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系统硬件的设计

第三章系统硬件设计

3.1孵化恒温箱的介绍

本系统使用单片机AT89C2051来实现对孵化箱温度的控制，蛋类孵化是一个复杂的生物学过程，其内部环境条件随着不同的孵化进程，发生较大的变化。

孵化温度一般就认为是孵箱内部温度，孵化温度控制的原则和依据“看胎施温”是孵化温度控制的原则。

孵化温度控制的影响因素孵化箱的类型、规模、密封程度、进出气孔的大小、加热系统与孵化规模的匹配程度、孵化的家禽种类、孵化箱的室温等等，每个因素的变化都会影响到孵化温度的稳定。

温度是家禽孵化的首要条件，保持合适的温度是获得较高孵化率及健雏率的前提，虽然孵化的最佳温度是37.8℃，然而在生产中还应该根据实际情况来进行温度的控制，本文就鸡种蛋孵化不同情况下的温度控制进行论述。

孵化是养鸡生产中一项重要的技术环节。

种蛋质量和孵化条件影响种蛋的孵化率和健雏率，而在孵化条件中，温度自始至终是禽蛋孵化中的主要矛盾，起主导作用。

根据胚胎发育状况掌握好孵化温度是禽蛋孵化稳产高产的关键，即必须给胚胎提供一个最适宜的环境温度，这样才能正常完成胚胎的发育，获得较高的孵化率和健雏率。

虽然在孵化中有一个最佳温度。

然而在实际生产中，影响温度的因素很多。

以下是鸡种蛋孵化生产中温度控制的一些基本原则。

温度范围与最佳温度孵化中低于某一温度胚胎发育将被抑制。

要高于某一温度，胚胎才开始发育，这一温度被称为“生理零度”，也叫临界温度，一般认为鸡的生理零度约为23.9℃，同时胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，以鸡为例，温度在35～40.5℃之间，都会有一些种蛋孵出小鸡。

在35～40.5℃之间这个温度范围内有一个最佳温度，应该环境温度保持在24～26℃，孵化箱内的最佳温度为37.8℃。

环境温度对孵化有一定的影响，环境温度的高低主要影响孵化过程温度控制的精确度。

在生产中一般根据不同地域、不同季节而灵活掌握。

恒温孵化和变温孵化是根据环境温度的不同而经常采用的两种孵化方式，恒温孵化与变温孵化如果操作恰当均可取得较好的效果。

恒温孵化是在孵化过程中把温度控制在37.0～38.0℃之间，恒温孵化对孵化的环境要求条件较高，环境温度应该保持在22～26℃之间，并且要通风良好。

变温孵化是根据孵化机类型、孵化室温度和胚胎发育日龄，给予不同的温度。

如果环境温度低于20℃，则孵化温度可比最佳温度高0.5～0.7℃；如果环境温度高于30℃，则可以降低孵化温度0.2～0.6℃。

表3.1为一个变温孵化方案[3]。

本设计采用的是恒温孵化，一般来说，要想达到理想的孵化效果，大约在37.0～38.0℃。

这个温度范围就是我们孵化时所要给禽蛋的温度参考值。

本文介绍的禽蛋孵化恒温箱电路，能将恒温箱的温度自动控制在37.0～38.0℃之间。

表3.1变温孵化方案（℃）

胚龄（天）

1~6天

7~12天

13~18天

19~21天

室温

（℃）

15~20

38.8

38.2

37.8

37.5

22~28

38.0

37.8

37.6

36.9

3.2单片机系统

3.2.1单片机最小系统电路

单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是处理数据、系统管理及实现控制算法的处理器。

针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。

在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：

1）单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I/O口引脚数量等；

2）单片机的增强功能，例如看门狗、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、CAN接口等；

3）单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是选择Flash存储器；

4）芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等，选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些；

5）芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；

6）单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8～3.6V电压范围内工作；

7）单片机的抗干扰性能好；

8）编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；

9）供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。

根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统最终选用了ATMEL公司生产的AT89C2051单片机作为主控模块的核心芯片。

