小型孵化箱温湿度控制系统

山东科技大学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学生姓名学号指导教师日期2015年6月17日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。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目录摘要IABSTRACTII目录IV1绪论111课题背景及意义112国内外研究进展113设计目标32系统方案选择521总体方案522单片机的选择623传感器信号检测电路724显示电路的选择825键盘电路的选择93硬件系统设计1031单片机系统1032温湿度传感器及检测电路1133显示电路1434键盘电路1635报警及指示电路1736输出控制电路184软件系统设计2341主程序2342温度湿度采集程序2643LCD显示程序2944键盘扫描程序3245系统输出控制程序365系统仿真与调试3951系统软件调试与仿真3952系统综合调试44结论46致谢47参考文献48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711绪论11课题背景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。12国内外研究进展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。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。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。13设计目标131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3653852控湿范围5080RH3温度显示分辨率014湿度显示精度5RH132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。133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。2系统方案选择21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21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。22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。（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。23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H0S201，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。24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。25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01，第二个设定的温度值减01，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。3硬件系统设计31单片机系统311STC89C52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。312STC89C52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；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；313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。图31单片机控制系统电路原理图如图31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P30、P31、P32、P33接键盘电路，控制温度、湿度上限值的输入。单片机P2口的P20、P21、P22、P23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P24、P25、P26接LCD1602使能信号，读写选择，数据命令选择引脚。单片机的P16、P17接SHT10测温测湿模块。单片机的P10,P11接温度、湿度报警指示电路。单片机的P12、P13、P14接温度、湿度、风门工作指示灯电路。32温湿度传感器及检测电路321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32为SHT10的内部框图，表31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32SHT10内部框图表31SHT1O测量量程和精度SHT10量程精度测量温度40123805（25）测量湿度0100RH45RH322SHT10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实物图及原理图如图33,34分别为SHT10的实物图和原理图图33SHT10实物图图34SHT10原理图3温湿度采集电路原理图图35温湿度采集电路原理如图35所示为温度、湿度采集电路原理图。