企業(yè)孵化器發(fā)展的基本原理
高級講師Gabriela Marchis博士在”霍斯特馬克大學”聯晚會上講課
摘要：歐洲聯盟，包括羅馬尼亞作為成員國的格局，決定了羅馬尼亞的方式的重新配置，以開發(fā)新的業(yè)務。在區(qū)域經濟發(fā)展領域學習與他人的經驗是實現經濟和社會凝聚力的關鍵。在經濟發(fā)展方面羅馬尼亞和歐洲平均水平之間的差距可能只有通過促進小企業(yè)提高降低。創(chuàng)造就業(yè)和建設財富是目前羅馬尼亞經濟面臨的唯一問題。本文擬回答的基本問題，創(chuàng)建一個企業(yè)孵化器。此外，它可能是一個工具，本地和區(qū)域的發(fā)起人，要以適當的方式，以提高企業(yè)孵化器。
關鍵詞：企業(yè)孵化器、經濟發(fā)展戰(zhàn)略、收益
文獻分類：R10，R11，R12
企業(yè)孵化器在地方和區(qū)域經濟發(fā)展中的作用
包括在創(chuàng)造就業(yè)和建設財富，培育新業(yè)務的形成。
主要使用的經濟發(fā)展戰(zhàn)略：
A） 一種商業(yè)吸引力，包括：財政激勵（如稅收優(yōu)惠，補助，貸款），非金融激勵（如定制培訓，現場準備，研究和發(fā)展能力）和生活質量的激勵（如氣候，學校，娛樂活動）；
B） 企業(yè)保持和擴張，努力使企業(yè)保持一個社區(qū)或地區(qū)已經擁有并鼓勵他們擴大業(yè)務。
C） 創(chuàng)業(yè)援助，包括鼓勵社區(qū)或地區(qū)的創(chuàng)業(yè)活動，幫助創(chuàng)業(yè)者客服障礙和訪問必要的資源以創(chuàng)造增長和維持新公司。這一戰(zhàn)略包括以下策略：
◆增加獲得資金，包括小額貸款項目，由經濟發(fā)展組織，銀行貸款，天使資本和風險投資管理的循環(huán)貸款；
◆“一站式”的方法，這是非常流行的，并由作為一個單一的信息來源和轉介的企業(yè)家；
◆技術/商務管理培訓，通過課堂教學、培訓班、現場指導；
◆合同采購援助，以幫助小企業(yè)獲得他們的份額，在政府合同；
◆創(chuàng)建網絡機會，以分享想法和信息，并連接到資本來源的企業(yè)家；
◆出口援助，以幫助新公司進入國際市場（如貿易展覽會，出口許可證程序，國際營銷咨詢等）；
◆技術轉讓援助，以確保這些技術盡快實現市場。
最成功的孵化器不提供這些服務，他們與許多其他經濟，發(fā)展和創(chuàng)業(yè)援助組織在該地區(qū)的合作。
第一個企業(yè)孵化器：于1959由Joseph L.曼庫索巴伐利亞在紐約發(fā)明，它被稱為美國的原企業(yè)孵化器。
為了吸引企業(yè)到孵化器，有一些規(guī)則應該遵循：
◆允許足夠的資源；
◆在類似的情況下，尋找其他的工作人員（網絡與其他的孵化器專業(yè)人士和國家
企業(yè)孵化協會，以交換想法，方法和最佳實踐）；
◆注意現在；
◆了解你的孵化器；
◆訪問成功的孵化器；
◆與咨詢顧問一起參加市場調查。
可行性研究一般應檢查以下核心要素：
◇市場，包括社區(qū)或地區(qū)的創(chuàng)業(yè)池的組成，未來的客戶的需求，結束是否社會可
以滿足這些需求；
◇利益相關者購買，以獲得項目冠軍和社區(qū)的支持；
◇項目的財務可行性，短期和長期；
◇可獲得的房地產適合業(yè)務孵化程序。
進行可行性研究的時間是，當企業(yè)孵化器作為一種經濟策略時，已經存在一定程度的局部興趣。
一個孵化器的計劃表:
A)分區(qū)以吸引目前和未來的業(yè)務類型；
B)建筑規(guī)范，涵蓋從電氣服務到停車位的一切；
C)為了方便客戶、訪客和供應商的訪問，考慮到運輸環(huán)節(jié)，考慮到機場、公路、餐廳以及客戶可能需要的其他服務；
D)交通和停車場，以不妨礙交通，并確保足夠和安全的停車場；
E)多功能空間以符合客戶的需求；
F)安全系統的建筑物和停車場的視頻系統或代碼或卡接入系統，提供的能力，以確定誰進入大樓。
G)建筑或客戶的保險。
H)注意公共設施如碼頭、洗手間等；
I)為周圍的人流運動提供方便，如：多層結構，提供縱向和橫向流動，寬敞的走廊、電梯、等；
J)消除危險，如地下儲油罐或石棉；
K)分期
L)樓面荷載
M)電信，如：數據線、服務器、集線器、路由器等；
N)加熱，通風和空調
O)電子服務
P)管道
孵化成功的十個關鍵：
1、有效的企業(yè)孵化器是基于2個基本文件：可行性研究和業(yè)務計劃；
2、企業(yè)孵化器是服務項目，不是建筑。
3、頂尖的孵化器是管理的，這意味著為那些有幫助企業(yè)成長和改造他們的社區(qū)的個人提供適當的工資和福利。
4、孵化器員工必須是創(chuàng)業(yè)和非官僚的，他們應該是靈活的，并致力于服務行業(yè)。
5、企業(yè)孵化器管理者應積極主動地為客戶提供服務，分析他們的優(yōu)勢和劣勢，有助于制定增長的基準，并為企業(yè)服務提供商提供個性化的幫助。
6、定期對項目的各個方面進行評估，確保孵化器達到預期，與市場一起發(fā)展，采用最新的工具和技術，更好的為客戶服務。
7、企業(yè)孵化器項目是重要的天使投資網絡、公開的、資助的種子基金、科技基礎設施建設和商業(yè)化項目、創(chuàng)業(yè)校園或青年創(chuàng)業(yè)計劃的關系。
8、頂尖孵化器堅持以最佳實踐標準。
9、頂尖孵化器管理者從事專業(yè)發(fā)展活動，持續(xù)不斷的學習和網絡化，提高他們的技能。
10、孵化器經理承諾，夢想是要努力地去實現的。
初步規(guī)劃的具體細節(jié)
初步規(guī)劃是孵化器發(fā)展的第一階段，也包括：啟動和起步，微調操作和不斷增長的客戶公司。為了完成初步規(guī)劃階段，必須遵循以下步驟，如下：
◆識別潛在的利益相關者——成功的企業(yè)家、政治家和管理者，社會活動家，誰是與經濟發(fā)展和誰有任何共同的利益與孵化器。利益相關者的目標和目標，必須符合孵化器發(fā)展的時間內。一旦確立了，下一步是指對資源的承諾：人力資本、資金、基礎設施等。
◆進行需求評估—即確定社區(qū)創(chuàng)業(yè)者的創(chuàng)業(yè)基礎和現有業(yè)務和金融服務的差距。
◆選擇合適的房地產，以應對企業(yè)家的需求。這一步包括在評估市場的房地產的規(guī)模和條款。
◆審查組織的問題-利益相關者的目標，可用資源和所有球員的能力，潛在的融資來源。
◆計劃服務和緊縮的數字-指的是必要的程序，以增加價值的客戶公司，并在確定組成，組織，價格和共享服務，管理援助，咨詢和業(yè)務財務計劃的法律結構。
◆建設一個團隊和一個商業(yè)計劃--孵化器專業(yè)來自不同的背景：成立公司，經濟發(fā)展組織，銀行，大學，但有一定的共同素質：靈活性、創(chuàng)造性、穩(wěn)定壓力下等。業(yè)務計劃必須基于初步圖紙和客戶推廣招聘計劃。
如何創(chuàng)建一個有效的使命聲明
一個使命陳述應該是明確的，簡潔的，以達到兩個目的：
◆指導培養(yǎng)計劃的活動和發(fā)展；
◆給程序作為一個電梯間距，使未來利益相關者、客戶和員工能快速理解孵化器代表的是，決定他們是否要參與進來。
一個使命陳述應該反映一個程序的具體目的和它的獨特優(yōu)勢。
使命陳述闡述了孵化器存在的根本理由，建立孵化器的活動范圍，提供一個整體的方向孵化器和作為發(fā)展目標和目標的基礎
一個好的使命陳述的主要特點是：
1、看未來，而不是現在或過去；
2、體現了孵化器的獨特優(yōu)勢；
3、提供一個清晰而簡明的信息。
制作好的孵化器文件
通用孵化器文件：
◇租賃或許可證：租賃協議在一個指定的時間內為客戶提供一個專有權在一個指定的時間內，以換取租金。許可協議概述服務的客戶端將接收，包括使用空間，以換取費用。
◇服務協議：定義服務的合同，一個孵化器將利用這些協議為客戶提供服務。
◇申請和入學要求：一個孵化器用來評估潛在客戶是否適合該項目的問題和指導方針，這些潛在的申請者考慮在特定的孵化器項目中確定其資格。
◇用戶手冊或操作手冊：可以解釋入學、畢業(yè)、停車場、吸煙和其他政策；支持服務孵化器提供了他們的成本、客戶的責任、如何操作復印機或注冊使用會議室；和客戶需要知道其他任何信息。
