孵化器温湿度控制系统设计

摘要孵化设备是养禽业的重要设备。它是根据仿生学原理，来人工模拟禽类孵化条件的一种设备。在孵化机正常工作的众多孵化条件中，温度与湿度的控制十分重要。因此，本设计主要对小型孵化机的温度湿度控制进行了研究。本论文首先就孵化所需温湿度条件以及国内外孵化温湿度控制系统的现状及发展方向进行了讲解，并参考孵化行业的技术标准确定了本系统的设计指标。本设计以ATAT89C51为控制核心，温度采集传感器选用数字式单总线温度传感器DS18B20；湿度采集传感器采用HS1101型电容式传感器，利用其搭建频率电路检测孵化箱内的湿度；利用以T6963为主控芯片的12864液晶屏实时显示孵化箱内现场状态；利用日历芯片DS1320准确记录孵化时间；利用E2PROM芯片AT24C02来存储标准温度湿度的改变，进行掉电保护等。利用KEILUVISION4软件编制了驱动单片机运行的C语言程序，并与PROTEUS软件进行联调仿真，验证设计的可行性。关键词单片机，孵化机，温湿度控制ABSTRACTTHEINCUBATIONEQUIPMENTISANIMPORTANTDEVICEINTHEPOULTRYINDUSTRYTHISISKNOWNTOALLITISABIONICDEVICETHATCREATESTHEENVIRONMENTABOUTHATCHINGWHEREMANUALCONTROLISDESIRED,ACCORDINGTOTHEBIOLOGICALPRINCIPLEOFHATCHINGFOWLANDUSINGTHEENGINEERINGMEASURESATAREASONABLECOSTTHETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLISPARTICULARLYIMPORTANTINTHENUMEROUSINCUBATIONCONDITIONSTHEREFORE,AMAJORTHEMEINRESEARCHHEREISTHATCONTROLOFTEMPERATUREANDHUMIDITYABOUTSMALLINCUBATORTHISARTICLEDESCRIBESTHEKNOWLEDGEOFTHEINCUBATOR,THESITUATIONANDDEVELOPMENTDIRECTIONOFTHEINCUBATIONEQUIPMENTATHOMEANDABROAD,ANDTHEHATCHPRINCIPLESANDCONDITIONS,ANDWITHREFERENCETOTHEINCUBATIONINDUSTRYTECHNICALSTANDARDSTODETERMINETHEDESIGNOFTHESYSTEMINDICATORSTHEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMISMAINLYCOMPOSEDOFSINGLECHIPAT89C51,DS18B20DIGITALTEMPERATURESENSOR,WHICHISTHROUGHSINGLEBUSTHEHUMIDITYSENSORISTHERELATIVEHUMIDITYSENSORHS1101,ITISUSEDTOBUILDFREQUENCYCIRCUITSFORMEASURINGTHEPRECISEHUMIDITYVALUESINTIMELCD12864USINGT6963ASMAINCONTROLCHIPISUSEDFORTHEACTUALSTATEMONITORANDDIAGNOSISINORDERTORECORDINGTHETIME,THISARTICLEUSESTHEDS1302TRICKLECHARGETIMEKEEPINGCHIPTHEDIFFERENCEINHUMIDITYANDTEMPERATUREARESTOREDINAT24C02,PROTECTEDINTHECASEOFELECTRICITYLOSSFORPROVINGTHEFEASIBILITY,CLANGUAGESCMPROCESSISWROTEBYTHEKEILUVISION4SOFTWAREANDTHESIMULATIONANDANALYSISTOOLSTHATPROTEUSSOFTWAREISUSEDKEYWORDSMICROCONTROLLER,INCUBATOR,THETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL目录1绪论111研究孵化器温度控制系统的意义112孵化器温湿度控制系统的发展现状113设计任务22设计方案选择421单片机的选择422数据显示部分的选择523温度传感器的选择624湿度传感器的选择83系统硬件设计1231系统硬件概述1232传感器的设计1333晶振复位电路的设计1834显示电路1935键盘电路2136存储芯片2237控制输出电路2438报警电路2539系统的电源电路设计264系统软件设计2841综述2842主程序流程图2943数据采集3044显示界面程序3545系统控制程序385系统的调试与仿真4351仿真环境介绍4352系统仿真调试4453印刷电路板的设计516总结53参考文献54致谢56附录57附录1主电路图PCB板57附录2电路图58附录3仿真电路图59附录4英文文献601绪论11研究孵化器温度控制系统的意义我国当前家禽孵化器正处于从传统家庭式孵化房向以出禽率高、雏禽质量高、孵化企业效益高的现代孵化企业转变的阶段；采用全自动恒温恒湿孵化器是优质、高效并且高产的最佳手段，是家禽孵化迈向现代化的重要标志之一；孵化器的孵化率与出雏率主要由湿度、温度等条件决定；当前，我国的许多小型的孵化器控制系统仍靠人工经验来管理，严重影响了孵化率和雏禽质量；在这种情况下，就需要采用先进的自动控制技术，科学地、合理地调整孵化环境的控制因素；采用微控制器进行孵化器内部环境调控，从而给禽蛋的孵化过程建立一个良好的环境，既做到提高雏禽质量、产量、经济效益，也降低禽蛋的孵化成本。