畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于單片機(jī)的多功能孵化箱的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 成 年 月 日 摘 要 孵化設(shè)備是仿生學(xué)的一種應(yīng)用，模擬自然界的孵化環(huán)境，提供胚胎發(fā)育適宜的條件，用于家禽種蛋的孵化。當(dāng)前孵化設(shè)備的不足之處在于:控溫與控濕精度不高;以單機(jī)孵化設(shè)備為主，導(dǎo)致孵化管理效率不高;孵化設(shè)備價(jià)格普遍較高。本文立足于這些不足，設(shè)計(jì)了多孵化箱溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。然后進(jìn)行了以單片機(jī)為核心的硬件電路設(shè)計(jì)，將孵化箱分解為三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng):溫度控制子系統(tǒng)，濕度控制子系統(tǒng)和風(fēng)門控制子系統(tǒng)。選擇溫度一風(fēng)門聯(lián)控。編制了單片機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件的C語(yǔ)言程序和上位機(jī)管理軟件。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度誤差0.1℃，濕度誤差15%RH以內(nèi)的孵化控制，可以用一臺(tái)上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)孵化箱的集散控制。該系統(tǒng)成本低廉，適合中等孵化場(chǎng)的孵化控制需要。 關(guān)鍵詞：孵化箱；單片機(jī)；上位機(jī)；溫濕度  Abstract Along with the rapid development of electronic, computer and control technology,Agricultural automation has developed to a new stage. Hatch measuring and control system is one of the applications of the bionies.It imitates the natural hatching environment and provides the fitting condition of the embryo upgrowth. This article based on this deficiency and designed measuring. Introduced the hatching principle designed technical standard of the system referred to the hatching profession carried out the hardware circuit design. It is proved that this system can measure and control temperature within the error of 0.1 ℃, can measure and control humidity within the error of 110%RH. It can distributedly control mufti- incubators. The system cost is inexpensive, and it is suitable for the medium hatching factory. Key words: Incubator; Micro control union; Temperature; Humidity  目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景及研究意義 1 第2章 孵化條件及設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 2.1 孵化條件及設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 2.1.1 孵化原理 2 2.1.2 孵化條件 2 2.2 濕度條件 3 2.3 設(shè)計(jì)目標(biāo) 5 2.4 本章小結(jié) 5 第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案 6 3.1 總體方案 6 3.2 翻蛋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.2.1 翻蛋機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 7 3.2.2 翻蛋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 7 3.2.3 曲柄連桿計(jì)算 9 3.2.4 翻蛋機(jī)構(gòu)的仿真 12 3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 15 3.4 單片機(jī)選擇 15 3.5 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 16 3.5.1 溫度信號(hào)的采集 16 3.5.2 濕度信號(hào)的采集 20 3.6 鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì) 24 3.7 輸出控制電路設(shè)計(jì) 27 3.7.1 加熱控制 27 3.7.2 加濕、風(fēng)門與翻蛋控制 28 3.8 串行通信接口電路設(shè)計(jì) 29 3.9 本章小結(jié) 30 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 4.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 31 4.1.1 單片機(jī)主程序 32 4.1.2 數(shù)據(jù)采集程序模塊 33 4.1.3 控制程序模塊 36 4.1.4 中斷服務(wù)子程序 38 4.1.5 通信程序模塊 38 4.2 PC機(jī)控制與管理軟件設(shè)計(jì) 40 4.2.1 主界面 40 4.2.2 串口設(shè)置界面 41 4.2.3 歷史曲線窗口 43 4.2.4 參數(shù)設(shè)置窗口 44 4.2.5 控制輸出窗口 45 4.3 本章小結(jié) 45 結(jié)論 46 參考文獻(xiàn) 47 致謝 49 IV 第1章 緒 論 1.1 課題背景及研究意義 隨著生活水平的提高，人們對(duì)物質(zhì)生活的要求越來越高，尤其是日用飲食，與前幾十年相比，有了明顯的改善。雞肉、雞蛋以其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，始終是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚霓r(nóng)產(chǎn)品。為了能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的雞肉，在養(yǎng)殖過程中對(duì)種蛋的選擇以及種蛋孵化過程中的各種影響因素提出了更高的要求，不僅要保證禽蛋的出雛率，而且還要保證健康雛禽率。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的穩(wěn)步提升，國(guó)內(nèi)地區(qū)的個(gè)體養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，但是養(yǎng)殖場(chǎng)尤其是是孵化這個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了較多的問題。而且控溫、控濕精度己經(jīng)不能滿足孵化過程中的要求，使得出雛率和健康雛禽率較低，經(jīng)濟(jì)效益受到較大的影響。 同時(shí)，我也了解到當(dāng)前孵化設(shè)備所存在的主要問題就是: 1.溫度和濕度的控制精度不高，和設(shè)定值的偏差較大，而且控制孵化過程中不可預(yù)知因素太多，從而不能滿足較高的出雛率和健康雛禽率。 2.隨著養(yǎng)殖行業(yè)的不斷發(fā)展，孵化場(chǎng)向智能化方向發(fā)展已經(jīng)是大勢(shì)所趨。孵化場(chǎng)的智能化對(duì)生產(chǎn)的組織管理提出了更高的要求。因而僅能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的孵化設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要。新一代的孵化設(shè)備應(yīng)朝著人性化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性和節(jié)能型的方向發(fā)展。 （1）提高控制精度；隨著孵化器容量的增加及對(duì)胚胎發(fā)育生理的不斷研究，要求孵化控制器的控制精度越來越高。新型傳感器向智能化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，使孵化機(jī)的控制效果更加精確。 （2）引入專家系統(tǒng)；根據(jù)不同季節(jié)、不同環(huán)境、不同品種、不同周齡種禽產(chǎn)的種蛋以及種蛋保存時(shí)間的長(zhǎng)短等，孵化時(shí)所需的參數(shù)均有所變化。在目前的條件下，生產(chǎn)過程中這些參數(shù)仍然需要孵化人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來確定，也就是說孵化管理人員的經(jīng)驗(yàn)仍然是孵化效果的決定性因素。專家系統(tǒng)就是將不同品種的種蛋在不同的環(huán)境下孵化時(shí)所需的參數(shù)組合在一起，必要時(shí)指導(dǎo)使用者對(duì)故障的處理;對(duì)孵化效果進(jìn)行評(píng)估并指出其中的不足。引入孵化專家系統(tǒng)能夠有效的減輕孵化人員的負(fù)擔(dān)，降低孵化過程的難度，減少孵化過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，改善孵化效果等[10]。 伴隨著當(dāng)前部分農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的持續(xù)上漲，養(yǎng)雞產(chǎn)業(yè)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較為廣闊的發(fā)展的空間。為了節(jié)省投資成本，滿足一般養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)需要，對(duì)現(xiàn)存孵化設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)行組網(wǎng)集散化的這項(xiàng)研究將會(huì)有很大的市場(chǎng)前景和社會(huì)效益。 第2章 孵化條件及設(shè)計(jì)目標(biāo) 2.1 孵化條件及設(shè)計(jì)目標(biāo) 2.1.1 孵化原理 孵化是指禽蛋(后文均以雞蛋為對(duì)象)體外發(fā)育成雛的階段，它是通過外界條件(如溫度、濕度、通氣等條件)的影響，使雞蛋變成雛雞的過程。孵化的好壞直接影響孵化率的高低，小雞的成活率以及生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)性能。所以一定要重視孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎發(fā)育過程中各階段對(duì)外界條件的要求。 2.1.2 孵化條件 胎發(fā)育所需要的條件有溫度、濕度、通風(fēng)、翻蛋、涼蛋等。 1. 溫度條件 溫度是孵化過程中最重要的條件。保證胚胎正常發(fā)育所需的適宜溫度，才能獲得高孵化率和優(yōu)質(zhì)雛雞。孵化期間出現(xiàn)高溫，胚胎發(fā)育增快，孵化期縮短，胚胎死亡率增加，初生雛雞質(zhì)量下降，當(dāng)孵化溫度超過42℃時(shí)，胚胎會(huì)在2 -3小時(shí)內(nèi)死亡。如果孵化的頭兩天溫度過高，在孵化的5-6天時(shí)就會(huì)出現(xiàn)粘殼，發(fā)育畸形增多;如果孵化的第3~8天溫度過高，尿囊合攏提前，出雛時(shí)間會(huì)提前，但出雛時(shí)間將會(huì)拖長(zhǎng);若出現(xiàn)短期強(qiáng)烈溫度偏高，胚胎干燥、粘殼，尿囊出現(xiàn)血液顏色呈暗黑色，且皮膚、心臟略有點(diǎn)狀出血。孵化后期長(zhǎng)時(shí)間溫度偏高，會(huì)導(dǎo)致破殼早、內(nèi)臟充血，破殼后死亡多。 孵化溫度偏低，將延長(zhǎng)種蛋的孵化時(shí)間，胚胎發(fā)育遲緩，氣室大，相應(yīng)死亡率增加，初生雛雞質(zhì)量下降。當(dāng)孵化溫度低至為35.6℃時(shí)，胚胎大多數(shù)會(huì)死于殼內(nèi)。 由上看出，雞胚胎發(fā)育對(duì)環(huán)境溫度有一定的適應(yīng)能力，溫度在36-40.5 ℃，都有一些種蛋能出雛。但是在使用電力孵化設(shè)備的情況下，上述溫度不是胚胎發(fā)育最適溫度，在環(huán)境溫度得到控制的前提下，就立體孵化箱而言，最適宜的孵化溫度是37.8 ℃。出雛期間為37℃-37.5 ℃。另外，孵化過程中不同時(shí)期的孵化溫度有所不同，需要進(jìn)行微調(diào)。因此，對(duì)孵化機(jī)內(nèi)的溫度精確測(cè)量是十分重要的。 參考孵化行業(yè)的孵化標(biāo)準(zhǔn)，得出現(xiàn)有的孵化施溫方式主要有如下兩種: I.大型孵化器，大批種蛋整批人孵，應(yīng)采用變溫孵化。具體施溫方案如表1-1 II.立體分批孵化可采用恒溫孵化法，具體溫度見表1-2。  表1-1不同胚齡期孵化室與孵化箱內(nèi)溫度關(guān)系 孵化室內(nèi)溫度 1~5天 6~13天 14~18天 19~21天 12.8（55°F）左右 39.2~39.3 38.9 38.3 38.3 18.3（56°F）左右 38.9~39.2 38.5 38.05 38.1 23.9（75°）左右 38.5~38.9 38.3 37.8 37.8 29.5（85°）左右 38.3~38.5 38.05 37.5 37.5 附:華氏(F)與攝氏(C)的溫度換算公司:F: 32+9/SC; C=5/9x ( F-32 ) 表1-2立體孵化分批入孵所取的溫度 孵化室內(nèi)溫度(℃) 孵化箱內(nèi)溫度(℃) 12.8 38.9 18.3 38.5 23.9 38.3 29.5 38.05 32.2 37.2 由于本系統(tǒng)是多孵化箱控制系統(tǒng)，為了便于管理并提高孵化效率，采用大批種蛋整批入孵方式，即孵化出雛一體化。故采用表1所列的施溫方案。依據(jù)室內(nèi)溫度將孵化溫度分段確定為。 表1一立體孵化分批入孵所取的溫度 孵化室內(nèi)溫度 孵化箱內(nèi)溫度 1-5天 6-13天 14-18天 19-21天 12.8（55°F）左右 39.2 38.9 38.3 38.3 18.3（56°F）左右 39.0 38.5 38.0 38.1 23.9（75°）左右 38.6 38.3 37.8 37.8 29.5（85°）左右 38.4 38.0 37.5 37.5 2.2 濕度條件 (1).絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度 大氣的干濕程度，通常是用大氣中水汽的密度來表示的，即以每1m3大氣中所含水汽的克數(shù)來表示，它稱為大氣的絕對(duì)濕度。要想直接測(cè)量出大氣的水汽密度，方法比較復(fù)雜。而理論計(jì)算表明，在一般的氣溫條件下，大氣的水汽密度與大氣中水汽的壓強(qiáng)數(shù)值十分接近。所以大氣中水汽的密度又可以規(guī)定為大氣中所含水汽的壓強(qiáng)，又把它稱為大氣的絕對(duì)濕度，用符號(hào)D表示，常用的單位是mmHg a在許多與大氣濕度有關(guān)的現(xiàn)象里，如雞蛋的孵化，人們的感覺等等，都與大氣的絕對(duì)濕度沒有直接的關(guān)系，主要是與大氣中水汽離飽和的遠(yuǎn)近程度有。比如，同樣是lOmmHg的絕對(duì)濕度，如果是在炎熱的夏季中午，由于離當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓(約31mmHg)尚遠(yuǎn)，使人感到干燥，然而如果是在冬季的傍晚， 由于水汽壓接近當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓(約18mmHg)而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對(duì)濕度和當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)稱為大氣的相對(duì)濕度，即 （2-1） 式中:H—相對(duì)濕度; D—大氣的絕對(duì)濕度(mmHg); Ds一當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓((mmHg)。 上式表明，若大氣中所含水汽的壓強(qiáng)等于當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓時(shí)，這時(shí)大氣的相對(duì)濕度為100%RH 。 (2).濕度對(duì)孵化效果的影響 孵化機(jī)內(nèi)的相對(duì)濕度，對(duì)孵化效果也起著一定的作用。在正常情況下，從種蛋入孵到出殼，全期水分的損失約占蛋重的12%左右，為確保胚胎的正常發(fā)育，種蛋內(nèi)水分的蒸發(fā)應(yīng)保持一定的速度。孵化機(jī)內(nèi)的相對(duì)濕度值決定著種蛋的失水多少、速度快慢。