孵化箱自动控制器课程设计(论文).doc

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1、辽 宁 工 业 大 学 智能仪表 课程设计（论文）题目：孵化箱自动控制器院（系）： 电气工程学院 专业班级： 测控092 学 号： 090301039 学生姓名： 许宪龙 指导教师： 蓝和慧 起止时间：2012.12.31-2013.01.11课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号090301039学生姓名许宪龙专业班级测控092设计题目孵化箱自动控制器课程设计（论文）任务设计任务：设计一款孵化箱自动控制器，可应根据要求设置孵化箱的孵化温度、湿度，可设置孵化时间，可以自动翻蛋，可自动排风。设计要求:1、检测孵化箱内的温度和湿度，选择相应的传感器，设计相应

2、电路；2、设计4个按键，用于设置相应参数；3、采用两个加热器进行加热，采用一个超声波加湿器进行加湿；4、翻蛋器采用一个的直流电动机带动旋转；5、采用1602液晶显示器分别显示当前的温度、湿度、和孵化时间；6、对测试的数据进行分析；7、完成任务书的编写（包括：摘要、绪论、方案论证、硬件电路设计、软件设计、参数分析、总结、参考文献等几个部分），字数应在4000字以上；8、尽可能降低设计中的硬件成本。技术参数:1、 孵化箱温度检测范围：1045，检测精度0.1；2、 孵化箱湿度检测范围：10%90%RH，检测精度%5RH；3、 加热器功率为220VAC/300W，加湿器功率为220VAC/25W；4

3、、 直流电动机功率为12V/15W。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）2、确定系统的设计方案，选择控制核心和外围器件。（1天）3、确定硬件电路。（1天）4、按系统的控制要求，设计系统软件流程，并编写程序。（3天）5、上机调试、修改程序、答辩。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本设计所介绍的鸡雏恒温孵化器，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，

4、该设计控制器使用单片机STC12C5A60S2，测温传感器使用DS18B20，用液晶LCD1602实现显示。通过单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，判断是否启动继电器以开启设备，从而控制加热的状态，实现温度的控制。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的温度控制器应运而生。关键词：单片机；温度传感器；LCD液晶屏 目 录第一章 绪论1第二章 方案论证22.1概述22.2 温度检测方案22.3 湿度检测方案22.4 系统总体方案框图3第三章 硬件电路设计43.1 单片机选型

5、43.2温度采集电路43.3湿度采集电路53.4输出控制电路63.5键盘/显示电路73.6时钟/复位电路83.7电源电路8第四章 软件设计94.1 主程序94.2 温湿度检测与显示子程序94.3 湿度值设定子程序10第五章 系统误差分析11第六章 总结13参考文献14附录 I15附录 II16第一章 绪论近年来，随着武汉经济发展速度的稳步提升，武汉周边地区的个体养殖业发展迅速，尤其是江夏、黄破等地的个体养殖产业发展迅速，为当地以及周边地区的经济腾飞注入了新的生命力。人们的生活逐渐富裕起来了，但是养殖场尤其是是孵化这个环节出现了较多的问题。本人走访了几家中小养殖场，目前使用的孵化设备主要有“依爱

6、”牌数显、汉显智能箱体孵化机、FT系列微控孵化出雏机以及杰姆斯威公司的PT100型孵化机等。部分养殖场所使用的孵化设备由于使用年限较长，某些功能已经失去了功效。而且控温、控湿精度己经不能满足孵化过程中的要求，使得出雏率和健雏率较低，经济效益受到较大的影响。国外孵化机制造业起步较早，其特色是设计科学化、机型多样化、规格标准化、部件通用化、电脑自控化。辅助仪器、设备、工具系列化，而且用材考究，制造工艺精致，操作安全简便，运作程序完善，其装演与质量都堪称上乘。国际著名的孵化机厂家和公司有美国“鸡王”孵化器公司、比利时“皮特森”公司、加拿大的“詹姆斯威”公司、荷兰“派司雷风”公司、丹麦的“富基”公司、

