孵化器智能控制毕业设计精品.docx
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孵化器智能控制毕业设计精品
摘要I
ABSTRACTII
摘要
由于现代畜牧业的迅猛发展，人们对孵化技术的要求也在日益提高，为了达到大批量、高成活率的目的，本设计采用了微机控制系统来取代传统的人工孵化技术，从而实现了孵化技术的快速发展和智能化。
随着电究所子技术的发展，微处理器、集成电路不断更新、发展，温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。
采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的存储，效率高，性能稳定，还可以实现实时控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。
本文针对孵化器所具备的必要性能和发展情况做了简单介绍，然后对硬件系统的组成进行了说明，而且对各部分的电路一一进行了介绍，本设计使用了功能十分完善的89C52单片机作为控制系统的核心器件，配以DS1820温度传感器，IH3605湿度传感器等先进的外围部件实现了禽蛋孵化过程中所需的温、湿度、含氧量的控制以及定时显示、定时翻蛋、加热、加湿、通风和声、光报警的功能，大大提高了禽蛋孵化的成活率，从而实现了孵化器的智能控制。
关键词：
单片机；智能控制；温、湿度控制；孵化器
ABSTRACT
Duetotherapiddevelopmentofmodernanimalhusbandry,peopleonhatchingtechnologyrequirementsarealsoincreasing,inordertoachievehighvolume,highsurvivalrate,thisdesignusesthemicrocomputercontrolsystemtoreplacethetraditionalartificialincubationtechniques,soastoachievetherapiddevelopmentofhatchingtechnologyandintelligent.
WiththedevelopmentofElectricalInstituteoftechnologyofintegratedcircuit,microprocessor,constantlyupdated,development,temperatureisoneofthemostcommonparametersinautomaticcontrolandindustrialproductionprocess,anyphysicalchangeandchemicalchangearecloselyrelatedwiththetemperature,therefore,intheproductionprocessfordetectionandmonitoringofthetemperatureoftenneed.Byusingsinglechiptemperaturedetection,datadisplayanddatastorage,highefficiency,stableperformance,butalsocanrealizethereal-timecontrolandothertechnicalrequirements,intheindustrialproductionmoreandmorewidelyused.
Theperformanceanddevelopmentofthenecessarywiththeincubatorareintroducedbriefly,thenthecompositionofthehardwaresystemaredescribed,andthecircuitofeachpartoftheoneoneareintroduced,thedesignofthefunctionisperfect89C52microcontrollerasthecoredeviceofthecontrolsystem,withDS1820temperaturesensor,peripheralcomponentIH3605humiditysensorsandotheradvancedachievesthedesiredeggsduringincubationtemperature,humidity,oxygencontentcontrolandtimedisplay,timingofeggturning,heating,humidification,ventilationandsound,lightalarmfunctions,greatlyimprovingthesurvivalrateofeggshatched,soastorealizetheintelligentcontroloftheincubator.
