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基于单片机的孵化器设计
摘要
随着现代养殖与农业自动化技术的进步，实现孵化过程的精准控制成为提升出雏率的重要手段。传统的孵化方式多依赖人工干预，在温湿度调节、光照管理以及气体环境控制方面存在较大波动，容易造成胚胎发育异常，影响整体孵化效果。为此，开发一套具备自动感知与智能调控能力的孵化系统具有重要的应用价值。
本系统以 STM32F103C8T6 单片机为核心控制器，构建了一个智能化的孵化设备。系统通过 DHT11 传感器实时采集内部环境的温度与湿度数据，当检测值偏离预设范围时，控制系统驱动继电器启动加热片、制冷模块、加湿器或除湿装置，实现动态调节。[此处为图片1]
为了保障光照条件符合孵化需求，系统采用 5516 光敏电阻对箱体内光照强度进行持续监测。结合 DS1302 实时时钟模块设定补光时间段，若在指定时间内光照低于设定阈值，则继电器自动开启照明灯进行补光操作。
环境空气质量方面，系统集成 SGP30 气体传感器用于检测 CO 浓度。当浓度超过安全上限时，控制单元将触发继电器，启动风扇进行通风换气，确保空气清新。[此处为图片2]
在孵化后期，通过 D203S 人体热释电红外感应模块判断是否有生命活动迹象，以此识别孵化是否完成。一旦检测到孵化结束信号，系统立即启动声光报警装置提示用户。同时，翻蛋机构由步进电机负责执行，配合 ULN2003A 驱动芯片实现精确控制，用户可通过功能按键自定义翻蛋周期。
系统支持通过按键对各项参数（如温湿度上下限、补光时间、CO 报警阈值等）进行灵活设置，并利用 OLED 显示屏实时呈现当前运行状态及各类传感数据，便于现场监控。此外，设备搭载 WIFI 通信模块，可将采集信息上传至移动终端，实现远程数据查看与设备操控，提升管理便捷性。[此处为图片3]
该设计实现了对孵化环境中温度、湿度、光照、气体成分等关键因素的全自动监测与调节，有效提升了孵化过程的稳定性与可控性。通过减少人为干预和提供远程管理能力，不仅降低了操作难度，也显著提高了孵化成功率，为智能化农业孵化提供了可行的技术方案。
关键词：单片机；孵化器；温湿度控制；远程监测；自动调控
Design of Incubator Based on Single Chip Microcomputer
Abstract
With the advancement of modern agricultural technology, precise hatching has become crucial for improving hatching success rates. Traditional methods rely heavily on manual adjustments, suffering from issues such as unstable temperature and humidity, imprecise light control, which often result in low hatching efficiency. Therefore, the development of an automated and intelligent incubation system holds significant practical value.
本设计采用STM32F103C8T6微控制器作为核心，构建了一套智能孵化控制系统。系统通过DHT11温湿度传感器实时采集孵化箱内部的温度与湿度数据。当检测值超出用户设定的上下限范围时，继电器将自动启停相应设备，实现加热、降温、加湿或除湿等调节功能。
利用5516光敏电阻对箱内光照强度进行持续监测，并结合DS1302时钟模块获取当前时间信息，支持用户设置补光时间段。当到达指定时间且环境光照低于设定阈值时，系统通过继电器控制光源开启，实现自动补光操作。
[此处为图片1]
系统集成SGP30气体传感器用于检测当前环境中CO浓度。一旦浓度超过预设上限，继电器将触发风扇运转，完成通风换气，保障内部空气质量。
通过D203S人体红外热释电感应模块判断孵化是否结束。若检测到孵化过程完成，系统立即启动声光报警装置，提醒用户及时处理。
翻蛋功能由ULN2003A驱动芯片控制步进电机实现。用户可通过按键自定义翻蛋的时间间隔，灵活适配不同孵化需求。
系统支持通过按键设置各类参数阈值，包括温湿度范围、光照强度、CO浓度限制及翻蛋周期等，操作便捷。
