摘 要

随着科技日新月异的发展，人们在生活各个领域都有了技术上的革新，畜牧业也是如此。就孵化技术而言，人们已不满足于传统的由母禽来自由孵化，而是通过智能化的人工孵化系统来实现自主孵化。本次设计就是通过以单片机为核心，以网页端来控制实现孵化的智能化控制。

当前的工业生产和自动控制过程中，温度都是不可或缺的参数，基本所有的物理化学变化均存在温度的影响因素，所以在进行系统运转过程中就应该注重温度的检测与调控。单片机因为其效率较高，体积微小以及工作稳定等优点，在现今生产生活中的温度检测，数据处理和显示方面承担着重要的作用，而且其成本一般不高，广泛性也远超其他测温方法。

本文对设计背景和设计思路进行了简单的解释，介绍了系统的硬件部分和软件部分。本次设计利用ESP8266模块控制温度传感器DS18B20的进行恒温控制，并且与服务器通讯从而用网页端显示温度，从而实现智能孵化器的效果。

关键词：智能化，恒温控制，孵化器，单片机

Abstract

With the rapidly-changed development of science，innovation in technology field has taken place in various aspect of human＇s life such as animal husbandry field．When it comes to hatching technology，people is becoming unsatisfied to the traditional way of hatching which means eggs are hatched by hens．They resort to the intellective artificial hatching system to hatch eggs automatically instead．This design is planning to realize the intellective hatching system by using the MCU as a core and applying web site to control.

Temperature is always an indispensable parameter in current manufacturing and automation progress，and nearly all the physical or chemical reactions are affected by the temperature factor．So it is very important to check and control it when system is running．Due to the advantages of high efficiency，small volume，stable work and so on．nowadays MCU plays an important role in temperature testing，statistic processing and displaying．Furthermore，MCU has a wider range of usage than other methods because of its cheaper price.

This article gives a simple explanation of the design background and ideas，and introduce both hardware part and software part of this system．This design uses ESP8266 module to control the temperature sensor DS18B20 to maintain the temperature value and to communicate with server to display the data in the form of website，which finally achieve the Intelligent incubator.

Keywords：intellective，constant temperature control，incubator，MCU

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究实现孵化器恒温控制系统的意义 1

1.2 智能孵化器的国内外发展现状 1

1.3孵化的设定和环境要求 2

1.4孵化方案和指标的确定 3

第2章 总体方案设计 4

2.1温度测量电路方案论证 4

2.2显示方案论证 4

2.3加热元件的选择 5

2.4系统整体框架 5

第3章 系统硬件介绍 7

3.1温度采集电路 7

3.1.1 DS18B20温度传感器介绍 7

3.1.2 DS18B20温度传感器特性 7

3.1.3 DS18B20温度传感器结构 8

3.1.3 DS18B20测温原理介绍 11

3.1.4接口电路 12

3.2 单片机和无线通信电路 12

3.2.1 ESP8266模块特点 12

3.2.2 ESP8266模块结构 13

3.3 孵化箱设计 15

3.3.1材料选择 16

3.3.2 结构区间介绍 16

第4章 系统软件设计 18

4.1 PID恒温控制 18

4.2 服务器和网页设计 19

4.2.1 工作原理 19

4.2.2 网页设计 20

第5章 结果与展望 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1研究实现孵化器恒温控制系统的意义

我国是人口大国，人口众多对应生活成本高，所以中国也是生产大国。尽管我国生产的各种作物以及肉类在世界处于前列，但是因为人口基数大，其实生产的产量往往不能满足全体国人的需求。所以为了我国的人人温饱的目标，更进一步为了实现食物出口的远望，迅速提高食物生产的效率和产量是当务之急。家禽养殖业作为我国生产类中的主要产业，更是国家需要重点投入的地方。近几年随着我国家禽养殖业技术的不断进步，禽类产品的综合产量也不断上涨，其中各种蛋类作为我国居民的主要蛋白质摄入来源，更是需要大批量的生产以满足消费者的需求。这便要求我国要普遍实现规模化、高效化、集成化的批量蛋类生产线，其中蛋类的孵化就是关键的一环，因为只有提升孵化速率和成功率，才能孕育更多的禽类，下更多的蛋，从而提高产量。就目前而言，我国很多民营的养鸡场还未普及自动化的孵化系统，而是通过人工来进行孵化步骤的操控，人工操作的缺点就是经常会出现失误的操作和不精确的操作，从而严重影响孵化的效率和雏禽的质量。所以现在最要紧的就是研究低成本的高效、高自动化的孵化系统，并将其推广使得那些民营的生产基地也有能力使用，以此提高整体的雏禽质量、产量，进一步地提高经济效应。而由单片机驱动的自动恒温孵化器就是一个非常符合要求的选择，也是优质、高效和高产的最佳保证，因为孵化的环境条件就是需要保持恒定的温度和恒定的湿度，然而由程序控制的高精度的恒温条件明显比母禽的体温更稳定和准确，由此提高孵化成功率。而且其低成本和易生产性很适合作为广泛推广的孵化系统。