而種蛋失水又間接衡量著種蛋氧吸收量的多少，即濕度的主要作用在于調(diào)節(jié)胚蛋的失水。如果不能使胚蛋獲得最佳的失水率，會(huì)影響孵化率，甚至帶來災(zāi)難性后果?？梢?，精確的測(cè)量與控制孵化機(jī)內(nèi)的濕度也是至關(guān)重要的。一般孵化器的相對(duì)濕度應(yīng)經(jīng)常保持在55%~70%。 (3).通風(fēng) 胚胎在發(fā)育過程中會(huì)不斷地吸入氧氣，排出二氧化碳。一般孵化器內(nèi)氧氣含量為21%，二氧化碳含量為0.5%。二氧化碳超過0.5%，胚胎發(fā)育遲緩，超過1%，死亡率增高，并出現(xiàn)胎位不正和畸形等現(xiàn)象。所以必須重視通風(fēng)，使孵化箱內(nèi)空氣保持清新。一般在孵化初期，為保溫以及使溫度平穩(wěn)可以關(guān)閉進(jìn)氣孔或部分開放進(jìn)氣孔(一般可開啟1/4~1/3)，以后逐漸增大進(jìn)氣孔，出雛時(shí)完全開放進(jìn)氣孔。 (4).翻蛋 翻蛋的作用是: 1.可避免胚胎與殼膜粘連。因卵黃含脂量高，相對(duì)密度較小，總是浮在蛋的上部，易與殼接觸。翻蛋可經(jīng)常改變蛋的位置使其不會(huì)因粘連而造成胚胎死亡。 2.翻蛋可使胚胎受熱均勻，有利于胚胎發(fā)育。 3.翻蛋有助于胚胎運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)活力，保持胎位正常。 翻蛋一般呈90度，前45度后45度，每2小時(shí)翻一次。18天以后可不再翻蛋，整批入孵時(shí)14天后即可不再翻蛋。 (5).涼蛋 涼蛋可使孵化器徹底換氣，同時(shí)間歇的低溫還可促進(jìn)胚胎發(fā)育，增強(qiáng)活力，有利于后期胚胎散熱。但如進(jìn)氣良好，各孵化條件正常也可不進(jìn)行涼蛋。如通風(fēng)不良或利用同一孵化器出雛時(shí)則應(yīng)進(jìn)行涼蛋。一般每天2-8次，每次15-40分鐘，涼至蛋殼表面溫度接近于32℃即可。 2.3 設(shè)計(jì)目標(biāo) 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)施溫方案得到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下: 1. 控溫范圍:35℃~40℃ 2. 控濕范圍:50%~80%RH 3. 控溫精度:溫度誤差不超過±0.15℃，機(jī)內(nèi)各點(diǎn)溫差不大于0.3℃ 4. 溫度顯示分辨率: ±0.1℃ 5. 濕度顯示精度:5%RH 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了家禽孵化的原理以及孵化過程中必備的幾個(gè)條件。提出了本系統(tǒng)的孵化方案和控制目標(biāo)。對(duì)于孵化設(shè)備溫度、濕度、通風(fēng)和翻蛋的控制是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。  第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案 3.1 總體方案 本系統(tǒng)選取孵化箱內(nèi)的溫度和濕度作為主要的被控對(duì)象，以加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、通風(fēng)風(fēng)扇、翻蛋電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為控制手段。 系統(tǒng)總體框圖如下圖所示 孵化控制系統(tǒng)組成如圖所示，孵化控制主要分為電氣控制、機(jī)械執(zhí)行及其它一些輔助機(jī)構(gòu)部分。孵化設(shè)備工作過程是:單片機(jī)依據(jù)編寫好的程序和溫濕度探頭采樣的溫濕度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算。根據(jù)需要發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)加熱、加濕、翻蛋、通風(fēng)等孵化控制功能。孵化箱控制設(shè)備最核心的部分是溫濕度控制模塊。它是以單片機(jī)為核心、外圍電路做輔助的單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過傳感器檢測(cè)電路、執(zhí)行器件驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤接口、LED數(shù)碼顯示等，使其既可以獨(dú)立完成對(duì)孵化箱內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)測(cè)控，又可以通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互根據(jù)上述功能要求，可對(duì)該應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)主要包含兩部分:以AT89S52為核心的單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及以PC為核心的管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路之后送入單片機(jī)。單片機(jī)上電運(yùn)行后會(huì)提取存儲(chǔ)器中默認(rèn)的溫濕度參數(shù)，并開始輸出溫濕度控制信號(hào)。在特殊情況下，根據(jù)需要，可以通過按鍵修改存儲(chǔ)器中默認(rèn)的溫濕度參數(shù)值，故需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行按鍵電路設(shè)計(jì)。孵化箱內(nèi)溫濕度信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。該值將與設(shè)定值進(jìn)行比較，并進(jìn)行運(yùn)算。單片機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行控制。 在傳統(tǒng)的單機(jī)孵化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)由上位PC機(jī)和多個(gè)分布于不同孵化箱的下位機(jī)構(gòu)成。每臺(tái)單片機(jī)完成一個(gè)孵化箱的測(cè)控任務(wù)，其主要功能是完成各孵化箱內(nèi)溫濕度信號(hào)的采集與處理，并直接控制孵化現(xiàn)場(chǎng)。單片機(jī)通過RS-232總線將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和孵化控制狀態(tài)上傳至上位PC機(jī)進(jìn)行保存。上位機(jī)可以設(shè)定下位機(jī)的工作參數(shù)、查詢下位機(jī)的工作狀態(tài)、設(shè)定溫濕度的報(bào)警閥值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)孵化箱的統(tǒng)一管理。采用這種多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)不僅避免了模擬信號(hào)因長(zhǎng)距離傳輸引起的損耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的布線，而且便于增加傳感器的個(gè)數(shù)和種類，系統(tǒng)易于擴(kuò)展、升級(jí)。信號(hào)采集電路的功能是將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路之后送入單片機(jī)。 3.2 翻蛋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 翻蛋機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 翻蛋機(jī)構(gòu)屬于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在機(jī)械工業(yè)中運(yùn)用的比較廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們創(chuàng)新意識(shí)的不斷提高，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。例如：夏天常見的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)燒烤爐，能夠讓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 360°的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，使得烤出來的食物更加美味，而且對(duì)于用戶們來說使用更加的方便。 