孵化系统设计的关键技术是温度和湿度调控，其主要目标是提高生产作业和调控的精确度。当前家禽业要想提高出雏率与健苗率，设计一个可以准确反映孵化设备当前状态的控制系统很重要。一个好的温度湿度控制系统，对当前家禽业的发展具有重大意义。12孵化器温湿度控制系统的发展现状随着电子技术的不断发展，现代的温湿度测量系统逐渐取代了传统的简单数据采集系统；正从由分立元件组成的系统向微型化、集成化、数字化、智能化、微功耗、网络化、多参数测量的测量系统转变，而且还不断地改进测量的技术和方法，比如在系统中添加自动非线性补偿、自动温度补偿、自动校准等功能，来满足测量的精度和恶劣环境下的特殊要求1。近年来，温湿度测量与控制系统的研究发展迅速。国际上先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研制和开发提供了条件，使温湿度的设定、显示更加直观，精度进一步提高，智能化程度越来越高，温湿度检测的功能集成化大幅提高。目前，人们已经开发出了很多种基于不同微处理器的温湿度测量系统。现在国内外常见的温湿度测量系统有以下类型1基于单片机控制的温湿度测量系统2基于PLC的温湿度测量系统3集散型温湿度测量系统4基于FPGA控制的温湿度测量系统5基于DSP控制的温湿度测量系统人们开发这么多的温湿度测量系统都是为了满足不同的市场的需求。温湿度测量系统在纺织工业、冶金、化工、建材、食品、温室种植以及气象预报和科研实验室等诸多领域都有广泛的应用，而这些领域对温湿度测量系统的要求也各不相同1。温湿度测量系统拥有广阔的市场前景。总之，现在国内外温湿度测量控制系统的研究都是朝着数字化、微型化、智能化的方向发展，并且不断地进行技术改进来满足市场的要求1。13设计任务131温度条件温度是孵化条件之一。只有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。胚胎发育的最佳温度378摄氏度，如果温度过高，胚胎内部代谢过于旺盛，因此，会使孵化率和健苗率降低；如果温度过低，会使孵化时间延长，胚胎不能正常发育，同样会导致孵化率与健苗率降低。如下表11提供了鸡的孵化温度配置方案。从表中可以看出,随着禽蛋胚龄的增加孵化温度会略有降低。表11鸡的孵化温度方案孵化器温度C胚龄天最高温最低温1638538071238137913183803791921378375132湿度条件禽类孵化的湿度条件的重要性主要体现在出雏阶段，出雏时相对湿度应不低于60RH，其保持在6570RH之间为最佳。较高的湿度有利于雏鸡啄壳，若湿度低了会引起粘毛等现象，影响出雏。孵化阶段的湿度应掌握前高后低的原则，一般为6天前5560RH，6天以后到落盘保持在50RH左右即可。因湿热的穿透力强，在同样温度条件下高温可使胚胎吸收的热量增加，这在实际生产中应引起高度重视。133系统的主要技术指标根据实际要求得到本系统设计的主要参数如下控温范围365C385C控湿范围4080RH温度显示分辨率01C湿度显示精度5RH134工作重点系统硬件电路设计温度检测电路，湿度检测电路，温度控制电路，湿度控制电路，数据显示电路，键盘接口电路，报警电路等。系统软件设计基于KEIL软件系统控制程序的调试，基于PROTEUS软件的模拟仿真，基于ALTIUMDESIGNER90的PCB板设计2设计方案选择本系统设计把孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，其控制模块可分为温湿度检测部分，键盘控制部分，数据显示部分，温湿度控制部分等等。为了更好达成控制目标，需要对各个部分的设计方案进行分析比较，从而选出最佳方案。21单片机的选择现在市场上单片机有很多类型。在本系统中，主控制器单片机应达到的目标应有1有足够的内存支持系统的运行；2应有丰富的外围电路支持系统的扩展；3有强大的抗干扰能力；4应有方便的调试环境与多样的编程语言。综合以上条件，在系统设计中，我选择了ATMEL公司的AT89C51芯片。AT89C51单片机是ATMEL公司生产的高性能8位单片机，主要功能特性如下兼容MCS51核指令系统；32个可编程双向I/O口，两个16位定时/计数器；5个中断源（2个外部中断）、两个中断优先级；可直接驱动LCD；具有功耗空闲和掉电模式；4KB程序存储器ROM，可反复擦写1000次FLASHROM；静态操作024MHZ；1288B内部RAM；综上，AT89C51的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合本系统设计。AT89C51单片机负责采集孵化箱内的环境参数，对孵化箱内部的温湿度值进行比较运算，输出控制信号驱动执行机构，从而实现对孵化箱内各参数值的实时控制。由于该系统要采集处理的数据量不是很大，因此，AT89C51芯片符合系统设计要求，而且并不需要对芯片进行存储量扩展。