Keywords:
MCU;intelligentcontrol;temperature,humiditycontrol;incubator
第1章绪论
1.1课题研究的意义
随着科学技术的高速发展，用智能控制系统对孵化的过程中各参数进行精确稳定的控制，成为越来越多的孵化设备生产厂家的选择。
由于智能控制高效节能，控制精度高，节约劳动力，也越来越受到用户的欢迎。
尤其是自中国加入世界贸易组织以来，越来越多的国际化品牌、知名企业进军中国市场。
孵化养殖业同样不可避免面临着来自国外品牌激烈的竞争。
激烈的竞争，必然使养殖业朝着规模化、集约化的方向发展。
孵化设备的先进程度，往往决定着一个养殖企业，一个地区，甚至一个国家养殖业的发展。
因此，研究出孵化量大、孵化质量高、价格经济实用的孵化设备，有着重要的意义。
1.2孵化的过程及工艺要求
1.2.1孵化的过程
家禽的孵化期大致分为孵化和出雏两部分，孵化期是指种蛋入孵到出雏前的三、四天，这段时间主要是要保证孵化装置内部温度、湿度的控制。
出雏期是指出雏前三、四天到出雏结束的这段时间，因为这是禽蛋已经基本完成孵化过程，所以会自动散热并消耗大量氧气，产生二氧化碳，因此，在这期间需要加强散热、通风的控制来保证其达到氧含量标准。
1.2.2孵化的工艺要求
根据家禽孵化禽蛋时的环境情况和科学实践证明，禽蛋的孵化需要一下几个条件：
温度、湿度、翻蛋、通风和凉蛋。
1.温度条件
温度是家禽胚胎发育的首要条件。
家禽胚胎发育在不同的时期，对温度条件要求基本相同。
若以鸡的孵化温度37.8℃为基准，则鸭、鹅、火鸡等约降低0.3℃。
2．湿度条件
湿度条件是家禽维持胚胎发育的基础保证。
家禽在不同孵化期对相对湿度的要求基本相同。
孵化初期要求相对湿度保持在40％～70％,中后期要求相对湿度需要保持在53％～60％；出壳期要求相对湿度保持在65％～70％。
3．翻蛋
为使孵化蛋受热均匀需定时转蛋，翻蛋包括两个方面：
（1）改变胚胎方位，防止胚胎与壳膜粘连，促进胚胎运动，使胚胎受热均匀，发育整齐、良好，帮助羊膜运动，改善羊膜血液循环，使胚胎发育前中后期血管区及尿囊绒毛膜生长发育正常，“合拢”、“封门”良好，蛋白顺利进入羊水供胚胎吸收，初生重合格。
翻蛋还可以减缓羊水的损失，使胚胎在湿润的环境下顺利啄壳、出壳。
（2）翻蛋频率是指种蛋在孵化过程中两次翻蛋间的间隔时间，简言之即多长时间翻蛋一次。
现在基本都设定在2小时，多数孵化生产者也以此为标准。
4．通风
孵化过程中，特别是孵化后期要创造良好的通风条件，以利胚胎通过蛋壳不断吸进氧气、排出二氧化碳和水蒸气。
禽蛋在发育过程中，必须进行气体交换，尤其在孵化第19天（夏季还要提前12小时以后，胚胎开始肺呼吸，需氧量逐渐增大，二氧化碳排出量也逐渐增多。
这时如果通风不良，则造成孵化器内严重缺氧，即使将出壳的雏鸡呼吸量加大2-3倍，仍不能满足其对氧的需要，结果抑制了细胞代谢的中间过程，使酸性物质蓄积体内，组织中二氧化碳分压增高而发生代谢呼吸性酸中毒，从而导致心脏播出量下降，发生心肌缺氧、坏死、心跳紊乱和跳动骤停。
为了避免此类情况，需按时通风来保证氧气的供给。
5．凉蛋
在孵化后期必须采取凉蛋措施才有助于胚胎及时散热。
通常每天凉蛋2次，每次30～40分钟，少则15～20分钟，凉蛋时把蛋盘端出机器外进行，每次凉蛋时间不超过40分钟。
在夏季凉蛋时蛋温不易下降,可以在蛋表面喷凉水,达到快速凉蛋的目的。
1.3孵化器的发展及当前现状
1.3.1国外孵化器发展状况
80年代末至90年代初期，国外养禽业有了极大的发展，出现大量先进的孵化设备，如美国鸡王孵化器公司、加拿大的詹姆斯威公司、比利时的皮特森以及日本、罗马尼亚、苏联等国的产品。
1.3.2国内孵化器发展状况
我国孵化设备的制造比国外起步较晚，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。
经过二十多年的发展，我国目前己形成具有一定规模的从事孵化机设计和制造的专业队伍，基本上能满足我国养禽业的需要。
据不完全统计，孵化机、出雏机的生产厂家有50余家，其品种规格从小（（5000蛋位以下）到大（约10万蛋位），规格齐全，其品种近100余种，其结构形式有八角式、固定蛋架式和蛋车式等。
中、小型箱式孵化机适用于个体专业户和中等规模的集体养鸡场，而大型巷道式孵化机适用于大型机场的需要。
目前研制巷道式孵化机的厂有3家以上，有的已经进入实际生产阶段。
在孵化机的设计中，有许多厂家己能设计具有先进水平的微电脑控制的孵化设备，其设计和生产能力已赶上国外先进国家水平。
但在近50余家生产厂中，真正形成生产能力有质量保证的生产厂仍为数不多，只有10余家。
