【導(dǎo)讀】II. 1. 1. 6. 6. 6. 7. 8. 8. 9. 9. 10. 14. 21

　　

【正文】 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? HS 1101(李善軍， 2020)0 2濕度傳感器 HS1101的工作原理和性能 HS1101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 (HS 1100)和側(cè)面接觸 (HS 1101)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 (庫志強， 2020)0 HS1101(濕敏電容 )特性如下 : ，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) 。 2%。極好的線性輸出 。1 ^99%RH濕度量程 。40100℃ 的溫度工作范 圍 。 5秒 。濕度輸出受溫度影響極小 。 :常溫使用無需溫度補償，無需校準 。 。典型值 190PF/55%RH。長期穩(wěn)定性及可靠性， 年漂移量 %。 3濕度傳感器 HS1101與單片機的連接 HS 1101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 A/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 A/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，川 D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 (孫程光， 2020)。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， HS 1101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 35所示 : 圖 35濕度測量電路 Fig. 35 The circuit of humidity detecting 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R4,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，R1 用做內(nèi)部溫度補償，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與 HS 1101的溫度效應(yīng)相匹配。 R1 必須像所有的 RC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 100ppm a由于不 同型號的 555芯片內(nèi)部溫度補償有所不同， R1 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 TI公司的 TLC555振蕩器。根據(jù)要求， R1 的阻值應(yīng)為 909k, R2的阻值為 576k(秦曾煌， 1999。張勃，2020) 第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 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 。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 。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 T充 電 =C(R4+R2)ln2 T放電 =CR21n2 因此電路的振蕩周期為 :T=T充電 +T放電 =C(R4+2R2)1n2 電路輸出的諧振波頻率為 f=1/T==1/[C(R4+2R2) 1n2] 輸出波形的占空比為 :D=T充電 //T= (R4+R2 )/(R4+2R2 ) 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， R4 應(yīng)該盡量小，但不要低于最小值。 可見，空氣濕度通過 HS 1101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 (林敏等， 2020)。 表 31相對濕度與電壓頻率的典型值 Table 31 The type value of relative humidity and the frequency of voltage 將 TLC555測量振蕩電路輸出的方波信號送入單片機 AT89S52的 T1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 : 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 HS 1101濕度信號的溫度補償 由于濕度傳感器 HS 1101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 36所示，并有關(guān)系式 : 其中 :RHr 為真實濕度值 。 RH,n為當前溫度下的濕度測量值 。T 為當前溫度 。 tx為溫度系數(shù) (吳春蕾， 2020 ) o 圖 36 HSll01溫度系數(shù)圖 Fig. 36 Chart of temperature coefficient of HSll01 由圖可看出濕度傳感器 HS 1101在 10 0C 60℃ 下溫度系數(shù)為定值 ，此時濕度為 RH}二 RH,} + (T25)。而當溫度位于 00C10℃ 之間時，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式 :tx二一 +。當溫度大于 60℃ 小于 80℃ 時，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式 :t:二 ，將得到的溫度系數(shù)代入 RH}二 RHm十 tR (T 25)中，即求得溫度補償后的濕度值。 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 37所示。 圖 3一按鍵接口電路 7TheInterfaeeCircuitofIhashbutton 本系統(tǒng)擴 展 4個用于修改系統(tǒng)參數(shù)的按鍵 :、 、 、 目標值 +℃ 、一 ℃ 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()。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 、 、 、 ，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 (圖略 )。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 (姜楠等， 2020。朱海君等， 2020)。 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 (黎 莉等，2020)。 HD7279A的引腳功能如表 3一 1所示。 表 3一 HD7279A的引腳功能 Table32ThefuionforPinsofHD7279A 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)，風門狀態(tài)。顯示電路的硬件連接如圖 3一 8所示。 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 ， 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)榈碗娖胶螅?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 3一 HD7279A驅(qū)動 LED電路圖 8ChartofLedforcedbyHD7279 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、攪熱風扇電機、增濕步進電機、風門驅(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。 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扇。單片機的 ， PZ?1， ， 。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禍合器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一 05VDC一 SLC控制加熱電阻絲的通斷。加熱控制部分硬件圖如下 : 圖 39加熱控制電路圖 9Chartofheatingcont鄺 lling 、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(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)置風門 ，風門的形狀也為矩形。本系統(tǒng)設(shè)置 5種風門狀態(tài) :不通風，頂蓋完全關(guān)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。在風門口安置向內(nèi)的鼓風風扇，只有在風門有開度時鼓風風扇才開始工作。在孵化的前 18天，需要每 2個小時翻蛋 45度 (蛋盤翻轉(zhuǎn) 45)。孵化箱內(nèi)的蛋盤一層一層置于專用的蛋車上，蛋車上安置有搖桿式的翻蛋機構(gòu)。步進電機牽引翻蛋機構(gòu)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)定時翻蛋。 步進電機選用 35BY48BO4型永磁式步進電機。在光電禍合器與功率放大器 ULN2803之間加入鎖