3.2.2 翻蛋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 方案一：氣壓或液壓傳動(dòng)的形式，如圖3-1所示； 方案二：齒輪齒條形式，如圖3-2所示； 方案三：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)形式，如圖3-3所示； 方案四：電磁鐵形式，如圖3-4所示； 方案五：曲柄連桿式，如圖3-5所示。 方案分析： 方案一：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的操作比較方便，控制簡(jiǎn)單省力，自動(dòng)化程度高。但難實(shí)現(xiàn)對(duì)禽蛋框的翻轉(zhuǎn)角度不容易精確地控制，油的泄漏也比較嚴(yán)重，并且不能實(shí)蛋框架向下翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。 方案二：齒輪齒條傳動(dòng)對(duì)蛋框架相對(duì)方案一容易控制，傳動(dòng)穩(wěn)定，但是齒輪的制造和加工精度高，成本高。 方案三：鉸鏈四桿傳動(dòng)制作方便，耐磨損，也易于獲得很高的精度。但是設(shè)計(jì)比較較復(fù)雜，很難獲得要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 方案四：電磁鐵方法很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是磁力的計(jì)算復(fù)雜，而且線圈設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，控制不精確。 方案五：曲柄連桿轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單且方便，，其從動(dòng)件能設(shè)計(jì)成任意運(yùn)動(dòng)方式，但缺點(diǎn)是點(diǎn)、線接觸易磨損；行程不大。 綜上對(duì)五套方案的分析，就成本，加工難易程度、精度，控制精度考慮，曲柄連桿傳動(dòng)最為合適，蛋框架翻轉(zhuǎn)角度不大，因此搖柄的行程不是很大，適合凸輪傳動(dòng)，而且曲柄連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便。 圖3-1 液壓傳動(dòng)方式 圖3-2 齒輪齒條式 1-蛋框架 2-液壓缸 1-蛋框架 2-齒輪 3-齒條 圖3-3 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式 圖3-4 電磁鐵式 1-蛋框架 2-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 1-蛋框架 2-電磁鐵 圖3-5 曲柄連桿式 1-蛋框架 2-凸輪 3.2.3 曲柄連桿計(jì)算 已知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿OB的長(zhǎng)度c和擺角，以及行程速度變化系數(shù)K，要求設(shè)計(jì)該兩桿機(jī)構(gòu) 原始信息：搖桿OB=20mm，上升距離X=20mm，下降距離X=20mm 行程速比系數(shù)K=1.2，極位夾角=30°，搖桿長(zhǎng)度C=20mm。 中心曲軸連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖 （3-1） 其中r為曲柄半徑，l為連桿長(zhǎng)度（連桿大小頭孔中心距離），為連桿比。 AA’ 支撐桿的位移鏢師X，具體計(jì)算如下 （3-2） 在中，利用正弦公式定理，有： （3-3） （3-4） -連桿比 （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） 則， 對(duì)X求兩次導(dǎo)數(shù)得到活塞速度和加速度 （3-11） （3-12） 因?yàn)?，傳?dòng)比=20/l=0.33 所以l=20/0.3360mm 支撐桿的運(yùn)動(dòng)可以用三角函數(shù)組成的復(fù)諧函數(shù)鏢師，即活塞的運(yùn)動(dòng)是復(fù)諧運(yùn)動(dòng)。 搖桿OB=20mm，頂端支撐桿mm，連接連桿AB=60mm 計(jì)算搖桿曲柄強(qiáng)度和直徑： 沖壓機(jī)械中,曲柄壓力機(jī)是靠慣性輪,利用曲柄連桿機(jī)構(gòu),將旋轉(zhuǎn)能傳送給滑塊的。滑塊發(fā)出最大加壓力是在下死點(diǎn)附近。此時(shí)曲柄頤承受最大載荷,今將曲柄弧受力作為研究對(duì)象計(jì)算機(jī)計(jì)算曲柄頸強(qiáng)度 從曲柄r傳送到連桿上的力與滑塊發(fā)出的壓力p之間,存在如下關(guān)系： （3-13） 曲柄頸B處,沿半徑方向的力和的關(guān)系： （3-14） 將（3-13）式代人（3-14）式則 （3-15） 曲柄頸沿r方向承受與力大小相等的壓力，曲柄頸沿回周方向所受切線力與半經(jīng)r的乘積，即是轉(zhuǎn)矩T。 （3-16） 轉(zhuǎn)矩T同時(shí)表示了曲柄壓力機(jī)的能力。 因?yàn)? （3-17） 將（3-13）、（3-16）式代入（3-17）式，則 （3-18） 從（3-18）式中可求出P （3-19） 一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)l>>4r,所以，可將l看成比r大很多。即l>>r，這時(shí)，角趨近于零，（3-19）式可以寫成 （3-20） 按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導(dǎo)出 （3-21） 式代入（3-20）式則： （3-22） 按材料力學(xué)有關(guān)公式,可知彎曲應(yīng)力和撓矩M及斷面系數(shù)的關(guān)系Z的關(guān)系： （3-23） 結(jié)合M和Z的推導(dǎo)公式有： （3-24） 求曲柄直徑d，則可以寫作 2.5mm （3-25） 故搖桿的直徑最低為2.5mm，我取整定位3mm。 3.2.4 翻蛋機(jī)構(gòu)的仿真 隨著我國(guó)零部件制造工業(yè)的迅速發(fā)展，零部件及其模具的生產(chǎn)時(shí)間要求越來越短，部件的精度卻要求越來越高,這就使部件模具的設(shè)計(jì)及制造等相關(guān)環(huán)節(jié)要求變得越來越嚴(yán)格。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了 CAD/CAM 技術(shù)并迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以前設(shè)計(jì)中采用的二維設(shè)計(jì)顯得越來越不適應(yīng)設(shè)計(jì)的要求，三維模具設(shè)計(jì)自然成為發(fā)展趨勢(shì)，并開始成為國(guó)內(nèi)模具設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)手段新延生。仿真時(shí)可以采用 UGNX 集成的部件運(yùn)動(dòng)分析程序 MOTION，提供部件的仿真分析和文檔生成的功能，用戶可以在 UG 環(huán)境里定義部件，包括連桿、阻尼、彈簧和鉸鏈等部件的初始運(yùn)動(dòng)所涉及的條件和阻力等，然后可以直接在 UG 中進(jìn)行部件的分析和仿真部件運(yùn)動(dòng)，以得到其實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。動(dòng)態(tài)分析模塊可以非常方便的設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、修改和優(yōu)化，研究人員需要將組織復(fù)雜的設(shè)計(jì)徹底改變?yōu)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，物理機(jī)器上的一個(gè)很長(zhǎng)的生產(chǎn)過程得以縮短，并且縮短了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)周期和節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。UG 程序模塊中的主要部分是運(yùn)動(dòng)仿真，它能分析二維或三維部件的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力和設(shè)計(jì)。三維實(shí)體模型的建立主要通過 UG/Modeling，利用它的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析功能給三維構(gòu)件賦予相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，再通過各個(gè)部件的連接關(guān)系使各部件有機(jī)的結(jié)合在一起建立一個(gè)模型，即運(yùn)動(dòng)仿真模型。