【正文】 的飽和水汽壓 ((mmHg) o 上式表明，若大氣中所含水汽的壓強(qiáng)等于當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓時(shí)，這時(shí)大氣的相對(duì)濕度為 100%RH o 2濕度對(duì)孵化效果的影響 孵化機(jī)內(nèi)的相對(duì)濕度，對(duì)孵化效果也起著一定的作用。孵化機(jī)內(nèi)的相對(duì)濕度值決定著種蛋的失水多少、速度快慢。如果不能使胚蛋獲得最佳的失水率，會(huì)影響孵化率，甚至帶來(lái)災(zāi)難性后果。一般孵化器的相對(duì)濕度應(yīng)經(jīng)常保持在 55%^70%(王小芬， 2020。顧道良， 1998) 胚胎在發(fā)育過(guò)程中會(huì)不斷地吸入氧氣，排出二氧化碳。二氧化碳超過(guò) %，胚胎發(fā)育遲緩，超過(guò) 1%，死亡率增高，并出現(xiàn)胎位不正和畸形等現(xiàn)象。一般在孵化初期，為保溫以及使溫度平穩(wěn)可以關(guān)閉進(jìn)氣孔或部分開(kāi)放進(jìn)氣孔 (一般可開(kāi)啟 1/41/3)，以后逐漸增大進(jìn)氣 孔，出雛時(shí)完全開(kāi)放進(jìn)氣孔。因卵黃含脂量高，相對(duì)密度較小，總是浮在蛋的上部，易與殼接觸。 ，有利于胚胎發(fā)育。 翻蛋一般呈 90度，前 45度后 45度，每 2小時(shí)翻一次。 涼蛋可使孵化器徹底換氣，同時(shí)間歇的低溫還可促進(jìn)胚胎發(fā)育，增強(qiáng)活 力，有利于后期胚胎散熱。如通風(fēng)不良或利用同一孵化器出雛時(shí)則應(yīng)進(jìn)行涼蛋。 根據(jù)施溫方案得到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下 : 控溫范圍 :3539。C 濕度顯示精度 :5%RH 基本電路設(shè)計(jì) :控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) :系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) :通信電路等。提出了本系統(tǒng)的孵化方案和控制目標(biāo)。 第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 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(duì)象，以加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、翻蛋電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu) 作為控制手段。孵化設(shè)備工作過(guò)程是 :單片機(jī)依據(jù)編寫好的程序和溫濕度探頭采樣的溫濕度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算。 圖 31孵化設(shè)備的系統(tǒng)組成框圖 Fig. 31 The ponents of hatching craft 孵化箱控制設(shè)備最核心的部分是溫濕度控制模塊。通過(guò)傳感器檢測(cè)電路、執(zhí)行器件驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤接口、 LED數(shù)碼顯示等，使其既可以獨(dú)立完成對(duì)孵化箱內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)測(cè)控，又可以通過(guò)串行通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互 (侯滿宏， 2020)。硬件電路設(shè)計(jì)主要包含兩部分 :以 AT89S52為核心的單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及以 PC為核心的管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 在現(xiàn)今市場(chǎng)上，單片機(jī)的生產(chǎn)廠商很多、單片機(jī)的類型也很多。這是因?yàn)樵诜趸溥@樣的環(huán)境中存在有很多的干擾。 ，單片機(jī)生產(chǎn)廠商要提供免費(fèi)的調(diào)試軟件，使單片機(jī)程序大部分能夠在 PC機(jī)上仿真出來(lái)而且無(wú)誤 。 ，由于設(shè)計(jì)的通用智能終端長(zhǎng)期在環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)工作，為了節(jié)能，應(yīng)選擇功耗低的單片機(jī) (王玉華， 2020)0 本系統(tǒng)主控 MCU選用 Atmel 公司的 AT89S52。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)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。 AT89S52單片機(jī)作為下位機(jī)負(fù)責(zé)采集孵化箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，對(duì)各個(gè)孵化箱內(nèi)的溫濕度值進(jìn)行模糊運(yùn)算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)孵化箱內(nèi)各參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的功能是將孵化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù) (溫度、濕度 )實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路之后送入單片機(jī)。 1溫度傳感器的選擇 在眾多應(yīng)用于環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)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(jìn)行溫度標(biāo)定 。單總線即以 1根數(shù)據(jù)線將測(cè)量到的溫度結(jié)果以串行數(shù)字 信號(hào)輸出，與微控制器進(jìn)行連接。 DS18B20的測(cè)溫范圍從一 55 0C到 +125 0C，測(cè)量精度可以達(dá)到 0C a DS 181320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(hào)，默認(rèn)值為 12位。 DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)暫存 RAM和一個(gè)非易失性電可擦除 E2 RAM。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20有三個(gè)引腳，分別是 VCC, GND, DATA。 DATA是 DS18B20的數(shù)據(jù)線，用來(lái)傳送指令和溫度數(shù)據(jù) (吳春蕾， 2020)。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(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加1。如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。前者需要外加電源，正負(fù)極分別接引腳 VCC+5 V及 GND。本系統(tǒng)采用 3腳封裝的 DS 18B20，選用外加電源工作方式。 圖 33 DS18B20與單片機(jī)的連接圖 Fig. 33 The connecting chart between DS18b20 and MCU 4溫度傳感器 DS18B20工作過(guò)程 對(duì) DS18B20的操作順序?yàn)?:初始化，發(fā)送 ROM命令，發(fā)送功能命令。 初始化包括主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖 (通過(guò)將總線拉低至少 48伽 s來(lái)實(shí)現(xiàn) )隨即主機(jī)等待 DS18B20發(fā)回的存在脈沖。初始化完成后單片機(jī)即可發(fā)送 ROM命令，包括搜索 ROM命令 (FOH)、讀 ROM命令 (33H)、匹配 ROM命令 (55H)、跳過(guò) ROM命令 (CCH)及報(bào)警搜索命令 (ECH)。命令的傳送是通過(guò)寫時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的，而主機(jī)讀取 DS18B20傳送的數(shù)據(jù)是通過(guò)讀時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的。 ROM中的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。所以主機(jī)須預(yù)先讀取出該 4個(gè) DS18B20的 64位 ROM代碼，使用 READ ROM (33H)命令即可。 圖 34讀取 DS18B20序列號(hào)的流程圖 Fig. 34 The process of reading the serial number of DS18B20 獲得總線上每個(gè) DS 181320的序列號(hào)之后，單片機(jī)就可以控制總線上的DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，并通過(guò)單總線讀取總線上 DS18B20的溫度值。單片機(jī)向總線上的所有 DS18B20發(fā)出復(fù)位脈沖，這通過(guò)將數(shù)據(jù)線拉低至少 48伽 s來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第二步， 啟動(dòng) DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。 第三步讀取 DS18B20溫度值。然后向總線上發(fā)送讀存儲(chǔ)器命令 (BEH)。與該序列號(hào)匹配不符的 DS18B20則會(huì)繼續(xù)等待下一個(gè)序列號(hào)的到來(lái)。 1濕度傳感器的選擇 濕度的檢測(cè)方法，一般采用濕敏元件檢測(cè)濕度，分為濕敏電阻和濕敏電容兩種情況。 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。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 (杜深慧， 2020)0 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(duì)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。 濕度傳感器具有精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以保證、受溫度影響大、校正難度大等特點(diǎn)。該傳感器具有檢測(cè)速度快、高精度、高可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點(diǎn)。 2%。1 ^99%RH濕度量程 。 5秒 。 :常溫使用無(wú)需溫度補(bǔ)償，無(wú)需校準(zhǔn) 。典型值 190PF/55%RH。 3濕度傳感器 HS1101與單片機(jī)的連接 HS 1101電容式傳感器在采集接口電路中 等效于一個(gè)電容元件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。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(hào)輸出，調(diào)幅波信號(hào)經(jīng)放大、解調(diào)后，獲得低頻信號(hào)輸出，再由 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。但這兩種電路屬于傳統(tǒng)的模擬式傳感器測(cè)量電路，需要經(jīng)過(guò) 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(wèn)題，而且與前面的溫度傳感器同時(shí)使用，川 D重復(fù)利用率很高。 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(hào)，可直接被單片機(jī)計(jì)數(shù)器所采集。多諧振蕩電路的抗干擾能力強(qiáng)，成本較低 (孫程光， 2020)。 在應(yīng)用過(guò)程中， HS 1101作為一個(gè)可變電容器，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。應(yīng)用電路如圖 35所示 : 圖 35濕度測(cè)量電路 Fig. 35 The circuit of humidity detecting 頻率輸出的 TLC555振蕩電路如圖所示。 