该单片机与MCS-51系列单片机高度兼容，低功耗，可以在接近零频率下工作等诸多优点，而广泛应用于各类计算机系统、工业控制、消费类产品中。

AT89C2051是一个20脚的双列直插封装（DIP）芯片。

最小系统电路包括晶体振荡电路和手动复位电路。

单片机的时钟产生方法有内部时钟方法和外部时钟方法，大多数单片机应用系统采用内部时钟方式。

MCS-51芯片内有一个高增益反响放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，在芯片的外部通过这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。

电路中的C1、C2取值对振荡频率输出的频率值、稳定性及震荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF～100pF之间选择，一般当外接晶体时取值为30pF左右，此系统取值33pF。

MCS-51单片机允许的晶体振荡频率为1.2MHz～12MHz之间选择。

晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行的速度也快[4]。

所以此系统采用的晶振频率为12MHz。

MCS-51单片机的复位操作有两种方式：

上电复位和上电按钮复位。

通常因为系统运行等需要，常常需要人工按钮复位，复位电路在图3.1中。

其中R2＞R1，只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，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[5]。

单片机最小系统电路图如下图3.1。

图3.1单片机最小系统电路

本设计使用一片AT89C2051就代替了原来的8031、EPROM2732和地址锁存器74LS373，因为AT89C2051内部2KB的EPROM和128B的RAM，对智能化温度传感器测试系统已能满足设计要求，而且降低了成本，结构设计也较精巧。

3.2.2AT89C2051单片机介绍

（1）AT89C2051简介

 AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。

（2）AT89C2051的性能结构

AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器[6]。

同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。

省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

（3）主要功能特性

2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（FLASHEEPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可重复擦写1000次，数据保存时间10年。

工作电压范围：

2.7～6V，工作频率：

0～24MHz，15根可编程I/O引线，两个16位定时器/计数器，六个中断源，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器，两级程序加密，输出口可直接驱动LED显示，低功耗的闲置和调电保护工作方式，以及片内振荡器和时钟电路。

由于AT89C2051单片机功能强大，且体积小（芯片只有20个引脚），所以它在许多嵌入式和便携式测控系统中得到广泛应用，如机电式或电子式电度表、智能煤气表、测速仪等智能仪器[7]。

（4）性能价格比

下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下AT89C2051的性能价比。

1）与80C31系统相比较

如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64，而系统的有效引脚和AT89C2051基本相同。

从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用AT89C2051都是合算的。

2）与PIC单片机比较

目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，AT89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：

AT89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，AT89C2051片内不含WatchDog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统[8]。

由于PIC芯片中无标准串口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。

与PIC相比AT89C2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。

（5）应用

就目前中国市场的情况来看，AT89C2051有很大的市场。

其原因有下列4点：

1）采用的是MCS-51的核心，十分容易为广大用户所接受；

2）内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；

3）AT89C2051的Flash存贮器技术，可重复擦写1000次以上，容易解闷调试手段；

4）更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。

AT89C2051适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不足不是很大的应用系统。

3.3温度传感器

3.3.1DS18B20基本知识

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

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[9]。

DS18B20的主要特性：

（1）只要求一个端口即可实现通信。

（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）测量温度范围在－55。

C到＋125。

C之间。

（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）内部有温度上、下限告警设置。

3.3.2DS18B20的引脚及内部结构

其引脚分布如图3.2所示

GND

图3.2DS18B20引脚图

引脚功能如下：

1）NC（1、2、6、7、8脚）：

空引脚，悬空不使用；

2）VDD（3脚）：

可选电源脚，电源电压范围3～5.5V；

3）DQ（4脚）：

数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。

内部结构如图3.3所示：

图3.3DS18B20内部结构图

3.3.3DS18B20测温原理

DS18B20的测温原理如图3.3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。

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[10]。

DS18B20在正常使用时的测温分辨率为0.5℃，如果要更高的精度，则在对DS18B20测温原理进行详细分析的基础上，采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方法，将DS18B20的测温分辨率提高到0.1～0.01℃。

停止

图3.4测温原理图

3.3.4DS18B20与单片机接口电路

P1.3口和DSl8B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。

U2即为温度传感芯片DSl8B20，本设计虽然只使用了一片DSl8B20，但由于不存在远程温度测量的考虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如图3.4所示。