22数据显示部分的选择在本设计中，需要有显示器实时显示温湿度变化、孵化时间变化等等，从而实现人机交互。为了达成设计目标，有如下几个方案方案一利用数码管显示数据变化；方案二利用LCD1602显示；方案三利用LCD12864显示。每个方案都可完成设计任务，但主要区别是完成度与舒适度的问题。方案一数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码。按驱动方式不同，可分为静态式与动态式两类。静态式编程简单，先是亮度高，占用I/O口较多，硬件线路复杂；动态式使用芯片较少，缺点是动态扫描占用CPU时间较多，显示器位数多时，会导致先是亮度降低。方案二液晶显示屏LCD160有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，能够同时显示16X02即32个字符。但是LCD1602在强光下显示并不清晰，无法显示汉字使其在人机交互界面的选择上处于劣势。方案三带中文字库的128X64是一种点阵图形液晶显示模块。它具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式；其内部含有国标一级、二级简体中文字库。可以同时显示84行1616点阵的汉字，也可以实现对图形的显示。该模块低电压低功耗，具有灵活的接线方式和简单、方便的操作指令，因此，利用它可以构成全中文人机交互图形界面，符合产品应用现状。由于在本设计中需要显示的值较多，实现功能比较复杂。对于以AT89C51为主控制器的系统来说，I/O口比较少，不可能支持大量数码管显示。LCD12864显示界面大，全汉字屏幕更加符合国内市场现状，同时经过比较也更加符合系统设计的要求。因此，在数据显示器的选择上选择方案三。23温度传感器的选择根据禽类的孵化温度要求，温度控制设定范围为365C385C，分辨率为01C，设定温度值可在程序中或通过键盘设置，并可实时显示当前温度值。为了达到这个目的可采用以下3个方案。方案一利用热电偶构成测温电路；方案二采用温度传感器AD592构成测温系统；方案三采用数字型温度传感器DS18B20构成温度检测系统；三个方案的共同点都是采用单片机作为控制核心，温度采用LCD液晶显示器显示。这三个方案的不同主要是温度采集器和模/数转换电路。方案一的系统组成框图如图21所示主控制器89C51LCD显示键盘电路报警复位电路继电器控制部分V/F转换电路信号匹配电路热电偶及补偿电路加热装置图21热电偶温度监控系统的组成框图如果热电偶想要正确检测温度，就需要进行冷端补偿。在测试过程中，热电偶的有效输出电压仅几个毫伏，因此，热电偶的输出值必须放大后才可以满足A/D转换的条件。在输出值放大后，使用8位A/D转换器ADC0809后，可以将ADC0809的输出端直接与单片机相连，得到软件算法的标准数据量。由于热电偶的输出曲线为非线性，每个温度值都必须通过索引表查找，从而增加了软件编程和数据处理的难度。在方案一所设计的系统中，热电偶的测量温度范围非常大，可以从零下一百多度到上千度，热电偶的精度非常高，这是这种测量电路的突出优点，但构成系统的硬件设计一般较为复杂，抗干扰能力不是很强。方案二的框图如图22所示主控制器89C51LCD显示键盘电路报警复位电路继电器控制部分V/F转换电路信号匹配电路AD592温度传感器加热装置图22基于AD592的温度自动控制系统组成框图采用温度传感器AD592构成测温系统中，AD592输出量为模拟量，如果想输入单片机，就必须进行数据量的转变。如果不用A/D转换器，也可以选择V/F转换输入电路。其中，V/F转换器的微控制器接口电路简单，抗干扰能力强，也可采用简单的光电隔离等，而且V/F转换电路可达到A/D转换同样的效果。该电路对小信号具有更好的准确性和快速响应能力，而且还对输入的温度信号的变化能快速响应。但它的缺点是，该电路较为复杂，需要放大器将采集到的温度信号进行处理，而且该电路不是很稳定。方案三的框图如图23所示主控制器89C51LCD显示键盘电路报警复位电路继电器控制部分DS18B20温度传感器加热装置图23恒温孵化器系统原理该方案中温度采集主要依靠常用且便宜的DS18B20数字智能温度传感器，它具有高集成、超小型、高精度、数字化的特点，且价格适中，抗干扰性能强，能够简化电路设计，在很多实际应用中也是最佳选择。由于其分辨率可以达到为12位的最高值，及其温度测量精度可以达到00625C。而本设计的目标是01C，因此完全可以达到测量和控制的精度要求。该传感器不仅能输出数字温度信号而且还能进行数据处理，并且其连接极为方便，只需要一个I/O端口。虽然温度测量范围从55C125C，比较有限，但却很符合本设计的要求。经过以上方案比较，方案三测温范围更符合系统设计要求，硬件组成也不是很复杂，并且经济合理，从而脱颖而出。24湿度传感器的选择随着科技进步，空气湿度的测量方法也越来越多，但是其原理是不变的，把物质置于空气中吸收水分，产生物理或者化学变化，通过这个变化可以间接的获得该物质的吸水量，从而测出周围空气的湿度。其中，湿敏元件是最简单的湿度传感器。为了满足设计孵化系统设计的目标，测湿范围为5080RH，测湿精度为5RH，报警值同样可在程序中或通过键盘设置，并可实时显示当前湿度值，选择了如下方案方案一采用湿敏电阻组成测试电路测量实时湿度。方案二采用湿敏电容构成桥式振荡电路。方案三采用湿敏电容构成555多谐振荡电路。