7、澳大利亚的“哈利森”公司等。据国际家禽杂志不完全统计，世界各国较有规模孵化机制造厂约350家。荷兰“派司雷风”公司己有10多年的历史(林其禄等，(1996)。部分公司的产品己经实现网络化和无线通信化。管理人员可以通过手持掌机监控孵化设备的运行，也可以通过Internet远程访问孵化场甚至修改某个孵化箱的控制参数。 本系统选取孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，以加热系统、加湿系统、通风风扇、翻蛋电机等执行机构作为控制手段。本设计主要是对温度、湿度进行实时监测与控制，设计的温度、湿度控制系统实现了基本的温度、湿度控制功能。温度、湿度低于设定下限时，系统自动启动继电器加温，使温度上升。当温度上

8、升到上限温度时，停止加温；若温度高于设定上限温度时，系统停止加热，启动风扇，开始降温。温度下降到上限温度以下时，停止降温。当湿度发生变化时系统响应亦是如此。LCD1602液晶显示屏即时显示温度。这里采用的单片机温度控制系统进行温度控制，对温度的变化达到了较高的控制精度。第二章 方案论证2.1概述本系统选取孵化箱内的温度和湿度作为主要的被控对象，以加热系统、加湿系统、通风风扇、翻蛋电机等执行机构作为控制手段。根据需要发出驱动信号，实现加热、加湿、翻蛋、通风等孵化控制功能。孵化箱控制设备最核心的部分是温湿度控制模块。核心采用单片机控制，液晶显示模块1602显示当前温度、湿度、孵化时间。2.2 温度

9、检测方案方案一：测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件 ，利用感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。2.3 湿度检测方案方案一：常用的湿度传感器有高分子电阻式湿度感器、高分子电容式湿度传感器等。高分子电阻式湿度传感器是由于水附在

10、有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生电荷离子，电阻值较高。但是电阻式湿度传感器需根据电阻值计算电压值来读取当前湿度，有时会受到外界干扰电压等因素的影响而使得系统不容易控制。方案二：根据薄膜电容在不同湿度环境下电容量的变化来反映不同湿度。该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，用于线性电压输出和频率输出两种电路，该频率和电压容易控制电容本身也是良好的隔离原件，故本设计采用方案二。本设计题目为孵化箱自动控制器的设计，温度控制设定范围为1045 ，湿度检测范围：10%90%RH，上、下限

11、温度在程序中设置，实现控制可以升温也可以降温，实时显示当前温度、湿度值、孵化时间2.4 系统总体方案框图复位电路电源显示电机湿度信号采集电路单 片 机加湿器温度加热器时钟电路键盘 图2.1 系统总体框图 本系统孵化箱自动控制器的设计是对温度、湿度、时间进行实时监测与控制，设计的温度、湿度控制系统实现了基本的温度、湿度控制功能：当温度、湿度低于设定下限时，系统自动启动加温、加湿。当温度、湿度上升到下限以上时，停止加温、加湿；当温度、湿度高于设定上限时，系统自动启动风扇降温、排湿，使温度下降、湿度降低。当温度、湿度下降到上限以下时，停止降温、排湿。温度、湿度在上下限温度之间时，执行机构不执行。16

12、02液晶显示器即时显示温度、湿度、孵化时间。第三章 硬件电路设计3.1 单片机选型根据任务要求设置孵化箱的孵化温度、湿度，可设置孵化时间，可以自动翻蛋，可自动排风。孵化箱温度检测范围：1045，检测精度0.1；孵化箱湿度检测范围：10%90%RH，检测精度%5RH；而且还需要直流电动机带动翻蛋机构，故选用STC12C5A60S2型号单片机，此款单片机具有十位八通道A/D转换器而且还可以输出两路PWM方波信号用于控制直流电机带动翻蛋机构图3.1单片机引脚图3.2温度采集电路在众多应用于环境温度监测的温敏元件中，温敏电阻虽然成本低，但后续电路复杂;电流型集成温度传感器AD590也因其输出为模拟信号