测温电缆采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一对接VCC和地线，屏蔽层在电源端单点接地。

图3.5DS18B20与单片机接口电路

3.4键盘显示电路

3.4.1LED显示器

为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或智能化仪器中，都配有显示程序。

常用的显示器件有：

①显示和记录仪表；②CRT显示终端；③LED或LCD显示器；④大屏幕显示器、在这些显示方法中，LED数码管由于具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。

LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

LED与控制器的连接有并行和串行方式，由于串行方式占用较少接口，因此得到广泛应用[11]。

3.4.2LED显示器接口芯片的选择

LED显示器常用的接口芯片有CD4511、CD4513、MC14499、8279、MAX7219、74HC164等，它们的功能有：

CPU接受来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示器的控制。

CD4511是BCD锁存，7段译码，驱动器，但在显示6和9时，显示为b和q，不是很好看。

CD4513是BCD锁存，7段译码，驱动器（消隐），但现在市面上不好买。

MC14499为串行输入BCD码二～十进制译码驱动器，用它来构成单片机应用系统的显示器接口，可以大大减少I/O口线的占用数量。

但是，由片内震荡器经过四分频的信号，经位译码后只能提供4个位控信号，使信号的采集受到限制，并且MC19944的价格偏高，也不经济。

同样，8279为INTEL公司生产的通用键盘/显示器接口芯片，其内部设有16×8显示数据RAM，若采用8279管理键盘和显示器，可以减少软件程序，从而减轻主机的负担，但我们同时也发现，由于其功能比较强大，不可避免将会使外围设备与操作过程复杂化，同时价格比较贵。

对比一下MAX7219和74HC164其占用资源少，且不需复杂的驱动电路。

MAX7219比较好用，且一片能驱动四个数码管，对于这个设计的系统来说，显示电路中最终选用MAX7219作为LED驱动芯片。

3.4.3MAX7219介绍

（1）MAX7219特点

MAX7219是一个高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动显示器。

每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管。

片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8×8静态RAM。

外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流。

MAX7219和控制器只需要三根导线连接，每位显示数字有一个地址由控制器写入。

允许使用者选择每位是BCD译码或不译码。

使用者还可以选择停机模式、数字亮度控制、从1～8位选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。

（2）MAX7219引脚功能

MAX7219是24引脚芯片，它的引脚排列如图3.5所示。

各引脚功能如下：

1）DIN（1脚）：

串行数据输入端，当CLK为上升沿时数据被载入16位内部移位寄存器；

2）CLK（13脚）：

串行时钟脉冲输入端，最大工作频率可达10MHz；

3）LOAD（12脚）：

片选端，当LOAD为低电平时，芯片接收来自DIN的数据，接收完毕，LOAD回到高电平，接收的数据将被锁定；

4）DIG0～DIG7（2、3、5、6、7、8、10、11脚）：

吸收显示器共阴极电流的位驱动线，最大值可达500mA；

5）SEGA～SEGG、SEGDP（14、15、16、17、20、21、22、23脚）：

驱动显示器7段及小数点的输出电流，一般为40mA，可编程调整；

6）ISET（18脚）：

硬件亮度调节端；

7）DOUT（24脚）：

串行数据输出端；V＋，正电源；

8）GND（9脚）：

接地。

图3.6MAX7219引脚图

3.4.4MAX7219工作原理简介

（1）数据（含地址）接收

MAX7219采用串行寻址方式，在传送的串行数据中包含有RAM的地址。

按照时序的要求，单片机将16位二进制数逐位发送DIN端，在CLK上升延到来之前DIN必须有效，在CLK的每个上升延，DIN被串行逐位移入MAX7219内部的16位串行寄存器中。