UG/Motion 能對(duì)運(yùn)動(dòng)中的個(gè)機(jī)構(gòu)部件的裝配進(jìn)行分析，并作出合理的分析報(bào)告，比如干涉檢查、運(yùn)動(dòng)軌跡等。因此可以得到大量的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)。這樣的運(yùn)動(dòng)仿真模型或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析，用戶可以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，可以利用圖形輸出的各個(gè)組成部分的位移坐標(biāo)、加速度、速度和力量的變化，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 翻蛋器運(yùn)動(dòng)過程仿真： 第一步：進(jìn)入軟件的仿真界面。 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后進(jìn)入 UG/Motion 仿真模塊就可以進(jìn)行相關(guān)仿真操作了，依次選擇開始→運(yùn)動(dòng)仿真即進(jìn)入了仿真界面。第二步：新建仿真。進(jìn) 入了仿真界面，右擊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器上選擇新建仿真，出現(xiàn)一個(gè)環(huán)境對(duì)話框，選擇動(dòng)態(tài)，點(diǎn)擊確定進(jìn)入該裝配圖的仿真界面。 第三步：新建連桿。 在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器里右擊 motion1，選擇新連桿，在接下來彈出的對(duì)話框中填寫L001，并選擇三維模型中的蛋框架作為 L001；選擇連桿為 L002；選擇凸輪為L(zhǎng)003。如圖 3-6，圖 3-7 和圖 3-8 所示。 圖3-6 創(chuàng)建連桿 L001 圖3-7 創(chuàng)建連桿 L002 圖3-8 創(chuàng)建連桿 L003 第四步：新建運(yùn)動(dòng)副。 選擇蛋框架 L001 為連桿，與其咬合的連桿為連桿 L002，這兩個(gè)連桿組成旋轉(zhuǎn)副 J001；選擇連桿 L002 為連桿，與其咬合的連桿為凸輪 L003，這兩個(gè)連桿也組成旋轉(zhuǎn)副 J002；選擇凸輪 L003 為連桿，凸輪為主動(dòng)輪，因此沒有與咬合的連桿，因此凸輪自身的旋轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)副，并且附于凸輪駕駛員一個(gè)初速度為驅(qū)動(dòng)力。選擇蛋框架 L001 為連桿，它繞支架做左右擺動(dòng)，與支架形成旋轉(zhuǎn)副 J004。其過程如圖 3-9 所示： 第五步：新建解算方案。 在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器里，右擊 motion1，點(diǎn)擊新建解算方案，再右擊 solution，點(diǎn)擊解算方案屬性，對(duì)步數(shù)和時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。 圖3-9 設(shè)置驅(qū)動(dòng) 第六步：求解生成動(dòng)畫。 右 擊 solution，點(diǎn)擊求解，然后在工具欄點(diǎn)擊動(dòng)畫圖標(biāo)，便生成動(dòng)畫仿真。 第七步：仿真結(jié)束。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 當(dāng)孵化箱滿載時(shí)，以一個(gè)雞蛋平均50g為準(zhǔn)，二十個(gè)雞蛋總重1000g，翻蛋機(jī)構(gòu)的橫梁材料為PPS塑料，蛋筐為聚丙烯材料構(gòu)成，總重大概400g，我們以1500g的總載重為研究，根據(jù)上面的曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)為準(zhǔn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算。 （1）Tf力矩負(fù)載： （3-26） F為水平拉力，r為轉(zhuǎn)輪半徑（定為10mm） 根據(jù)曲柄連桿的計(jì)算我們可以算得 F= （3-27） 由上面可以得出Tf=1.5 N·m TJ慣性負(fù)載： J = M（R12+R22）/32·（Kg·cm） （3-28） 其中：M為質(zhì)量，R1為外徑，R2為內(nèi)徑 TJ =J·dw/dt·dw/dt （3-29） 為角加速度 功率計(jì)算： P=2πnM/60 （3-30） 最后，我們算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=540 g·cm，保持轉(zhuǎn)量Tf=1.5 N·m，P=15W 據(jù)此，我們選擇了56BYG250CN-0501步進(jìn)電機(jī)。 3.4 單片機(jī)選擇 在現(xiàn)今市場(chǎng)上，單片機(jī)的生產(chǎn)廠商很多、單片機(jī)的類型也很多。對(duì)于本孵化箱控制系統(tǒng)，進(jìn)行單片機(jī)選型應(yīng)該遵循的原則或要求主要是: 1.選擇的單片機(jī)必須有較好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵诜趸溥@樣的環(huán)境中存在有很多的干擾。 2.選擇的單片機(jī)必須具有豐富的片上外圍設(shè)備，因?yàn)檫@樣可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，也可以讓電路的調(diào)試更加容易。 3.選擇的單片機(jī)要有方便的調(diào)試功能，單片機(jī)生產(chǎn)廠商要提供免費(fèi)的調(diào)試軟件，使單片機(jī)程序大部分能夠在PC機(jī)上仿真出來而且無誤;而且，單片機(jī)程序語(yǔ)言要多樣化，要既可以用單片機(jī)匯編語(yǔ)言也可以用C語(yǔ)言編寫程序。 4.選擇的單片機(jī)功耗要低，由于設(shè)計(jì)的通用智能終端長(zhǎng)期在環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)工作，為了節(jié)能，應(yīng)選擇功耗低的單片機(jī)。 本系統(tǒng)主控MCU選用Atmel公司的AT89S52。它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Rash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)上普遍使用的80C51芯片的指令和引腳完全兼容。由于該多孵化箱控制系統(tǒng)所要采集的數(shù)據(jù)量并不是特別大，單片機(jī)自帶的SK可編程Flash存儲(chǔ)器能夠滿足需要，所以不需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。 AT89552單片機(jī)作為下位機(jī)負(fù)責(zé)采集孵化箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，對(duì)各個(gè)孵化箱內(nèi)的溫濕度值進(jìn)行模糊運(yùn)算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)孵化箱內(nèi)各參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。另外，各個(gè)單片機(jī)并將本孵化箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)通過串行通訊接口上傳給上位PC機(jī)。 3.5 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的功能是將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路之后送入單片機(jī)。下面分述溫濕度信號(hào)的采集。 3.4.1 溫度信號(hào)的采集 1.溫度傳感器的選擇 在眾多應(yīng)用于環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的溫敏元件中，溫敏電阻雖然成本低，但后續(xù)電路復(fù)雜，且需進(jìn)行溫度標(biāo)定;電流型集成溫度傳感器AD590也因其輸出為模擬信號(hào)，且輸出信號(hào)較弱故需后續(xù)放大及AD轉(zhuǎn)換電路，若采用普通運(yùn)放則精度難以保證，而測(cè)量放大器價(jià)格偏高，這就使系統(tǒng)的成本升高。 本系統(tǒng)的溫度傳感器選擇DS18B20。DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的可編程單總線數(shù)字溫度傳感器。