原標(biāo)題：基于多傳感器模糊控制的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計方案

基于STC12C5A60S2單片機(jī)+MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片+BH1750光照傳感器的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計概述

豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)旨在通過傳感器實時監(jiān)測豬舍內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫濕度、有害氣體濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，并通過單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與控制，最終通過串口通信將數(shù)據(jù)上傳至PC端或移動終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動化調(diào)控。本方案以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)TTL與RS-232電平轉(zhuǎn)換，采用BH1750光照傳感器實現(xiàn)光照強(qiáng)度的高精度測量，同時集成溫濕度傳感器、氣體傳感器等外圍模塊，構(gòu)建一套低成本、高可靠性的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)。

核心元器件選型與功能解析

1. STC12C5A60S2單片機(jī)：系統(tǒng)控制核心

元器件型號：STC12C5A60S2
器件作用：作為系統(tǒng)的主控單元，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、算法處理、控制指令輸出及串口通信。
選型理由：

• 高性能8051內(nèi)核：采用單時鐘/機(jī)器周期（1T）設(shè)計，指令執(zhí)行速度較傳統(tǒng)8051提升8-12倍，滿足實時性要求。

• 豐富外設(shè)資源：內(nèi)置8路10位ADC、2路PWM、4個16位定時器、雙串口（UART1/UART2）、I2C/SPI接口，支持多傳感器擴(kuò)展。

• 低功耗設(shè)計：支持空閑模式與掉電模式，可通過外部中斷喚醒，適應(yīng)豬舍長時間運(yùn)行需求。

• 高抗干擾能力：集成MAX810專用復(fù)位電路與看門狗定時器，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

• 開發(fā)便捷性：支持ISP/IAP在線編程，無需專用編程器，降低開發(fā)成本。

功能實現(xiàn)：

• 通過ADC接口連接溫濕度傳感器（如DHT11/DHT22）與氣體傳感器（如MQ-135），實現(xiàn)模擬信號采集。

• 通過I2C接口與BH1750光照傳感器通信，獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

• 通過UART1接口連接MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)與PC端的串口通信。

• 通過PWM輸出控制風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)調(diào)控。

2. MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片：串口通信橋梁

元器件型號：MAX232
器件作用：實現(xiàn)單片機(jī)TTL電平（0-5V）與PC端RS-232電平（±12V）的雙向轉(zhuǎn)換，確保串口通信兼容性。
選型理由：

• 單電源供電：僅需+5V電源，簡化電源設(shè)計，適合電池供電或低功耗場景。

• 高集成度：片內(nèi)集成電荷泵電路與雙組驅(qū)動器/接收器，僅需4個0.1μF電容即可工作，減少外圍元件。

• 低功耗特性：典型工作電流僅8mA，關(guān)斷模式功耗低于5μW，延長電池壽命。

• 抗干擾能力強(qiáng)：接收器輸入范圍±30V，具備遲滯特性，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境電磁干擾。

功能實現(xiàn)：

• 將單片機(jī)UART1輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，通過DB9接口連接PC端。

• 將PC端發(fā)送的RS-232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，供單片機(jī)接收。

• 支持全雙工通信，波特率最高可達(dá)120kbps，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

3. BH1750光照傳感器：光照強(qiáng)度檢測模塊

元器件型號：BH1750FVI
器件作用：實時監(jiān)測豬舍內(nèi)光照強(qiáng)度，輸出16位數(shù)字信號，精度達(dá)1lx。
選型理由：

• 高精度測量：支持1-65535lx量程，分辨率可選1lx、0.5lx、4lx，適應(yīng)不同光照場景。

• I2C接口通信：支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100kHz）與快速模式（400kHz），簡化硬件連接與軟件編程。

• 低功耗設(shè)計：待機(jī)電流僅0.5μA，適合長時間運(yùn)行。

• 抗干擾能力強(qiáng)：內(nèi)置50Hz/60Hz噪聲濾波功能，減少環(huán)境光干擾。

功能實現(xiàn)：

• 通過I2C接口與STC12C5A60S2單片機(jī)通信，支持連續(xù)測量與單次測量模式。

• 測量結(jié)果存儲于內(nèi)部寄存器，單片機(jī)通過讀取寄存器獲取光照強(qiáng)度值。

• 支持多設(shè)備級聯(lián)，同一I2C總線下可掛載多個BH1750模塊，實現(xiàn)多點監(jiān)測。

4. 輔助元器件選型

• 溫濕度傳感器：DHT22（AM2302），量程-40℃~+80℃，濕度0-100%RH，精度±0.5℃/±2%RH，單總線數(shù)字輸出，簡化硬件設(shè)計。

• 氣體傳感器：MQ-135，對氨氣、硫化氫等有害氣體敏感，輸出模擬電壓信號，通過單片機(jī)ADC采集。

• 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

• 風(fēng)機(jī)：采用直流無刷電機(jī)，通過PWM信號控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)通風(fēng)換氣。

• 補(bǔ)光燈：LED燈帶，通過繼電器或MOSFET驅(qū)動，根據(jù)光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)亮度。

• 電源模塊：采用LM2596降壓芯片將12V電源轉(zhuǎn)換為5V，為單片機(jī)與傳感器供電；AMS1117-3.3將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，為BH1750供電。

• 顯示模塊：OLED顯示屏（如SSD1306驅(qū)動），I2C接口，實時顯示環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

