第三章系统硬件设计3.1 孵化恒温箱的介绍本系统使用单片机AT89C2051来实现对孵化箱温度的控制，蛋类孵化是一个复杂的生物学过程，其内部环境条件随着不同的孵化进程，发生较大的变化。
孵化温度一般就认为是孵箱内部温度，孵化温度控制的原则和依据“看胎施温”是孵化温度控制的原则。
孵化温度控制的影响因素孵化箱的类型、规模、密封程度、进出气孔的大小、加热系统与孵化规模的匹配程度、孵化的家禽种类、孵化箱的室温等等，每个因素的变化都会影响到孵化温度的稳定。
温度是家禽孵化的首要条件，保持合适的温度是获得较高孵化率及健雏率的前提，虽然孵化的最佳温度是37.8℃，然而在生产中还应该根据实际情况来进行温度的控制，本文就鸡种蛋孵化不同情况下的温度控制进行论述。
孵化是养鸡生产中一项重要的技术环节。
种蛋质量和孵化条件影响种蛋的孵化率和健雏率，而在孵化条件中，温度自始至终是禽蛋孵化中的主要矛盾，起主导作用。
根据胚胎发育状况掌握好孵化温度是禽蛋孵化稳产高产的关键，即必须给胚胎提供一个最适宜的环境温度，这样才能正常完成胚胎的发育，获得较高的孵化率和健雏率。
虽然在孵化中有一个最佳温度。
然而在实际生产中，影响温度的因素很多。
以下是鸡种蛋孵化生产中温度控制的一些基本原则。
温度范围与最佳温度孵化中低于某一温度胚胎发育将被抑制。
要高于某一温度，胚胎才开始发育，这一温度被称为“生理零度”，也叫临界温度，一般认为鸡的生理零度约为23.9℃，同时胚胎发育对环境温度有一定的适应能力，以鸡为例，温度在35～40.5℃之间，都会有一些种蛋孵出小鸡。
在35～40.5℃之间这个温度范围内有一个最佳温度，应该环境温度保持在24～26℃，孵化箱内的最佳温度为37.8℃。
环境温度对孵化有一定的影响，环境温度的高低主要影响孵化过程温度控制的精确度。
在生产中一般根据不同地域、不同季节而灵活掌握。
恒温孵化和变温孵化是根据环境温度的不同而经常采用的两种孵化方式，恒温孵化与变温孵化如果操作恰当均可取得较好的效果。
恒温孵化是在孵化过程中把温度控制在37.0～38.0℃之间，恒温孵化对孵化的环境要求条件较高，环境温度应该保持在22～26℃之间，并且要通风良好。
变温孵化是根据孵化机类型、孵化室温度和胚胎发育日龄，给予不同的温度。
如果环境温度低于20℃，则孵化温度可比最佳温度高0.5～0.7℃；如果环境温度高于30℃，则可以降低孵化温度0.2～0.6℃。
表3.1为一个变温孵化方案[3]。
本设计采用的是恒温孵化，一般来说，要想达到理想的孵化效果，大约在37.0～38.0℃。
这个温度范围就是我们孵化时所要给禽蛋的温度参考值。
本文介绍的禽蛋孵化恒温箱电路，能将恒温箱的温度自动控制在37.0～38.0℃之间。
表3.1 变温孵化方案（℃）3.2 单片机系统3.2.1 单片机最小系统电路单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是处理数据、系统管理及实现控制算法的处理器。
针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。
在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：1）单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I/O口引脚数量等；2）单片机的增强功能，例如看门狗、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、CAN接口等；3）单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是选择Flash存储器；4）芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等，选择DIP 封装在搭建实验电路时会更加方便一些；5）芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；6）单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8～3.6V电压范围内工作；7）单片机的抗干扰性能好；8）编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；9）供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。
根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统最终选用了ATMEL公司生产的AT89C2051单片机作为主控模块的核心芯12Y112MHz33pF33pF10uFRST+5V+5VR11KR210KRST 1(RXD)P3.02(TXD)P3.13XTAL24XTAL15(INT0)P3.26(INT1)P3.37(T0)P3.48(T1)P3.59GND 10Vcc 20P1.719P1.618P1.517P1.416P1.315P1.214P1.1(AIN1)13P1.0(AIN0)12P3.711*AT89C2051（1）AT89C2051简介AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
（2）AT89C2051的性能结构AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器[6]。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
（3）主要功能特性2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（FLASH EEPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可重复擦写1000次，数据保存时间10年。
工作电压范围：2.7～6V，工作频率：0～24MHz，15根可编程I/O引线，两个16位定时器/计数器，六个中断源，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器，两级程序加密，输出口可直接驱动LED显示，低功耗的闲置和调电保护工作方式，以及片内振荡器和时钟电路。
由于AT89C2051单片机功能强大，且体积小（芯片只有20个引脚），所以它在许多嵌入式和便携式测控系统中得到广泛应用，如机电式或电子式电度表、智能煤气表、测速仪等智能仪器[7]。
（4）性能价格比下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下AT89C2051的性能价比。
1）与80C31系统相比较如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64，而系统的有效引脚和AT89C2051基本相同。
从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用AT89C2051都是合算的。
2）与PIC单片机比较目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，AT89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：AT89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，AT89C2051片内不含Watch Dog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统[8]。
由于PIC芯片中无标准串口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。
与PIC相比AT89C2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。
（5）应用就目前中国市场的情况来看，AT89C2051有很大的市场。
其原因有下列4点：1）采用的是MCS-51的核心，十分容易为广大用户所接受；2）内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；3）AT89C2051的Flash存贮器技术，可重复擦写1000次以上，容易解闷调试手段；4）更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。
AT89C2051适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不足不是很大的应用系统。
3.3 温度传感器3.3.1 DS18B20基本知识DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器[9]。
DS18B20的主要特性：（1）只要求一个端口即可实现通信。
（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（6）内部有温度上、下限告警设置。
3.3.2 DS18B20的引脚及内部结构其引脚分布如图3.2所示图3.2 DS18B20引脚图引脚功能如下：1）NC （1、2、6、7、8脚）：空引脚，悬空不使用； 2）VDD （3脚）：可选电源脚，电源电压范围3～5.5V ； 3）DQ （4脚）：数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。
内部结构如图3.3所示：图3.3 DS18B20内部结构图3.3.3 DS18B20测温原理DS18B20的测温原理如图3.3所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时NC NCDQ NCNCNC GND温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值[10]。
DS18B20在正常使用时的测温分辨率为0.5℃，如果要更高的精度，则在对DS18B20测温原理进行详细分析的基础上，采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方法，将DS18B20的测温分辨率提高到0.1～0.01℃。
图3.4 测温原理图3.3.4 DS18B20与单片机接口电路P1.3口和DSl8B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。
U2即为温度传感芯片DSl8B20，本设计虽然只使用了一片DSl8B20，但由于不存在远程温度测量的考虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如图3.4所示。