單總線即以1根數(shù)據(jù)線將測(cè)量到的溫度結(jié)果以串行與微控制器進(jìn)行連接。DS18B20片內(nèi)ROM中有唯一的64位序列號(hào)，所以可以在1根總線上掛接任意多個(gè)DS18B20，這樣就可以很方便地構(gòu)成單線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)。 DS18B20的測(cè)溫范圍從-55℃到+125℃，測(cè)量精度可以達(dá)到0.0625℃。DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)可以由軟件編程確定，可以直接輸出9至12位的數(shù)字信號(hào)，默認(rèn)值為12位。DS18B20進(jìn)行一次溫度采集至多需要大約1秒鐘的時(shí)間，在孵化控制系統(tǒng)中能夠滿足需要。數(shù)字溫度傳感器DS18B20有三個(gè)引腳，分別是VCC，GND，DATA。其中VCC和GND是DS18B20的供電引腳，接入+5V電源和地。DAIA是DS18B20的數(shù)據(jù)線，用來傳送指令和溫度數(shù)據(jù)。 2.溫度傳感器DS18B20的工作原理 DS18B20測(cè)溫原理如圖3-2所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1。計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入并重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。 圖3-10DS18B20測(cè)溫原理圖 3.溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)的連接 DS18B20有兩種封裝模式:3腳和8腳封裝，其中3腳封裝比較常用，引腳功能分別為地電源VCC、GND、信號(hào)DATA。DS18B20可通過兩種方式供電:外加電源工作方式和寄生電源方式。前者需要外加電源，正負(fù)極分別接引腳VCC+5V及GND;后者不需外加電源，當(dāng)總線(信號(hào)線)為高時(shí)穩(wěn)定電源的提供是通過單線上的上拉電阻實(shí)現(xiàn)，總線信號(hào)為低時(shí)則由其內(nèi)部的電容供電，在此種方式下VCC接地。 本系統(tǒng)采用3腳封裝的DS18B20，選用外加電源工作方式。采用此種方式能增強(qiáng)DS18B20的抗干擾能力，保證工作的穩(wěn)定性，電路連接如圖3-11所示。 圖3-11 DS18B20 4溫度傳感器DS18B20工作過程 對(duì)DS18B20的操作順序?yàn)?初始化，發(fā)送ROM命令，發(fā)送功能命令。對(duì)DS18B20的操作要遵守嚴(yán)格的操作時(shí)序，如果時(shí)序中任意一步缺少或錯(cuò)亂，DS18B20將不會(huì)響應(yīng)。 初始化包括主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖(通過將總線拉低至少480μs來實(shí)現(xiàn))隨即主機(jī)等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測(cè)到復(fù)位脈沖的上升沿開始等待15一16μs后通過將單線總線拉低60-240μs實(shí)現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。初始化完成后單片機(jī)即可發(fā)送ROM命令，包括搜索ROM命令(F0H)、讀ROM命令(33H)、匹配ROM命令(55H)、跳過ROM命令(CCH)及報(bào)警搜索命令(ECH)。隨后即可發(fā)送功能命令，包括溫度變換命令(44H)、寫暫存器(EH)讀暫存器(BEH)命令、復(fù)制暫存存儲(chǔ)器命令(48H)、重新調(diào)出EERAM命令(BSH)，讀電源供電方式命令(B4H)等。命令的傳送是通過寫時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的，而主機(jī)讀取DS18B20傳送的數(shù)據(jù)是通過讀時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的。 單片機(jī)在控制DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取之前，需要提供總線上所有DS18B20的64位序列號(hào)，這樣才可以對(duì)總線上的某個(gè)Ds18B加進(jìn)行ROM匹配，將其選中。ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。本系統(tǒng)中，孵化箱內(nèi)的溫度檢測(cè)需要多點(diǎn)布置溫度傳感器，單總線上需要掛接4個(gè)DS18B20。所以主機(jī)須預(yù)先讀取出該4個(gè)DS18B20的64位ROM代碼，使用READROM(33H)命令即可。圖3-12為讀取DS18B20序列號(hào)的流程圖。 圖3-12 讀取DS18B20序列號(hào)的流程圖 獲得總線上每個(gè)DS18B20的序列號(hào)之后，單片機(jī)就可以控制總線上的DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，并通過單總線讀取總線上DS18B20的溫度值。 第一步對(duì)DS18B20復(fù)位。單片機(jī)向總線上的所有DS18B20發(fā)出復(fù)位脈沖，這通過將數(shù)據(jù)線拉低至少480μs來實(shí)現(xiàn)。隨即單片機(jī)等待總線上的DS18B20發(fā)回的存在脈沖，DS18B20則從檢測(cè)復(fù)位脈沖的上升沿開始等待15μs后通過將單總線拉低60μs實(shí)現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。 第二步，啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。單片機(jī)向總線上發(fā)送跳過匹配ROM命令(CCH)，然后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令(44H)，即所有在線的DS18B20都將進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。 第三步讀取DS18B20溫度值。首先向總線上發(fā)送匹配RoM命令(55H)，并隨后送出某個(gè)DS18B20的序列號(hào)。然后向總線上發(fā)送讀存儲(chǔ)器命令(BEH)。與序列號(hào)匹配的DS18B20會(huì)將其暫存器內(nèi)的溫度值發(fā)送到總線上，單片機(jī)可以按位讀取，完成這個(gè)DS18B20的溫度采集。與該序列號(hào)匹配不符的DS18B20則會(huì)繼續(xù)等待下一個(gè)序列號(hào)的到來。具體的程序及操作見后單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。 3.4.2 濕度信號(hào)的采集 1濕度傳感器的選擇 濕度的檢測(cè)方法，一般采用濕敏元件檢測(cè)濕度，分為濕敏電阻和濕敏電容兩種情況。常用的有高分子電阻式濕度傳感器、高分子電容式濕度傳感器等。高分子電阻式濕度傳感器的工作原理:由于水附在有極性基的高分子膜上，在低濕度下，因吸附量少，不能產(chǎn)生電荷離子，電阻值較高。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 附量也增加，顆粒化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子主要起到載流子作用。另外，由吸附水自身離解出的質(zhì)子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕度傳感器的電阻值下降[3]。高分子電容式濕度傳感器的工作原理:高分子材料吸水后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境的相對(duì)濕度的改變而改變，元件的介電常數(shù)是水與高分子材料兩種介電常數(shù)的總和。當(dāng)被測(cè)的氣態(tài)水分子通過多孔的上電極擴(kuò)散至感濕膜表面，被極性官能團(tuán)所吸收，引起濕敏電容器介電常數(shù)的改變，從而改變了濕敏電容器的容量值。 濕度傳感器具有精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以保證、受溫度影響大、校正難度大等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中的濕度傳感器選用HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬?duì)濕度傳感器HS1101[14]。 2．濕度傳感器Hsllol的工作原理和性能 HSll01的原理是根據(jù)薄膜電容在不同濕度環(huán)境下電容量的變化來反映不同濕度。