基于STC12C5608AD的智能孵化器电路设计

基于STC12C5608AD的智能孵化器电路设计
针对小型孵化器，本文提出了一种以Pt1000等传感器和STC12C5608AD单片机等组成的智能孵化器控制电路，能根据孵化种类自动控制整个孵化和育雏过程的温湿度变化。

标签：Pt1000；STC12C5608AD；智能孵化器
0.引言
规模化养殖离不开人工孵化器，传统的孵化器离不开人的控制干预，工作量很大，效果不是很理想；要研究孵化条件和孵化规律的关系就比较难。

高精度的智能孵化器就能很好地解决上述问题，在生产实际中也有较大的应用价值。

影响孵化的一个关键因素为温度。

目前常见的孵化器的测温传感器大多采用18B20，LM35等半导体传感器或Pt100等，有些简单的孵化器甚至采用热敏电阻，用体温计对比。

存在着测量精度低，一致性差，调试麻烦等问题。

本文采用进口A级Pt1000作为温度传感器，具有零点准确（经过激光修正，常见的0℃阻值为999.986～1000.013Ω，误差可以忽略），分度值一致性好等特点。

1.测量电路和原理
1.1测量原理
测量原理如图1.1所示：温湿度传感器测得的参数经电路变换后送到单片机的A/D输入端测量温湿度值，与软件中设定的值比较后，通过对应的I/O口控制加热和加湿电路，使温湿度达到要求的值；同时显示该阶段软件设定的参数值、测量的数值及当前的工作状态。

根据软件的设定参数控制翻蛋电机作一定周期的左右翻蛋和送入新鲜空气。

进水单独自动控制，照明和风扇独立控制。

1.2STC12C5608AD单片机
STC12C5608AD是南通国芯微电子有限公司推出的STC12C5620AD系列中8k字节用户应用程序空间的高速、低功耗、超强抗干扰、指令完全兼容传统51系列的单片机，具有单时钟/机器周期，内部集成有8路10位高速A/D、专用复位电路、EEPROM、看门狗等，可ISP/IAP（见图1.2）。

1.3测温电路
测温电路如图1.3所示，Pt1000（RT1）采用三线制（如图中粗线所示），以降低引线电阻等的影响，RM1为10ppm的精密电阻作为基准电阻，U1构成差分
放大电路，温度变化时，RT1的阻值发生变化引起分压变化，该变化值由U1放大，为了减轻Pt1000的自热影响，电流要足够小，本电路选50μA左右。

由于Pt1000的特性是非线性的，温度升高，灵敏度降低，利用R6的正反馈作用作线性校正，C1、R4、C2等组成低通滤波电路。

U2等组成同相比例放大，输出直接接到单片机的A/D输入端，温度为50℃时输出电压等于单片机的电源电压Vcc。

10位A/D的转换数据为
式中
Vin为A/D的输入电压，
Vcc为单片机的电源电压
从式（1-1）可知，温度为50℃时，单片机A/D转换的数据N为
最小温度分辨力d为
从式1-3可知，温度测量的分辨力优于0.05℃，放大电路的测量精度优于0.03℃（实测），本电路的测量误差<0.1℃。

由于在整个孵化过程中，温度是决定因素，范围又很窄，对测量精度和控温精度要求都较高，故显示和设定都选用三位数码管，则最小显示值为0.1℃。

1.4湿度测量电路
湿度测量采用现成的模块电路，满量程（100%RH）输出电压为3V，将输出端直接接单片机的A/D输入。

A/D转换的数值N为
即100%RH的相对湿度通过A/D转换后的数据是614，则
湿度测量的分辨力d为
由于湿度的测量精度比较低，一般大于3%，常见的是5%，加之湿度的影响相对较小，湿度测量的最小显示值选1%，则测量和设定数码管都用两位。

1.5加热控制电路
由于加热功率有200W左右，为了保证控温精度，采用PWM方式控制，加热器的加热周期为1S，如采用继电器（动作寿命约10万次），则因为频繁动作而工作不可靠，故采用寿命更长的半导体器件---双向可控硅。

为了与弱电隔离和减轻干扰，采用过零触发的光耦驱动，电路如图1.5所示。

图中R1为限流电阻，为了降低单片机的功耗，采用灌电流驱动。

过零触发光耦MOC3083采用厂家推
荐的应用电路与参数。

1.6显示驱动电路
设定和状态显示电路如图1.6所示。

为了减少占用单片机的口线数量，采用动态驱动显示和串转并及译码显示。

U1为3-8译码，五位数码管和8个发光管分成6组，译码后驱动对应的三极管使对应的数码和状态分时显示出来，显示的数据和状态由串行—并行电路U2驱动，由于采用了高亮的数码管和发光管，显示的电流比较小，U2能直接驱动。

R1～R16为限流电阻。

测量数据的显示与此类似，单独一片74HC164驱动，Q1～Q共用（在此不再赘述）。

1.7键盘电路
为了尽量减少单片机口的使用量，键盘电路采用A/D转换的方式，只要一根口线就可以接很多个按键，按照10位的A/D，理论上可以接210=1024个按键，一般没必要也不可能接这么多。

同时考虑到电阻的选配方便，一般的电压间隔都较大。

本电路采用5个按键，每个按键之间的电压差选1V，采用图1.7的电路，则S1按下，输出0V，S2按下1V，S3按下2V，S4按下3V，S5按下4V，取R1=10k，则
同理
实际可以取4.2或4.3kΩ
同理R4=8.3kΩ，R5=25kΩ
1.8其他电路
其它电路主要包括湿度控制、换气控制、放蛋盘的左右翻，这些电路的结构接近，都有继电器驱动，由于单片机的驱动能力有限，中间加ULN2003集成块驱动。

电源电路采用常见的变压器隔离降压、电容滤波、三端稳压的结构。

2.软件设计
软件部分主要包括键盘输入子程序，看门狗子程序，计时子程序，鸡、鸭、鹅、鸽子、其它的孵化子程序，控温子程序、翻蛋子程序、换气子程序、显示子程序等。

程序流程如下：
3.使用效果
本控制电路经过实际孵化，效果良好。

第一批放了50个蛋，孵化期间打破6个蛋检查孵化情况，2个破蛋脱水不能孵化，3个蛋的胚胎没有发育（不是受精蛋），2只胎死腹中，实际孵化成功37只，只只健康活泼，养了20天，全部健康成长。

实际孵化率为
37÷39×100%=94.87%
可见本控制电路的孵化效果良好。

4.结语
本电路由于采用了A级进口Pt1000作为测温元件，配以稳定的测量电路，使测温准确，同时由于采用PWM控温，周期仅为1秒，控温的准确度比较高，温度波动很小，由于是单片机根据孵化进程自动控制，没有人工干预，人为影响很小，也提高了孵化效果。

参考文献：
[1]倪志莲.单片机应用技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007.
[2]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]国家技术监督局计量司.90国际温标通用热电阻分度表手册[S].北京：中国计量出版社，1994.
[4]STC12C5620AD系列单片机器件手册.
[5]李升阳，武道留.家禽孵化与育雏技术[M].北京：中国农业出版社，2003.。