2019年家禽孵化器温度过程控制系统毕业设计最新(共102页).doc

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This article describes the incubation of the relevant knowledge, incubation equipment, domestic and international situation and development direction, and introduces the principles and conditions of incubation the content and information technology incubation industry standards set the temperature of the system design specifications. Poultry hatching is a complex biological process, appropriate control incubation temperature, not only can improve the hatching rate, but also can improve the quality of hatching. Temperature control plays a crucial role in poultry hatchery. Therefore, the research of temperature control system makes lots of sense.The intelligent control system is mainly composed of single-chip AT89S52，DS18B20 temperature sensor, an independent keyboard, LED and alarm system. SCM will detect that the temperature of the input signal and decide whether to activate the relay to open the equipment when environment temperature compare with setted temperature. The system possess of many excellences，including its novel structure，simple circuit and expedient contro1KEY WORD: Incubator, Single Chip Microcomputer，ControlTemperatur，temperature sensor目录1绪论1.1 研究孵化器温度控制系统的意义智能养殖业是知识与技术高度密集的产业，具有高技术含量、高投入、高产出、高效益等特点。由于遗传学、营养学、畜牧工程学的深入研究，以及饲养管理和综合防疫措施鸡场和孵化场卫生的不断改善，孵化率都有很大的提高。智能化是现代温度控制系统发展的主流方向。因此，研究孵化器温度控制系统具有重要的意义。家禽孵化是一个复杂的生物学过程，适当的控制孵化温度，不仅能提高出雏率，而且还提高了雏禽质量。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。1.2 孵化器温度控制系统的发展现状近年来，温度控制系统已经用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。在国外，随着60年中期肉用仔鸡的发展，大中型的的孵化设备向自动化，标准化、配套化的方向发展。最近十多年国外孵化技术革新的中心环节是逐渐完善孵化器的安全可靠性和自动化程度，研制出改善孵化环境的设置和报警装置。在国内，随着我国家禽业的迅速发展，孵化器也产生迅速发展。从70年代的小规模、传统孵化法下出雏和旁出雏立孵化器到80年代初的中小型现代孵化器，发展到80年代末的大中型孵化器，近年来巷道型孵化器也研制出来，目前国内简易的孵化器控制器多采用单片机控制系统，配一温度传感器设计出孵化箱温度智能控制系统。1.3 我的设计任务家禽工业化饲养需要不断补充大量幼雏，只有通过自动温控孵化器才能满足生产要求。对于一次能孵化1000只幼雏的家禽自动孵化器，试设计它的温度自动控制系统。完成系统proteus仿真设计、安装和调试等工作。温度控制系统硬件结构主要由单片机最小系统、显示电路、环境温度检测电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器控制的排风与加热控制电路、电源电路及其它辅助电路等组成。单片机是整个系统的核心部分，协调系统各部分的工作。同时要根据需要设置控制温度的上、下限，而且系统具有超限温度自动报警等功能。1.4 设计主要内容及特点本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能。温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到上限温度时，停止加温；若温度高于设定上限温度时，系统停止加热，启动风扇，开始降温，同时红灯亮。温度下降到上限温度以下时，停止降温。四个数码管即时显示温度，精确到小数点一位，其中有一位用来显示符号位。这里采用的单片微机温度控制系统进行温度控制，对温度的变化达到了较高的控制精度。孵化温度控制的特点： 孵化温度控制具有阶段性，尤以单批次整箱入孵表现明显。 使整个孵箱内部温度保持均一性。均一的孵化温度保证了箱内同批次人孵种蛋胚胎发育的同步性，有利于集中出雏，便于孵化操作与经营。 通过间断加热和进气量调整，使孵箱内温度的波动保持在一定的范围。 要求孵化厅的室温控制在一定的范围。1.5 方案主要技术指标 目前，我国关于家禽给温有两种主张，一种提倡变温孵化；一种采用恒温孵化。两种孵化方式，都可以获得很高的孵化率，为了便于操作，我们采用恒温孵化。将鸡的21天的孵化期孵化温度分为119天要求37.8，2021要求3737.5。一般情况下，必须将孵化室温度保持在2226.低于此温度，应当有暖气、热风或火炉等供暖。高于此温度，应开窗或机械排风降温。2总体设计构架2.1 测温电路的方案分析论证方案一：测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件 ，利用感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。2.2 显示部分显示电路采用4位共阳LED数码管，从P1口送数，由P0口扫描。2.3 温度采集部分DS18B20温度传感器是一种改进型智能温度传感器，在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围在-55+125，测量结果直接输出数字温度信号。