SHT10的供电电压为24V55V，所以引脚4VDD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1GND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3SCK）是SHT1O与单片机之间通信的同步时钟，所以接单片机的P17口，串行数据（引脚2DATA）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P17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。33显示电路331LCD1602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36，图37所示。图36液晶显示屏正面图37液晶显示屏背面332LCD1602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4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V335显示电路原理图如图38所示为LCD1602显示电路原理图。引脚1GND接电源地，引脚2VCC接5V正电源，引脚3V0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P24，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P25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P26口，当P26口由高电平跳变成低电平时，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38显示电路原理图34键盘电路341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39所示。图39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01、01的操作键、湿度设定值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。342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310复位电路如图310所示，本次设计采用的复位方式是按键复位方式。单片机的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MCS51有效的复位。35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311报警指示电路如图311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。36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。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。361加热控制1加热组成图312加热电路原理图加热控制部分电路原理图如图312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。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SRD05VDCSLC控制加热电阻丝的通断。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365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，当温度高于设定值2时，报警指示电路报警指示，并加大风门的开度来降低温度。362加湿控制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。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。所以本设计采用超声波加湿器对孵化箱进行加湿控制。图313加湿电路原理图如图313所示。为了避免干扰信号的影响，单片机的P22口，接光电耦合器，来实现工作电路与控制电路的电气隔离。光耦输出功率无法驱动继电器，所以在光耦后面接功率驱动芯片ULN2803再驱动继电器SRD05VDCSLC来控制超声波加湿器启动与停止。单片机P14接指示灯电路。当湿度低于设定值时，单片机P22为低电平，控制继电器闭合，启动超声波加湿器加湿，并且P14为低电平，点亮指示灯，表明超声波加湿器处于加湿状态。当湿度值达到设定值，单片机P22为高电平，继电器断开，加湿系统停止工作。同时P14变为高电平，指示灯不亮。363风门控制孵化箱的侧面设置风门，风门的形状为矩形。本系统设置4种风门状态不通风，小通风,中等通风，完全通风，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。图314风门控制电路原理图如图314为风门控制电路原理图。同样由于电动机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P23接光电耦合器TLP521来实现工作电路与控制电路的电气隔离。由于TLP521的输出功率驱动继电器，所以在光耦后面接功率驱动芯片ULN2803再驱动继电器SRD05VDCSLC控制电机的开通，即风门的闭合。当温高于设定值2时，单片机的P23输出低电平控制继电器闭合，电动机启动打开风门；当湿度高于设定值5单片机的P23输出低电平控制继电器闭合，电动机启动打开风门。