◇利益沖突政策：揭示和解決孵化器代表在他們的個人利益和公務職責之間可能存在的金融、倫理和其他沖突的指導原則。
◇保密協議：保密協議，允許孵化器工作人員與孵化器申請方和客戶交換必要的信息，并提供申請人和客戶放心，孵化器工作人員不會不恰當地披露信息。
◇畢業(yè)政策：用于檢測客戶何時離開孵化器計劃的標準。
一個孵化器不能操作沒有下列文件：
◆商務計劃
◆記錄客戶的攝入量，包括初始標準
◆有記錄的畢業(yè)設計過程和標準，以及畢業(yè)后的畢業(yè)設計跟蹤過程
◆租賃或許可協議，與其他區(qū)域的孵化器競爭，吸引人的最佳候選人和公平的條款
安全資助為您的孵化器
有幾個類型的批標記，如：
◇社區(qū)基金會：在特定地區(qū)或社區(qū)內資助資助的非營利組織；
◇企業(yè)基金會：從以營利為目的的企業(yè)中獲取資產，他們有自己的天賦。
◇政府。
◇家庭基金：獨立的私人基金會，從一個家庭中獲得他們的資金。
◇經營基金：私人、非盈利基金會的主要目的是進行研究、社會福利或其他項目。
開發(fā)一個孵化器網絡 可能包括以下活動：擴展服務的孵化程序的服務，提供更多的空間，當第一個站點溢出，多樣化的客戶類型的程序可以服務，或創(chuàng)建一個產業(yè)集群。
如何在早年最大限度地提高營業(yè)收入
在第一年，通常收購，在適當的游行，聯邦和各州的款項，以建造或翻新的設施。以幫助控制運營成本的一種方法是規(guī)劃一個設計，讓你推向市場，并同時裝修正在進行中，因此在程序中盡可能早地產生租金從現金流接受的客戶。此外，你應該專注于你如何聘請并支付管理人員。
在二年里，你需要確定其他的資金來源。你需要看市政府、州政府、地方和私人產業(yè)為基礎、資金來源，以及接受捐贈的勞動力、材料和設備來支付你的費用。
越來越多的生命科學公司依賴于社會，如果它能支持生命科學公司。生命科學產業(yè)成功的關鍵是：
◆尖端的研究，可以產生創(chuàng)新的企業(yè)家可以建立技術公司。
◆獲得資金，包括種子和風險基金，支持生命科學公司在發(fā)展的各個階段。
◆有效的技術商業(yè)化的過程中獲得大學和其他公共研究從實驗室到市場。
◆有技能的勞動力可以成為一個問題，隨著公司的擴張和移動的孵化器。專業(yè)公司可能要在全國范圍內招聘。
◆獲得交通運輸，如有附近的商業(yè)活動，包括航運產品和風險資本家。
◆產業(yè)基礎設施，包括獲得專業(yè)服務，如專利和臨床試驗公司。
◆有人愿意承擔起為一家公司在一個階段時，有很多的風險，沒有資金風險的創(chuàng)業(yè)文化，并與商業(yè)頭腦的人與他們的工作。
◆生活文化景點，陽光充足的海灘和其他設施的質量可以使新兵在高需求的差異。
盈利企業(yè)孵化器策略：
▲學會照顧好自己：利潤孵化器必須自我的方式，非營利組織維持。無論是通過租金、服務費、還是客戶的權益，或者其他的手段，非盈利的企業(yè)孵化器都能為自己的模式帶來收益，以適應盈利的戰(zhàn)略。
▲定義你的任務明確：一個孵化器的運營的很多方面來自它的使命，如果一個孵化器的使命是模糊的、零散的；其操作也可。利潤孵化器需要解釋他們如何計劃獲得投資者和其他利益相關者的回報。
▲教育你的校長關于培養(yǎng)：在以營利為目的的世界，孵化必須是合理的企業(yè)董事會或潛在的投資者作為一個可行的盈利業(yè)務。而具有挑戰(zhàn)性的經歷證明一個孵化器的模型的過程，它可以導致更好的教育人員，董事會成員，發(fā)起人和投資者。
集中于孵化器的協同效應
影響企業(yè)孵化器關系發(fā)展的9個因素是不同程度的相互影響的。企業(yè)孵化器管理、企業(yè)的類型、集群的存在、企業(yè)家個體特征、企業(yè)發(fā)展階段、關鍵質量、空間布局、企業(yè)孵化器、規(guī)范和態(tài)度。
通過與這些因素的工作，孵化器經理可以創(chuàng)造一個機會結構，在資源，能力和情感支持下有3種類型的產生網絡和利益關系。在工具、心理和道德支持下發(fā)展。
成功的關鍵因素
◆進行有效的可行性研究：第一個客戶進入孵化不久，開發(fā)者需要在他們的計劃周密，包括設施、財政和重點。否則孵化器的贊助商可能會措手不及，當門打開和客戶未能實現。
◆選擇一個適當的設施：建筑物的大小、位置及其配置。
◆是智能配置：企業(yè)孵化器管理人員必須致力于幫助客戶成功。企業(yè)孵化項目需要高度忠誠的管理者，他們也有很強的業(yè)務項目管理和指導技能，有助于客戶成功。
◆朝向自我可持續(xù)性發(fā)展：創(chuàng)建一個程序，不依賴外部資金的來源應該是任何一個孵化器計劃的長期目標。
◆合作伙伴與其他組織：一個孵化項目針對成長型企業(yè)的需要，與其他企業(yè)和社會組織的互動是很重要的。
◆培育健康與董事會的關系：領導能力強，有效的溝通和遠見的看法可以幫助董事會成員的個人議程胭脂危及了孵化器的重點放在幫助創(chuàng)業(yè)項目經理人的統治。這些特質也會抵消成員希望事無巨細的日常操作的應變。
◆教育社區(qū)：關于孵化器的目標和取得的成就，并對孵化基金好用的，要受到社會的廣泛接受和支持。
◆投資發(fā)展：把錢投資在孵化器項目，本身就是專業(yè)投資的機會。
工具書類
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2.梅瑞狄斯艾爾溫，艾倫女孩（2004）。一個業(yè)務孵化的全面指南，完全修訂的第二版.全國企業(yè)孵化協會.雅典.俄亥俄州。
www.nbia.org
www.bic.es
任務書及開題報告
題 目基于單片機的多功能孵化箱的控制系統設計
學 院
專業(yè)班級
學生姓名
指導教師
填 表 說 明
1．任務書中內容由指導教師本人填寫，并經專業(yè)審定后，下發(fā)給學生。
2．開題報告中內容由學生根據任務書要求，經查閱資料、調研后填寫。
3．開題報告一般在開始畢業(yè)設計（論文）工作的第1-2周內完成，由各專業(yè)或教研室組織安排開題。
4．開題報告應包括以下幾個方面的內容：
（1）課題的來源及選題的依據、意義，課題在理論或實際應用方面的價值以及可能達到的水平。
（2）課題在國內外研究現狀和水平。
（3）課題研究的內容及擬采用的技術路線或研究方法（包括設計、實驗、加工測試條件等）。
（4）研究中的主要難點以及解決問題的方法。
（5）設計（論文）的工作進度計劃（以周為單位）。
（6）主要參考文獻。
5．填寫不下可另加附頁。
6．本材料裝訂順序為：任務書、開題報告。
7
畢業(yè)設計（論文）任務書
題 目
基于單片機的多功能孵化箱的控制系統設計
題目類型
t 設計 □ 論文 □ 其他
學生姓名
學 號
學 院
專業(yè)班級
指導教師
職 稱
系 主 任
主管院長
任務下達日期
任務完成日期
任務要求（課題目標、主要內容、技術參數、基本要求等）
一、課題目標：
本設計為多能孵化箱，是人工模擬卵生動物母性進行溫濕度翻蛋等條件經過一定時間將受精蛋發(fā)育成生命的機箱，主要用途于種蛋孵化、胚胎發(fā)育、養(yǎng)殖場、孵化場、孵化廠、養(yǎng)雞場家禽孵化等。
二、主要內容：
（1）了解孵化器特別是孵化箱的發(fā)展趨勢、設計結構及工作原理。
（2）熟悉CAD的使用，畫出部分機械零件圖和裝配圖。
（3）了解單片機產品，選用所用的單片機型號，設所需零件及設備清單。
（4）單片機控制系統各個模塊的選用和電路設計。
（5）學會并利用單片機進行編程
（6）控制系統（孵化箱的動作流程和其單片機控制電路）
三、技術參數：（以家用小型孵化箱為例）
1、電熱功率：80W ；
2、額定電壓：220V/50Hz 工作電壓：12V ；
3、溫度范圍：20-37℃ 精度：≤0.1℃ ；
4、自動增濕：40%-100% ；
5、容納蛋量：20枚 ；
6、 水箱貯水：1L ；
7、 箱體尺寸：30cm*50cm*30cm
四、基本要求：
（1） 溫濕度控制合適穩(wěn)定，通風合適，噪音小；
（2） 結構合理，翻蛋動作輕柔時間合適；
（3） 外觀簡潔美觀，大小尺寸合適，節(jié)約電源；
（4） 每個蛋槽內都增加照蛋功能，檢查方便省力；