該傳感器具有檢測(cè)速度快、高精度、高可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點(diǎn)。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，有頂端接觸(HS1100)和側(cè)面接觸(HS1101)兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。 HSllOI(濕敏電容)特性如下: 1.基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu); 2.高精度2%;極好的線性輸出;1~99%RH濕度量程;一40~100℃的溫度工作范圍; 3.響應(yīng)時(shí)間5秒;濕度輸出受溫度影響極小; 4.防腐蝕性氣體:常溫使用無需溫度補(bǔ)償，無需校準(zhǔn); 5.電容與濕度變化0.34PF/%RH;典型值190PF/55%RH;長(zhǎng)期穩(wěn)定性及可靠性，年漂移量0.5%。 3．濕度傳感器HSll01與單片機(jī)的連接 HS1101電容式傳感器在采集接口電路中等效于一個(gè)電容元件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于接受的信號(hào)，可以將該濕敏電容置于與定值電容組成的電橋電路中。電橋供電電源為等幅高頻穩(wěn)定的交流電壓，在電橋輸出端可獲得受工作電容變化調(diào)制的調(diào)幅波信號(hào)輸出，調(diào)幅波信號(hào)經(jīng)放大、解調(diào)后，獲得低頻信號(hào)輸出，再由周D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如果對(duì)電容變換線性度要求不高時(shí)，也可采用檢測(cè)LC諧振回路阻抗的方法接口，輸出電壓經(jīng)放大檢波后送AD轉(zhuǎn)換。但這兩種電路屬于傳統(tǒng)的模擬式傳感器測(cè)量電路，需要經(jīng)過周D轉(zhuǎn)換器才能與數(shù)字系統(tǒng)連接，這使電路在一定程度上變得復(fù)雜，交流電路不可避免地在穩(wěn)定性、可靠性、精度、響應(yīng)速度等方面存在許多問題，而且與前面的溫度傳感器同時(shí)使用，AD重復(fù)利用率很高。這對(duì)于傳統(tǒng)形式的傳感器兼容性較差，而且成本也相對(duì)較高。另外，可以將該濕敏電容置于振蕩電路中，組成多諧振蕩電路，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的頻率信號(hào)，可直接被單片機(jī)計(jì)數(shù)器所采集。這樣的電路不必經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器就可以方便地與單片機(jī)相連接，輸出信號(hào)為頻率型，靈敏度高，線性度好，具有優(yōu)良的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性。多諧振蕩電路的抗干擾能力強(qiáng)，成本較低。因此，為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度，從降低采集電路的成本等因素考慮，本系統(tǒng)采用脈沖振蕩電路來設(shè)計(jì)濕度采集電路。 在應(yīng)用過程中，HSll01作為一個(gè)可變電容器，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。將其置于TLC555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩電路中，可以將濕度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)送入單片機(jī)，進(jìn)而計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)的濕度值。應(yīng)用電路如圖3-13所示: 圖3-13濕度測(cè)量電路 頻率輸出的TLC555振蕩電路如圖所示。集成定時(shí)器TLC555芯片外接電阻凡、R:與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，凡是防止輸出短路的保護(hù)電阻，Rl用做內(nèi)部溫度補(bǔ)償，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配。Rl必須像所有的R一C時(shí)鐘電阻的要求一樣保證1%的精度，最大溫度效應(yīng)應(yīng)該小于10oppm。由于不同型號(hào)的555芯片內(nèi)部溫度補(bǔ)償有所不同，Rl的值還必須與特定的芯片相匹配。本濕度采集電路選用的是n公司的TLC555振蕩器。根據(jù)要求，Rl的阻值應(yīng)為gOgk，RZ的阻值為576k。 該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下:電源Vs通過凡，R:向C充電，經(jīng)充電時(shí)間T充電后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs。此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R:放電，經(jīng)時(shí)間T放電后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs。此時(shí)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此循環(huán)，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為: (3-31) (3-32) 因此電路的振蕩周期為: (3-33) 電路輸出的諧振波頻率為: (3-34) 輸出波形的占空比為: (3-35) 上式表明，電路的輸出脈沖的占空比始終大于50%，為了使占空比降低至接近50%，則與R:相比，凡應(yīng)該盡量小，但不要低于最小值。 可見，空氣濕度通過HS1101與TLC555構(gòu)成的振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。該信號(hào)可以直接被單片機(jī)所測(cè)得。表給出了其中的一組典型測(cè)試信號(hào)。 表3-1 相對(duì)濕度與電壓頻率的典型值 濕度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 頻率 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 將TLC555測(cè)量振蕩電路輸出的方波信號(hào)送入單片機(jī)AT89552的Tl引腳，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作在計(jì)數(shù)方式，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2工作在定時(shí)方式。用這種測(cè)量頻率法測(cè)出方波信號(hào)的頻率，從而也就測(cè)出了空氣中的相對(duì)濕度。通過分析上述相對(duì)濕度與電壓頻率的典型值可以得出輸出方波頻率與濕度值之間的關(guān)系為: (3-36) 其中:RHm為當(dāng)前溫度下濕度測(cè)量值; f為測(cè)得的TLC555振蕩電路輸出的方波信號(hào)的頻率。 4濕度傳感器HSll01濕度信號(hào)的溫度補(bǔ)償 由于濕度傳感器HSll01受溫度的影響，其輸出值相對(duì)于標(biāo)況25℃下的測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生一定的偏離，因此要消除溫度對(duì)濕度測(cè)量值的影響需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)技術(shù)手冊(cè)該傳感器的溫度系數(shù)與溫度曲線如圖3-14所示，并有關(guān)系式: (3-37) 其中:RHr為真實(shí)濕度值； RHm為當(dāng)前溫度下的濕度測(cè)量值； T為當(dāng)前溫度； t:為溫度系數(shù)。 圖3-14 HS1101溫度度數(shù)圖 由圖可看出濕度傳感器HSll0l在10℃-60℃下溫度系數(shù)為定值0.1，此時(shí)濕度為而當(dāng)溫度位于0℃-10℃之間時(shí)，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式:;當(dāng)溫度大于60℃小于80℃時(shí)，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式:，將得到的溫度系數(shù)代入中，即求得溫度補(bǔ)償后的濕度值。 3.6 鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì) 1．