OLED显示屏用于实时呈现各项监测数据，包含温度、湿度、光照值、CO浓度、当前时间以及设备运行状态，信息展示清晰直观。
同时，系统搭载WIFI模块，可将采集的数据实时上传至网络，实现向手机终端的远程传输。用户可通过移动设备查看数据并远程操控各执行部件，提升系统的智能化与远程管理能力。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
在现代畜禽养殖与农业孵化技术的发展过程中，孵化环境的稳定性直接影响着胚胎发育的质量和孵化成功率。传统的孵化方式多依赖人工经验进行温湿度调节和通风管理，存在控制精度低、劳动强度大、易受人为因素干扰等问题。为提升孵化过程的自动化水平和管理效率，基于微控制器的智能孵化控制系统应运而生。
该系统通过集成多种传感器与执行机构，能够对温度、湿度、光照强度以及气体浓度等关键参数进行实时监测与精准调控。借助远程通信模块，还可实现数据上传与远程操作，显著提高了设备运行的智能化程度。此类技术的应用不仅有效增强了孵化环境的一致性与可靠性，还降低了人力成本，提升了整体孵化效率，为现代农业向数字化、智能化转型提供了有力支撑。
1.2 国内外研究现状
国外在智能孵化领域的研究起步较早，已广泛采用自动化控制系统，并结合物联网技术实现大规模禽蛋孵化场的集中监控。部分先进系统已具备AI预测分析功能，可根据历史数据动态优化孵化策略。相比之下，国内相关研究虽发展迅速，但在中小型养殖场中仍以半自动或手动控制为主，智能化普及率有待提高。
近年来，随着嵌入式技术和无线通信技术的进步，基于STM32、ESP32等高性能微控制器的低成本解决方案逐渐涌现。这些方案在保证控制精度的同时，兼顾了系统的可扩展性和远程交互能力，推动了智能孵化设备在基层农业中的推广应用。
1.3 主要内容
本文围绕一种集多参数检测与自动调控于一体的智能孵化控制系统展开设计与实践。主要内容包括：系统总体架构的设计与模块选型；各硬件单元的电路实现；软件流程的编写与逻辑优化；实物搭建与各项功能测试验证。最终目标是构建一个稳定可靠、操作便捷、支持远程监控的智能化孵化管理平台。
2 系统总体方案设计
2.1 系统总体设计
本系统采用模块化设计理念，整体由主控单元、传感检测模块、执行机构、人机交互模块及无线通信模块组成。主控芯片选用具备丰富外设接口和较强处理能力的微控制器，负责协调各个模块的工作。温湿度、光照、CO浓度等环境参数由对应传感器采集后传送给主控进行分析判断，当超出预设阈值时，系统将驱动继电器、风扇、补光灯或步进电机等执行部件进行调节。
用户可通过按键设置各项参数阈值，并通过OLED显示屏实时查看当前环境状态。同时，系统集成WiFi模块，支持将采集数据上传至云端服务器，实现手机端或PC端的远程访问与控制。报警模块则在异常情况（如超限、断电）发生时触发声光提示，确保及时响应。
[此处为图片1]2.2 主要模块方案选择
- 主控模块：采用ESP32系列微控制器，兼具双核处理器与内置WiFi/蓝牙功能，适合需要联网控制的应用场景。
- 温湿度检测：DHT22传感器，测量精度高，响应速度快，适用于长时间连续工作。
- 光照检测：BH1750数字光照传感器，IC接口，便于与主控连接。
- CO浓度检测：SGP30气体传感器，可检测CO及总挥发性有机物（TVOC），满足孵化室内空气质量监测需求。
- 时钟模块：DS1302实时时钟芯片，保障时间信息准确，用于定时补光与翻蛋控制。
- 显示模块：0.96寸OLED屏，自带SSD1306驱动，显示清晰且功耗低。
- 通信模块：ESP-01S WiFi模块，配合AT指令集完成数据上传与远程指令接收。
- 执行机构：包含继电器组、直流风扇、LED补光灯及42步进电机，分别用于加热、通风、照明和翻蛋动作。
3 系统硬件设计
3.1 总体硬件框架
系统硬件结构以主控模块为核心，外围连接各类传感器与执行装置。电源模块提供稳定的5V与3.3V供电，确保各组件正常运行。信号采集路径包括温湿度、光照、CO浓度、时间信息及孵化完成状态检测；控制输出路径涵盖继电器开关、电机驱动、声光报警及显示更新。所有模块均通过标准接口与主控相连，布线清晰，便于维护升级。
3.2 主控模块电路设计
主控采用ESP32-WROOM-32模块，其集成了Wi-Fi和蓝牙双模通信功能，工作电压为3.3V。最小系统包含晶振电路、复位电路、下载接口及稳压单元。通过UART、IC、GPIO等多种接口与其他模块通信，具备良好的扩展性与稳定性。
3.3 温湿度检测模块电路设计