（5） 增加防停電的備用電及其報警和充電功能；
（6） 增加水箱缺水時的報警功能；
（7） 工作安全性和報警及提醒功能靈敏準確；
（8） 繪制電路圖和機械裝配圖；
（9） PLC的設計要達到預定要求 等等。
注：任務書必須由指導教師本人填寫
畢業(yè)設計（論文）開題報告
1、 選題的依據、意義和理論或實際應用方面的價值
孵化設備是養(yǎng)禽業(yè)的重要技術設備,它是根據家禽孵化的生物學原理,利用經濟合理的工程手段,創(chuàng)造孵化及出雛的人工控制生態(tài)環(huán)境的種仿生設備。
隨著生活水平的提高,人們對物質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、雞蛋以其營養(yǎng)價值高!價格便宜等優(yōu)點,始終是人們日常生活中不可缺少的農產品。為了能夠生產出高質量的雞肉,在養(yǎng)殖過程中對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,而且還要保證健雛率
應用價值：隨著我國加入WTO,養(yǎng)殖業(yè)與世界接軌,競爭將會更加激烈。競爭的結果,必將使養(yǎng)殖業(yè)沿著產業(yè)化！規(guī)?；姆较虬l(fā)展,而與之相配套的孵化設備必將迎來新的挑戰(zhàn)和機遇。伴隨著當前部分農產品價格的持續(xù)上漲,養(yǎng)雞產業(yè)將會出現一個較為廣闊的發(fā)展的空間。為了節(jié)省投資成本,滿足一般養(yǎng)殖戶的生產需要,對現存孵化設備進行改進并進行組網集散化的這項研究將會有很大的市場前景和社會效益。
二、本課題在國內外的研究現狀
我國孵化設備的制造比國外起步較晚，1980年以前,只有少數雞場從日本引進少量的設備,并仿制了部分產品,談不上有設計能力。80年代初期北京市平谷電子機械廠生產出了云峰牌孵化機,對當時養(yǎng)禽業(yè)有很大的促進,同時北京西山孵化設備廠等也開始從事專業(yè)的孵化設備生產。80年代末至90年代初期,養(yǎng)禽業(yè)有了極大的發(fā)展,國內孵化設備己不能滿足需要,于是大型雞場開始大量從國外引進先進的孵化設備。這一來,對我國孵化設備的研制產生了深遠的影響,許多生產廠家從中吸收先進技術改進自己的設計,設計水平有了很大程度的提高。
國外孵化機制造業(yè)起步較早,其特色是設計科學化，機型多樣化，規(guī)格標準化，部件通用化、電腦自控化。輔助儀器、設備、工具系列化,而且用材考究,制造工藝精致,操作安全簡便,運作程序完善,其裝演與質量都堪稱上乘。
在控制技術方面,國內先進機型性能指標己經達到了較高的水平,控制效果良好,孵化效果以及對環(huán)境的適應能力也較好。但是產品的可靠性與國外先進水平有一定的差距。溫濕度控制的精確度及其穩(wěn)定性有待進一步提高,孵化設備中使用的電子元器件的質量需要得到保證。在生產工藝方面,我國整體生產工藝水平欠缺,產品外觀和結構也與國外先進水平都有一定的差距。
3、 課題研究的內容及擬采取的方法
研究內容：本系統選取孵化箱內的溫度和濕度作為主要的被控對象，以加熱系統、加濕系統、報警系統、提醒系統、通風風扇、翻蛋電機等執(zhí)行機構作為控制手段。
成果形式：硬件方面，優(yōu)化設計，充分考慮各種細節(jié)，科學的設計通風通道和大小，優(yōu)化翻蛋機構，每個蛋槽里都增加照蛋LED燈光方便選蛋、檢蛋和隨時監(jiān)控發(fā)育情況，優(yōu)化溫濕度檢測和報警系統。
選擇AT89C52單片機作為此次課題的最小控制系統。對于軟件方面的選擇，采用C語言配合硬件進行設計，并用proteus軟件進行繪圖、仿真等。
四、課題研究中的主要難點以及解決的方法
主要難點：
（1）傳感器信號檢測電路設計
（2）鍵盤與顯示電路設計
（3）輸出控制電路設計
（4）串行通信接口電路設計
（5）孵化箱體的設計
（6）單片機程序設計
（7）各報警系統的設計
解決方法：
先進行總體構思，查閱文獻，對于整個系統有個清晰思路，在此基礎上對硬件、軟件部分進行設計。
孵化箱控制設備最核心的部分是溫濕度控制模塊。它是以單片機為核心、外圍電路做輔助的單片微型計算機控制系統。通過傳感器檢測電路、執(zhí)行器件驅動電路、鍵盤接口、LED數碼顯示等，使其既可以獨立完成對孵化箱內溫濕度的實時測控，又可以通過串行通信接口實現與上位機的信息交互根據上述功能要求，可對該應用系統進行硬件設計。硬件電路設計主要包含兩部分:以AT89S52為核心的單片機硬件系統設計及以PC為核心的管理系統軟件的設計。
五、畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃
2016.3.7-2016.4.10查閱文獻資料，擬訂方案，驗證并確定方案，編寫任務書及開題報告。
2016.4.11-2016.4.17準備材料，進行開題答辯
2016.4. 18-2016.5.8熟悉工藝過程，分析控制要求，擬定總體設計方案。
2016.5.9-2016.6.5 輸入輸出設備選擇，I/O點統計，PLC及模塊選擇。
2016.6.6-2016.6.12 程序設計，設計系統電路原理圖，編寫控制程序及上位機程序，寫畢業(yè)論文。
201.6.13-2016.6.25 完成論文主要工作總結，整理畢業(yè)設計資料，準備答辯。
六、主要參考文獻（或資料）
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[2]蔡兵，朱素平.孵化控制系統中的氧氣濃度模糊控制策略.襄樊學院學報，2003，9:45-7
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[4]朱海君,劉彩虹,敬嵐.只能控制芯片HD7279A及其應用議計.中國儀器儀表,2003:36一37
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[8]L.A Zadeh.Fuzzy Sets[J].Information and Control,1965,8
[9]Wang wanliang et al.Intelligent Predictive temperature control and optimal operation mode regulation for the cold storage.proceeding Inter AMSE Conference signals &System, AMSE Press,1990,13:114一121
指導教師意見
指導教師______________簽字
年 月 日
專業(yè)審查意見
審查人______________簽字
年 月 日
畢業(yè)設計（論文）
題 目 基于單片機的多功能孵化箱的控制系統設計
學 院
專業(yè)班級
學生姓名
指導教師
成
年 月 日
摘 要
孵化設備是仿生學的一種應用，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。當前孵化設備的不足之處在于:控溫與控濕精度不高;以單機孵化設備為主，導致孵化管理效率不高;孵化設備價格普遍較高。本文立足于這些不足，設計了多孵化箱溫濕度測控系統。然后進行了以單片機為核心的硬件電路設計，將孵化箱分解為三個獨立的子系統:溫度控制子系統，濕度控制子系統和風門控制子系統。選擇溫度一風門聯控。編制了單片機驅動硬件的C語言程序和上位機管理軟件。
實驗結果表明，本系統能實現溫度誤差0.1℃，濕度誤差15%RH以內的孵化控制，可以用一臺上位PC機實現多個孵化箱的集散控制。該系統成本低廉，適合中等孵化場的孵化控制需要。
關鍵詞：孵化箱；單片機；上位機；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 孵化條件及設計目標 2
2.1 孵化條件及設計目標 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 設計目標 5
2.4 本章小結 5
第3章 系統總體設計案 6
3.1 總體方案 6
3.2 翻蛋機構設計 7
3.2.1 翻蛋機構簡介 7
