基于单片机的温湿度控制系统设计

摘要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，比如温度湿度上限等。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上限后产生报警。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，适合中等小型孵化控制的需求。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、PID算法ABSTRACTINCUBATIONEQUIPMENTISABIONICAPPLICATIONFORPOULTRYBREEDEREGGSHATCH,TOSIMULATETHEHATCHINGENVIRONMENTOFNATURE,PROVIDINGTHESUITABLECONDITIONSFOREMBRYONICDEVELOPMENTNOWTHETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLLINGACCURACYOFTHEINCUBATIONEQUIPMENTISNOTHIGH,WHICHISEXPENSIVEWITHPOOREFFICIENCYINCUBATORMANAGEMENTFORTHESEMANYREASONS,THISPAPERDESIGNEDATEMPERATUREANDHUMIDITYMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMFORTHEINTELLIGENTINCUBATORBASEDONMICROCONTROLLERSTC89C51,WHICHMAINLYINCLUDESTHEDIGITALMASTERCONTROLUNIT,INCUBATOR,HEATER,HUMIDIFIER,SENSOR,MOTOR,FANANDOTHERUNITSDIGITALMASTERCONTROLUNITMAINLYCONSISTSOFKEYSDISPLAYMODULE,TEMPERATUREHUMIDITYACQUISITIONMODULE,OUTPUTCONTROLMODULES,ETCTHETEMPERATUREANDHUMIDITYCOLLECTEDBYTHETEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSHT10INTHEHANDINASERIESOFTRANSFORMATIONCALCULATIONISTRANSMITTEDTOMCUMCUCOMPAREDITWITHPRESETVALUE,ANDTHENTHROUGHTHEOUTPUTOFTHEPHOTOELECTRICCOUPLERTLP521ANDPOWERDRIVECHIPULN2803AGANDRELAYCONTROLSPARTOFTHECIRCUITTOCONTROLTHEINCUBATOROFHEATINGORCOOLING,HUMIDIFICATIONORDEHUMIDIFICATION,VENTILATION,ETC,TOREALIZETHEREQUIREDINCUBATIONCONDITIONSBESIDESTHEKEYDISPLAYMODULEPROVIDESUSERSWITHHUMANCOMPUTERINTERACTION,INWHICHUSERSCANTHROUGHTHEKEYBOARDINPUTPARAMETERSNEEDEDTOBESETINADVANCE,SUCHASTHEUPPERLIMITOFTEMPERATUREHUMIDITYANDSOONTHELCDDISPLAYMODULECANDISPLAYREALTIMEDETECTIONOFTEMPERATUREANDHUMIDITYALARMSYSTEMWORKSWHENTHETEMPERATUREANDHUMIDITYEXCEEDTHEUPPERLIMITSAFTERTHEHARDWARESYSTEMDESIGNED,ONTHEBASISOFITTHEMCUDRIVINGHARDWAREPROGRAMISWRITTENBYTHECLANGUAGEANDUSINGTHEPROTEUSSIMULATIONSOFTWARESIMULATIONSWEREMADE,ASIMPLETESTDONE,PROVINGTHATTHEDESIGNCANMEETTHEBASICDESIGNREQUIREMENTSWITHLOWCOST,SUITABLEFORMEDIUMSMALLHATCHCONTROLREQUIREMENTSFINALLYTHEREFLECTIONONTHEDESIGNWASSUMMARIZEDANDTHEDEFICIENCIESOFTHEWORKANDTHEFUTUREIMPROVEMENTDIRECTIONWEREDISCUSSED,LAYINGASOLIDFOUNDATIONFORTHISKINDOFDESIGNTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHESYSTEMINTHEFUTUREKEYWORDSINCUBATOR,MICROCONTROLLER,TEMPERATUREANDHUMIDITY,PIDALGORITHM目录1绪论11课题研究目的和意义12国内外研究情况及其发展2孵化条件及设计目标21孵化条件22设计目标3系统方案选择31总体方案32单片机的选择33传感器信号检测电路选择34显示电路的选择35键盘电路的选择4硬件设计及工作原理41单片机最小系统42温湿度传感器及检测电路43显示电路44键盘电路45报警指示电路46输出控制电路5软件系统设计51C语言在单片机中的应用52应用软件的介绍53软件流程图6系统调试61系统硬件调试62系统软件调试63系统综合调试总结致谢参考文献附录1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。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靳传道，2003。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，因此此毕业设计非常有实际意义。12国内外研究情况及其发展121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。122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侯满宏，2006。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林其禄等，1996。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。123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网络技术的发展使得一个公司可能有若干孵化场分散在全国各地，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。2孵化条件及设计目标21孵化条件及设计目标211孵化原理鸡胚的新陈代谢依赖于种蛋内各种酶如淀粉酶、蛋白酶、氧化酶、溶菌酶等的活力，而酶活力的强弱又受到温度的制约。使酶活力最强所需的温度，就是胚胎发育所要求的最适宜温度，这就是孵化的原理。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温度条件在孵化过程中，温度是最重要的条件。只有保证温度处于胚胎正常发育所需的适宜温度，才能提高孵化率获得优质雏鸡。