畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 基于單片機的多功能孵化箱的控制系統(tǒng)設(shè)計
學(xué) 院
專業(yè)班級
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;以單機孵化設(shè)備為主，導(dǎo)致孵化管理效率不高;孵化設(shè)備價格普遍較高。本文立足于這些不足，設(shè)計了多孵化箱溫濕度測控系統(tǒng)。然后進行了以單片機為核心的硬件電路設(shè)計，將孵化箱分解為三個獨立的子系統(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。編制了單片機驅(qū)動硬件的C語言程序和上位機管理軟件。
實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能實現(xiàn)溫度誤差0.1℃，濕度誤差15%RH以內(nèi)的孵化控制，可以用一臺上位PC機實現(xiàn)多個孵化箱的集散控制。該系統(tǒng)成本低廉，適合中等孵化場的孵化控制需要。
關(guān)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(shè)計目標 2
2.1 孵化條件及設(shè)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(shè)計目標 5
2.4 本章小結(jié) 5
第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計案 6
3.1 總體方案 6
3.2 翻蛋機構(gòu)設(shè)計 7
3.2.1 翻蛋機構(gòu)簡介 7
3.2.2 翻蛋機構(gòu)設(shè)計方案 7
3.2.3 曲柄連桿計算 9
3.2.4 翻蛋機構(gòu)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(shè)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(shè)計 24
3.7 輸出控制電路設(shè)計 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 29
3.9 本章小結(jié) 30
第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 31
4.1 單片機程序設(shè)計 31
4.1.1 單片機主程序 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機控制與管理軟件設(shè)計 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 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(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、雞蛋以其營養(yǎng)價值高、價格便宜等優(yōu)點，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(jīng)濟發(fā)展速度的穩(wěn)步提升，國內(nèi)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(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)濟效益受到較大的影響。
同時，我也了解到當前孵化設(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，孵化場向智能化方向發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。孵化場的智能化對生產(chǎn)的組織管理提出了更高的要求。因而僅能實現(xiàn)機械化、自動化的孵化設(shè)備遠遠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(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間的長短等，孵化時所需的參數(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)驗來確定，也就是說孵化管理人員的經(jīng)驗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)境下孵化時所需的參數(shù)組合在一起，必要時指導(dǎo)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(tǒng)能夠有效的減輕孵化人員的負擔(dān)，降低孵化過程的難度，減少孵化過程中可能出現(xiàn)的錯誤，改善孵化效果等[10]。
伴隨著當前部分農(nóng)產(chǎn)品價格的持續(xù)上漲，養(yǎng)雞產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)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(chǎn)需要，對現(xiàn)存孵化設(shè)備進行改進并進行組網(wǎng)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(shè)計目標
2.1 孵化條件及設(shè)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(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，當孵化溫度超過42℃時，胚胎會在2 -3小時內(nèi)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(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，出雛時間會提前，但出雛時間將會拖長;若出現(xiàn)短期強烈溫度偏高，胚胎干燥、粘殼，尿囊出現(xiàn)血液顏色呈暗黑色，且皮膚、心臟略有點狀出血。孵化后期長時間溫度偏高，會導(dǎo)致破殼早、內(nèi)臟充血，破殼后死亡多。 孵化溫度偏低，將延長種蛋的孵化時間，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。當孵化溫度低至為35.6℃時，胚胎大多數(shù)會死于殼內(nèi)。
由上看出，雞胚胎發(fā)育對環(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，孵化過程中不同時期的孵化溫度有所不同，需要進行微調(diào)。因此，對孵化機內(nèi)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(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(shù)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(fù)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(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，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(guān)的現(xiàn)象里，如雞蛋的孵化，人們的感覺等等，都與大氣的絕對濕度沒有直接的關(guān)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(shù)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(nèi)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(nèi)水分的蒸發(fā)應(yīng)保持一定的速度。孵化機內(nèi)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(diào)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(zāi)難性后果?？梢?，精確的測量與控制孵化機內(nèi)的濕度也是至關(guān)重要的。一般孵化器的相對濕度應(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(jīng)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(fēng)不良或利用同一孵化器出雛時則應(yīng)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(shè)計目標
系統(tǒng)的主要技術(shù)指標
根據(jù)施溫方案得到本系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(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℃，機內(nèi)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(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條件。提出了本系統(tǒng)的孵化方案和控制目標。對于孵化設(shè)備溫度、濕度、通風(fēng)和翻蛋的控制是重點，也是難點。
第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計案