设最先移入的数据是D15，最后移入的数据是D0，则移入16位串行寄存器的数据是D15～D0。

为了有选择的将数据写入8个显示RAM或6个特殊功能寄存器，D0～D15中，D8～D11四位作为RAM和特殊功能寄存器的地址，D0～D7作为写入显示数据或控制字。

与并行数据传送相比，MAX7219串行接收D0～D15并存放到16位串行寄存器中的过程，相当于并行传送中，将并行数据和地址送到数据和地址总线上的过程。

（2）数据装载

16位接收寄存器将收到的D0～D7位数据写入RAM或特殊功能寄存器是在数据装载信号控制下完成的。

MAX7219的数据接收装载（写入）时序，LOAD必须在15个CLK下降延前由高变低，在16个CLK同时或之后由低变高（上升延）。

在LOAD的上升延，8位数据D0～D7写入以4位二进制数D8～D11位地址的RAM或特殊功能寄存器中。

（3）显示扫描

当显示模式设定后，写入显示RAM的数据将在控制器的控制下，按设定的显示模式，以动态扫描方式进行显示。

3.4.5键盘功能介绍

键盘是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘，可以将数字、标点符号等输入到单片机中，从而向发出命令、输入数据等。

本控制器采用单键输入式按键，即每个按键单独占有一个I/O线，每根I/O口上的按键工作状态不会影响其它I/O线的工作状态。

+5V电压串接5.1K的上拉电阻保证了按键未按下时，I/O口线有确定的高电平，当按键按下时，I/O口变为低电平。

键盘采用软件消除抖动，因为本设计只采用了4个按键，所以输入方式采用扫描方式进行工作。

本设计采用独立式按键设计，如图3.6所示。

由于只有4个按键，因此按键接口电路的设计比较简单，单片机P1.4～P1.7端口设定为输入状态，平时通过电阻上拉到Vcc，按键按下时，对应的端口的电平被拉到低电平。

这样就可以通过查询P1的高4位来判断有没有按键按下，按键各接一根输入线，一根输入线的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。

通过读I/O口，判断各I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。

4个按键如下：

1）P1.4：

S1功能键，按此键则开始键盘控制；

2）P1.5：

S2加，按此键则温度设定加0.1℃；

3）P1.6：

S3减，按此键则温度设定减0.1℃；

4）P1.7：

S4发送，按此键将传感器的温度传送到上位机。

3.4.6MAX7219与单片机和LED及键盘的接口电路

MAX7219的3个输入端DIN、CLK和LOAD与单片机的三个I/O口连接，DIG0～DIG2分别与八个共阴极LED的公共端连接，SEGA～SEGG、SEGDP分别与每个LED七段和小数点驱动端相连。

电路图如图3.7所示。

图3.7MAX7219与单片机和LED及键盘的接口电路

3.5驱动控制电路

3.5.1热电制冷介绍

热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕米尔效应）的一种制冷方法。

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。

因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，

通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：

制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1军事方面：

导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。

2医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3实验室装置方面：

冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4专用装置方面：

石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5日常生活方面：

空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。

热电制冷原理：

半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。

当电流的极性如图3.7所示时，电子从电源负极出发，经连接片、P型半导体、连接片、N型半导体，最后回到电源正极。

N型材料有多余的电子，有负温差电势。

P型材料电子不足，有温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。

这一点可用温差降低来证明。

相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。

直接接触的热电偶电路在实际的引用中不可用，所以用图3.7的连接方式来代替，实验证明，在温差电路中引入铜连接片和导线，不会改变电路的特性。

简单地说当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收能量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

吸收和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。

直流电源

图3.8半导体制冷原理图

3.5.2关于可控硅

单片机不能控制强电只有可控硅才能控制强电，单片机控制可控硅，间接控制这两个系统。

单片机的P3.4和P3.5接口输出控制信号经过7407反向后去驱动光耦，光耦在发光二极管发光时，后面的三极管就导通，导通后去触发可控硅导通。

可控硅分为单向的和双向的,符号也不同.单向可控硅有三个PN结,由最外层的P极和N极引出两个电极,分别称为阳极和阴极,由中间的P极引出一个控制极. 

单向可控硅有其独特的特性:

当阳极接反向电压,或者阳极接正向电压但控制极不加电压时,它都不导通,而阳极和控制极同时接正向电压时,它就会变成导通状态.一旦导通,控制电压便失去了对它的控制作用,不论有没有控制电压,也不论控制电压的极性如何,将一直处于导通状态.要想关断,只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向.

双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下,面对有字符的一面时）.加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时,就能改变其导通电流的大小.

与单向可控硅的区别是,双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时,其导通方向就随着极性的变化而改变,从而能够控制交流电负载.而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通,所以可控硅有单双向之分。

图3.9双向可控硅

3.5.3驱动控制电路