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基于单片机的鸡雏恒温孵化器的设计
1 设计的目的和意义
近几年来，随着人们生活水平的提高，在自己家里养宠物不仅仅是一种时尚，更是一种生活的需要。但是有一些小动物如蜗牛，蜥蜴，宠物蛇，鸡雏孵化器等等对于生存的环境条件要求非常苛刻，所以“智能控制恒温箱”就随之出现了。本系统以51系列单片机为控制核心，采用数字温度传感器进行温度检测，从而实现温度箱的温度检测与控制功能的温度传感器。它将采集的信号进行分析，给出最优控制策略。来达到对温度的控制，让那些动物可以生存在适合的温度环境中。
目前，使用智能的温度控制箱是生活富裕的家庭才能使用的起的高端智能化电子产品。而本项目以单片机中央控制单元选择STC89C51单片机，它是一款高性能、低功耗、高性能CMOS8位微控制器并连接DS18B20温度传感器，实现了温度箱的智能控制；该控制器通过本系统装置了加热电阻丝温度调节装置以便于调节恒温箱的温度。该系统具有温度调节稳定、结构简单、成本低廉、利于推广等特点，能够满足智能家居需求，且具有良好的市场前景[1]。它根据实际的需要，提供所要求的稳定的生活环境，优化要求的生活条件，帮助人们更好的控制环境。
2 国内外研究成果
恒温箱在最近几年被广泛使用于培育动物。随着高科技的进步和人们的需求，不仅需要智能也需要他实惠，才能普及于各家庭。随着计算机网络、通信、控制等技术的发展，智能养殖环境的发展越来越迅猛[2]。目前，国内大多数智能系统存在效率低、成本高、能耗高的现象。
虽然在欧美等发达国家，智能恒温箱已广泛应用，但国内大多数智能恒温箱存在效率低、成本高、能耗高的现象。随着计算机网络、通信、控制等技术的发展，智能恒温箱的发展越来越迅猛[3]。在4年前，电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广，这两年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降，智能恒温箱才又卷土重来。
尽管智能恒温箱在国内是一个有些滞后的行业,但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。智能恒温箱走进中国以来，在短短六年的时间里，智能恒温箱生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。目前，我国智能恒温箱生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名企业纷纷涉足智能恒温箱行业，如青岛海尔、清华同方、TCL等，并涌现出一些较具影响力的智能恒温宠物箱专业厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。智能恒温箱产品已开始走进中国的家庭。具报道，我国对鸡蛋，鸡肉的需求量很大，所以鸡雏的孵化是很重要的步骤，市场的的产值也很高[4]。
随着智能恒温箱热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能恒温箱已经成为未来人们的潮流发展的最新方向。从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，智能恒温箱将成为中国养殖主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔。孵化器、孵化设备是利用仿生学原理和自动控制技术为禽蛋胚胎发育提供适宜的条件以获得大量优质雏禽的机器。孵化器是发展现代化养鸡生产的重要设备之一，它的种类很多，但大致可分为平面孵化器与立体孵化器两大类，立体孵化器又可分为箱式孵化器和房间式。
孵化器根据它的构造又分为巷道式孵化器和箱体式孵化器[5]。
目前国内较为先进的孵化器型为巷道器，此机型集中了三大优点：省电，省地，省人工。适合于大中型种禽企业，巷道器受人为因素影响较小，但对技术人员和电工的素质要求较高，工作流程简单明了，便于操作，适应工厂化、规模化的孵化生产。而对于没有接触过的农民朋友来说，箱体式孵化器往往就解决了很多现实问题，箱体式孵化器适用于刚刚起步的养殖朋友，投资小，风险小，技术也很好掌握，它不像巷道式孵化器要求有多么专业，所以很大程度上是创业首选。箱体式孵化器拥有微电脑控制技术，应用在孵化设备上，可以根据胚胎发育过程中，对温度、湿度、氧气等需求的变化，应用专家的经验，并接受各类信息，进行推理分析。使孵化设备能够为胚胎在整个发育过程中，提供适宜的温、湿度及氧气[6]。
3 设计的目标
本课题在设计中力求人性化的智能控制，以中央芯片STC89C51为核心，它是一款高性能、低功耗、高性能CMOS8位微控制器，单片机启动程序控制智能恒温宠物箱。再加上利用DS18B20温度传感器，组成了整个智能系统[7]。
此智能恒温宠物箱装置，能实现如下功能：
（1）通过低温控制加热器加热升高温度；
（2）通过高温控制风扇抽风降低温度；
（3）通过按键控制启动，停止，设置温度范围；
4 设计的主要内容
本课题是研究基于STC89C51单片机智能恒温箱，研究的内容主要包括如下几个方面：
（1）通过DS18B20采集温度生成数据传输给STC89C51；
（2）通过STC89C51单片机调节温度在0℃~99℃之间；
（3）不在控制温度之内执行加热或启动风扇降温；
（4）温度达到要求后停止。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
设计总体思路包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求[8]。硬件电路设计包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的[9]。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求[10]。
该“智能恒温箱”的实现主要通过单片机控制加热棒加热和风扇降温来实现，如当温度高于设定值时，由温度传感器产生的电压将大于输入电压，经过A/D转换，将启动单片机相关程序，经过单片机判断后将给加热器一个相应的控制信号，驱动电机工作，调整温度，实现对箱内的温度控制[11]。从而也体现了该智能恒温箱的智能化。
本系统是基于STC89C51单片机的应用开发、集温度信号采集、数据处理及温度保持等一体的数字控制系统[12]。系统由下列模块组成：显示模块、单片机、按键输入模块、温度采集模块、输出电路模块，如图4.1所示。
图4.1 系统原理框图
系统采用DS18B20数字温度传感器进行温度采集。DS18B20是由美国DALLAS半导体公司生产的，具有精度更高、体积更小、使用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，并且抗干扰能力强。由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。温度检测系统采用寄生电源供电方式。通过编程，DS18B20可以实现9-12位的温度读数。信息经过单线接口送入DS18B20或DS18B20送出，因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。它分三步完成：(1)系统通过反复操作，搜索DS18B20序列号；(2)启动所有在线DS18B20做温度A/D变换；逐个读出在线DS18B20变换后的温度数据[13]。
参考文献
[1] 李叶紫, 王喜斌. STC-51单片机应用教程[M].北京: 清华大学出版社. 2004,4~12.