1.2 智能孵化器的国内外发展现状

在上世纪80年代到90年代，全世界的家禽养殖业都进入了一个极大的跃升阶段，其主要原因是人口爆炸导致的对禽类产品的急速增长的需求压力。并且在接下来到现在的几十年，人口的增长速率一直都只增不减，故这种压力也在持续地增长。基于这种情况，国外的养禽业日益壮大，各种高新的孵化装备也更迭不停地涌现。以美国为例，美国是世界上养鸡业最发达的国家之一，其普遍使用的孵化器也是全球最先进的，美国鸡王孵化器公司等公司的产品也一直引领着世界孵化设备的发展。尤其是随着计算机技术应用领域的不断扩宽，应用在养殖业上也带来了巨大的变革。温湿度传感器的研发和由电脑控制的风扇散热系统都使得孵化环境得到了极大的改善。另外由计算机控制机械的全自动翻蛋系统也发挥了很大的作用，大大提高了孵化的效率和成功率。由此可见，国外的孵化器革新一直在朝着自动化、智能化、标准化、配套化的方向不断进步。

相较之下，我国孵化器的发展稍稍逊色于美国。一方面因为早期我国在家禽养殖业的资金投入占比较小，远远不及美国；另一方面当时我国科技落后于美国，很多高新技术被美国控制，只能通过进口美国产品，无疑加大了生产成本和技术落后差距。然而后来人口增长带来的需求压力使国家重视养殖业的发展，在80年代开始加大资金投入和技术研发力度。当时我国研制了自己的孵化器品牌，从而大大促进了国内家禽养殖业的发展。到了近几年，我国已经更新了几代自主研发的孵化器品牌，并且连续25产出全球最高的生产量。但是值得注意的是我国虽然产量很高，然而大部分的产量来自民营养鸡厂甚至是一些散户自己放养的鸡，而这部分的生产是不具备自动化的孵化系统的。所以我国当前的现状是仍处在小规模大群体的生产模式，也就是说智能孵化器的普及率还不高。因此降低智能孵化器生产成本来提高普及率，更进一步地提高孵化器的智能化来提高生产效率是迫在眉睫的。

1.3孵化的设定和环境要求

鸡蛋的孵化过程一般有两个步骤：孵化和育雏。其中孵化是指生下来后未经过任何处理的鸡蛋被放置在合适的环境下直到出雏的过程，该过程的关键是创造适合孵化的环境条件并且时刻保持环境的这种适合性。近几年我国常用两种孵化方法：一种是变温孵化，另一种是恒温孵化。变温孵化重在结合胚胎随时间变化的最适温度情况，不断调整孵化的温度值，从而一般将整个孵化器过程分成4个阶段。每一个阶段大概5至6天，对应的胚胎最适孵化温度随时间慢慢降低。变温孵化适用于单一孵化器的批量孵化，一般采取一次一批、孵完换批的孵化方案。另外这种孵化方案不只是根据孵化时间来调整温度，孵化外部环境温度的变化也是一个必须考虑的重要影响因素。但相应的如果条件足够优越，可以确保孵化厂的环境温度维持在某一合适的恒定值时，就可以达到一个比较完美的孵化环境。变温孵化一般比较适用于大部分中小型孵化基地，其具体的施加温度视不同工厂的硬件条件和环境条件而定。而恒温孵化的孵化阶段施温37.8℃，育雏阶段施温37.2℃。这种施温方案要求孵化厂的环境温度保持在20~24℃，相对湿度保持在60%~70%。因而对孵化厂各方面的辅助设备，包括恒温、恒湿设备，以及房屋的保温通风条件要求较高。恒温孵化常采取将孵化和出雏分批进行的孵化方法，也就是持续送入孵化同时持续出雏。目前这种施温方案主要为大型的商品肉禽孵化厂所采用。