三个方案的共同点都是采用单片机作为控制核心，湿度采用LCD液晶显示器显示。这三个方案的不同主要是湿度传感器的选择和模/数转换电路。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类，在方案一中利用了湿敏电阻；在方案二与方案三中都用到了湿敏电容，它具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化等优点，但其精度却比湿敏电阻要低一些。湿敏电容在硬件电路中等效为一个电容器件，其电容值随着空气中湿度值的增大而增大。方案一当湿敏电阻传感器感受到外界湿度的变化时，其电阻值发生变化，同时会产生相应的感应电流，电流流经电位器后，可采集到对应电位器电压，然后将电压送入运算放大器中进行信号放大，继而通过A/D转换芯片进行模数转换，通过主控制器进行信号处理后，可通过液晶显示其结果。其优点是湿敏电阻灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。设计思路如图25所示湿敏电阻传感器采集信号电流信号转变为电压信号进行信号放大进行A/D转换主控制器89C51LCD显示图25湿敏电阻构成测试系统方案二将湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，会产生正弦波电压信号，其经过整流、信号放大，最后再经过A/D转换为数字信号，经AT89C51处理后，可通过液晶显示其结果。该电路属于传统的模拟式传感器测量电路，需要经过模数转换后才能与数字式系统连接，这就使硬件电路在一定程度上变得复杂，而交流电路在稳定性、可靠性、精度、响应速度等方面存在许多问题。这就使系统的兼容性差、硬件复杂、成本也会变得更高。设计思路如图26所示湿敏电容置于桥式振荡电路中产生正弦波电压进行整流放大进行A/D转换主控制器89C51LCD显示图26湿敏电容构成桥式振荡电路方案三将湿敏电容置于555振荡电路中，可组成多谐振荡电路，可使电容值的变化转换成方波频率值的变换，二者成反比。方波信号可直接被单片机采集，通过计数器与定时器相结合的方法来测量方波频率。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10。并且多谐振荡电路的抗干扰能力强，成本也较低。但其缺点也很明显测量过程中需要同时运用单片机的定时器与计时器，占用内存较多，会加大单片机的工作负担。其设计思路如图27所示湿敏电容置于555振荡电路中产生方波信号利用89C51测量方波频率并输出相应结果LCD显示图27湿敏电容构成多谐振荡电路经过上述方案的综合比较，基于本系统设计所需的湿度精度不是太高，实现的功能不是太过复杂，有充足的内存空间。因而，选用方案三。3系统硬件设计31系统硬件概述本系统硬件设计主要是以AT89C51单片机作为核心控制芯片，在此芯片基础上进行硬件扩展。利用温度传感器DS18B20测量实时温度，同时，利用湿度传感器HS1101测量设备内部湿度。时钟电路部分选择的是DS1302芯片。存储部分E2PROM选择的是AT24C02芯片。液晶LCD选择的是以T6963为主控芯片的12864液晶。其系统组成如图31所示。主控制器ATAT89C51放大、驱动电路加热装置加湿装置风机键盘与报警电路LCD显示电路孵化机掉电存储温度检测湿度检测日历芯片图31孵化控制系统组成孵化控制系统的工作过程如下主控制器单片机依据编写好的程序对温湿度传感器采样的信号进行数据处理，从而根据需要发出驱动信号，实现对执行机构加热器、加湿器的控制，以保证可以创造出种蛋孵化的最优条件。其中键盘电路控制孵化机的运行状态，通过它，用户可以对参考数据进行更改；LCD显示电路用来实时显示温湿度值的变化与用户对参考数据的更改；报警电路的存在是为了提醒用户超温超湿等恶劣情况的发生，使用户可以及时采用相应的解决方案；为了提醒用户孵化所剩时间，全程利用了日历芯片DS1302进行记录；利用E2PROM芯片AT24C02记录用户对孵化机设备参考数据的更改，预防突发掉电情况时数据丢失的情况发生。32传感器的设计传感器设计部分分为温度传感器设计部分和湿度传感器设计部分。321温度传感器3211DS18B20介绍现代信息技术日新月异，推动了传感器技术的蓬勃发展，近百年来，温度传感器正由模拟形式转变成数字形式，开始向集成化、智能化、网络化的方向发展。本设计温度传感器选择的芯片是DS18B20。DS18B20的特点独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信；每个设备都有一个唯一的64位串行代码存储在光盘片上；不需要外部部件；可以从数据线供电，电源电压范围为30V至55V；测量范围从55C至125C，从10C至85C的精度为05C；温度计分辨率是用户可选择的9至12位；转换12位数字的最长时间为750MS；用户可定义的非易失性的温度告警设置；采用8引脚SO（150MIL），8引脚SOP和3引脚TO92封装，如图32所示；应用范围广包括恒温控制、工业系统、消费类产品等方面。图32DS18B20的外形与封装3212DS18B20的接口电路设计由于温度传感器DS18B20是一种单总线的数字式测温芯片，仅需使用1个端口就可实现与单片机的双向通讯；同时，采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。它的接口电路因此就变得非常简单。