3.2.2 翻蛋機構設計方案 7
3.2.3 曲柄連桿計算 9
3.2.4 翻蛋機構的仿真 12
3.3 步進電機的選擇 15
3.4 單片機選擇 15
3.5 傳感器信號檢測電路設計 16
3.5.1 溫度信號的采集 16
3.5.2 濕度信號的采集 20
3.6 鍵盤與顯示電路設計 24
3.7 輸出控制電路設計 27
3.7.1 加熱控制 27
3.7.2 加濕、風門與翻蛋控制 28
3.8 串行通信接口電路設計 29
3.9 本章小結 30
第4章 軟件系統設計 31
4.1 單片機程序設計 31
4.1.1 單片機主程序 32
4.1.2 數據采集程序模塊 33
4.1.3 控制程序模塊 36
4.1.4 中斷服務子程序 38
4.1.5 通信程序模塊 38
4.2 PC機控制與管理軟件設計 40
4.2.1 主界面 40
4.2.2 串口設置界面 41
4.2.3 歷史曲線窗口 43
4.2.4 參數設置窗口 44
4.2.5 控制輸出窗口 45
4.3 本章小結 45
結論 46
參考文獻 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，人們對物質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、雞蛋以其營養(yǎng)價值高、價格便宜等優(yōu)點，始終是人們日常生活中不可缺少的農產品。為了能夠生產出高質量的雞肉，在養(yǎng)殖過程中對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，隨著我國經濟發(fā)展速度的穩(wěn)步提升，國內地區(qū)的個體養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，但是養(yǎng)殖場尤其是是孵化這個環(huán)節(jié)出現了較多的問題。而且控溫、控濕精度己經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，經濟效益受到較大的影響。
同時，我也了解到當前孵化設備所存在的主要問題就是:
1.溫度和濕度的控制精度不高，和設定值的偏差較大，而且控制孵化過程中不可預知因素太多，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，孵化場向智能化方向發(fā)展已經是大勢所趨。孵化場的智能化對生產的組織管理提出了更高的要求。因而僅能實現機械化、自動化的孵化設備遠遠不能滿足人們的需要。新一代的孵化設備應朝著人性化、智能化、網絡化、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、數字化、標準化發(fā)展，使孵化機的控制效果更加精確。
（2）引入專家系統；根據不同季節(jié)、不同環(huán)境、不同品種、不同周齡種禽產的種蛋以及種蛋保存時間的長短等，孵化時所需的參數均有所變化。在目前的條件下，生產過程中這些參數仍然需要孵化人員根據自己的經驗來確定，也就是說孵化管理人員的經驗仍然是孵化效果的決定性因素。專家系統就是將不同品種的種蛋在不同的環(huán)境下孵化時所需的參數組合在一起，必要時指導使用者對故障的處理;對孵化效果進行評估并指出其中的不足。引入孵化專家系統能夠有效的減輕孵化人員的負擔，降低孵化過程的難度，減少孵化過程中可能出現的錯誤，改善孵化效果等[10]。
伴隨著當前部分農產品價格的持續(xù)上漲，養(yǎng)雞產業(yè)將會出現一個較為廣闊的發(fā)展的空間。為了節(jié)省投資成本，滿足一般養(yǎng)殖戶的生產需要，對現存孵化設備進行改進并進行組網集散化的這項研究將會有很大的市場前景和社會效益。
第2章 孵化條件及設計目標
2.1 孵化條件及設計目標
2.1.1 孵化原理
孵化是指禽蛋(后文均以雞蛋為對象)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發(fā)育和生產性能。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、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)質雛雞。孵化期間出現高溫，胚胎發(fā)育增快，孵化期縮短，胚胎死亡率增加，初生雛雞質量下降，當孵化溫度超過42℃時，胚胎會在2 -3小時內死亡。如果孵化的頭兩天溫度過高，在孵化的5-6天時就會出現粘殼，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，出雛時間會提前，但出雛時間將會拖長;若出現短期強烈溫度偏高，胚胎干燥、粘殼，尿囊出現血液顏色呈暗黑色，且皮膚、心臟略有點狀出血。孵化后期長時間溫度偏高，會導致破殼早、內臟充血，破殼后死亡多。 孵化溫度偏低，將延長種蛋的孵化時間，胚胎發(fā)育遲緩，氣室大，相應死亡率增加，初生雛雞質量下降。當孵化溫度低至為35.6℃時，胚胎大多數會死于殼內。
由上看出，雞胚胎發(fā)育對環(huán)境溫度有一定的適應能力，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，孵化過程中不同時期的孵化溫度有所不同，需要進行微調。因此，對孵化機內的溫度精確測量是十分重要的。
參考孵化行業(yè)的孵化標準，得出現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溫度關系
孵化室內溫度
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
孵化室內溫度(℃)
孵化箱內溫度(℃)
12.8
38.9
18.3
38.5
23.9
38.3
29.5
38.05
32.2
37.2
由于本系統是多孵化箱控制系統，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。依據室內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
孵化室內溫度
孵化箱內溫度
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).絕對濕度和相對濕度
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來表示，它稱為大氣的絕對濕度。要想直接測量出大氣的水汽密度，方法比較復雜。而理論計算表明，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數值十分接近。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，又把它稱為大氣的絕對濕度，用符號D表示，常用的單位是mmHg a在許多與大氣濕度有關的現象里，如雞蛋的孵化，人們的感覺等等，都與大氣的絕對濕度沒有直接的關系，主要是與大氣中水汽離飽和的遠近程度有。比如，同樣是lOmmHg的絕對濕度，如果是在炎熱的夏季中午，由于離當時的飽和水汽壓(約31mmHg)尚遠，使人感到干燥，然而如果是在冬季的傍晚，
由于水汽壓接近當時的飽和水汽壓(約18mmHg)而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對濕度和當時氣溫下的飽和水汽壓的比值的百分數稱為大氣的相對濕度，即
（2-1）
式中:H—相對濕度;
D—大氣的絕對濕度(mmHg);
Ds一當時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等于當時氣溫下的飽和水汽壓時，這時大氣的相對濕度為100%RH 。
(2).濕度對孵化效果的影響
孵化機內的相對濕度，對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，種蛋內水分的蒸發(fā)應保持一定的速度。孵化機內的相對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節(jié)胚蛋的失水。如果不能使胚蛋獲得最佳的失水率，會影響孵化率，甚至帶來災難性后果。可見，精確的測量與控制孵化機內的濕度也是至關重要的。一般孵化器的相對濕度應經常保持在55%~70%。