内部结构主要有四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。其内部结构图如图2-1所示：图2-1 DS18B20内部结构图DS18B20的工作原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随随温度变化其振荡率明显改变，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，计数器1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，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。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。原理图如图2-所示2：图2-2 DS18B20原理图综上，总体设计方案如图2-3：温度传感器键盘风扇加热灯继电器继电器4位LED显示单片机图2-3 系统总体设计方案图3 系统的硬件电路设计本文所设计的温度控制系统硬件结构主要由单片机AT89S52最小系统、显示电路、环境温度检测电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器控制的排风与加热控制电路、电源电路及其它辅助电路等组成。单片机AT89S52是整个系统的核心部分，协调系统各部分的工作。下面对主要电路设计进行具体介绍。3.1 单片机外围电路的设计3.1.1 芯片的选择AT89S52是一种低功耗，高性能COMS8位微控制器，作为下位机负责采集孵化箱内环境参数，输出控制信号驱动执行机构，从而实现对孵化箱内参数的实时控制。另外，该单片机自带8k 可编程flash存储能够满足需求，不需对存储器进行扩展。3.1.2 AT89S52芯片的引脚图及方框图AT89S52提供以下表中功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其引脚图如图3-1，内部方框图如3-2：图3-1 AT89S52引脚图图3-2 AT89S52方框图3.1.3 AT89S52芯片主要功能特性： · 兼容MCS-51指令系统 · 8k可反复擦写(>1000次·32个双向I/O口 ·4.5-5.5V工作电压·3个16位可编程定时/计数器 ·时钟频率0-33MHz·全双工UART串行中断口线 ·256x8bit内部RAM·2个外部中断源 ·低功耗空闲和省电模式·中断唤醒省电模式 ·3级加密位·看门狗（WDT）电路 ·软件设置空闲和省电功能·灵活的ISP字节和分页编程 ·双数据寄存器指针3.1.4 AT89S52时钟电路的设计 时钟电路可以为单片机提供整个系统工作的时钟脉冲。每个单片机系统里都有晶振，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。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。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。AT89S52内部有一个用于构成内部振荡器高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体谐振器一起构成自激振荡器，外接电容C1和C2可以增加振荡器工作的稳定性。在本设计中XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反向放大器自激振荡，产生时钟。所用石英晶体的振荡频率为12MHZ，电容C1，C2常为20pF40pF内，如图3.3： 图3.3 晶振电路3.1.5 复位电路的设计单片机复位电路可以对单片机初始化，重新开始工作。也可以在单片机程序跑飞时使系统正常工作。同时也是在程序调试时必须要用到，来测试所写的程序和设计的硬件是否正确哦的重要手段。单片机的复位操作有两种方式：上电复位和上电按钮复位。通常因为系统运行需要，常常需要人工按钮复位。复位电路如图3-4所示。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连。按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。图3-4 复位电路3.2 温度测量显示电路设计温度传感器是该系统的关键器件，本次设计选用的是美国温度监控的实现Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DSl8B20，它支持系统工作时先由使用者设定预期达到的两位温度值。3.2.1 测温电路组成DS18B20的外形及管脚排列图如下图3-5所示。 （1）GND地信号。 （2）DQ数据输入/输出引脚。用在寄生电源下，可以向器件提供电源。 （3）VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图3-5 DS18B20外形及引脚排列DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。如图3-6所示 图3-6测温电路的组成3.2.2 显示电路的设计键盘、显示电路部分是温度控制系统与用户交互的接口。键盘可以用于调节设定温度以及温度上下限的切换。显示电路用于显示控制系统温度以及一些相关温度提示符。 显示电路主要是通4位共阴数码管，单片机中经常使用7段LED 来显示数字，也就是用7个LED 构成字型“8”，并另外用一个圆点LED来显示小点。LED的显示有静态显示和动态显示两种。静态显示虽然有编程容易、管理简单等优点，但是静态显示所要占的I/O口资源很多，所以在显示的LED点较多的情况下，一般都采用动态显示方式。在多位7段LED显示中，为了简化电路，降低成本，则将所有位的段选线并 联在一起，刚好由8个I/O口来控制8个段。而公共端（共阳极/共阴极）则分别由相应的I/O口控制，以实现各个位的分时选通。将四位7段LED轮流去点亮，使得每位分时显示该位应显示的字符。由于人眼的视觉暂留时间为0.1秒，当每位显示的间隔未超过33ms时，并在显示时保持直到下一位显示，则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是 4位7段LED都在点亮。设计时，要注意每位显示的间隔时间，由于一位7段LED的熄灭时间不能超过100ms，也就是说点亮其它位所用的时间不能超过100ms。在本设计中，LL3461AS4位数码管显示，显示电路如图3-7所示。