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象，以加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、通風(fēng)風(fēng)扇、翻蛋電機等執(zhí)行機構(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、機械執(zhí)行及其它一些輔助機構(gòu)部分。孵化設(shè)備工作過程是:單片機依據(jù)編寫好的程序和溫濕度探頭采樣的溫濕度信號進行數(shù)據(jù)處理與運算。根據(jù)需要發(fā)出驅(qū)動信號，實現(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。它是以單片機為核心、外圍電路做輔助的單片微型計算機控制系統(tǒng)。通過傳感器檢測電路、執(zhí)行器件驅(qū)動電路、鍵盤接口、LED數(shù)碼顯示等，使其既可以獨立完成對孵化箱內(nèi)溫濕度的實時測控，又可以通過串行通信接口實現(xiàn)與上位機的信息交互根據(jù)上述功能要求，可對該應(yīng)用系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。硬件電路設(shè)計主要包含兩部分:以AT89S52為核心的單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計及以PC為核心的管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計。
傳感器信號檢測電路將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實時地轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)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(shù)，并開始輸出溫濕度控制信號。在特殊情況下，根據(jù)需要，可以通過按鍵修改存儲器中默認的溫濕度參數(shù)值，故需要對系統(tǒng)進行按鍵電路設(shè)計。孵化箱內(nèi)溫濕度信號進入單片機，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。該值將與設(shè)定值進行比較，并進行運算。單片機根據(jù)運算結(jié)果對溫濕度控制設(shè)備進行控制。
在傳統(tǒng)的單機孵化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用多級分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。系統(tǒng)由上位PC機和多個分布于不同孵化箱的下位機構(gòu)成。每臺單片機完成一個孵化箱的測控任務(wù)，其主要功能是完成各孵化箱內(nèi)溫濕度信號的采集與處理，并直接控制孵化現(xiàn)場。單片機通過RS-232總線將現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shè)定下位機的工作參數(shù)、查詢下位機的工作狀態(tài)、設(shè)定溫濕度的報警閥值，從而實現(xiàn)對多個孵化箱的統(tǒng)一管理。采用這種多級分布式結(jié)構(gòu)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(tǒng)的布線，而且便于增加傳感器的個數(shù)和種類，系統(tǒng)易于擴展、升級。信號采集電路的功能是將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實時地轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過信號處理電路之后送入單片機。
3.2 翻蛋機構(gòu)設(shè)計
3.2.1 翻蛋機構(gòu)簡介
翻蛋機構(gòu)屬于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在機械工業(yè)中運用的比較廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們創(chuàng)新意識的不斷提高，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。例如：夏天常見的自動翻轉(zhuǎn)燒烤爐，能夠讓機構(gòu)實現(xiàn) 360°的自動翻轉(zhuǎn)，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(gòu)設(shè)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(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：液壓傳動系統(tǒng)的操作比較方便，控制簡單省力，自動化程度高。但難實現(xiàn)對禽蛋框的翻轉(zhuǎn)角度不容易精確地控制，油的泄漏也比較嚴重，并且不能實蛋框架向下翻轉(zhuǎn)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(shè)計比較較復(fù)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(xiàn)自動化，但是磁力的計算復(fù)雜，而且線圈設(shè)計比較復(fù)雜，控制不精確。
方案五：曲柄連桿轉(zhuǎn)動系統(tǒng)設(shè)計較為簡單且方便，，其從動件能設(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，設(shè)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(gòu)式 圖3-4 電磁鐵式
1-蛋框架 2-鉸鏈四桿機構(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 曲柄連桿計算
已知曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿OB的長度c和擺角，以及行程速度變化系數(shù)K，要求設(shè)計該兩桿機構(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°，搖桿長度C=20mm。
中心曲軸連桿機構(gòu)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(dǎo)數(shù)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(shù)組成的復(fù)諧函數(shù)鏢師，即活塞的運動是復(fù)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(gòu),將旋轉(zhuǎn)能傳送給滑塊的?；瑝K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(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(gòu)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(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 翻蛋機構(gòu)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(chǎn)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(shè)計及制造等相關(guān)環(huán)節(jié)要求變得越來越嚴格。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)計中采用的二維設(shè)計顯得越來越不適應(yīng)設(shè)計的要求，三維模具設(shè)計自然成為發(fā)展趨勢，并開始成為國內(nèi)模具設(shè)計人員設(shè)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(shè)計、仿真、驗證、修改和優(yōu)化，研究人員需要將組織復(fù)雜的設(shè)計徹底改變?yōu)閭鹘y(tǒng)的機械設(shè)計，物理機器上的一個很長的生產(chǎn)過程得以縮短，并且縮短了整個系統(tǒng)的生產(chǎn)周期和節(jié)省了設(shè)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(fù)雜運動及其動力和設(shè)計。三維實體模型的建立主要通過 UG/Modeling，利用它的運動學(xué)分析功能給三維構(gòu)件賦予相應(yīng)的運動學(xué)特性，再通過各個部件的連接關(guān)系使各部件有機的結(jié)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(gòu)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(shù)。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(shè)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(gòu)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(shè)計數(shù)據(jù)準備好以后進入 UG/Motion 仿真模塊就可以進行相關(guān)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(dǎo)航器上選擇新建仿真，出現(xiàn)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(dǎo)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(zhuǎn)副 J001；選擇連桿 L002 為連桿，與其咬合的連桿為凸輪 L003，這兩個連桿也組成旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)副，并且附于凸輪駕駛員一個初速度為驅(qū)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(zhuǎn)副 J004。其過程如圖 3-9 所示：