(3).通風
胚胎在發(fā)育過程中會不斷地吸入氧氣，排出二氧化碳。一般孵化器內氧氣含量為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，并出現胎位不正和畸形等現象。所以必須重視通風，使孵化箱內空氣保持清新。一般在孵化初期，為保溫以及使溫度平穩(wěn)可以關閉進氣孔或部分開放進氣孔(一般可開啟1/4~1/3)，以后逐漸增大進氣孔，出雛時完全開放進氣孔。
(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，相對密度較小，總是浮在蛋的上部，易與殼接觸。翻蛋可經常改變蛋的位置使其不會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.翻蛋有助于胚胎運動，增強活力，保持胎位正常。
翻蛋一般呈90度，前45度后45度，每2小時翻一次。18天以后可不再翻蛋，整批入孵時14天后即可不再翻蛋。
(5).涼蛋
涼蛋可使孵化器徹底換氣，同時間歇的低溫還可促進胚胎發(fā)育，增強活力，有利于后期胚胎散熱。但如進氣良好，各孵化條件正常也可不進行涼蛋。如通風不良或利用同一孵化器出雛時則應進行涼蛋。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 設計目標
系統的主要技術指標
根據施溫方案得到本系統設計的主要參數如下:
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℃，機內各點溫差不大于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
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條件。提出了本系統的孵化方案和控制目標。對于孵化設備溫度、濕度、通風和翻蛋的控制是重點，也是難點。
第3章 系統總體設計案
3.1 總體方案
本系統選取孵化箱內的溫度和濕度作為主要的被控對象，以加熱系統、加濕系統、通風風扇、翻蛋電機等執(zhí)行機構作為控制手段。
系統總體框圖如下圖所示
孵化控制系統組成如圖所示，孵化控制主要分為電氣控制、機械執(zhí)行及其它一些輔助機構部分。孵化設備工作過程是:單片機依據編寫好的程序和溫濕度探頭采樣的溫濕度信號進行數據處理與運算。根據需要發(fā)出驅動信號，實現加熱、加濕、翻蛋、通風等孵化控制功能。孵化箱控制設備最核心的部分是溫濕度控制模塊。它是以單片機為核心、外圍電路做輔助的單片微型計算機控制系統。通過傳感器檢測電路、執(zhí)行器件驅動電路、鍵盤接口、LED數碼顯示等，使其既可以獨立完成對孵化箱內溫濕度的實時測控，又可以通過串行通信接口實現與上位機的信息交互根據上述功能要求，可對該應用系統進行硬件設計。硬件電路設計主要包含兩部分:以AT89S52為核心的單片機硬件系統設計及以PC為核心的管理系統軟件的設計。
傳感器信號檢測電路將孵化箱內環(huán)境參數(溫度、濕度)實時地轉換為電信號，經過信號處理電路之后送入單片機。單片機上電運行后會提取存儲器中默認的溫濕度參數，并開始輸出溫濕度控制信號。在特殊情況下，根據需要，可以通過按鍵修改存儲器中默認的溫濕度參數值，故需要對系統進行按鍵電路設計。孵化箱內溫濕度信號進入單片機，由程序作出處理并得到系統的溫濕度值。該值將與設定值進行比較，并進行運算。單片機根據運算結果對溫濕度控制設備進行控制。
在傳統的單機孵化控制系統的基礎上，采用多級分布式結構的設計思想。系統由上位PC機和多個分布于不同孵化箱的下位機構成。每臺單片機完成一個孵化箱的測控任務，其主要功能是完成各孵化箱內溫濕度信號的采集與處理，并直接控制孵化現場。單片機通過RS-232總線將現場數據和孵化控制狀態(tài)上傳至上位PC機進行保存。上位機可以設定下位機的工作參數、查詢下位機的工作狀態(tài)、設定溫濕度的報警閥值，從而實現對多個孵化箱的統一管理。采用這種多級分布式結構不僅避免了模擬信號因長距離傳輸引起的損耗，簡化了系統的布線，而且便于增加傳感器的個數和種類，系統易于擴展、升級。信號采集電路的功能是將孵化箱內環(huán)境參數(溫度、濕度)實時地轉為電信號，經過信號處理電路之后送入單片機。
3.2 翻蛋機構設計
3.2.1 翻蛋機構簡介
翻蛋機構屬于翻轉機構，翻轉機構在機械工業(yè)中運用的比較廣泛。隨著科學技術的發(fā)展，人們創(chuàng)新意識的不斷提高，翻轉機構在現代生活中的應用也越來越廣泛。例如：夏天常見的自動翻轉燒烤爐，能夠讓機構實現 360°的自動翻轉，使得烤出來的食物更加美味，而且對于用戶們來說使用更加的方便。
3.2.2 翻蛋機構設計方案
方案一：氣壓或液壓傳動的形式，如圖3-1所示；
方案二：齒輪齒條形式，如圖3-2所示；
方案三：鉸鏈四桿機構形式，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：液壓傳動系統的操作比較方便，控制簡單省力，自動化程度高。但難實現對禽蛋框的翻轉角度不容易精確地控制，油的泄漏也比較嚴重，并且不能實蛋框架向下翻轉的運動。
方案二：齒輪齒條傳動對蛋框架相對方案一容易控制，傳動穩(wěn)定，但是齒輪的制造和加工精度高，成本高。
方案三：鉸鏈四桿傳動制作方便，耐磨損，也易于獲得很高的精度。但是設計比較較復雜，很難獲得要求的運動規(guī)律。
方案四：電磁鐵方法很容易實現自動化，但是磁力的計算復雜，而且線圈設計比較復雜，控制不精確。
方案五：曲柄連桿轉動系統設計較為簡單且方便，，其從動件能設計成任意運動方式，但缺點是點、線接觸易磨損；行程不大。
綜上對五套方案的分析，就成本，加工難易程度、精度，控制精度考慮，曲柄連桿傳動最為合適，蛋框架翻轉角度不大，因此搖柄的行程不是很大，適合凸輪傳動，而且曲柄連桿結構簡單，設計方便。
圖3-1 液壓傳動方式 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 鉸鏈四桿機構式 圖3-4 電磁鐵式
1-蛋框架 2-鉸鏈四桿機構 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 曲柄連桿計算
已知曲柄搖桿機構中搖桿OB的長度c和擺角，以及行程速度變化系數K，要求設計該兩桿機構
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K=1.2，極位夾角=30°，搖桿長度C=20mm。
中心曲軸連桿機構的運動規(guī)律如下圖
（3-1）
其中r為曲柄半徑，l為連桿長度（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X求兩次導數得到活塞速度和加速度
（3-11）
（3-12）
因為，傳動比=20/l=0.33
所以l=20/0.3360mm
支撐桿的運動可以用三角函數組成的復諧函數鏢師，即活塞的運動是復諧運動。
搖桿OB=20mm，頂端支撐桿mm，連接連桿AB=60mm
計算搖桿曲柄強度和直徑：
沖壓機械中,曲柄壓力機是靠慣性輪,利用曲柄連桿機構,將旋轉能傳送給滑塊的。滑塊發(fā)出最大加壓力是在下死點附近。此時曲柄頤承受最大載荷,今將曲柄弧受力作為研究對象計算機計算曲柄頸強度
從曲柄r傳送到連桿上的力與滑塊發(fā)出的壓力p之間,存在如下關系：
（3-13）
曲柄頸B處,沿半徑方向的力和的關系：
（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r的乘積，即是轉矩T。
（3-16）
轉矩T同時表示了曲柄壓力機的能力。
因為 （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）
一般曲柄連桿機構l>>4r,所以，可將l看成比r大很多。即l>>r，這時，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，可以導出