通过端口的方向寄存器，端口的输入输出方向就可以由AT89C51单片机进行设置，这样单总线的数据的读/写功能就能很好的实现。DQ引脚为漏极开路输出，需要47K的电阻拉高，这样是为了保证如果没有数据传输，总线就可以始终为高电平。为了给该芯片输出端滤波，放一个01F的电容在电源处。其接线图如图33所示图33DS18B20外部接线设计322湿度传感器本系统对于湿度传感器的精度要求不是很高，只要能够达到相应的系统要求即可，本设计选择的湿度传感器选择的芯片是湿敏电容HS1101。3221湿度传感器HS1101简介1从工艺设计上来说，它是一个独特设计的电容元件。它可以得到的各种应用。2特点在标准系统中无需对传感器参数进行校正，器件互换性好，迅速从较长时间湿度测量过程中干燥。可进行波峰焊等自动化焊接，可靠程度高和长期稳定性好。专利的固态聚合物结构，采用线性电压或频率的融合输出，响应时间快。3HS1101的特性曲线在25C情况下并且工作频率定为10KHZ时进行测量，如图34所示。图34湿度传感器HS1101的测试曲线3222HS1101与单片机的连接湿度传感器HS1101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HS1101置于TLC555定时器构成的振荡电路中，可以将空气湿度值转换成对应频率信号送入单片机，通过计算可在显示器中正确显示出现场的湿度值。应用电路如图35所示图35湿度传感器电路集成定时器555芯片的外接电阻R6、R7与湿敏电容C10，构成了对电容的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路构成了对湿敏电容C10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；另外，R8是防止输出短路的保护电阻，R5用做芯片内部温度补偿，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配10。本湿度采集电路选用的是TI公司的TLC555振荡器。根据要求，R5的阻值应为909K，R2的阻值为576K。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下首先电源VCC通过R6、R7向湿敏电容C10充电，经过T充电时间后，湿敏电容两端电压UC达到芯片内比较器的高触发电平，约067VCC，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经T放电时间后，UC下降到比较器的低触发电平，约033VCC，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10。其中，充放电时间为31充电67232放电62因而，输出的方波频率为3311充电放电12672占空比34充电67267可见，空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号，当室内温度为25C时，湿度55RH对应的电容值为180PF，即对应频率为3555126721180101257624991032666055110381936810330114106234403108336从以上的计算可以得出，湿度的变化将导致HS1101等效电容的变化，而电容值得变化将直接导致555芯片输出方波频率发生变化，而电容值得变化和信号频率的变化存在线性关系。可由公式（36）得出表31给出湿度和方波频率的变化关系。系统可以通过读取555芯片输出方波的频率，得出所测环境的相对湿度值。表31频率湿度关系湿度（）0102030405060708090100频率（HZ）7351722471006976685367286600646863306180603333晶振复位电路的设计331晶振电路单片机ATAT89C51内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器，两个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端与输出端7。在片外跨接一晶振和两个匹配电容就构成一个自激振荡器；其中匹配电容要根据石英振荡器的要求选取，一般选用2030PF的瓷片电容。振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百KHZ24MHZ中适当选取某一频率。本系统频率选取110592MHZ，瓷片电容选取22PF，设计电路如图36所示。图36晶振电路332复位电路在单片机运行过程中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环或跑飞。要使其进入正常状态，一个有效的方法就是让单片机复位。所谓复位电路，就是在需要单片机复位的时候，能够产生可靠复位脉冲的电路。本设计采用的是手动复位电路，如图37所示。图37复位电路34显示电路在本设计过程中，我选择以T6963为主控芯片的12864液晶屏来显示各种信息，其中，液晶屏采用深圳勤正达公司的FM12864F6。它是一种图形点阵液晶显示器，主要采用动态驱动原理由行驱动器、控制器和列驱动器三部分组成128列64行的全点阵液晶显示，此显示器采用了SMD的硬封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD，使其寿命长，连接可靠，可完成常用字符及图形显示，也可以显示84个1616点阵汉字13。