4软件系统设计程序设计是本次设计的另一重要环节。本次程序设计按照分析系统控制要求，确定算法根据算法画流程图编写程序的步骤设计了主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序。KEILUVISION是KEILC51FORWINDOWS的集成开发环境IDE，可以完成软件编辑、编译、连接、调试和仿真等整个开发流程。开发人员可以在IDE编译和连接文件，最终产生标准的HEX目标文件以供调试器使用进行源代码级调试，也可供仿真器直接对目标板进行调试，还可以直接写入程序存储器中。由于C语言的语言简洁、紧凑，使用方便、灵活；运算符和数据结构丰；所以本设计采用C语言在KEIL中完成编程。41主程序411主程序流程框图本设计软件主程序流程图如图41所示。单片机上电后，首先数据进行初始化，LCD1602显示函数初始化，然后进入WHILE循环，进入WHILE循环后首先判断是否有按键按下，如果有按键按下则进行按键处理，如果没有按键按下，则执行传感器温湿度测量函数，然后进行温湿度转换，单片机将温湿度测量转换后的数据发送给1602显示，并同时与设定的温度湿度报警值比较，如果超过温湿度报警值则进行报警指示，并关闭加热加湿系统，打开风门系统，如果没有超过温湿度报警值，则相应的执行加热加湿等功能。数据初始化显示初始化进入WHILE循环开始是否有按键按下温湿度测量温湿度转换是否超过设定上限数据显示温度控制湿度控制风门控制报警并驱动继电器按键处理是否是否图41主程序流程图412主程序VOIDMAINUNSIGNEDINTTEMP,HUMI/VALUEHUMI_VAL,TEMP_VAL/定义两个共同体，用于湿度和温度UNSIGNEDCHARERROR/用于检验是否出现错误UNSIGNEDCHARCHECKSUM/CRCTB375,HB500LCD_INITIAL/初始化液晶KEYSCANWHILE1FENGSHAN0KEYSCANERROR0/初始化ERROR0，即没有错误ERRORS_MEASUREUNSIGNEDCHAR/温度测量ERRORS_MEASUREUNSIGNEDCHAR/湿度测量IFERROR0S_CONNECTIONRESET/如果发生错误，系统复位ELSEHUMI_VALFFLOATHUMI_VALI/转换为浮点数TEMP_VALFFLOATTEMP_VALI/转换为浮点数CALC_STH10/修正相对湿度温度EMPTEMP_VALF10HUMIHUMI_VALF10CONTROLTEMP,HUMISHOWTEMP,HUMIDELAY5/等待足够长的时间，以现行下一次转换42温度湿度采集程序421SHT10的工作过程发送一组“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。422SHT10传感器程序流程图根据SHT10的工作过程绘制其流程图如42所示。首先执行VOIDS_TRANSSTARTVOID启动函数，然后发送一个开始测量的数据，并检测是否发送成功，如果发送成功则接收来自SHT10的数据。接收完数据后，对数据进行补偿得出绝对数据。这便是SHT10子程序。温湿度都是由SHT10传感器测量，其中在CHARS_MEASUREUNSIGNEDCHARP_VALUE,UNSIGNEDCHARP_CHECKSUM,UNSIGNEDCHARMODE函数中进行温度或者湿度测量，由参数MODE决定测量内容；在得到传感器测量数据后，根据数据种类，进行相应的处理，其中我们对温度做补偿，对湿度进行线性补偿，最后通过计算得出相对温度湿度值。初始化启动传输发送测温量命令通信中断接收测量数据温湿度值标度变换及温度补偿显示相对温湿度值复位连接是否图42SHT10传感器子程序流程图423SHT10传感器部分程序CHARS_MEASUREUNSIGNEDCHARP_VALUE,UNSIGNEDCHARP_CHECKSUM,UNSIGNEDCHARMODE/进行温度或者湿度转换，由参数MODE决定转换内容；UNSIGNEDERROR0UNSIGNEDINTIS_TRANSSTART/启动传输SWITCHMODE/选择发送命令CASETEMPERRORS_WRITE_BYTEMEASURE_TEMPBREAK/测量温度CASEHUMIERRORS_WRITE_BYTEMEASURE_HUMIBREAK/测量湿度DEFAULTBREAKFORI0I100RH_TRUE100/湿度最大修正IFRH_TRUE设定值加2设定值减1设定值只启动一组加热器加热器停止风门打开关闭风门温度值设定值减温度报警指示温度值设定值加设定值减温度值设定值两组加热器全启动设定值加2温度值设定值只启动一组加热器加热器停止加热风门打开湿度值设定值加8湿度报警指示风门打开设定值加8湿度值设定值加湿器停止加湿超声波加湿是否是否是否是是是是否否否否图46系统输出控制流程图如图，当温度高于设定值2时，温度报警指示电路工作，且风门打开；当温度值小于设定值1时，两组加热器全部启动，当温度大于设定值1小于设定值时，只启动一组加热器，当温度大于设定值且小于设定值限2时，加热器全部停止工作；当湿度高于设定值5时，湿度报警指示电路工作，且风门打开；当湿度值小于50加湿器启动，当湿度值大于设定值且小于设定值5时加湿器停止。452系统输出控制程序VOIDCONTROLUNSIGNEDINTP,UNSIGNEDINTWIFPTB20WENDUJIARE1IFPTB20WENDUWARNING0WARNINGDELAY100ELSEWENDUWARNING1IFWHBSHIDUZHISHI1IFWHB80SHIDUWARNING0WARNING1DELAY100ELSESHIDUWARNING1IFPTB20|WHB80FENGMENZHISHI0ELSEFENGMENZHISHI15系统仿真与调试51系统软件调试与仿真511软件调试KEILUVISION是KEILC51FORWINDOWS的集成开发环境IDE，可以完成软件编辑、编译、连接、调试和仿真等整个开发流程。