7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路構(gòu)成了對(duì) 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(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。 R1 必須像所有的 RC時(shí)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(hào)的 555芯片內(nèi)部溫度補(bǔ)償有所不同， R1 的值還必須與特定的芯片相匹配。根據(jù)要求， R1 的阻值應(yīng)為 909k, R2的阻值為 576k(秦曾煌， 1999。此時(shí)輸出引腳 3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò) R:放電，經(jīng)時(shí)間 T放電后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 。如此循環(huán)，形成方波輸出。 可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò) 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(hào)。表給出了其中的一組典型測(cè)試信號(hào) (林敏等， 2020)。用這種測(cè)量頻率法測(cè)出方波信號(hào)的頻率，從而也就測(cè)出了空氣中的相對(duì)濕度。 f為測(cè)得的 TLC555振蕩電路輸出的方波信號(hào)的 頻率。根據(jù)技術(shù)手冊(cè)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(shí)濕度值 。T 為當(dāng)前溫度 。而當(dāng)溫度位于 00C10℃ 之間時(shí)，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式 :tx二一 +。 1按鍵電路 單片機(jī)上電運(yùn)行后會(huì)提取存儲(chǔ)器中默認(rèn)的溫濕度參數(shù)，并開(kāi)始輸出溫濕度控制信號(hào)。通常，按鍵有獨(dú)立式和矩陣式兩種形式，本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)，其接口電路如圖 37所示。7TheInterfaeeCircuitofIhashbutton 本系統(tǒng)擴(kuò) 展 4個(gè)用于修改系統(tǒng)參數(shù)的按鍵 :、 、 、 目標(biāo)值 +℃ 、一 ℃ 的操作鍵、濕度目標(biāo)值 +5%RH和一 5%RH操作鍵。當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，與門 74比 21A輸出低電平從單片機(jī)的 INTO引腳產(chǎn)生中斷，通過(guò)按鍵掃描程序掃描 、 、 、 ，判斷按鍵值并修改單片機(jī)相應(yīng)的溫濕度目標(biāo)參數(shù)。按鍵一端接至 +SV，另一端串接 SK電阻之后接至單片機(jī)的復(fù)位 引腳 RESET。 2顯示電路 本系統(tǒng)應(yīng)用串行接口驅(qū)動(dòng)器 HD7279A對(duì)鍵盤與顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。朱海君等， 2020)。 HD7279A具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8位的顯示或多于 64鍵的鍵盤接口 (黎 莉等，2020)。 表 3一 HD7279A的引腳功能 Table3顯示電路的硬件連接如圖 3一 8所示。 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。當(dāng)片選信號(hào)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。8ChartofLedforcedbyHD7279 孵化箱內(nèi)溫濕度信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，由程序作出處理并得到系統(tǒng)的溫濕度值。單片機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)溫濕 度控制設(shè)備進(jìn)行控制。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(jī)、增濕步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)門驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和翻蛋步進(jìn)電機(jī)等。即單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)先經(jīng)過(guò)隔離光禍 TLP521來(lái)驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管 ULN2803，然后由達(dá)林頓管來(lái)驅(qū)動(dòng)性能可靠的繼電器，通過(guò)繼電器間接控制這些功能部件。分布于孵化箱的四個(gè)側(cè)面，并在電阻絲背后安置大的攪熱風(fēng)扇。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。 TLP521的輸出功率只有150mw，無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器。加熱控制部分硬件圖如下 : 圖 39Chartofheatingcont鄺 lling 、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。本系統(tǒng)設(shè)置 5種加濕狀態(tài) :不加濕，頂蓋完全關(guān)閉 。中等加濕，頂蓋開(kāi)啟一半 。完全加濕，頂蓋完全開(kāi)啟。在孵化箱的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置風(fēng)門 ，風(fēng)門的形狀也為矩形。小通風(fēng)，頂蓋開(kāi)啟 1/4。較大通風(fēng)，頂蓋開(kāi)啟 3/4。在風(fēng)門口安置向內(nèi)的鼓風(fēng)風(fēng)扇，只有在風(fēng)門有開(kāi)度時(shí)鼓風(fēng)風(fēng)扇才開(kāi)始工作。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(jī)構(gòu)。 步進(jìn)電機(jī)選用 35BY48BO4型永磁式