1.4孵化方案和指标的确定

首先本次设计决定采用的是恒温孵化，因为其更适用于大规模的生产，更值得进行提高。另外根据对网上目前主流的家用孵化器的功用调查，发现这些产品主要是维持孵化过程的环境稳定，等到了出雏阶段就将鸡蛋转移到育雏箱等待雏鸡破壳。结合实际情况，故本次设计的主要任务就是保证孵化阶段的恒温控制。

恒温孵化的孵化阶段要求37.8℃，所以本次设计设定恒温值为37.8℃，总体温度可变化范围为0˜50℃，精度为0.5℃。

第2章 总体方案设计

2.1温度测量电路方案论证

方案一：利用热敏电阻来测量温度。热敏电阻是利用金属导体电阻随温度升高而增加这一特性来测量温度的，是在低温区使用频率最高的一种测温元件。通过测量电阻的变化值，然后用AD处理器进行数据转换，最后用单片机进行数据处理，输出数据显示。

方案二：利用热电偶来测量温度。热电偶是利用塞贝克效应（两种不同材料的导体或半导体两端通过焊接连接成闭合回路，如果两连接端温度不同，便会产生电动势，从而在回路中产生热电流）来测量温度的。然后同样也是采集电压值的变化量，用AD处理器转换数据，最后传输给单片机处理后输出。

方案三：利用数字型温度传感器DS18B20来测量温度。DS18B20是一种不需要添加外围元件，感应部分和数据转换部分高度集成的数字型温度传感器。该传感器能够读取数据，然后输出数字信号并且进行数据处理，然后传输给单片机。

综合而言，这三种方案均需要单片机为核心，而且测量的精度和范围均能满足设计的要求，相异的是测温部分的差异。如果采用方案一和方案，因为其输出电压非常小，故需要经过信号匹配放大电路将信号放大才能进行数据处理，另外在将数据传输到单片机之前还要添加AD转换电路将模拟信号转换为数字信号。最关键的一点是热电阻和和热电偶都有非线性的特点，会导致温度数据处理难度的增加。然而方案三使用的DS18B20数字温度传感器因为其高度集成型，可以自行采集温度数据然后输出数字信号，并且其内部可以通过斜率累加器来修正温度数据的非线性。而且它连接条件简单，只需使用一个单片机I/O接口，可以极大缩减电路的复杂性。综上所述，方案三既可以满足设计的温度精度和范围要求，也可以使电路和编程更简单，所以最终决定采用方案三。

2.2显示方案论证

方案一：利用LCD1602液晶显示屏进行数据显示

方案二：利用WIFI模块与电脑通信然后网页端显示数据曲线图

LCD1602是利用电压变化来改变液晶的物理性质来在屏幕上显示字符。它是字符型液晶，能够清楚简单地显示字母和数字。而且它可以只用4个串口来分批传输数据，不需要占用过多的单片机I/O口。所以它具有控制简单、占用资源少、成本低等优点。但是其缺点也很明显，比如它显示模式很局限，只能显示字符，而不能显示图形和曲线等。

对比而言，网页端显示数据毫无疑问有着更丰富的显示效果。由于网页界面可以自主设计，数据可以得到更好更美观的展示，而且网页端可以显示曲线图，对于本次设计的恒温系统而言，显示温度曲线比单纯的数字更能表现出温度的变化。结合时代发展而言，孵化器用网页端显示体现了物联网思想，更加符合智能孵化器的主题。虽然网页端需要用到无线WIFI模块ESP8266模块，其成本比LCD1602更高，但是在预算范围内。而且ESP8266模块不仅可以实现与网络服务器的数据传输，由于其内部包含单片机芯片，可以进行数据处理，换言之也就是可以取代51单片机的功用，从而无需用51单片机来驱动温度传感器DS18B20，大大简化了整体电路的复杂性。