13、，且输出信号较弱故需后续放大及AD转换电路，若采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格偏高，这就使系统的成本升高。本系统的温度传感器选择DS18B20。DS18B20是美国DALLAS公司生产的可编程单总线数字温度传感器。单总线即以1根数据线将测量到的温度结果以串行数据与微控制器进行连接。DS18B20片内ROM中有唯一的64位序列号，所以可以在1根总线上挂接任意多个DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。本系统采用3脚封装的DS18B20，选用外加电源工作方式。采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力，保证工作的稳定性，电路连接如图3-3所示。图3.2 温度采集电

14、路3.3湿度采集电路本系统中的湿度传感器选用HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器HS1101HS1101电容式传感器在采集接口电路中等效于一个电容元件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转换为单片机易于接受的信号，可以将该湿敏电容置于与定值电容组成的电桥电路中。可以将该湿敏电容置于振荡电路中，组成多谐振荡电路，将电容值的变化转为与之呈反比的频率信号，可直接被单片机计数器所采集。多谐振荡电路的抗干扰能力强，成本较低。因此，为了提高系统的灵敏度和线性度，从降低采集电路的成本等因素考虑，本系统采用脉冲振荡电路来设计湿度采集电路。在应用过程中，HSll01作为一个可变电

15、容器，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将其置于TLC555定时器构成的振荡电路中，可以将湿度转换成频率信号送入单片机，进而计算出现场的湿度值。应用电路如图3-5所示:图3.3 湿度采集电路3.4输出控制电路（一）、加热器输出控制单片机根据运算结果对温湿度控制设备进行控制单片机发出的控制信号先经过隔离光祸TLP521来驱动达林顿管ULN2803，然后由达林顿管来驱动性能可靠的继电器，通过继电器间接控制这些功能部件。本系统设计采用2个加热器，每个加热器的功率为300W。分布于孵化箱的四个侧面，并在电阻丝背后安置大的搅热风扇。单片机的P2.0，P2.1输出高低电平分别控制这2组加热器的通断。共

16、组成5种加热状态:不加热，小加热，中等加热，较大加热，完全加热。由于电阻丝工作接通与关闭的瞬间会产生较大的干扰信号，故单片机输出口接光电耦合器TLP521来实现。TLP521的输出功率只有150mw，无法驱动继电器。所以在光祸后面接功率驱动芯片ULN2803再驱动继电器SRD-05VDC-SLC控制加热电阻丝的通断。加热控制部分硬件图如下:图3.4 加热器控制电路（二）加湿、排风与翻蛋控制电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点应用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。本电路采用常闭继电器由单片机控制，当温度或湿度异常时，继电器开始工作且开关切断电源，停止工作，从而起到保护

17、系统的作用。其电路如图3.8所示。图3.5 湿度控制电路孵化箱内的蛋盘一层一层置于专用的蛋车上，蛋车上安置有摇杆式的翻蛋机构。直流电机牵引翻蛋机构转动，实现定时翻蛋。在光电耦合器与功率放大器ULN2803之间加入锁存器SN74LS373。系统程序执行时，由单片机的P1.3口根据控制要求不断的输出脉冲信号，在每一个时钟信号的上升沿到达时将输出脉冲锁存在SN74LS373里，下一个时钟信号到达时，由SN74LS373将控制脉冲(TTL电平)输出到ULN2803中，经ULN2803反相后的信号直接驱动步进电机，实现步进电机的正反转，精确地牵引加湿、风门与翻蛋。图3.6 直流电机旋转电路3.5键盘/显

18、示电路本设计中本着节约资源的原则，使用仅四个按键来实现湿度值的设定，即一个确定按键，一个移位按键，一个数值加一按键，一个数值减一键。所以选择独立式按键。如图所示。LCD1602分为带背光和不带背光两种。由于本设计为家用加湿器，夜间仍需工作并加以显示，故选用带背光LCD1602。出于节能考虑，白天及夜间无人观看时避免浪费电能，所以在背光处加一个开关，不用背光时可以关闭。图3.7 键盘/显示电路3.6时钟/复位电路单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定周期的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片的工作频率单片机的第9脚RST为硬件复位