（3-21）
式代入（3-20）式則：
（3-22）
按材料力學有關公式,可知彎曲應力和撓矩M及斷面系數的關系Z的關系：
（3-23）
結合M和Z的推導公式有：
（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 翻蛋機構的仿真
隨著我國零部件制造工業(yè)的迅速發(fā)展，零部件及其模具的生產時間要求越來越短，部件的精度卻要求越來越高,這就使部件模具的設計及制造等相關環(huán)節(jié)要求變得越來越嚴格。在此基礎上出現了 CAD/CAM 技術并迅速發(fā)展和廣泛應用，以前設計中采用的二維設計顯得越來越不適應設計的要求，三維模具設計自然成為發(fā)展趨勢，并開始成為國內模具設計人員設計手段新延生。仿真時可以采用 UGNX 集成的部件運動分析程序 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動所涉及的條件和阻力等，然后可以直接在 UG 中進行部件的分析和仿真部件運動，以得到其實際的運動規(guī)律。動態(tài)分析模塊可以非常方便的設計、仿真、驗證、修改和優(yōu)化，研究人員需要將組織復雜的設計徹底改變?yōu)閭鹘y的機械設計，物理機器上的一個很長的生產過程得以縮短，并且縮短了整個系統的生產周期和節(jié)省了設計成本。UG 程序模塊中的主要部分是運動仿真，它能分析二維或三維部件的復雜運動及其動力和設計。三維實體模型的建立主要通過 UG/Modeling，利用它的運動學分析功能給三維構件賦予相應的運動學特性，再通過各個部件的連接關系使各部件有機的結合在一起建立一個模型，即運動仿真模型。UG/Motion 能對運動中的個機構部件的裝配進行分析，并作出合理的分析報告，比如干涉檢查、運動軌跡等。因此可以得到大量的運動軌跡參數。這樣的運動仿真模型或動態(tài)運動分析，用戶可以驗證其設計的合理性，可以利用圖形輸出的各個組成部分的位移坐標、加速度、速度和力量的變化，對運動機構進行優(yōu)化。
翻蛋器運動過程仿真：
第一步：進入軟件的仿真界面。
設計數據準備好以后進入 UG/Motion 仿真模塊就可以進行相關仿真操作了，依次選擇開始→運動仿真即進入了仿真界面。第二步：新建仿真。進 入了仿真界面，右擊運動導航器上選擇新建仿真，出現一個環(huán)境對話框，選擇動態(tài)，點擊確定進入該裝配圖的仿真界面。
第三步：新建連桿。
在運動導航器里右擊 motion1，選擇新連桿，在接下來彈出的對話框中填寫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L003。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：新建運動副。
選擇蛋框架 L001 為連桿，與其咬合的連桿為連桿 L002，這兩個連桿組成旋轉副 J001；選擇連桿 L002 為連桿，與其咬合的連桿為凸輪 L003，這兩個連桿也組成旋轉副 J002；選擇凸輪 L003 為連桿，凸輪為主動輪，因此沒有與咬合的連桿，因此凸輪自身的旋轉為旋轉副，并且附于凸輪駕駛員一個初速度為驅動力。選擇蛋框架 L001 為連桿，它繞支架做左右擺動，與支架形成旋轉副 J004。其過程如圖 3-9 所示：
第五步：新建解算方案。
在運動導航器里，右擊 motion1，點擊新建解算方案，再右擊 solution，點擊解算方案屬性，對步數和時間進行設置。
圖3-9 設置驅動
第六步：求解生成動畫。
右 擊 solution，點擊求解，然后在工具欄點擊動畫圖標，便生成動畫仿真。
第七步：仿真結束。
3.3 步進電機的選擇
當孵化箱滿載時，以一個雞蛋平均50g為準，二十個雞蛋總重1000g，翻蛋機構的橫梁材料為PPS塑料，蛋筐為聚丙烯材料構成，總重大概400g，我們以1500g的總載重為研究，根據上面的曲柄連桿機構參數為準，對電機進行計算。
（1）Tf力矩負載：
（3-26）
F為水平拉力，r為轉輪半徑（定為10mm）
根據曲柄連桿的計算我們可以算得
F= （3-27）
由上面可以得出Tf=1.5 N·m
TJ慣性負載：
J = M（R12+R22）/32·（Kg·cm） （3-28）
其中：M為質量，R1為外徑，R2為內徑
TJ =J·dw/dt·dw/dt （3-29） 為角加速度
功率計算：
P=2πnM/60 （3-30）
最后，我們算得轉動慣量J=540 g·cm，保持轉量Tf=1.5 N·m，P=15W
據此，我們選擇了56BYG250CN-0501步進電機。
3.4 單片機選擇
在現今市場上，單片機的生產廠商很多、單片機的類型也很多。對于本孵化箱控制系統，進行單片機選型應該遵循的原則或要求主要是:
1.選擇的單片機必須有較好的穩(wěn)定性。這是因為在孵化箱這樣的環(huán)境中存在有很多的干擾。
2.選擇的單片機必須具有豐富的片上外圍設備，因為這樣可以簡化電路的設計，也可以讓電路的調試更加容易。
3.選擇的單片機要有方便的調試功能，單片機生產廠商要提供免費的調試軟件，使單片機程序大部分能夠在PC機上仿真出來而且無誤;而且，單片機程序語言要多樣化，要既可以用單片機匯編語言也可以用C語言編寫程序。
4.選擇的單片機功耗要低，由于設計的通用智能終端長期在環(huán)境現場工作，為了節(jié)能，應選擇功耗低的單片機。
本系統主控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存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，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所要采集的數據量并不是特別大，單片機自帶的SK可編程Flash存儲器能夠滿足需要，所以不需要對存儲器進行擴展。
AT89552單片機作為下位機負責采集孵化箱內的環(huán)境參數，對各個孵化箱內的溫濕度值進行模糊運算，輸出控制信號驅動執(zhí)行機構，從而實現對孵化箱內各參數的實時控制。另外，各個單片機并將本孵化箱內的溫濕度數據通過串行通訊接口上傳給上位PC機。
3.5 傳感器信號檢測電路設計
傳感器信號檢測電路的功能是將孵化箱內環(huán)境參數(溫度、濕度)實時地轉換為電信號，經過信號處理電路之后送入單片機。下面分述溫濕度信號的采集。
3.4.1 溫度信號的采集
1.溫度傳感器的選擇
在眾多應用于環(huán)境溫度監(jiān)測的溫敏元件中，溫敏電阻雖然成本低，但后續(xù)電路復雜，且需進行溫度標定;電流型集成溫度傳感器AD590也因其輸出為模擬信號，且輸出信號較弱故需后續(xù)放大及AD轉換電路，若采用普通運放則精度難以保證，而測量放大器價格偏高，這就使系統的成本升高。
本系統的溫度傳感器選擇DS18B20。DS18B20是美國DALLAS公司生產的可編程單總線數字溫度傳感器。單總線即以1根數據線將測量到的溫度結果以串行與微控制器進行連接。DS18B20片內ROM中有唯一的64位序列號，所以可以在1根總線上掛接任意多個DS18B20，這樣就可以很方便地構成單線多點溫度測量系統。
DS18B20的測溫范圍從-55℃到+125℃，測量精度可以達到0.0625℃。DS18B20的溫度轉換結果的位數可以由軟件編程確定，可以直接輸出9至12位的數字信號，默認值為12位。DS18B20進行一次溫度采集至多需要大約1秒鐘的時間，在孵化控制系統中能夠滿足需要。數字溫度傳感器DS18B20有三個引腳，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的數據線，用來傳送指令和溫度數據。
2.溫度傳感器DS18B20的工作原理
DS18B20測溫原理如圖3-2所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數。當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1。計數器1的預置將重新被裝入并重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數。如此循環(huán)直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。