近几年来，中国家禽业协会，致力于家禽设备的管理工作，为家禽设备的发展和质量提高做了很大的贡献。
如组织专家对孵化设备生产厂进行评审，推荐出具有国内一流水平和质量有保证的生产厂。
获推荐的厂有电子工业部第41研究所、杭州富阳春江孵化设备厂、杭州下沙孵化设备厂和南京实验仪器厂。
农业部还对一些产品质量好的生产厂进行推广鉴定，获得推广许可证的孵化机生产厂有：
北京市西山孵化设备厂、广东省中山市家禽机械设备厂以及浙江富阳春江孵化设备厂等。
随着我国孵化设备专业队伍的壮大，技术水平的提高，外国公司及其设备已逐渐退出我国市场。
第2章系统方案设计
2.1系统工作原理
家禽孵化需要满足温度、湿度、通风、转蛋和凉蛋等5方面的外界条件。
本设计选用孵化箱中空气进行加热和加湿同时换气的方案，而且设计要求智能控制，所以设计中利用单片机技术，依靠其成熟强大的处理能力，对数据前向通道来的温度、湿度、氧气含量数据进行判断、处理、存储，并可采用简单的方法通过显示芯片将显示信息送出进行数码显示，对其检测量进行判断和报警处理，进行一系列控制。
这样不但能满足设计要求，更适合在实践中应用。
该孵化机采用单片机控制作为核心，配以高质量的外围器件和控制电路组成。
适合中小规模的孵化生产。
该机原理是：
首先由温度传感器、湿度传感器、氧浓度传感器等得到信号电压，再对其进行条理与放大，然后程序循环选通每一路信号进行采样和模数转换，再进行数据滤波和数据处理，然后输出相应的控制信号使控制部件进行预定的操作，来实现自动控温、控湿以及控制氧含量的目的。
2.2系统设计方案
设计的控制核心采用AT89C52单片机，配以温度传感器DS1820，湿度传感器IH3605，氧气传感器O2-A2以及其他运算放大电路，A/D转换电路，报警电路和显示电路等均在以下介绍。
设计的主要技术参数：
温度测量范围：
30℃～50℃，测量精度：
±0.1℃；湿度测量范围：
30%～90%，测量精度：
±1%；通风保持含氧量在20%～21%；能够实时显示孵化器中的温度、湿度，显示孵化时间，可与上位机通讯，自动控制升温、降温、保湿、换气、翻蛋。
出现故障或指标超限能自动处理并发出声光报警。
系统的总体框图如图2-1所示：
图2-1系统总体框图
第3章前/后向通道设计
3.1温度传感器的选择
3.1.1DS1820型温度传感器简介
DS1820是一种数字温度计，提供9位温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线和地读写和完成温度变换。
所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源，因为每一个DS1820有唯一的系列号siliconserialnumber。
因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。
此特性的应用范围包括HVAC环境控制建筑物设备或机械内的温度检测以及过程监视和控制中的温度检测[7]。
3.1.2DS1820型温度传感器特性
独特的单线接口只需1个接口引脚即可通信；多点能力使分布式温度检测应用得以简化；不需要外部元件；可用数据线供电不需备份电源。
测量范围从-55至+125增量值为0.5。
等效的华氏温度范围是-67F至257F，增量值为0.9F。
以9位数字值方式读出温度，在1秒典型值内把温度变换为数字。
可定义的非易失性的温度告警设置，告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度告警情况应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统[5]。
DS1820引脚如图3-1所示：
图3-1DS1820的引脚图
3.1.3内部结构和使用方法
DS1820的主要部件DS1820有三个主要的数据部件64位激光ROM;温度灵敏元件；非易失性温度告警触发器TH和TL。
器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止。
作为另一种可供选择的方法，DS1820也可用外部5V电源供电[6]。
与DS1820的通信经过一个单线接口。
单线接口情况下，ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操。
主机必须首先提供五种ROM操作命令之一：
ReadROM（读ROM），MatchROM（符合ROM）,SearchROM（搜索ROM）,SkipROM（跳过ROM）,或AlarmSearch（告警搜索）这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作。