[2]张毅坤.单片机原理及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998,37~42.
[3]R. Dye, Visual Object-Orientated Programming Dr. Dobbs MacintoshJournal, Sept,2~6.
[4]张建国.单片机温控实验装置[J].电子与自动化,2000,(2):20-23,35~38.
[5]郁有文,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003,26~34.
[6]金篆芷,王明时.现代传感器技术[M].北京:电子工业出版社,1995,36~44.
[7]吕俊芳.传感器接口与检测仪器电路[M].北京:北京航空航天出版社,1994,3~6.
[8]张爱平,李金城.基于DS18B20的智能温度控制器[M].北华航天工业学院报,2007,6~12.
[9]高峰.单片微机应用系统设计及实用技术[J].北京: 机械工业出社. 2004,2~10.
[10]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2003,15~22.
[11]Yang. Y. and Kim. B.Optimum design for a new loadmatching. [J].2001,44,22 ~27.
[12] 尹勇.Multisim电路仿真入门与进阶[M].北京:科学出版社,2005,33~38.
[13] 赵景波.Prote199SE应用与实例教程[J].北京:人民邮电出版社,2009,3~9.
1 设计的目的和意义
近几年来，随着人们生活水平的提高，在自己家里养宠物不仅仅是一种时尚，更是一种生活的需要。但是有一些小动物如蜗牛，蜥蜴，宠物蛇，鸡雏孵化器等等对于生存的环境条件要求非常苛刻，所以“智能控制恒温箱”就随之出现了。本系统以51系列单片机为控制核心，采用数字温度传感器进行温度检测，从而实现温度箱的温度检测与控制功能的温度传感器。它将采集的信号进行分析，给出最优控制策略。来达到对温度的控制，让那些动物可以生存在适合的温度环境中。
目前，使用智能的温度控制箱是生活富裕的家庭才能使用的起的高端智能化电子产品。而本项目以单片机中央控制单元选择STC89C51单片机，它是一款高性能、低功耗、高性能CMOS8位微控制器并连接DS18B20温度传感器，实现了温度箱的智能控制；该控制器通过本系统装置了加热电阻丝温度调节装置以便于调节恒温箱的温度。该系统具有温度调节稳定、结构简单、成本低廉、利于推广等特点，能够满足智能家居需求，且具有良好的市场前景[1]。它根据实际的需要，提供所要求的稳定的生活环境，优化要求的生活条件，帮助人们更好的控制环境。
2 国内外研究成果
恒温箱在最近几年被广泛使用于培育动物。随着高科技的进步和人们的需求，不仅需要智能也需要他实惠，才能普及于各家庭。随着计算机网络、通信、控制等技术的发展，智能养殖环境的发展越来越迅猛[2]。目前，国内大多数智能系统存在效率低、成本高、能耗高的现象。
虽然在欧美等发达国家，智能恒温箱已广泛应用，但国内大多数智能恒温箱存在效率低、成本高、能耗高的现象。随着计算机网络、通信、控制等技术的发展，智能恒温箱的发展越来越迅猛[3]。在4年前，电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广，这两年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降，智能恒温箱才又卷土重来。
尽管智能恒温箱在国内是一个有些滞后的行业,但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。智能恒温箱走进中国以来，在短短六年的时间里，智能恒温箱生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。目前，我国智能恒温箱生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名企业纷纷涉足智能恒温箱行业，如青岛海尔、清华同方、TCL等，并涌现出一些较具影响力的智能恒温宠物箱专业厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。智能恒温箱产品已开始走进中国的家庭。具报道，我国对鸡蛋，鸡肉的需求量很大，所以鸡雏的孵化是很重要的步骤，市场的的产值也很高[4]。
随着智能恒温箱热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能恒温箱已经成为未来人们的潮流发展的最新方向。从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，智能恒温箱将成为中国养殖主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔。孵化器、孵化设备是利用仿生学原理和自动控制技术为禽蛋胚胎发育提供适宜的条件以获得大量优质雏禽的机器。孵化器是发展现代化养鸡生产的重要设备之一，它的种类很多，但大致可分为平面孵化器与立体孵化器两大类，立体孵化器又可分为箱式孵化器和房间式。
孵化器根据它的构造又分为巷道式孵化器和箱体式孵化器[5]。