第五步：新建解算方案。
在運動導(dǎo)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(shù)和時間進行設(shè)置。
圖3-9 設(shè)置驅(qū)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(jié)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(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)上面的曲柄連桿機構(gòu)參數(shù)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(zhuǎn)輪半徑（定為10mm）
根據(jù)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(zhì)量，R1為外徑，R2為內(nèi)徑
TJ =J·dw/dt·dw/dt （3-29） 為角加速度
功率計算：
P=2πnM/60 （3-30）
最后，我們算得轉(zhuǎn)動慣量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步進電機。
3.4 單片機選擇
在現(xiàn)今市場上，單片機的生產(chǎn)廠商很多、單片機的類型也很多。對于本孵化箱控制系統(tǒng)，進行單片機選型應(yīng)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(shè)備，因為這樣可以簡化電路的設(shè)計，也可以讓電路的調(diào)試更加容易。
3.選擇的單片機要有方便的調(diào)試功能，單片機生產(chǎn)廠商要提供免費的調(diào)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(shè)計的通用智能終端長期在環(huán)境現(xiàn)場工作，為了節(jié)能，應(yīng)選擇功耗低的單片機。
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存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(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(zé)采集孵化箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，對各個孵化箱內(nèi)的溫濕度值進行模糊運算，輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對孵化箱內(nèi)各參數(shù)的實時控制。另外，各個單片機并將本孵化箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)通過串行通訊接口上傳給上位PC機。
3.5 傳感器信號檢測電路設(shè)計
傳感器信號檢測電路的功能是將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)實時地轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)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(yīng)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(fù)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(zhuǎn)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(tǒng)的成本升高。
本系統(tǒng)的溫度傳感器選擇DS18B20。DS18B20是美國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)線將測量到的溫度結(jié)果以串行與微控制器進行連接。DS18B20片內(nèi)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(gòu)成單線多點溫度測量系統(tǒng)。
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(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，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(tǒng)中能夠滿足需要。數(shù)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(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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)。當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1。計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入并重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)。如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)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(shù)器1的預(yù)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(xiàn)，總線信號為低時則由其內(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(yīng)。
初始化包括主機發(fā)出復(fù)位脈沖(通過將總線拉低至少480μs來實現(xiàn))隨即主機等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復(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實現(xiàn)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(fù)制暫存存儲器命令(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序?qū)崿F(xiàn)的，而主機讀取DS18B20傳送的數(shù)據(jù)是通過讀時序?qū)崿F(xiàn)的。
單片機在控制DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換和讀取之前，需要提供總線上所有DS18B20的64位序列號，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(tǒng)中，孵化箱內(nèi)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(yù)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(zhuǎn)換，并通過單總線讀取總線上DS18B20的溫度值。
第一步對DS18B20復(fù)位。單片機向總線上的所有DS18B20發(fā)出復(fù)位脈沖，這通過將數(shù)據(jù)線拉低至少480μs來實現(xiàn)。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(fù)位脈沖的上升沿開始等待15μs后通過將單總線拉低60μs實現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。
第二步，啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換命令(44H)，即所有在線的DS18B20都將進行溫度轉(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(nèi)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(shè)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(chǎn)生電荷離子，電阻值較高。當相對濕度增加時，吸第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