其中，主控芯片T6963C是日本东芝公司专门为中等规模LCD模块设计的一款控制器，它通过外部MCU方便地实现对LCD驱动器和显示缓存的管理。其特点为8位80或Z80系列总线，内部有128个常用字符表，可管理外部扩展显示缓存64KB（本模块为32KB），并具有丰富的指令供MCU实现对LCD显示屏幕的操作与编辑。其实物图如图38所示，其接口信号如下表32所示。图38FM12864F6液晶实物图表32FM12864F6液晶接口信号说明引脚符号电平功能描述1FG0V铁框地2VSS0V信号地3VDD50V逻辑和LCD正驱动电源4VO10V报警值温度值标准值04C加热器启动加热器停止按键2是否按下是是否是湿度值标准值8加湿器启动加湿器停止否是是否否否否是否图49控制程序流程图主要程序如下VOIDTIAOJIEUINTDATA1,DATA2,DATA3,TEMPERTUREUINTDATA4,DATA5,DATA6,TEMDELAYNMS2DUQUDATA11/在AT24C02中取出温度标准值高8位，存入DATA11DELAYNMS2DUQUDATA12/在AT24C02中取出温度标准值低8位，存入DATA12DATA1DATA11DATA3/若实时温度值高于调节温度上限MOTOR01/加热器停止工作DELAYNMS2DUQUDATA9/在AT24C02中取出湿度标准值高8位，存入DATA9DELAYNMS2DUQUDATA10/在AT24C02中取出湿度标准值低8位，存入DATA10DATA4DATA9DATA6/若实时湿度值低于调节温度下限MOTOR10/加湿器开始工作IFTEMDATA5/若实时温度值低于调节温度上限MOTOR11/加湿器停止工作说明1温度报警值为标准温度加15C；湿度报警值为设定湿度值加15RH。2在AT24C02中存储的设定湿度值为其对应频率值，频率与湿度值成反比，频率值越小，湿度值越大。因此，出现了程序中的情况。5系统的调试与仿真51仿真环境介绍单片机应用系统开发工具有很多，包括系统级集成开发平台（如KEILC51软件）、系统仿真工具（PROTEUS仿真软件）、用于目标板调试的各种型号仿真器、用于固化目标文件代码的各种编程器、用于电路原理图设计和电路板布线的工具（如PROTEL软件和ALTIUMDESIGNER软件），等等。在本系统设计中，主要应用了两个主要的单片机应用系统开发工具KEILC51集成开发平台和PROTEUS系统仿真软件。511KEILUVISION集成开发环境KEILC51软件是美国KEILSOFTWARE公司出品的目前最流行的开发MCS51系列单片机软件，近年来已被很多仿真机厂商全面支持9。KEILC51软件提供了包括编译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器及功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，并通过一个集成开发环境UVISION将这些部分组合在一起。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9。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。512PROTEUS仿真软件介绍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9。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9。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。尽管PROTEUS软件功能极强，能仿真3万多种元器件，能代替仿真器和目标板进行系统软硬件仿真调试，但它的使用仍有一些局限，毕竟仿真软件不能仿真所有元器件，也不能仿真所有类型的单片机，仿真电路也不能模拟目标板的所有工作状态和环境条件。所以，使用仿真器与目标板进行系统调试，在某些情况下仍是不可替代的选择。513ALTIUMDESIGNER画图软件介绍ALTIUMDESIGNER基于一个软件集成平台，把为电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用软件中14。ALTIUMDESIGNER包含所有设计任务所需的工具原理图和HDL设计输入、电路仿真、信号完整性分析、PCB设计、基于FPGA的嵌入式系统设计和开发14。另外可对ALTIUMDESIGNER工作环境加以定制，以满足用户的各种不同需求。由于PROTEUS软件的PCB库有缺陷，印刷电路板的设计通过ALTIUMDESIGNER进行。52系统仿真调试本系统的仿真通过KEIL软件与PROTEUS软件联调使用。启动PROTEUS软件，将先前绘制好的电路图打开，并将KEILC51软件编译好的程序文件导入到单片机中，点击运行按钮，开始仿真。521电源部分的仿真电源部分仿真电路可分为变压电路、整流滤波电路与集成稳压电路三部分。其仿真结果如下图51所示，分别可以得到121V与501V电压，虽然有点误差，但可以满足系统要求。图51电源仿真图522温度部分的仿真PROTEUS软件元件库中正好有DS18B20的仿真模型，利用模型构建仿真图如下图52DS18B20仿真图在仿真过程中，DS18B20每次改变01C，使满足温度传感器分辨率的需要。