如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。
在成功地执行了ROM操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。
一个控制操作命令指示DS1820完成温度测量。
该测量的结果将放入DS1820的高速暂存（便笺式）存贮器（Scratchpadmemory），通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。
每一温度告警触发器TH和TL构成一个字节EEPROM。
如果不对DS1820施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器。
使用存储器操作命令可以写TH和TL。
对这些寄存器的读访问通过便笺存储器。
所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。
其结构原理如图3-2所示：
图3-2DS1820温度传感器结构原理图
3.1.4温度测量的应用
DS1820通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度，而门开通期由高温度系数振荡器决定。
计数器予置对应于-55℃的基数，如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器（它也被予置到-55℃的数值）将增量。
指示温度高于-55℃。
同时，计数器用斜率累加器电路所决定的值进行预置。
为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。
时钟再次使计数器计值至它达到零。
如果门开通时间仍未结束，那么此过程再次重复。
斜率累加器用于补偿振荡器温度特性的非线性，以产生高分辩率的温度测量。
通过改变温度每升高一度，计数器必须经历的计数个数来实行补偿。
因此，为了获得所需的分辩率，计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数，二者都必须知道此计算在DS1820内部完成以提供0.5℃的分辨率。
温度读数以16位、符号扩展的二进制补码读数形式提供。
表中说明输出数据对测量温度的关系。
数据在单线接口上串行发送。
DS1820可以以0.5℃的增量值，在0.5℃至+125℃的范围内测量温度。
对于应用华氏温度的场合，必须使用查找表或变换系数。
注意在DS1820中温度是以1/2LSB最低有效位形式表示时产生以下9位格式表所示：
表3-1格式表
MSB（最高有效位）（最低有效位）LSB
1
1
1
0
0
1
1
1
0
最高有效（符号）位被复制到存储器内两字节的温度寄存器中较高MSB的所有位，这种符号扩展产生了如表中所示的16位温度读数。
以下的过程可以获得较高的分辨率。
首先，读温度，并从读得的值截去0.5℃位（最低有效位）。
这个值便是TEMP_READ。
然后可以读留在计数器内的值。
此值是门开通期停止之后计数剩余（COUNT_REMAIN）所需的最后一个数值是在该温度处每一摄氏度的计数个数（COUNT_PER_C）。
于是，可以使用下式计算实际温度：
（式3-1）
即：
实际温度=读出温度-0.25+（该温度处每一摄氏度的计数个数-计数剩余）/该温度处每一摄氏度的计数个数
3.2IH3605型湿度传感器
3.2.1结构、引脚以及主要技术指标介绍
由于IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化，从而可完成对湿度信号的采集。
热化聚合体层同时具有防御污垢、灰尘、油及其它有害物质的功能。
IH3605的结构及引脚定义分别如图3-3所示：
图3-3IH3605型湿度传感器的结构和引脚图
IH3605湿度传感器主要技术指标可大致分为一下十点：
1.电源电压：
4~5.8V；
2.供电电流：
200μA（5VDC）；
3.湿度范围：
0～100％RH；
4.精度：
±2％RH（0～100％RH、25℃、V=5VDC）；
5.互换性：
±5％RH（0～60％RH）；±8％RH（90％RH）；
6.线性度：
±0.5％RH（典型）；
7.重复性：
±0.5％RH；
8.稳定度：
±1％RH（50％RH、5年内）；
9.响应时间：
15s（25℃及空气缓慢流动环境下）；
10.工作温度：
－40℃～85℃。
3.2.2电压输出特性
IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。
电源电压升高，输出电压将成比例升高，在实际应用中，通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值[13]。
1.首先根据下述计算公式，计算出25℃温度条件下相对湿度值RH0。
（式3-2）
其中VOUT为IH3605的电压输出值，VDC为IH3605的供电电压值，RH0为25℃时的相对湿度值。
2.进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值RH。
（式3-3）
其中RH为实际的相对湿度值，t为当前的温度值，单位为℃。
3.2.3主要应用
由于IH3605的输出电压较高且线性较好，因此电路无需进行信号放大及信号调整。
可以将IH3605的输出信号直接接到A/D转换器上，完成模拟量到数字量的转换。
由于IH3605的输出信号范围为0.8～3.9V（25℃时），所以在选择A/D转换器时应选择具有设定最小值和最大值功能的A/D转换器（比如TLC1549）。
IH3605的连接电路核心器件采用AT89C51单片机，A/D转换器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D转换器，R1、R2、R6设定A/D转换器的最大输入电压，R3、R4、R7设置A/D转换器的最小输入电压，温度探头D2采用DALLAS公司的全数字式测温集成电路DS1820，由P10口读入温度值，在单片机内将读到的湿度值进行温度校正，得到实际的相对湿度值。
其电路结构如图3-4所示：
图3-4IH3605型湿度传感器电路图
3.3O2-A2型氧气传感器
由于在孵化过程中需要保持所孵化蛋合适的氧气浓度，因此选择氧气传感器来检测孵化场所的氧气含量是极为必要的。
本设计选择O2-A2型氧气传感器。
3.3.1相关参数
1．输出信号（nA）85-120;
2．测量范围（%）0-30%;
3．响应时间t90<10,;
4．零点电流<2;
5．线性度<0.6;
6．寿命（月）24+;
7．保证期（月）24;
8．温度范围（℃）-20-55;
9．压力范围（kPa）80-120;
10．湿度范围（%rh）5–95;
11．储存期（月）6;
12．储存温度（℃）3-20;
13、负载电阻（W）47–100。
3.3.2O2-A2的结构及工作原理
O2-A2型氧气传感器是由气体敏感层、电极、加热线圈、陶瓷管、防爆金属网、卡环、基座以及管脚组成。
其工作原理电路如图3-5所示：
图3-5O2-A2的工作电路
3.4TLC4052运算放大器
集成运算放大器种类很多，在各类仪表及控制电路中要求运算放大器必须具有高精度，高共模抑制比和低温漂等性能。
目前采用的精密运算放大器都具有外接调零电位器输入端，应用时首先对其失调调零。
由于电路复杂，给调试带来不便。
美国TI仪器公司研制生产的TLC4502精密型双运算放大器，采用自动校准技术，在上电时将输入失调电压自动调整为零，使用起来十分方便，同时也节省了PCB板和外部分离元件，所以本设计采用该器件作为运算放大器，其管脚排列如图3-6所示：
图3-6TLC4502的管脚排列
TLC4502自动校准运算放大器在片内利用对数字与模拟信号的处理，可在上电时输入失调电压自动校准为零。
完成自动校准一般需要300ms的时间，连续校准时可在±3μV范围内反复进行。
一旦校准完成，大部分校准电路将脱离信号通道并被关断，这样，校准电路对信号通道几乎无影响，这也使得TLC4502在校准周期结束之后可以完全像其他精密运算放大器一样使用[8]。
TLC4502具有高精度，高增益，良好的电源抑制比，驱动能力强等特点，可广泛应用于数据采集，数字音频，工业控制等领域。
在本系统中，用来放大从传感器出来的微弱信号，具体电路如图3-7所示：
图3-7TLC4502的电路图
3.5TLC1549型模数（A/D）转换器
3.5.1TLC1549型模数转换器简介
从放大器出来的电压信号进入到A/D转换器以形成单片机便于处理的数字信号。
在该设计中，采用了美国TI公司生产的10位模数转换器TLC1549。
TLC1549是美国德州仪器公司生产的10位、开关电容、逐次逼近模/数转换器。
他采用CMOS工艺,具有2个数字输入端和1个3态输出端（芯片选择、输入输出时钟和数据输出）,他们提供了与主处理器串行端口的3线接口。
其主要特点有具有内在的采样和保持;采用差分基准电压高阻输
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