附量也增加，顆?；奈剿统蔀閷?dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)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(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(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(tǒng)中的濕度傳感器選用HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅鱄S1101[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(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(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(shè)計的電容元件，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(zhuǎn)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(diào)制的調(diào)幅波信號輸出，調(diào)幅波信號經(jīng)放大、解調(diào)后，獲得低頻信號輸出，再由周D轉(zhuǎn)換為數(shù)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(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使用，AD重復(fù)利用率很高。這對于傳統(tǒng)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(zhuǎn)為與之呈反比的頻率信號，可直接被單片機計數(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(fù)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(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)計濕度采集電路。
在應(yīng)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(gòu)成的振蕩電路中，可以將濕度轉(zhuǎn)換成頻率信號送入單片機，進而計算出現(xiàn)場的濕度值。應(yīng)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(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路構(gòu)成了對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(nèi)部溫度補償，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。由于不同型號的555芯片內(nèi)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(jù)要求，Rl的阻值應(yīng)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(jīng)充電時間T充電后，Uc達到芯片內(nèi)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(jīng)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(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。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(shù)器0工作在計數(shù)方式，定時器/計數(shù)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(guān)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(chǎn)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(jù)技術(shù)手冊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(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，此時濕度為而當溫度位于0℃-10℃之間時，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式:;當溫度大于60℃小于80℃時，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式:，將得到的溫度系數(shù)代入中，即求得溫度補償后的濕度值。
3.6 鍵盤與顯示電路設(shè)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(shù)，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(jù)需要，可以通過按鍵修改存儲器中默認的溫濕度參數(shù)值，故需要對系統(tǒng)進行按鍵電路設(shè)計。通常，按鍵有獨立式和矩陣式兩種形式，本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤設(shè)計，其接口電路如圖3-15所示。
圖3-15 按鍵接口電路
本系統(tǒng)擴展4個用于修改系統(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(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相應(yīng)的溫濕度目標參數(shù)。
另外，本系統(tǒng)設(shè)置了手動復(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的復(fù)位引腳RESET。在需要的時候，可以由人工按下復(fù)位按鈕對單片機進行復(fù)位。
2．顯示電路
本系統(tǒng)應(yīng)用串行接口驅(qū)動器HD7279A對鍵盤與顯示電路進行設(shè)計。HD7279A是一種具有串行接口，可同時驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管(或64只獨立的LED)的智能顯示驅(qū)動芯片[8]。
HD7279A內(nèi)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(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
片選信號端，低電壓平時可向電路發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)
7
CLK
同步時鐘輸入端，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，當有效按鍵時由高變?yōu)榈碗娖?
10-16
SG~SA
段G到段A驅(qū)動輸出端
17
DP
小數(shù)點驅(qū)動輸出端
18-25
DG0~DG7
數(shù)字0~7驅(qū)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(fù)位端，低電平有效
本系統(tǒng)利用2片HD7279A共驅(qū)動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，實時溫度值，實時濕度值，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。當片選信號變?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LED電路圖
3.7 輸出控制電路設(shè)計
孵化箱內(nèi)溫濕度信號進入單片機，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。該值將與設(shè)定值進行比較，并進行模糊運算。單片機根據(jù)運算結(jié)果對溫濕度控制設(shè)備進行控制。這是本系統(tǒng)的一個重要環(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、增濕步進電機、風(fēng)門驅(qū)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(guān)斷時產(chǎn)生的干擾信號強，為了有效的驅(qū)動和控制這些部件采用隔離光禍+達林頓管+繼電器的驅(qū)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(jīng)過隔離光禍TLP521來驅(qū)動達林頓管ULN2803，然后由達林頓管來驅(qū)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(tǒng)設(shè)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(cè)面，并在電阻絲背后安置大的攪熱風(fēng)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(guān)閉的瞬間會產(chǎn)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(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)動繼電器。所以在光禍后面接功率驅(qū)動芯片ULN2803再驅(qū)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(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，步進電機控制水盤頂蓋的開度實現(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