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1、智能仪表 课程设计(论文) 本科生课程设计（论文）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：2022.12.31-2022.01.11 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Array 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，该设计控制器使用单片机STC1
2、2C5A60S2，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 (1) 2.1概述 (2) 2.2温度检测方案 (2) 2.3湿度检测方案 (2) 2.4系统总体方案框图 (3) 第三章硬件电路设计 (4)
3、3.1单片机选型 (4) 3.2温度采集电路 (4) 3.3湿度采集电路 (5) 3.4输出控制电路 (6) 3.5键盘/显示电路 (7) 3.6时钟/复位电路 (8) 3.7电源电路 (8) 第四章软件设计 (9) 4.1主程序 (9) 4.2温湿度检测与显示子程序 (9) 4.3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 I (15) 附录 II (16) 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
4、。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”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
5、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、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
6、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
7、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
8、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
9、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 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、
10、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。1602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
11、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，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
12、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。 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HS1101 HS1101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
13、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: 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
14、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: （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
15、或湿度异常时，继电器开始工作且开关切断电源，停止工作，从而起到保护系统的作用。其电路如图3.8所示。 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 图3.4 加热器控制电路 图3.5 湿度控制电路 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。 3.5键盘/显示电路 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3.6 直流电机旋转电路 图3.7 键盘/显示电路