目前国内较为先进的孵化器型为巷道器，此机型集中了三大优点：省电，省地，省人工。适合于大中型种禽企业，巷道器受人为因素影响较小，但对技术人员和电工的素质要求较高，工作流程简单明了，便于操作，适应工厂化、规模化的孵化生产。而对于没有接触过的农民朋友来说，箱体式孵化器往往就解决了很多现实问题，箱体式孵化器适用于刚刚起步的养殖朋友，投资小，风险小，技术也很好掌握，它不像巷道式孵化器要求有多么专业，所以很大程度上是创业首选。箱体式孵化器拥有微电脑控制技术，应用在孵化设备上，可以根据胚胎发育过程中，对温度、湿度、氧气等需求的变化，应用专家的经验，并接受各类信息，进行推理分析。使孵化设备能够为胚胎在整个发育过程中，提供适宜的温、湿度及氧气[6]。
3 设计的目标
本课题在设计中力求人性化的智能控制，以中央芯片STC89C51为核心，它是一款高性能、低功耗、高性能CMOS8位微控制器，单片机启动程序控制智能恒温宠物箱。再加上利用DS18B20温度传感器，组成了整个智能系统[7]。
此智能恒温宠物箱装置，能实现如下功能：
（1）通过低温控制加热器加热升高温度；
（2）通过高温控制风扇抽风降低温度；
（3）通过按键控制启动，停止，设置温度范围；
4 设计的主要内容
本课题是研究基于STC89C51单片机智能恒温箱，研究的内容主要包括如下几个方面：
（1）通过DS18B20采集温度生成数据传输给STC89C51；
（2）通过STC89C51单片机调节温度在0℃~99℃之间；
（3）不在控制温度之内执行加热或启动风扇降温；
（4）温度达到要求后停止。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
设计总体思路包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求[8]。硬件电路设计包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的[9]。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求[10]。
该“智能恒温箱”的实现主要通过单片机控制加热棒加热和风扇降温来实现，如当温度高于设定值时，由温度传感器产生的电压将大于输入电压，经过A/D转换，将启动单片机相关程序，经过单片机判断后将给加热器一个相应的控制信号，驱动电机工作，调整温度，实现对箱内的温度控制[11]。从而也体现了该智能恒温箱的智能化。
本系统是基于STC89C51单片机的应用开发、集温度信号采集、数据处理及温度保持等一体的数字控制系统[12]。系统由下列模块组成：显示模块、单片机、按键输入模块、温度采集模块、输出电路模块，如图4.1所示。
图4.1 系统原理框图
系统采用DS18B20数字温度传感器进行温度采集。DS18B20是由美国DALLAS半导体公司生产的，具有精度更高、体积更小、使用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，并且抗干扰能力强。由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。温度检测系统采用寄生电源供电方式。通过编程，DS18B20可以实现9-12位的温度读数。信息经过单线接口送入DS18B20或DS18B20送出，因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。它分三步完成：(1)系统通过反复操作，搜索DS18B20序列号；(2)启动所有在线DS18B20做温度A/D变换；逐个读出在线DS18B20变换后的温度数据[13]。
参考文献
[1] 李叶紫, 王喜斌. STC-51单片机应用教程[M].北京: 清华大学出版社. 2004,4~12.
[2]张毅坤.单片机原理及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998,37~42.
[3]R. Dye, Visual Object-Orientated Programming Dr. Dobbs MacintoshJournal, Sept,2~6.
[4]张建国.单片机温控实验装置[J].电子与自动化,2000,(2):20-23,35~38.
[5]郁有文,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003,26~34.
[6]金篆芷,王明时.现代传感器技术[M].北京:电子工业出版社,1995,36~44.
[7]吕俊芳.传感器接口与检测仪器电路[M].北京:北京航空航天出版社,1994,3~6.
[8]张爱平,李金城.基于DS18B20的智能温度控制器[M].北华航天工业学院报,2007,6~12.
[9]高峰.单片微机应用系统设计及实用技术[J].北京: 机械工业出社. 2004,2~10.
[10]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2003,15~22.
[11]Yang. Y. and Kim. B.Optimum design for a new loadmatching. [J].2001,44,22 ~27.
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[13] 赵景波.Prote199SE应用与实例教程[J].北京:人民邮电出版社,2009,3~9.