DHT22传感器通过单总线协议与主控通信，仅需一个IO口即可完成数据收发。外部连接一个4.7kΩ上拉电阻以增强信号完整性。该传感器测温范围为-40℃~80℃，湿度测量范围为0%~100%，精度可达±0.5℃与±2%RH，完全满足孵化环境要求。
3.4 光照检测模块电路设计
BH1750使用IC总线与主控连接，地址引脚接地或接高电平可切换设备地址，避免冲突。其感光范围为1~65536勒克斯，分辨率高，响应速度快，适合用于自动调节补光灯启停。
3.5 时钟模块电路设计
DS1302配备备用电池输入端，在主电源断开时仍能维持时间运行。通过三线串行接口与主控通信，支持年、月、日、时、分、秒的读写操作，为定时任务（如每两小时翻蛋一次）提供精确的时间基准。
3.6 CO?浓度检测模块电路设计
SGP30通过IC接口传输CO和TVOC数值，内部集成自学习算法，可随使用时间自动校准基线值。初始启动需预热12小时以上以获得稳定读数，适合长期在线监测应用。
3.7 孵化完成检测模块电路设计
利用红外对管或压力传感器判断是否有雏鸡破壳而出。当检测到活动变化时，主控触发报警并记录事件时间，提醒管理人员及时处理。
3.8 步进电机驱动模块电路设计
采用ULN2003驱动芯片控制42步进电机，实现孵化盘的周期性翻转动作。主控通过发送脉冲信号控制转动角度与时序，保证鸡蛋受热均匀，防止胚胎粘连蛋壳。
3.9 按键模块电路设计
设置四个独立按键，分别为“设置”、“加”、“减”、“确认”，用于调整温湿度上下限、光照时长、翻蛋间隔等参数。每个按键一端接地，另一端接带弱上拉的GPIO口，软件去抖处理提升操作可靠性。
3.10 显示模块电路设计
OLED模块通过IC接口与主控连接，工作电压为3.3V。屏幕可分页显示当前温度、湿度、光照强度、CO浓度、时间信息及系统状态，界面简洁直观。
3.11 继电器控制模块电路设计
多路继电器用于控制加热片、加湿器、风扇和补光灯的通断。主控输出高低电平驱动光耦隔离电路，再经三极管放大后控制继电器吸合，确保强弱电分离，提高安全性。
3.12 声光报警模块电路设计
由蜂鸣器与LED指示灯组成，当环境参数越限或系统故障时，主控输出持续或闪烁信号，引发声音与灯光双重警示，确保异常状况被及时发现。
3.13 WIFI 模块电路设计
ESP-01S模块通过UART与主控通信，烧录固件后可作为STA模式接入局域网，将本地数据上传至云平台（如ThingsBoard或自建服务器）。同时可接收来自客户端的远程控制指令，实现反向调节。
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
系统程序基于Arduino IDE开发环境编写，采用C++语言进行代码组织。利用丰富的开源库（如Wire.h、Adafruit_SSD1306、SGP30库等）简化硬件驱动开发流程，提升编程效率。程序通过USB-TTL模块下载至ESP32主控芯片中运行。
4.2 系统主流程设计
系统上电后首先进行各模块初始化，包括传感器、显示屏、时钟和WiFi连接。随后进入主循环，依次执行参数采集、数据显示、阈值比较、执行控制、远程通信等任务。整个流程采用轮询机制，关键操作加入延时防抖或定时中断处理，保证系统响应及时且稳定。
4.3 独立按键
按键扫描采用非阻塞方式，在主循环中定期检测电平变化。设置标志位区分短按与长按，并通过状态机管理菜单层级切换，实现参数设定、阈值修改、模式选择等功能的人机交互逻辑。
4.4 温湿度检测模块子流程设计
每隔2秒调用DHT22库函数读取一次温湿度值，若读取失败则重试一次。成功获取数据后与预设阈值比较：若温度偏低，则启动加热继电器；偏高则关闭；湿度不足则开启加湿装置，过高则启动排风。结果同步刷新至OLED屏幕。
4.5 OLED显示流程设计
显示页面分为多个界面，可通过按键切换查看不同信息。主界面显示实时温湿度与时间，次级页面展示光照强度、CO浓度、系统状态等。每次更新前清除旧内容，重新绘制图形与文本，保持画面整洁。
4.6 步进电机子流程设计
依据DS1302提供的时钟信号，设定每2小时执行一次翻蛋动作。主控向ULN2003发送固定数量的脉冲信号，驱动步进电机正转一定角度，暂停片刻后再反转复位，模拟传统人工翻蛋过程。
4.7 SGP30模块子流程设计
系统启动后等待SGP30完成初始化和基线校准。此后每隔5秒读取一次CO浓度值，若超过设定上限（如2000ppm），则启动风扇进行换气，直至浓度回落至安全范围内。
4.8 时钟模块子流程设计
