BEH命令、复制暂存存储器命令48H、重新调出EERAM命令BSH，读电源供电方式命令B4H等。命令的传送是通过写时序实现的，而主机读取DS18B20传送的数据是通过读时序实现的。单片机在控制DS18B20进行温度转换和读取之前，需要提供总线上所有DS18B20的64位序列号，这样才可以对总线上的某个DS18B加进行ROM匹配，将其选中。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。本系统中，孵化箱内的温度检测需要多点布置温度传感器，单总线上需要挂接4个DS18B20。所以主机须预先读取出该4个DS18B20的64位ROM代码，使用READROM33H命令即可。图3一4为读取DS18B20序列号的流程图。获得总线上每个DS18B20的序列号之后，单片机就可以控制总线上的DS18B20进行温度转换，并通过单总线读取总线上DS18B20的温度值。第一步对DS18B20复位。单片机向总线上的所有DS18B20发出复位脉冲，这通过将数据线拉低至少480S来实现。随即单片机等待总线上的DS18B20发回的存在脉冲，DS18B20则从检测复位脉冲的上升沿开始等待15S后通过将单总线拉低60S实现存在脉冲的发送。第二步，启动DS18B20进行温度转换。单片机向总线上发送跳过匹配ROM命令CCH，然后发送温度转换命令44H，即所有在线的DS18B20都将进行温度转换。第三步读取DS18B20温度值。首先向总线上发送匹配ROM命令55H，并随后送出某个DS18B20的序列号。然后向总线上发送读存储器命令BEH。与序列号匹配的DS18B20会将其暂存器内的温度值发送到总线上，单片机可以按位读取，完成这个DS18B20的温度采集。与该序列号匹配不符的DS18B20则会继续等待下一个序列号的到来。具体的程序及操作见后单片机程序设计。332湿度信号的采集1湿度传感器的选择湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测湿度，分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。常用的有高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器等。高分子电阻式湿度传感器的工作原理由于水附在有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生电荷离子，电阻值较高。当相对湿度增加时，吸第三章系统硬件电路设计附量也增加，颗粒化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子作用。另外，由吸附水自身离解出的质子、水和氢离子也起电荷载流子作用，使高分子湿度传感器的电阻值下降杜深慧，2004。高分子电容式湿度传感器的工作原理高分子材料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改变而改变，元件的介电常数是水与高分子材料两种介电常数的总和。当被测的气态水分子通过多孔的上电极扩散至感湿膜表面，被极性官能团所吸收，引起湿敏电容器介电常数的改变，从而改变了湿敏电容器的容量值。湿度传感器具有精度和长期稳定性难以保证、受温度影响大、校正难度大等特点。本系统中的湿度传感器选用HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器HS1101李善军，2005。2湿度传感器HSLLOL的工作原理和性能HSLL01的原理是根据薄膜电容在不同湿度环境下电容量的变化来反映不同湿度。该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，有顶端接触HS1100和侧面接触HS1101两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等库志强，2006。HSLLOI湿敏电容特性如下1基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构2高精度2极好的线性输出199RH湿度量程一40100的温度工作范围3响应时间5秒湿度输出受温度影响极小4防腐蚀性气体常温使用无需温度补偿，无需校准5电容与湿度变化034PF/RH典型值190PF/55RH长期稳定性及可靠性，年漂移量05。3湿度传感器HSLL01与单片机的连接HS1101电容式传感器在采集接口电路中等效于一个电容元件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转换为单片机易于接受的信号，可以将该湿敏电容置于与定值电容组成的电桥电路中。电桥供电电源为等幅高频稳定的交流电压，在电桥输出端可获得受工作电容变化调制的调幅波信号输出，调幅波信号经放大、解调后，获得低频信号输出，再由周D转换为数字信号。如果对电容变换线性度要求不高时，也可采用检测LC谐振回路阻抗的方法接口，输出电压经放大检波后送AD转换。