开发人员可以在IDE编译和连接文件，最终产生标准的HEX目标文件，以供调试器使用进行源代码级调试，也可供仿真器直接对目标板进行调试，还可以直接写入程序存储器中。软件调试首先建立新工程源程序。按照单片机C语言源程序所要求的格式、语法规定，把源程序输入到KEIL编程软件中，并保存。然后在KEIL程软件中，对输入的源程序进行编译法错误全部纠正为止。最后无语法错后进行编译产生HEX文件。512系统仿真系统的仿真是PROTEUS软件实现的。PROTEUS软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司研发的EDA工具软件。它是一个集模拟电路、数字电路、模/数电混合电路以及多种微处理器系统为一体的系统设计和仿真平台。是目前同类软件中最先进、最完整的电子类仿真平台之一。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码调试与仿真、系统测试与功能验证到PCB板生成的完整的电子产品研发过程，实现了从概念到产品的完整设计。PROTEUS能够完成模拟电子、数字电子、单片机以及嵌入式的全部实验内容，支持所有电工电子的虚拟仿真，在此软件平台上能够实现ISIS智能原理图绘制、代码调试、CPU协同外围器件进行VSM模拟系统仿真，在调试完毕后，还可以一键切换至ARES生成PCB板11。PROTEUS主要有如下功能智能原理布图、混合电路仿真与精确分析、单片机软件调试、单片机与外围电路的协同仿真、PCB自动布局与布线。仿真时先启动PROTEUS软件，打开绘制好仿真图，然后将KEIL编译产生的HEX文件加载到单片机中，点击运行按钮，开始仿真。1软件调试仿真遇到的问题（1）由于PROTEUS软件元件列表中无STC89C52型单片机，考虑用AT89C52代替。仿真测试时1602只有背光亮，无字符显示。经检查发现，由于AT89C52和STC89C52的P0口并不相同，后者内有上拉电阻，故AT89C52的P0外连接9线10K排阻器。（2）将程序运行完后，液晶显示屏上显示了部分自己所写的字符。但是总是会出现乱码的情况。经过进行资料的查找和请教别人后，发现是由于自己在写显示函数时，对字符串的位置放置有问题，导致前一行的字符串出现了溢出的情况。经过对程序的改动，最终达到了自己想要的显示界面。（3）键盘按键按一下不是增加或者减小一个单位，经过查找是延时时间设定不对，修改之后按键正常2仿真结果如图51所示当前温度为220,湿度为460，所以要如图52所示加热系统开启两组电阻丝加热，如图53所示加湿系统开启，且为了加热加湿均匀，如图54搅热风扇也启动，同时如图55加热加湿指示灯亮。图51液晶显示内容图52加热系统图53加湿系统图54均匀加热图55指示电路当温度大于设定值1时，加热系统关闭一组加热，只启动一组加热。如图56所示。图56加热系统当温度大于温度设定值2时，如图57所示，风门打开，如图58所示，风门指示灯点亮，如图59所示，温度报警电路工作。图57风门系统图58指示系统图59报警电路52系统综合调试本设计先检查排除了明显的硬件故障，又进行软硬件综合调试。对系统硬软件的综合调试是完成系统功能的最后一步调试，也就是系统功能实现的调试。通过上两大块的调试，系统的一些明显故障已经被排除，但这还不能保证系统在使用中就能够正常工作，实现理想功能，所以这一步的调试是至关重要的，需要十分丰富的调试经验，要根据系统实现的结果，能够仔细分辩故障部位，这样才能保证我们调试的准确性。调试中遇到的问题（1）键盘按键反应不灵敏，在PROTEUS仿真中可以用，但在实物中不好用，修改了程序中的延时时间，达到了效果，使我认识到了仿真和实际的差别。（2）LCD液晶显示很亮，查阅资料可以修改VDD引脚的偏置电压，加了一个电阻后达到了预期效果。521实物图图510电路控制板如图510所示，为自己焊接的电路控制版，包括单片机最小系统，键盘电路，LCD1602显示电路，指示灯电路，温湿度传感器检测模块，可以实现温湿度的实时监测并显示。图511液晶显示示数如图511所示，为实物的液晶显示示数，第一行为温度实时检测示数显示和温度设定值示数的显示；第二行为湿度实时检测示数显示和湿度设定值示数的显示。结论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。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，可以独立完成对孵化箱内温湿度的实时测控、显示、报警以及通过键盘实现人机交互的功能。其性能基本上达到了预期的目标。由于时间有限和能力的不足，设计在算法方面有待改进，另外实现通信，远程控制也是发展趋势。通过这次毕业设计，我复习了大学四年所学的很多知识，熟悉了很多电子集成电路的工作原理及用途，全面的熟练的学习PROTEL99SE的界面、基本组成以及使用环境等。重点学会简单电路原理图设计及绘制、原理图库元件的制作、复杂电路原路图的绘制、印刷电路板的设计环境、手工及自动化设计PCB、封装元件的制作等等。在整个设计中不仅使我复习学会了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。致谢本次设计是在汪老师的指导下完成的。在设计过程中汪老师从各个方面给予我悉心的指导和支持，从系统硬件设计到软件的调试环境，汪老师都尽量最大努力的给我创造条件。汪老师