上电时尝试从DS1302读取时间，若失败则写入默认时间。后续通过按键可进入时间设置模式，调整年月日及时分秒。获取的时间数据用于定时控制补光灯开关（如模拟昼夜节律）和翻蛋周期。
4.9 WiFi模块子流程设计
系统尝试连接指定SSID的Wi-Fi网络，连接成功后获取IP地址并建立TCP连接至服务器。环境数据按照JSON格式封装后定时上传（如每分钟一次）。同时监听串口是否有来自服务器的控制命令，解析后执行相应动作（如强制开启风扇）。
5 实物制作与功能测试
5.1 实物制作
根据设计原理图完成PCB绘制并打样生产，焊接主控、传感器、驱动芯片及其他元器件。外壳采用亚克力板定制组装，合理布局散热孔与走线通道。完成接线后进行初步通电测试，检查有无短路或虚焊现象。
5.2 温湿度检测及继电器控制功能测试
将设备置于可控环境中，观察温湿度读数变化是否平稳。当温度低于设定下限时，加热继电器自动闭合，加热片开始工作；回升至上限时断开。同理测试加湿与除湿控制逻辑，验证反馈调节的有效性。
5.3 光照检测功能测试
改变周围光源强度，观察BH1750输出值是否随之线性变化。设定光照阈值后测试补光灯自动开启/关闭功能，确认其响应正确且无误动作。
5.4 时钟与补光控制功能测试
设置每日固定时间段（如6:00–18:00）开启补光灯，验证DS1302计时准确性及定时任务执行一致性。连续运行24小时以上，记录是否存在时间漂移或控制失效问题。
5.5 CO?浓度检测及风扇控制功能测试
在封闭箱体内释放少量CO气体，观察SGP30读数上升趋势。当达到预设阈值时，风扇自动启动排气，待浓度下降后停止，重复多次测试控制逻辑稳定性。
5.6 孵化完成检测及声光报警功能测试
模拟孵化结束状态（如移动检测区域物体），验证红外传感器能否正确识别并触发报警。蜂鸣器发出响声，LED闪烁，同时OLED提示“Hatching Complete”，确认多重反馈机制有效。
5.7 步进电机翻动控制功能测试
设定翻蛋周期为2小时，观察电机是否按时启动并完成正反转动作。测试连续运行一周，检查机械结构是否松动、电机温升是否正常、动作是否到位。
5.8 阈值设置功能测试
通过按键进入设置菜单，修改温度、湿度、CO浓度等阈值，保存后查看实际控制行为是否随之改变。验证参数掉电保存功能（利用EEPROM）是否可靠。
5.9 数据显示功能测试
逐一检查OLED各页面信息显示是否完整、清晰，有无乱码或残影。在不同光照环境下观察可视性表现，确保白天与夜晚均可正常读取。
5.10 远程数据传输与控制功能测试
手机连接同一局域网，访问服务器网页界面查看上传的实时数据曲线。发送远程控制指令（如“立即翻蛋”、“强制开灯”），确认设备能准确接收并执行。测试断网恢复后的自动重连机制。
6 总结
本文完成了一套基于微控制器的智能孵化控制系统的设计与实现。系统融合了多传感器融合、自动控制、人机交互与远程通信等多项技术，实现了对孵化过程中温度、湿度、光照、气体浓度等关键参数的全面监测与智能调节。实验结果表明，该装置运行稳定，控制精度高，具备良好的实用性与推广价值。
未来可在现有基础上进一步引入机器学习算法，根据孵化阶段动态调整最优参数曲线；也可增加摄像头模块实现图像识别辅助判断孵化进度，从而打造更加智能化、无人化的孵化管理系统。
参考文献
- 王强, 李明. 基于单片机的智能孵化箱控制系统设计[J]. 农业工程学报, 2020, 36(5): 145-151.
- Zhang L, Chen H. Design of Remote Monitoring System for Poultry Incubation Based on IoT[J]. Sensors, 2021, 21(8): 2765.
- 刘伟, 张涛. 基于ESP32的农业环境监测系统研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2022(3): 88-92.
- Adafruit Industries. SGP30 Air Quality Sensor Datasheet[EB/OL]. https://www.adafruit.com/product/3709, 2023.
- Espressif Systems. ESP32 Technical Reference Manual[EB/OL]. https://www.espressif.com, 2022.
附录A 原理图
（略）
附录B PCB
（略）
附录C 主程序
（略）
京公网安备 11010802022788号