圖3-10DS18B20測溫原理圖
3.溫度傳感器DS18B20與單片機的連接
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，正負極分別接引腳VCC+5V及GND;后者不需外加電源，當總線(信號線)為高時穩(wěn)定電源的提供是通過單線上的上拉電阻實現，總線信號為低時則由其內部的電容供電，在此種方式下VCC接地。
本系統采用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DS18B20的操作順序為:初始化，發(fā)送ROM命令，發(fā)送功能命令。對DS18B20的操作要遵守嚴格的操作時序，如果時序中任意一步缺少或錯亂，DS18B20將不會響應。
初始化包括主機發(fā)出復位脈沖(通過將總線拉低至少480μs來實現)隨即主機等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復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實現存在脈沖的發(fā)送。初始化完成后單片機即可發(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、復制暫存存儲器命令(48H)、重新調出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序實現的，而主機讀取DS18B20傳送的數據是通過讀時序實現的。
單片機在控制DS18B20進行溫度轉換和讀取之前，需要提供總線上所有DS18B20的64位序列號，這樣才可以對總線上的某個Ds18B加進行ROM匹配，將其選中。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。本系統中，孵化箱內的溫度檢測需要多點布置溫度傳感器，單總線上需要掛接4個DS18B20。所以主機須預先讀取出該4個DS18B20的64位ROM代碼，使用READROM(33H)命令即可。圖3-12為讀取DS18B20序列號的流程圖。
圖3-12 讀取DS18B20序列號的流程圖
獲得總線上每個DS18B20的序列號之后，單片機就可以控制總線上的DS18B20進行溫度轉換，并通過單總線讀取總線上DS18B20的溫度值。
第一步對DS18B20復位。單片機向總線上的所有DS18B20發(fā)出復位脈沖，這通過將數據線拉低至少480μs來實現。隨即單片機等待總線上的DS18B20發(fā)回的存在脈沖，DS18B20則從檢測復位脈沖的上升沿開始等待15μs后通過將單總線拉低60μs實現存在脈沖的發(fā)送。
第二步，啟動DS18B20進行溫度轉換。單片機向總線上發(fā)送跳過匹配ROM命令(CCH)，然后發(fā)送溫度轉換命令(44H)，即所有在線的DS18B20都將進行溫度轉換。
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DS18B20的序列號。然后向總線上發(fā)送讀存儲器命令(BEH)。與序列號匹配的DS18B20會將其暫存器內的溫度值發(fā)送到總線上，單片機可以按位讀取，完成這個DS18B20的溫度采集。與該序列號匹配不符的DS18B20則會繼續(xù)等待下一個序列號的到來。具體的程序及操作見后單片機程序設計。
3.4.2 濕度信號的采集
1濕度傳感器的選擇
濕度的檢測方法，一般采用濕敏元件檢測濕度，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，不能產生電荷離子，電阻值較高。當相對濕度增加時，吸第三章系統硬件電路設計
附量也增加，顆?；奈剿统蔀閷щ娡ǖ?，高分子電解質的正負離子主要起到載流子作用。另外，由吸附水自身離解出的質子、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，元件的介電常數隨環(huán)境的相對濕度的改變而改變，元件的介電常數是水與高分子材料兩種介電常數的總和。當被測的氣態(tài)水分子通過多孔的上電極擴散至感濕膜表面，被極性官能團所吸收，引起濕敏電容器介電常數的改變，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期穩(wěn)定性難以保證、受溫度影響大、校正難度大等特點。本系統中的濕度傳感器選用HUMIREL公司生產的變容式相對濕度傳感器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。該傳感器具有檢測速度快、高精度、高可靠性、長期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，有頂端接觸(HS1100)和側面接觸(HS1101)兩種封裝產品，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插件和自動裝配過程等。
HSllOI(濕敏電容)特性如下:
1.基于獨特工藝設計的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結構;
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.響應時間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償，無需校準;
5.電容與濕度變化0.34PF/%RH;典型值190PF/55%RH;長期穩(wěn)定性及可靠性，年漂移量0.5%。
3．濕度傳感器HSll01與單片機的連接
HS1101電容式傳感器在采集接口電路中等效于一個電容元件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。將電容的變化量準確地轉換為單片機易于接受的信號，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制的調幅波信號輸出，調幅波信號經放大、解調后，獲得低頻信號輸出，再由周D轉換為數字信號。如果對電容變換線性度要求不高時，也可采用檢測LC諧振回路阻抗的方法接口，輸出電壓經放大檢波后送AD轉換。但這兩種電路屬于傳統的模擬式傳感器測量電路，需要經過周D轉換器才能與數字系統連接，這使電路在一定程度上變得復雜，交流電路不可避免地在穩(wěn)定性、可靠性、精度、響應速度等方面存在許多問題，而且與前面的溫度傳感器同時使用，AD重復利用率很高。這對于傳統形式的傳感器兼容性較差，而且成本也相對較高。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，將電容值的變化轉為與之呈反比的頻率信號，可直接被單片機計數器所采集。這樣的電路不必經過A/D轉換器就可以方便地與單片機相連接，輸出信號為頻率型，靈敏度高，線性度好，具有優(yōu)良的重復性、分辨率和穩(wěn)定性。多諧振蕩電路的抗干擾能力強，成本較低。因此，為了提高系統的靈敏度和線性度，從降低采集電路的成本等因素考慮，本系統采用脈沖振蕩電路來設計濕度采集電路。
在應用過程中，HSll01作為一個可變電容器，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。將其置于TLC555定時器構成的振蕩電路中，可以將濕度轉換成頻率信號送入單片機，進而計算出現場的濕度值。應用電路如圖3-13所示:
圖3-13濕度測量電路
頻率輸出的TLC555振蕩電路如圖所示。集成定時器TLC555芯片外接電阻凡、R:與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路構成了對C的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，凡是防止輸出短路的保護電阻，Rl用做內部溫度補償，目的是為了引入溫度效應，使它與HS1101的溫度效應相匹配。Rl必須像所有的R一C時鐘電阻的要求一樣保證1%的精度，最大溫度效應應該小于10oppm。由于不同型號的555芯片內部溫度補償有所不同，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。根據要求，Rl的阻值應為gOgk，RZ的阻值為576k。