19、电路，只要在该端加上持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各个状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3-3所示。 图3.8 时钟/复位电路3.7电源电路图3.9 稳压电源电路采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压,系统硬件电路要求电源额定电压为5 V/12V ,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小,基于以上要求,选用固定输出线形稳压集成器LM7805、LM7812。该稳压器的输入电压VIN 应大于输出电压3V即在8 V35 V 的范围变化,输出电压可保证为5 V /12V输出。该稳压器还具有过热保护和过压保护功能,线性稳压结构可使电源纹波系数降低。其电路如图所示：第四章 软件

20、设计本设计的系统软件包括温、湿度检测部分、液晶显示部分、按键输入部分、继电器控制部分等。整个系统采用模块化编程方式，将各个部分功能分别实现。本设计采用C语言编程。具体程序参见附录。4.1 主程序本设计程序由单片机控制实现。当传感器进行一次数据采集后，单片机经初始化处理后，开始调用子程序实现湿度控制。其具体流程图如图4.1所示：4.2 温湿度检测与显示子程序温湿度检测与显示子程序实现功能为：利用温度传感器DS18B20与湿度传感器HIH3610对温度与湿度进行实时检测并加以显示。其具体流程图如图4.2所示：图4.2 显示子程序图4.1 主程序流程图4.3 湿度值设定子程序通过三个独立按键（K1：

21、移位按键；K2：加1按键；K3：减1按键；K4：设定/确定按键），对湿度值进行设定。其具体流程图如图4.4所示：图4.3 键盘设定值子程序第五章 系统误差分析振荡电路两个暂稳态的交替过程R:向C充电，经充电时间T充电后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs。此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R:放电，经时间T放电后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs。此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此循环，形成方波输出。其中，充放电时间为:(5-1)(5-2)(5-3)因此电路的振荡周期为: (5-4)电路输出的谐振波频率为: (5-5)输出波形的占空比为: 上式表

22、明，电路的输出脉冲的占空比始终大于50%，为了使占空比降低至接近50%，则与R:相比，凡应该尽量小，但不要低于最小值。可见，空气湿度通过HS1101与TLC555构成的振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号。该信号可以直接被单片机所测得。将TLC555测量振荡电路输出的方波信号送入单片机AT89552的Tl引脚，定时器/计数器0工作在计数方式，定时器/计数器2工作在定时方式。用这种测量频率法测出方波信号的频率，从而也就测出了空气中的相对湿度。通过分析上述相对湿度与电压频率的典型值可以得出输出方波频率与湿度值之间的关系为:(5-6)其中:RHm为当前温度下湿度测量值;f为测得的TLC555振荡电路

23、输出的方波信号的频率。由于湿度传感器HSll01受温度的影响，其输出值相对于标况25下的测量值会产生一定的偏离，因此要消除温度对湿度测量值的影响需要对湿度传感器进行温度补偿。根据技术手册该传感器的温度系数与温度曲线如图3一6所示，并有关系式:(5-7)其中:RHr为真实湿度值;RHm为当前温度下的湿度测量值;T为当前温度;t:为温度系数图5.1 HS1101温度系数图由图可看出湿度传感器HSll0l在10-60下温度系数为定值0.1，此时湿度为RHf=RHm+0.1（T-25）而当温度位于0-10之间时，温度系数满足关系式:Tx=-0.0005T+0.15;当温度大于60小于80时，温度系数满

24、足关系式: Tx=0.005T-0.2将得到的温度系数代入RHf=RHm+Tx（T-25）中，即求得温度补偿后的湿度值。第六章 总结本设计介绍了孵化箱自动控制器的基本原理以及工作流程，本设计是以STC12C5A60S2单片机作为核心控制器件，集传感器、数据采集、处理、显示、驱动于一体。温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，它灵敏度高，精度高，硬件电路非常简单，可以直接与单片机相连。湿度传感器采用HS1101湿度传感器，它测量范围大，灵敏度高。显示部分使用LCD1602液晶显示器进行温湿度显示。当湿度值小于设定值（使用按键输入），单片机控制继电器驱动加湿器工作，对空气加湿。当温度值大于等于