通过查阅资料发现，鸡胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，当温度在36405，都能有一些种蛋出雏，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。就孵化箱而言，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。孵化温度可分为恒温与变温两种制度，目前大型孵化器一般采用变温孵化，小型孵化器采用恒温孵化法。本设计是小型孵化器所以采用恒温孵化法。2湿度条件通常是指孵化箱内的相对湿度。一般孵化器的相对湿度应经常保持在5570。湿度与胚胎发育有很大关系，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。22设计目标221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5RH3系统方案选择31总体方案本系统以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、通风风扇等执行机构作为控制手段。系统总体框图如下图31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31系统总体结构框图孵化控制系统组成如图所示，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，实现增温、增湿、通风等孵化控制功能。孵化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、驱动电路、键盘接口、LCD数码显示等，使其可以完成对孵化箱内温湿度的实时测控。32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方案一选用AT89C51系列单片机。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需LOMSAT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。方案二选用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330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，这一点自己调试就知道了。（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。比较这两种方案，我选择用STC系列芯片完成。33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）温度传感器的选择选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在55125，1085，误差范围在05。最高精度可达00625。2）湿度传感器的选择常用湿敏传感器可采用H0S201，这是一种高湿度开关传感器，它的工作电压为1V一下，频率为50HZ1KHZ。可测量相对湿度范围在0100RH,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是一款集成型的数字温湿度一体传感器。采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSENSTECHNOLOGY），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2WIRE数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。测湿精度45RH，测温精度05（25）,测湿量程0100RH,测温量程401238。满足设计要求。经上述分析，方案一稍显复杂。方案二即能满足设计要求且简便易行。由于本系统采用的SHT10本事自带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显示出来，然后讲每次读入的数据与上限做比较，以觉定是否调用报警和启动调湿调温装置。34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是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从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而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。本设计为时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。35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，第一个温度上限加一，第二个温度上限减一，第三个湿度上限加一，第四个湿度下限减一，要求简单。所以采用方案一独立式键盘。4硬件系统设计41单片机系统411STC89C52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。412STC89C52单片机特点工作电压55V35V（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；ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。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；可通过串口（P30/P31）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，POWERDOWN模式可由外部中断唤醒；工作温度范围4085工业级/075商业级；413单片机最小系统如图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。最小系统原理图如图41所示。（1）电源对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源是通过计算机的USB口供给。（2）复位单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。1上电复位STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10UF。2按键复位按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。（3）振荡单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C52使用110592MHZ的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15PF至50PF之间。图41单片机最小系统42温湿度传感器及检测电路瑞士SENSIRION公司推出了SHTXX单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSENSTECHNOLOGY），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2WIRE数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。