該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下:電源Vs通過凡，R:向C充電，經充電時間T充電后，Uc達到芯片內比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs。此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R:放電，經時間T放電后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs。此時輸出引腳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，凡應該盡量小，但不要低于最小值。
可見，空氣濕度通過HS1101與TLC555構成的振蕩電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。該信號可以直接被單片機所測得。表給出了其中的一組典型測試信號。
表3-1 相對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測量振蕩電路輸出的方波信號送入單片機AT89552的Tl引腳，定時器/計數器0工作在計數方式，定時器/計數器2工作在定時方式。用這種測量頻率法測出方波信號的頻率，從而也就測出了空氣中的相對濕度。通過分析上述相對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系為:
(3-36)
其中:RHm為當前溫度下濕度測量值;
f為測得的TLC555振蕩電路輸出的方波信號的頻率。
4濕度傳感器HSll01濕度信號的溫度補償
由于濕度傳感器HSll01受溫度的影響，其輸出值相對于標況25℃下的測量值會產生一定的偏離，因此要消除溫度對濕度測量值的影響需要對濕度傳感器進行溫度補償。根據技術手冊該傳感器的溫度系數與溫度曲線如圖3-14所示，并有關系式:
(3-37)
其中:RHr為真實濕度值；
RHm為當前溫度下的濕度測量值；
T為當前溫度；
t:為溫度系數。
圖3-14 HS1101溫度度數圖
由圖可看出濕度傳感器HSll0l在10℃-60℃下溫度系數為定值0.1，此時濕度為而當溫度位于0℃-10℃之間時，溫度系數滿足關系式:;當溫度大于60℃小于80℃時，溫度系數滿足關系式:，將得到的溫度系數代入中，即求得溫度補償后的濕度值。
3.6 鍵盤與顯示電路設計
1．按鍵電路
單片機上電運行后會提取存儲器中默認的溫濕度參數，并開始輸出溫濕度控制信號。在特殊情況下(如孵化禽蛋的種類變化)，根據需要，可以通過按鍵修改存儲器中默認的溫濕度參數值，故需要對系統進行按鍵電路設計。通常，按鍵有獨立式和矩陣式兩種形式，本系統采用獨立式鍵盤設計，其接口電路如圖3-15所示。
圖3-15 按鍵接口電路
本系統擴展4個用于修改系統參數的按鍵:Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3分別為溫度目標值+0.1℃、-0.1℃的操作鍵、濕度目標值+5%RH和一5%RH操作鍵。4個按鍵通過4與門74LS21A接至單片機外部中斷口INTO(P3.4)。當某個按鍵按下時，與門74比21A輸出低電平從單片機的INTO引腳產生中斷，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相應的溫濕度目標參數。
另外，本系統設置了手動復位按鈕。按鍵一端接至+SV，另一端串接SK電阻之后接至單片機的復位引腳RESET。在需要的時候，可以由人工按下復位按鈕對單片機進行復位。
2．顯示電路
本系統應用串行接口驅動器HD7279A對鍵盤與顯示電路進行設計。HD7279A是一種具有串行接口，可同時驅動8位共陰數碼管(或64只獨立的LED)的智能顯示驅動芯片[8]。
HD7279A內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有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，可方便地實現多于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
片選信號端，低電壓平時可向電路發(fā)送指令及讀取鍵盤數據
7
CLK
同步時鐘輸入端，上升沿有效
8
DATA
串行數據輸入輸出端
9
KEY
按鍵有效輸出端，當有效按鍵時由高變?yōu)榈碗娖?
10-16
SG~SA
段G到段A驅動輸出端
17
DP
小數點驅動輸出端
18-25
DG0~DG7
數字0~7驅動輸出端
26
CLK0
振蕩輸出端
27
RC
RC振蕩器連接輸入端
28
RESET
復位端，低電平有效
本系統利用2片HD7279A共驅動16位LED來顯示系統各參數:設定溫度值，設定濕度值，實時溫度值，實時濕度值，翻蛋次數，加熱狀態(tài)，加濕狀態(tài)，風門狀態(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PO口的0~6腳。HD7279A的RC端外接RC振蕩電路以供系統工作，其值分別為R二1.5K0，C=15PFoHD7279A的RESET復位端直接與正電源連接。HD7279A采用串行方式與微處理器通訊，串行數據從D川rA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DAIA引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器。
圖3-16 HD7279A 驅動LED電路圖
3.7 輸出控制電路設計
孵化箱內溫濕度信號進入單片機，由程序作出處理并得到系統的溫濕度值。該值將與設定值進行比較，并進行模糊運算。單片機根據運算結果對溫濕度控制設備進行控制。這是本系統的一個重要環(huán)節(jié)。本孵化箱控制系統有大量的功能執(zhí)行部件，這些功能執(zhí)行部件包括大功率電熱絲、攪熱風扇電機、增濕步進電機、風門驅動步進電機和翻蛋步進電機等。這些部件由于功率大，啟動和關斷時產生的干擾信號強，為了有效的驅動和控制這些部件采用隔離光禍+達林頓管+繼電器的驅動方式來控制這些大功率模塊。即單片機發(fā)出的控制信號先經過隔離光禍TLP521來驅動達林頓管ULN2803，然后由達林頓管來驅動性能可靠的繼電器，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，本系統設計采用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側面，并在電阻絲背后安置大的攪熱風扇。單片機的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閉的瞬間會產生較大的干擾信號，故單片機輸出口接光電耦合器TLP521來實
現工作電路與控制電路的電氣隔離。TLP521的輸出功率只有150mw，無法驅動繼電器。所以在光禍后面接功率驅動芯片ULN2803再驅動繼電器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，水盤設置為方塊形狀。水盤上加方形頂蓋，步進電機控制水盤頂蓋的開度實現加濕量的選取。本系統設置5種加濕狀態(tài):不加濕，頂蓋完全關閉;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。風門的控制與加濕控制類似。在孵化箱的兩個側面設置風門，風門的形狀也為矩形。本系統設置5種風門狀態(tài):不通風，頂蓋完全關閉;小通風，頂蓋開啟1/4;中等通風，頂蓋開啟一半;較大通風，頂蓋開啟3/4;完全通風，頂蓋完全開啟。在