经过观察，LCD12864显示模块每次均可以完美跟踪DS18B20值的更改，其仿真结果满足系统要求。523湿度传感器的仿真由于在湿度传感器仿真时，系统是同时利用单片机的计时器与定时器来记录湿度传感器作为电容在555芯片作用下产生的方波频率。PROTEUS软件为了准确跟踪记录仿真过程，仿真时间就会变得很慢。为了及时的关注仿真流程，在仿真系统建立时，对湿度传感器电路做了更改，增加了RC振荡电路中电阻阻值，使振荡频率降低，从而减少PROTEUS软件在同一时间内CPU工作量，加快了仿真时间。在仿真电路中，R10为10M，R12为50K，利用无电阻的开关来模拟湿度传感器电容值变化的过程。当55RH，180PF时，对应频率值为55118010122010650103239975由于仿真有些误差，可得一组仿真数据如下表表51仿真湿度与频率关系表湿度（RH）010203040505560708090100电容值（PH）1631661685171817481781801821855189194199频率（HZ）445437430422415407403399391383374365由图表可得出，频率与湿度的对应关系如下图360380400420440050100150SERIES1频率与湿度的线性关系频率与湿度的对应关系频率HZ湿度（）图53频率与湿度的散点图160165170175180185190195200020406080100120SERIES1电容值与频率电容值与湿度的关系电容值（PH）湿度（）图54电容值与湿度的散点图由图53所示，频率值与湿度值成线性关系。在软件程序作用下，可通过所得出的线性关系方程式算出对应湿度值并在LCD12864上显示出来。仿真图如下图所示图55湿度传感器仿真图524键盘控制与显示任务1开机键的主要实现的功能是控制系统的工作与停止两种状态间的转换。当开机键未按下时，LCD12864屏幕上显示“山东科技大学孵化箱设计自动化1101魏世琳”字样，如图56；当开机键按下时，LCD12864屏幕进入主屏幕显示实时温湿度与孵化时间，如图57，同时，显示开关机状态的LED灯亮起。2翻屏键的功能是实现几个屏幕间的来回切换。当翻屏键按一下时，显示“设定温度”，如图58；当翻屏键按两下时，显示“设定湿度”，如图59；当翻屏键按三下时，显示“报警值（温度、湿度）”如图510；当翻屏键按四下时，返回主界面。说明在实际设计中并无翻屏键的第三下的显示，在仿真中存在，旨在显示设定温度值与报警值的关系。如图所示，报警值温度比设定温度值高15C，湿度比标准湿度高15RH，仿真符合条件。3选择键的功能是选择对应调节值的十位、个位与小数点位。当选择键按一下时，想要调节的数值十位变为反色显示，如图511；同理，选择键按下两下、三下时，目标数值的个位与小数点位分别反色显示。4加键的功能是对反色的位进行加操作。在原有数值的基础上，加键每按下一次数值加一，实现了09间的循环，如图512。5确定键的功能是将调整完成的数值存入E2PROM芯片AT24C02中，并返还回主屏幕。6在仿真过程中，用系统关机来模拟系统突发掉电情况的发生，再次开机后，按下翻屏键可发现设定温度为掉电前改变的值，由此可看出AT24C02的掉电保护功能可以实现。7在实际系统中，孵化时间最小单位为小时。而在仿真过程中为了显示DS1302的工作情况，将孵化时间的最小单位设定为秒。可发现PROTEUS软件仿真1S，孵化时间的秒数就增加1，日历芯片工作正常。图56开机键闭合图57开机键闭合图58翻屏键一下图59翻屏键两下图510翻屏键三下图511选择键图512加键加一525报警功能的实现根据温湿度的方案要求，在仿真环境中，检验报警功能的实现。当温湿度高于报警值时，报警开始；当人为打开报警开关时，将默认报警已收到，报警停止。满足要求。仿真接线如图513。图513报警仿真526输出仿真部分由于在PROTEUS软件中无加热器、加湿器的详细仿真模型，在系统仿真过程中我以直流电动机的运转状态来显示加热器等的工作过程。当绿色LED灯亮起的时候，表示相对应外围电器开始工作。进行输出部分的调试时发现，当实测温度值低于设定温度值04C时，加热器开始工作；当实测温度值高于设定温度值04C时，加热器停止工作。加湿器的工作过程与之类似，当实测湿度值低于设定湿度值5RH时，加湿器开始工作；当实测湿度值高于设定湿度值5RH时，加湿器停止工作。在仿真过程中温湿度的测量值不太稳定，有时会有0C或0RH发生，此时会使加热器或加湿器开始工作，但当温度值高于设定温度值04C或湿度值高于设定湿度值5RH时，加热器加湿器一定会处于停止状态，杜绝了超温超湿情况的频发，满足实际要求。其仿真图如图514所示。图514输出仿真部分53印刷电路板的设计印制线路板的设计工艺流程包括原理图的设计、区块划分、电子元器件封装配置、布线和最终检验等过程。在流程过程中，无论在哪道工序上发现了问题，都必须返回到上道工序，进行重新确认或修正。1根据电路功能需要设计原理图。原理图的设计主要是依据各元器件的电气性能根据需要进行合理的搭建，通过该图能够准确的反映出该PCB电路板的重要功能，以及各个部件之间的关系。原理图的设计是PCB制作流程中的第一步，也是十分重要的一步。2原理图设计完成后，需要更近一步对各个元器件进行封装，以生成和实现元器件具有相同外观和尺寸的网格。3正式生成PCB。