421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42为SHT10的内部框图，表41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BITA/D串行通信接口及CRC发生器OTP校验存储单元SCKDATAGNDVCC图42SHT10内部框图表41SHT1O测量量程和精度SHT10量程精度测量温度40123805（25）测量湿度0100RH45RH422SHT10简介及电路模块1SHT10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（2WIRE）,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45RH，测温精度05（25）。2SHT10实物图及管脚说明1实物图和原理图如图43,44分别为SHT10的实物图和原理图图43SHT10实物图图44SHT10原理图2电源引脚（VDD、GND）SHT10的供电电压为24V55V。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。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。3串行接口SHT10的两线串行接口（BIDIRECTIONAL2WIRE）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。串行数据（DATA）。DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。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，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。（4）工作过程发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，当SCK为高电平时DT翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。紧接着的命令包括3个地址位（仅支持“000”）和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位）,在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。“00000101”为相对湿度（RH）量，“00000101”为温度（）测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20/80/320MS对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短30。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节（高8位）数据无意义。确认CRC数据位之后，通信结束。如果不使用CRC8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。测量和通信结束后，SHT10自动进入休眠状态模式。4转换公式1转换为物理量输出相对湿度输出转换公式为21230LINEARRHRHRHCSOCS其中，为25时相对湿度的线性值，为传感LIERO器输出的相对湿度的数值,C1，C2,C3为系数，如表42所列。表42C系数列表RHSOC1C2C312位40040528X1068位4064872X104当测量温度与25相差较大时，则需要考虑传感器的温度系数TRUEC12RHLINEARRH25TSO其中，RHTRUE为温度不等于25时相对湿度的实际值，C为当前温度，T1、T2是系数，如表43所列。表43T系数列表SORHT1T212位0010000088位0010001282温度输出转换公式为12SO其中，为实际温度，SO为传感器输出的温度数值，1,2为系数，如表45、表46所列。表451系数列表VDD/V1/VDD/V1/540003396043975253955353966表462系数列表SOT2/14位00112位001由于湿度与温度经由同一块芯片测量而得，因此SHT10可以同时实现高质量的露点测量5温湿度采集电路和部分程序温湿度采集电路是本系统设计最重要的环节之一，能否正确的测量采集温度湿度值关系到整个系统设计的成败。如图43所示为温度采集电路原理图。串行时钟输入（SCK）接单片机的P17口，串行数据（DATA）接单片机的P17口，并且外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。图45温湿度采集电路原理VOIDS_TRANSSTARTVOID/启动传输VOIDS_CONNECTIONRESETVOID/连接复位CHARS_SOFTRESETVOID/软复位程序CHARS_MEASUREUNSIGNEDCHARP_VALUE,UNSIGNEDCHARP_CHECKSUM,UNSIGNEDCHARMODE/温湿度测量VOIDCALC_STH10FLOATP_HUMIDITY,FLOATP_TEMPERATURE/温湿度值标度变换及温度补偿FLOATCALC_DEWPOINTFLOATH,FLOATT/从相对温度和湿度计算露点CHARS_READ_BYTEUNSIGNEDCHARACK/读字节程序CHARS_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARVALUE/写字节程序43显示电路431LCD1602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161，162，202和402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46，图47所示。图46液晶显示屏正面图47液晶显示屏背面4321602LCD的基本参数1602LCD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1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM4331602LCD的指令指令1清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2光标复位，光标返回到地址00H。指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效。指令4显示开关控制。D控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。B控制光标是否闪烁，低电平不闪烁。指令5光标或显示移位S/C，高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N低电平时为单行显示，高电平时为双行显示F低电平时显示57的点阵字符，高电平时显示510的点阵字符。指令7字符发生器RAM地址设置。指令8DDRAM地址设置。指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10写数据。指令11读数据。