但这两种电路属于传统的模拟式传感器测量电路，需要经过周D转换器才能与数字系统连接，这使电路在一定程度上变得复杂，交流电路不可避免地在稳定性、可靠性、精度、响应速度等方面存在许多问题，而且与前面的温度传感器同时使用，AD重复利用率很高。这对于传统形式的传感器兼容性较差，而且成本也相对较高。另外，可以将该湿敏电容置于振荡电路中，组成多谐振荡电路，将电容值的变化转为与之呈反比的频率信号，可直接被单片机计数器所采集。这样的电路不必经过A/D转换器就可以方便地与单片机相连接，输出信号为频率型，灵敏度高，线性度好，具有优良的重复性、分辨率和稳定性。多谐振荡电路的抗干扰能力强，成本较低孙程光，2006。因此，为了提高系统的灵敏度和线性度，从降低采集电路的成本等因素考虑，本系统采用脉冲振荡电路来设计湿度采集电路。在应用过程中，HSLL01作为一个可变电容器，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将其置于TLC555定时器构成的振荡电路中，可以将湿度转换成频率信号送入单片机，进而计算出现场的湿度值。应用电路如图35所示频率输出的TLC555振荡电路如图所示。集成定时器TLC555芯片外接电阻凡、R与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路构成了对C的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，凡是防止输出短路的保护电阻，RL用做内部温度补偿，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配。RL必须像所有的R一C时钟电阻的要求一样保证1的精度，最大温度效应应该小于10OPPM。由于不同型号的555芯片内部温度补偿有所不同，RL的值还必须与特定的芯片相匹配。本湿度采集电路选用的是N公司的TLC555振荡器。根据要求，RL的阻值应为GOGK，RZ的阻值为576K秦曾煌，1999张勃，2004。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下电源VS通过凡，R向C充电，经充电时间T充电后，UC达到芯片内比较器的高触发电平，约067VS。此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R放电，经时间T放电后，UC下降到比较器的低触发电平，约033VS。此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此循环，形成方波输出。其中，充放电时间为因此电路的振荡周期为电路输出的谐振波频率为输出波形的占空比为上式表明，电路的输出脉冲的占空比始终大于50，为了使占空比降低至接近50，则与R相比，凡应该尽量小，但不要低于最小值。可见，空气湿度通过HS1101与TLC555构成的振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号。该信号可以直接被单片机所测得。表给出了其中的一组典型测试信号林敏等，2001。表31相对湿度与电压频率的典型值将TLC555测量振荡电路输出的方波信号送入单片机AT89552的TL引脚，定时器/计数器0工作在计数方式，定时器/计数器2工作在定时方式。用这种测量频率法测出方波信号的频率，从而也就测出了空气中的相对湿度。通过分析上述相对湿度与电压频率的典型值可以得出输出方波频率与湿度值之间的关系为其中RHM为当前温度下湿度测量值F为测得的TLC555振荡电路输出的方波信号的频率。4湿度传感器HSLL01湿度信号的温度补偿由于湿度传感器HSLL01受温度的影响，其输出值相对于标况25下的测量值会产生一定的偏离，因此要消除温度对湿度测量值的影响需要对湿度传感器进行温度补偿。根据技术手册该传感器的温度系数与温度曲线如图3一6所示，并有关系式其中RHR为真实湿度值RHM为当前温度下的湿度测量值T为当前温度T为温度系数吴春蕾，2006。由图可看出湿度传感器HSLL0L在1060下温度系数为定值01，此时湿度为而当温度位于010之间时，温度系数满足关系式当温度大于60小于80时，温度系数满足关系式将得到的温度系数代入中，即求得温度补偿后的湿度值。34键盘与显示电路设计1按键电路单片机上电运行后会提取存储器中默认的温湿度参数，并开始输出温湿度控制信号。在特殊情况下如孵化禽蛋的种类变化，根据需要，可以通过按键修改存储器中默认的温湿度参数值，故需要对系统进行按键电路设计。通常，按键有独立式和矩阵式两种形式，本系统采用独立式键盘设计，其接口电路如图3一7所示。本系统扩展4个用于修改系统参数的按键PL0、PL1、PL2、PL3分别为温度目标值01、01的操作键、湿度目标值5RH和一5RH操作键。4个按键通过4与门74LS21A接至单片机外部中断口INTOP34。当某个按键按下时，与门74比21A输出低电平从单片机的INTO引脚产生中断，通过按键扫描程序扫描PL0、PL1、PL2、PL3，判断按键值并修改单片机相应的温湿度目标参数。