25、设定值时停止加湿。成本低廉，性能可靠，精度较高，工作稳定。设计中主要包括硬件电路的设计和软件程序的设计。硬件电路的设计包括单片机最小系统的设计、显示电路的设计、按键电路的设计、测温电路的设计、湿度检测电路的设计、继电器控制电路的设计、电源电路的设计。软件部分主要包括主程序的设计、温湿度检测与显示子程序的设计、湿度处理与控制子程序的设计和湿度值设定子程序的设计。参考文献1 梅丽凤.单片机原理及接口技术.清华大学出版社2009.72 赵晶.Prote199高级应用.人民邮电出版社.2000 3 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社2003.45 何小艇.电子系统设计(第三版)M.杭州:浙江大

26、学出版社,20046 张建国.单片机温控实验装置J.电子与自动化.2000 7 陈华.温度控制系统的设计与应用J.电子工程师.1999 9 何立民.单片机应用技术选编(2)M.北京:北京航空航天出版社.199310 贾伯年.俞朴 传感器技术M.北京：东南大学出版社.2003.6附录 I附录 II#include #include sbit rs = P25;sbit rw = P26;sbit ep = P27;typedef unsigned char BYTE;extern GetTemp(); extern BYTE scan_key(); extern lcd_pos(BYTE pos

27、); extern lcd_wdat(BYTE dat); extern lcd_init(); extern unsigned int idata Temperature; unsigned long wenduzhi;unsigned int flag=0;unsigned char shiduzhi,shedingzhi=30;unsigned char SDZ_Tab = 3,0,10,0,0; unsigned char codeDisp_Tab = 0x80,0x81,0x82,0x83,0x84,0x85,0x86,0x87,0x88,0x89,0x78; void Init(v

28、oid) lcd_pos(0x03); lcd_wdat(S); lcd_wdat(D); lcd_wdat(Z); lcd_wdat(:); lcd_wdat(3); lcd_wdat(0); lcd_wdat(.); lcd_wdat(0); lcd_wdat(0); lcd_pos(0x40); lcd_wdat(S); lcd_wdat(D); lcd_wdat(:); lcd_pos(0x48); lcd_wdat(W); lcd_wdat(D); lcd_wdat(:);void system_Ini() TMOD|= 0x11; TH1 = 0xD8; /10 TL1 = 0xF

29、0;IE = 0x8A; TR1 = 1;void delayms(unsigned char ms)unsigned char i;while(ms-)for(i = 0; i =5) m=0; n=m+9; lcd_pos(n); if(key_n=4) delayms(10); key_n=scan_key(); if(key_n=4) SDZ_Tabm+; if(SDZ_Tabm=10) SDZ_Tabm=0; lcd_wdat(SDZ_Tabm); lcd_pos(n); if(key_n=0x08) delayms(10); key_n=scan_key(); if(key_n=0

30、x08) lcd_pos(0x0F); shedingzhi=SDZ_Tab0*10; shedingzhi+=SDZ_Tab1; shedingzhi+=SDZ_Tab3*0.1; shedingzhi+=SDZ_Tab4*0.01; flag=0; void wendu(void) GetTemp(); wenduzhi=Temperature; lcd_pos(0x4B); lcd_wdat(Disp_Tabwenduzhi%100/10); lcd_wdat(Disp_Tabwenduzhi%10); lcd_wdat(Disp_Tab10); lcd_wdat(Disp_Tabwen

31、duzhi*10%10); lcd_wdat(Disp_Tabwenduzhi*100%10); void chuli(void) if(shiduzhi=shedingzhi) P2&=0xf7; if(shiduzhi50) P3|=0x01; else P3&=0xfe; else P2|=0x08; void sheding(void) unsigned char key_s; key_s=scan_key(); if(key_s&0x08=0x08) delayms(10); key_s=scan_key(); if(key_s&0x08=0x08) flag=1; lcd_pos(0x09); shuru(); void main(void) system_Ini(); lcd_init(); Init(); while(1); wendu(); shidu(); chuli(); sheding();