按鍵電路 單片機(jī)上電運(yùn)行后會(huì)提取存儲(chǔ)器中默認(rèn)的溫濕度參數(shù)，并開始輸出溫濕度控制信號(hào)。在特殊情況下(如孵化禽蛋的種類變化)，根據(jù)需要，可以通過按鍵修改存儲(chǔ)器中默認(rèn)的溫濕度參數(shù)值，故需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行按鍵電路設(shè)計(jì)。通常，按鍵有獨(dú)立式和矩陣式兩種形式，本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)，其接口電路如圖3-15所示。 圖3-15 按鍵接口電路 本系統(tǒng)擴(kuò)展4個(gè)用于修改系統(tǒng)參數(shù)的按鍵:Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3分別為溫度目標(biāo)值+0.1℃、-0.1℃的操作鍵、濕度目標(biāo)值+5%RH和一5%RH操作鍵。4個(gè)按鍵通過4與門74LS21A接至單片機(jī)外部中斷口INTO(P3.4)。當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，與門74比21A輸出低電平從單片機(jī)的INTO引腳產(chǎn)生中斷，通過按鍵掃描程序掃描Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3，判斷按鍵值并修改單片機(jī)相應(yīng)的溫濕度目標(biāo)參數(shù)。 另外，本系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)復(fù)位按鈕。按鍵一端接至+SV，另一端串接SK電阻之后接至單片機(jī)的復(fù)位引腳RESET。在需要的時(shí)候，可以由人工按下復(fù)位按鈕對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。 2．顯示電路 本系統(tǒng)應(yīng)用串行接口驅(qū)動(dòng)器HD7279A對(duì)鍵盤與顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。HD7279A是一種具有串行接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管(或64只獨(dú)立的LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片[8]。 HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式，具有消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等多種控制指令。HD7279A具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口[11]。 HD7279A的引腳功能如表3-2所示。 表3-2 HD7279A的引腳功能 引腳 名稱 說明 1,2 電源端，電壓典型值為±5V，范圍4.5~5.5V 3，5 NC 懸空 4 接地 6 CS 片選信號(hào)端，低電壓平時(shí)可向電路發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù) 7 CLK 同步時(shí)鐘輸入端，上升沿有效 8 DATA 串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 9 KEY 按鍵有效輸出端，當(dāng)有效按鍵時(shí)由高變?yōu)榈碗娖? 10-16 SG~SA 段G到段A驅(qū)動(dòng)輸出端 17 DP 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出端 18-25 DG0~DG7 數(shù)字0~7驅(qū)動(dòng)輸出端 26 CLK0 振蕩輸出端 27 RC RC振蕩器連接輸入端 28 RESET 復(fù)位端，低電平有效 本系統(tǒng)利用2片HD7279A共驅(qū)動(dòng)16位LED來顯示系統(tǒng)各參數(shù):設(shè)定溫度值，設(shè)定濕度值，實(shí)時(shí)溫度值，實(shí)時(shí)濕度值，翻蛋次數(shù)，加熱狀態(tài)，加濕狀態(tài)，風(fēng)門狀態(tài)。顯示電路硬件連接如圖3-16 HD7279A的CS，CLK，DATA口分別接單片機(jī)PO口的0~6腳。HD7279A的RC端外接RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其值分別為R二1.5K0，C=15PFoHD7279A的RESET復(fù)位端直接與正電源連接。HD7279A采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從D川rA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，DAIA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器。 圖3-16 HD7279A 驅(qū)動(dòng)LED電路圖 3.7 輸出控制電路設(shè)計(jì) 孵化箱內(nèi)溫濕度信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。該值將與設(shè)定值進(jìn)行比較，并進(jìn)行模糊運(yùn)算。單片機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行控制。這是本系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本孵化箱控制系統(tǒng)有大量的功能執(zhí)行部件，這些功能執(zhí)行部件包括大功率電熱絲、攪熱風(fēng)扇電機(jī)、增濕步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)門驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和翻蛋步進(jìn)電機(jī)等。這些部件由于功率大，啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)，為了有效的驅(qū)動(dòng)和控制這些部件采用隔離光禍+達(dá)林頓管+繼電器的驅(qū)動(dòng)方式來控制這些大功率模塊。即單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)先經(jīng)過隔離光禍TLP521來驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管ULN2803，然后由達(dá)林頓管來驅(qū)動(dòng)性能可靠的繼電器，通過繼電器間接控制這些功能部件。 3.7.1 加熱控制 由于孵化箱體積較大，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4組加熱電阻絲，每組電阻絲的功率為200W。分布于孵化箱的四個(gè)側(cè)面，并在電阻絲背后安置大的攪熱風(fēng)扇。單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3輸出高低電平分別控制這四組電阻絲的通斷。共組成5種加熱狀態(tài):不加熱，小加熱，中等加熱，較大加熱，完全加熱。由于電阻絲工作接通與關(guān)閉的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，故單片機(jī)輸出口接光電耦合器TLP521來實(shí) 現(xiàn)工作電路與控制電路的電氣隔離。TLP521的輸出功率只有150mw，無法驅(qū)動(dòng)繼電器。所以在光禍后面接功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803再驅(qū)動(dòng)繼電器SRD-05VDC-SLC控制加熱電阻絲的通斷。加熱控制部分硬件圖如下: 圖3-17 加熱控制電路圖 3.7.2 加濕、風(fēng)門與翻蛋控制 在孵化箱中放置加濕水盤，為了便于控制，水盤設(shè)置為方塊形狀。水盤上加方形頂蓋，步進(jìn)電機(jī)控制水盤頂蓋的開度實(shí)現(xiàn)加濕量的選取。本系統(tǒng)設(shè)置5種加濕狀態(tài):不加濕，頂蓋完全關(guān)閉;小加濕，頂蓋開啟1/4;中等加濕，頂蓋開啟一半;較大加濕，頂蓋開啟3/4;完全加濕，頂蓋完全開啟。風(fēng)門的控制與加濕控制類似。在孵化箱的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置風(fēng)門，風(fēng)門的形狀也為矩形。本系統(tǒng)設(shè)置5種風(fēng)門狀態(tài):不通風(fēng)，頂蓋完全關(guān)閉;小通風(fēng)，頂蓋開啟1/4;中等通風(fēng)，頂蓋開啟一半;較大通風(fēng)，頂蓋開啟3/4;完全通風(fēng)，頂蓋完全開啟。在