另外，本系统设置了手动复位按钮图略。按键一端接至SV，另一端串接SK电阻之后接至单片机的复位引脚RESET。在需要的时候，可以由人工按下复位按钮对单片机进行复位。2显示电路本系统应用串行接口驱动器HD7279A对键盘与显示电路进行设计。HD7279A是一种具有串行接口，可同时驱动8位共阴数码管或64只独立的LED的智能显示驱动芯片姜楠等，2007朱海君等，2003。HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，具有消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等多种控制指令。HD7279A具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口黎莉等，2003。HD7279A的引脚功能如表32所示。表32HD7279A的引脚功能本系统利用2片HD7279A共驱动16位LED来显示系统各参数设定温度值，设定湿度值，实时温度值，实时湿度值，翻蛋次数，加热状态，加湿状态，风门状态。显示电路的硬件连接如图3一8所示。HD7279A的CS，CLK，DATA口分别接单片机PO口的06脚。HD7279A的RC端外接RC振荡电路以供系统工作，其值分别为R二15K0，C15PFOHD7279A的RESET复位端直接与正电源连接。HD7279A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从D川RA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DAIA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。35输出控制电路设计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度值。该值将与设定值进行比较，并进行模糊运算。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、增湿步进电机、风门驱动步进电机和翻蛋步进电机等。这些部件由于功率大，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隔离光祸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隔离光祸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。351加热控制由于孵化箱体积较大，本系统设计采用4组加热电阻丝，每组电阻丝的功率为200W。分布于孵化箱的四个侧面，并在电阻丝背后安置大的搅热风扇。单片机的P20，P21，P22，P23输出高低电平分别控制这四组电阻丝的通断。共组成5种加热状态不加热，小加热，中等加热，较大加热，完全加热。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。所以在光祸后面接功率驱动芯片ULN2803再驱动继电器SRD05VDCSLC控制加热电阻丝的通断。加热控制部分硬件图如下352加湿、风门与翻蛋控制在孵化箱中放置加湿水盘，为了便于控制，水盘设置为方块形状。水盘上加方形顶盖，步进电机控制水盘顶盖的开度实现加湿量的选取。本系统设置5种加湿状态不加湿，顶盖完全关闭小加湿，顶盖开启1/4中等加湿，顶盖开启一半较大加湿，顶盖开启3/4完全加湿，顶盖完全开启。风门的控制与加湿控制类似。在孵化箱的两个侧面设置风门，风门的形状也为矩形。本系统设置5种风门状态不通风，顶盖完全关闭小通风，顶盖开启1/4中等通风，顶盖开启一半较大通风，顶盖开启3/4完全通风，顶盖完全开启。在风门口安置向内的鼓风风扇，只有在风门有开度时鼓风风扇才开始工作。在孵化的前18天，需要每2个小时翻蛋45度蛋盘翻转45。孵化箱内的蛋盘一层一层置于专用的蛋车上，蛋车上安置有摇杆式的翻蛋机构。步进电机牵引翻蛋机构正反转，实现定时翻蛋。步进电机选用35BY48BO4型永磁式步进电机。在光电耦合器与功率放大器ULN2803之间加入锁存器SN74LS373田茂胜，2006。系统程序执行时，由单片机的P24、P25口根据控制要求不断的输出脉冲信号，在每一个时钟信号的上升沿到达时将输出脉冲锁存在SN74LS373里，下一个时钟信号到达时，由SN74LS373将控制脉冲TTL电平输出到ULN2803中，经ULN2803反相后的信号直接驱动步进电机，实现步进电机的正反转，精确地牵引加湿、风门与翻蛋。36串行通信接口电路设计AL，89552单片机片具有一个可编程串行刀O口，通过引脚RXD和TXD可以和计算机进行全双工的串行异步通信。RS一232C是异步通信中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备和数据通信设备之间的