网络生成以后，就需要根据PCB面板的大小来放置各个元件的位置，在放置时需要确保各个元件的引线不交叉。放置元器件完成后，最后进行DRC检查，以排除各个元器件在布线时的引脚或引线交叉错误，当所有的错误排除后，一个完整的PCB设计过程完成。6总结本系统设计的是孵化箱的温湿度采集系统。它以单片机ATAT89C51作为控制核心，通过温湿度传感器实时采集孵化器的温湿度，并通过液晶LCD12864显示出来，与此同时它还具有实时记录孵化时间、掉电保护等功能。本系统设计软硬件设计相结合，主要是把硬件设计作为载体，利用软件编写的算法作为控制主体。在整个设计中，运用了专业化、模块化和层次化的设计思想。首先，系统的硬件设计方案是根据系统要求给出了对应模块的设计方法，其中包括温度采集模块、湿度采集模块、时钟模块、存储模块、报警模块等几个部分。这章节通过每个模块的功能的介绍选取了相应的芯片，并且给出了该芯片的模块电路设计方法。其次，在系统的软件设计方案中，将系统的控制程序进行了模块化编程设计。首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系，降低了程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。在本章节，着重介绍了软件控制中重要的几部分，其中有温度传感器的编程、LCD的分屏控制以及输出控制等等。最后，在系统调试过程中，进行了KEIL软件与PROTEUS软件的联调仿真，利用ALTIUMDESIGNER软件进行了PCB板的设计。在模拟仿真过程中，系统设计要求基本可达成。在本章中主要介绍了模拟仿真的成果，其中包括湿度传感器、键盘控制与报警控制等。但是，由于时间等各方面的限制，没能进行实物的制作是一个比较大的遗憾。由于本人水平有限，孵化器系统又是一个较为缓慢的变化过程，在控制算法的选择上，虽然可以达到基本的控制要求，但却达不到利用PID算法或模糊算法等算法控制的精确度。参考文献1李大军基于单片机的恒温恒湿孵化器系统设计硕士学术论文四川电子科技大学2013。2霍玉丈、丈学忠等热电阻热电偶测温电路吉林吉林化工学院3蒋辉平、周国雄、陈爱武单片机在孵化箱温、湿度控制系统中的应用湖南湖南科技学院学报20074林敏，于忠得等HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用辽宁大连轻工业学院5DS18B20PROGRAMMABLERESOLUTION1WIREDIGITALTHERMOMETERHTTP/WWWHUMIRELCOM20026RELATIVEHUMIDITYSENSORHS1100/HS1101HTTP/WWWHUMIRELCOM20027公茂法、黄鹤松等编著MCS51/52单片机原理与实践北京北京航空航天大学出版社200930362622708DS1302TRICKLECHARGETIMEKEEPINGCHIP2008MAXIMINTEGRATEDPRODUCTSHTTP/WWWHUMIRELCOM20029陈海晏编著51单片机原理及应用基于KEILC与PROTEUS北京北京航空航天大学出版社201310兰海军基于单片机的多孵化箱温湿度控制系统的研究硕士学术论文湖北华中科技大学200811方玉鑫基于单片机的温湿度控制系统的研究与应用硕士学术论文哈尔滨哈尔滨工程大学201212王云肖直流可调稳压电源的设计与PROTEUS仿真应用河北石家庄信息工程职业学院201113图形点阵液晶显示模块使用手册FM12864F6台湾重庆市汇福电子有限公司14曾峰、侯亚宁、曾凡雨印刷电路板PCB设计与制作电子工业出版社2002年11月15张海基于AT89C51和DS18B20的最简温度测量系统的设计福建厦门大学200716王季红、房宗良、文其林等T6963C液晶显示模块在便携式谱仪系统中的应用防化指挥工程学院二系102205致谢时光飞逝，四年的大学生活马上就要到达终点。这四年是我人生旅途的重大转折点。回顾往昔，无数感动满溢心间，留下的是更多的不舍。在此，向所有关心和帮助我的老师和同学们致以诚挚的谢意经过半个学期的调查、材料组织、系统设计调试，以及最后的毕业论文编写，今天终于圆满完成了，结果反复思量，写下最后的感谢。首先，最要感谢的是汪慧老师，在汪老师孜孜不倦的指导下，我才能为自己的大学生活画上圆满的句号。汪老师学识的渊博与平易近人的态度使我受益终生。其次，就是要感谢这些身边的同学们。无论是在学习中，还是在生活中，他们都给予我无微不至的帮助。刘冰、李丽、吕克玉、辛伟娜、田雪婷、亓佳同学在生活学习中很好的帮助我，让我感到浓厚的学习氛围与家的温暖。最后，要感谢我的父亲母亲。谢谢你们对女儿的纵容，即使生活的重担已让你们的头发染上了霜华。爸爸妈妈，你们放心，我会争气，会勇敢的创下自己的一片天下附录附录1主电路图PCB板附录2电路图附录3仿真电路图附录4英文文献FEATURESUNIQUE1WIREINTERFACEREQUIRESONLYONEPORTPINFORCOMMUNICATIONEACHDEVICEHASAUNIQUE64BITSERIALCODESTOREDINANONBOARDROMMULTIDROPCAPABILITYSIMPLIFIESDISTRIBUTEDTEMPERATURESENSINGAPPLICATIONSREQUIRESNOEXTERNALCOMPONENTSCANBEPOWEREDFROMDA