综上所述，本次设计决定采用方案二来进行数据显示，以强化孵化器的智能化。

2.3系统整体框架

整体系统的核心是ESP8266无线WIFI模块，不仅承担单片机核心作用，还负责与网页端的通讯。加热部分由铺设在孵化箱内的电热丝实现，而由温度测量部分由同样设置在孵化箱内的DS18B20温度传感器来完成。然后采集到的温度数据被传输到ESP8266模块，然后ESP8266模块一方面烧录PID算法实现恒温控制，另一方面将数据通过传输协议与服务器通讯，将温度信息显示在网页端上。整体结构框图如图2.1所示：

图 2.1 系统结构框图

第3章 系统硬件设计

3.1 孵化箱设计

本次设计的主题是智能孵化器，那么控温对象自然是孵化箱。综合考虑设计的成本因素和加热元件功率因素，决定了一个较为合适的箱体大小：长150mm，宽100mm，高150mm。整个箱体中间被隔板隔开，从而被设计成2个部分：上半部分是模拟的孵化空间；下半部分是电路空间。整体结构图如图3.1所示：

图 3.1 孵化箱结构图

3.1.1材料选择

工业上的大规模孵化基地的孵化箱都是使用金属材料，而市面上售卖的家用小型孵化器都是用的塑料孵化箱。本次设计决定采用亚克力有机玻璃作为箱体的材料。亚克力是一种可塑性很高的材料，同时具备透明性、化学稳定性、易染色性等诸多优点。亚克力的耐热性虽然不是很强，最高受热温度在95℃左右，而且长期处于在70℃以上环境会发生热变形，但是结合本次设计条件而言，孵化箱恒温控制37.8℃左右，电热丝的最高温度也仅有50℃，所以亚克力还是符合需求的。另外其成本也不高，加工起来十分方便。所以最终决定比较美观的黑色亚克力板来做成箱体，而且壁厚选择4mm，既结实也不会太过沉重。

3.1.2 结构区间介绍

孵化空间就是用来模拟放置鸡蛋的地方，也是需要实现恒温控制的区域，所以该区域应该有加热元件和感温元件。硅胶电热丝设置在隔板底部起到加热作用，DS18B20温度传感器则设置在箱壁上测量温度。整个孵化空间的大小为：长150mm，宽100mm，高100mm。然后底部隔板处留有5mm的倒角，以方便电路的通线。顶部则是一个可以自由打开的活页盖，既可以打开放置物品，亦可以关闭创造一个相对密封的恒温环境。

电路空间则是用来放置控制电路和电源线的。ESP8266无线WIFI模块作为系统的控制核心和无线通讯功能元件，通过隔板倒角接线与孵化空间的电热丝和温度传感器相连。箱体右壁则打了一个直径12mm的孔，用来放置DC接头，从而给电热丝供应12V的直流电源。而且触摸开关也被设置在这个空间来控制孵化箱的关停。整个空间大小为：长150mm，宽100mm，高50mm。然后底部也是设计成可自由开关的活页盖以方便电路的调节。

3.2电源电路设计

3.2.1电源电压选择

本次设计的元器件都是直流电源供电，常用的直流电压有12V,24V和36V。鉴于本次设计的各个元件的工作电压都在5V及以下，所以24V和36V都过高而且不安全，不适合作为电源，因此选择12V直流电源。

本次设计具体选择的12V的电源适配器，其输入电压为220V，输出电压为12V，输出电流为5A，并且通过5.5*2.5mm或者5.5*2.1,mm的DC接头与电路连接。

3.2.2降压电路设计

温度传感器DS18B20的工作电压为3V到5V,无线WIFI模块工作电压为3.3V所以需要对12V电源进行降压处理。

降压有2种方案，一种是直接从12V降到3.3V，一种是先将12V降到5V，再降到3.3V。本次设计决定采用二次降压，因为第一种方案压降太大，对稳压芯片要求很高，而且电路也更不稳定。综合成本问题考虑，采用ASM1117稳压芯片来实现12V到5V的降压，至于5V到3.3V，ESP8266开发板内置了稳压电路可以实现。降压电路图如图3.2所示：

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