VCCR15750R16750R17750R18750R19750R20750R21750R22750117421105abcdefg3dpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpw112w29w38w46DS1COMPONENT_1 8D图3-7 4位LED显示电路3.3 控制部分设计3.3.1 键盘电路设计键盘可以分为非编码（独立式）键盘和编码（矩阵式）键盘。（1）矩阵式按键单片机系统中，若使用的按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。（2）独立式按键单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。 独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。本设计所用到的按键极少，故采用独立式键盘。 在本设计中，使用三个独立按键。用来实现温度上下限的设置，以便根据孵化的不同时间段设置孵化所需的温度环境。其独立按键的设计如图3-8所示。其中SW1、SW2、SW3分别接P1.5、P1.6、P1.7。图3-8 独立键盘设计3.3.2 继电器控制电路设计继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。它实际上是用较小的电流.较低的电压去控制较大电流.较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。单片机的Pl.2接DS18820的2号引脚P1口送数P0口扫描，P2.4、P2.5控制加热器和电风扇的继电器。如附录1。继电器的工作原理：当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。继电器的选用：1.先了解必要的条件 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。 为了安全起见，在本设计中选用的型号是omron 的MY4NJ型号的继电器，如图3-9所示。图3-9 继电器驱动电路采用继电器驱动方式。通过控制继电器在控制周期内通断的时间，实现对加热器的开关控制。由单片机IO口输出的控制信号，经NPN晶体管放大，驱动继电器工作。继电器控制模块的硬件设计如图3-10，3-11所示。当用户下限设置温度大于实时检测温度时，P2.4端口变为高电平时，三极管导通，则三极管Q2的c极的电平变为高电平，继电器RL1线圈得电，常开触点闭合，加温设备工作；当用户设置温度小于实时检测温度时，P2.5端口变为高电平，三极管Q1的c极的电平变为高电平，继电器K2线圈得电，常开触点闭合，降温设备工作。 加热电路部分的主要思路是通过单片机的端口控制电磁阀的通断从而控制加热灯以达到控制温度的目的。图3-10 加热部分图3-11 散热部分3.3.3 指示电路的设计报警控制电路用于当系统断电等特殊情况下提醒用户。在这里报警电路中未采用蜂鸣器，因为当未达到设定温度时，将会产生连续报警，影响工作环境。因此，这里采用红绿灯进行指示孵化箱中的环境状态。当温度偏差较大时，可以人工使系统脱离危险状态，以维护生产的安全可靠。 这里当温度低于设定温度是，绿灯亮，当温度高于设定温度上限时，红灯亮。图3-11 指示电路设计3.4电源电路的设计电源电路的功能是为整个单片机系统提供稳定的5V,输入电压选择9V直流电源，经过三端稳压管LM7805，最后输出电压保持恒定为5V。本设计中除了市电AC220V外，均采用DC5V电源，因此只需要设计5V电源即可。继电器和单片机均需要5V电压供电。电源电路的设计电源电路虽然简单，但需要功能可靠，要有CBB电容和高品质的ELNA电容。电路如图3-12所示。电路中的电容起稳压作用。图3-12电源电路设计3.5 通信电路设计本设计采用串行的方式进行通信 硬件电气连接简单，成本低廉通用性强可以在较远的距离间进行，且在PC机上针对串13编程方便 。本次设计对传输率要求不高，故采用RS一232串行异步通信即可。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。如图3-13所示。 图3-13 MAX232芯片 数据传输接口是数据传输的硬件基础，也是数据通信，计算机网络的重要组成部分。单片机本身的数据传输接口主要为8位或16位并行数据接口，全双工串行通信接口，许多新的数据传输接口标准不断涌现，大多数单片机并没有在硬件中集成这些新的数据传输接口。本设计RS232C接口选用9芯接头，电平转换芯片选用MAX232A，用来实现232电平与TTL电平的转换。电路图如图3-14所示，采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GD、第2脚的RXD、第3脚的TXD。MAX232的第10脚和单片机的17脚连接，第9脚和单片机的18脚连接，第15脚和地线连接。图3-14 通信电路设计3.6 整体电路设计由单元电路的各个设计可知，整体电路包括（1）用于温度设定的键盘电路：由独立键盘组成。（2）用于测量温度的DS18B20传感器，用于实时采集水箱的温度。（3）用于显示温度的显示电路：采用四位七段数码管组成的显示电路用于本次设计中IO设备较少，故有充足的IO口可以利用；（5）用于报警的报警电路：采用指示灯进行报警，所以使用起来更加方便；（6）用于加热的继电器辅助加热电路，使其在强-弱电接口获得广泛应用。整体电路图原理图设计见附录2，PCB版设计见附录3。4 系统软件设计一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，这里采用51系列单片机进行程序设计并进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已翻译成很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流。这里采用C语言进行程序设计。4.1 主程序流程图本系统采用AT89S52作为核心处理器件，把经过DSl8B20现场实时采集到的温度数据，存入AT89S52的内部数据存储器，送液晶显示，并与预先设定值进行比较，然后由单片机输出信号去控制加热器。进行温度控制程序的设计应考虑如下几个问题：(1)实时采集温度；(2)温度显示：采用4位LED显示当前温度；(3)按键处理；(4)与上位PC机通信程序；(5)越限报警和处理：将采集到的温度值与预先设置值进行比较，若当前温度值越限，则产生报警信号。软件设计主要有：主程序、初值设定子程序、温度读取子程序、液晶显示子程序和输出控制子程序等。初值设定子程序完成对温度初值的设定；温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取，并通过液晶显示子程序显示温度值；输出控制子程序则根据温度的数值完成对输出口的控制。AT89S52的具体软件程序流程图如图4-1所示。主控程序系统上电后，AT89S52对内部RAM及接口电路初始化，然后便一直在循环查询键盘入口是否有键按下，若有则转向各功能子程序，相应的任务