4341602LCD的一般初始化（复位）过程延时15MS写指令38H（不检测忙信号）延时5MS写指令38H（不检测忙信号）延时5MS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H显示模式设置写指令08H显示关闭写指令01H显示清屏写指令06H显示光标移动设置写指令0CH显示开及光标设置LCD1602由程序实现软初始化，部分程序如下VOIDLCD_INITIAL/初始化LCD1602VOIDGOTOXYUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY/液晶字符输入位置VOIDPRINTUNSIGNEDCHARSTR/液晶输出显示函数VOIDLCD_WRITEBITSTYLE,UNSIGNEDCHARINPUT/向1602写入命令或数据435显示电路原理图如图47所示图48所示显示电路原理图44键盘电路441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48所示。图49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分别为温度目标值01、01的操作键、湿度目标值1RH和一1RH操作键。4个按键分别接至单片机外部中断口P33,P32,P34,P35。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。部分程序如下/键盘扫描函数/VOIDKEYSCANIFKEY10DELAY11IFKEY10IFTB99/TB99ELSETBWHILEKEY1KEY2，KEY3，KEY4类似。见附录程序442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。影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分（1）外因射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰。电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰。（2）内因振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数MCS51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个拉低电阻，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期即24个时钟周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。本次设计采用的复位方式是按键复位方式。对于CMOSSTC89C51单片机只要接一个电容至VCC并在其两端并联按键与电阻串联的电路。复位电路图如图所示。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MCS51有效的复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，VSS上升时间若为10MS，振荡器起振的时间和频率有关。10MHZ时约为1MS，1MHZ时约为10MS，所以一般为了可靠的复位，RST在上电进应保持20MS以上的高电平。影响复位电路的可靠性。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。如图49所示为单片机的复位电路图410复位电路45报警及指示电路当温度和湿度超过设定的量程时为了引起用户注意，所以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。其电路原理图如图410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，P10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。如图411报警指示电路部分程序如下VOIDWARNINGVOIDWARNING146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。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。TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计TLP5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装。ULN2802ULN2803ULN2804A8个NPN达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS或PMOS上/NMOS）和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。该ULN2803是专为符合标准TTL，而制造ULN2804适合6至15V的高级别CMOS或PMO上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。461加热控制1加热组成由于孵化箱体积较大，本系统设计采用2组加热电阻丝，每组电阻丝的功率为200W。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P20，P21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。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SRD05VDCSLC控制加热电阻丝的通断。加热控制部分硬件图412所示2PID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POUTTKPETKISUM_ETKDETET1其中，ET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_ETETET1ET2E1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ETET1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算法可以精确控制温度加热，通过PID算法计算出PWM的占空比，控制加热系统的工作。由于KP、KI和KD需要经过现场整定才能获得较好的效果，本设计系统由于时间以及其他诸多方面的原因没有采用PID算法精确控制加热，只是在程序中设置了当温度低于35时，采用完全加热，即P20，P21均输出低电平，当温度高于35时，采用中等加热，即P20输出低电平，P21输出高电平，当温度高于375时，采用不加热，即P20，P21均输出高电平，当温度高于385时，报警指示电路报警指示，并加大风门的开度来降低温度。图412加热电路原理图462加湿控制1超声波加湿器超声波加湿器是国内外应用较广的一种加湿方式。在工作时无机械驱动、无噪音干扰、无污染，故障率低、能耗低、雾化效率高、维护简便、可靠。具有护肤美容、康体健身、净化环境等多种用途，是高效、可靠、实用的超声波空气质量调节加湿设备。既可以较大空间进行均匀加湿，也可对特殊空间进行局部湿度补偿，具有较高的使用灵活性。优点加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高；节能、省电；超长使用寿命。缺点对水质有一定的要求。如图413为加湿控制电路原理图。2超声波加湿器控制原理超声波加湿器采用高频电子振荡电路，通过换能片产生的超声能量直接作用于水，把电能转化为机械能，而水在强烈的超声空化作用下被雾化，转化过程中无机械运动，雾化的微细水颗粒，经过特殊设计的风道吹送至需加湿空间，达到加湿目的利用的电子高频震荡（振荡频率为17MHZ或24MHZ，超过人的听觉范围，该电子振荡对人体及动物绝无伤害），通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加