1. 主控電路設(shè)計

STC12C5A60S2采用PDIP-40封裝，關(guān)鍵引腳配置如下：

• 電源引腳：VCC（40腳）接+5V，GND（20腳）接地。

• 晶振電路：外接11.0592MHz晶振，C1、C2為30pF瓷片電容。

• 復(fù)位電路：集成MAX810專用復(fù)位芯片，RST引腳接1kΩ電阻上拉。

• I2C接口：P1.0（SCL）、P1.1（SDA）連接BH1750，通過4.7kΩ上拉電阻接+3.3V。

• ADC接口：P1.2-P1.5連接溫濕度傳感器與氣體傳感器輸出端。

• PWM輸出：P1.6、P1.7連接風(fēng)機(jī)與補(bǔ)光燈驅(qū)動電路。

• UART1接口：P3.0（RXD）、P3.1（TXD）連接MAX232的T1IN、R1OUT引腳。

2. MAX232接口電路設(shè)計

MAX232采用16引腳DIP封裝，關(guān)鍵連接如下：

• 電源引腳：VCC（16腳）接+5V，GND（15腳）接地。

• 電荷泵電容：C1+（1腳）、C1-（3腳）接1μF電解電容至V+，C2+（4腳）、C2-（5腳）接1μF電解電容至V-。

• 數(shù)據(jù)通道1：T1IN（11腳）接單片機(jī)TXD，R1OUT（12腳）接單片機(jī)RXD；T1OUT（14腳）、R1IN（13腳）接DB9接口。

• 數(shù)據(jù)通道2：未使用，懸空處理。

3. BH1750接口電路設(shè)計

BH1750采用LGA封裝，關(guān)鍵連接如下：

• 電源引腳：VCC接+3.3V，GND接地。

• I2C接口：SCL接單片機(jī)P1.0，SDA接P1.1，通過4.7kΩ上拉電阻接+3.3V。

• 地址引腳：ADDR接GND，默認(rèn)I2C地址為0x23。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

1. 主程序設(shè)計流程

1. 系統(tǒng)初始化：配置I/O口、定時器、ADC、I2C、UART等外設(shè)。

2. 傳感器數(shù)據(jù)采集：

• 通過I2C讀取BH1750光照強(qiáng)度值。

• 通過ADC讀取溫濕度傳感器與氣體傳感器輸出值。

3. 數(shù)據(jù)處理與顯示：將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際物理量，通過OLED顯示。

4. 控制邏輯判斷：

• 若光照強(qiáng)度低于閾值，啟動補(bǔ)光燈。

• 若有害氣體濃度超標(biāo)，啟動風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

5. 串口通信：將環(huán)境參數(shù)上傳至PC端，接收控制指令。

6. 循環(huán)執(zhí)行：返回步驟2，實現(xiàn)實時監(jiān)測與控制。

2. 關(guān)鍵模塊代碼實現(xiàn)

（1）BH1750驅(qū)動代碼

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

#define I2C_SCL P1_0

#define I2C_SDA P1_1



void I2C_Start(void) {

I2C_SDA = 1; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_();

I2C_SDA = 0; _nop_(); I2C_SCL = 0; _nop_();

}



void I2C_Stop(void) {

I2C_SDA = 0; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_();

I2C_SDA = 1; _nop_();

}



void I2C_WriteByte(unsigned char dat) {

unsigned char i;

for (i = 0; i < 8; i++) {

I2C_SDA = (dat & 0x80) >> 7;

dat <<= 1; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_(); I2C_SCL = 0; _nop_();

}

I2C_SDA = 1; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_();

while (I2C_SDA); // 等待ACK

I2C_SCL = 0; _nop_();

}



unsigned char I2C_ReadByte(void) {

unsigned char i, dat = 0;

I2C_SDA = 1; _nop_();

for (i = 0; i < 8; i++) {

dat <<= 1; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_();

if (I2C_SDA) dat |= 0x01;

I2C_SCL = 0; _nop_();

}

I2C_SDA = 0; _nop_(); I2C_SCL = 1; _nop_(); // 發(fā)送NACK

I2C_SCL = 0; _nop_();

return dat;

}



void BH1750_Init(void) {

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46); // 寫入BH1750地址+寫命令

I2C_WriteByte(0x01); // 發(fā)送上電命令

I2C_Stop();

delay_ms(10);

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46);

I2C_WriteByte(0x10); // 發(fā)送連續(xù)高分辨率模式命令

I2C_Stop();

}



unsigned int BH1750_ReadLight(void) {

unsigned int light;

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46);

I2C_WriteByte(0x20); // 發(fā)送單次高分辨率模式命令

I2C_Stop();

delay_ms(120); // 等待測量完成

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x47); // 寫入BH1750地址+讀命令

light = I2C_ReadByte() << 8;

light |= I2C_ReadByte();

I2C_Stop();

return light / 1.2; // 轉(zhuǎn)換為實際光照強(qiáng)度（單位：lx）

}

（2）MAX232串口通信代碼

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

void UART_Init(void) {
SCON = 0x50; // 串口模式1，允許接收
TMOD |= 0x20; // 定時器1模式2
TH1 = 0xFD;   // 波特率9600（11.0592MHz晶振）
TL1 = 0xFD;
TR1 = 1;      // 啟動定時器1
ES = 1;       // 開啟串口中斷
EA = 1;       // 開啟總中斷
}

void UART_SendByte(unsigned char dat) {
SBUF = dat;
while (!TI);
TI = 0;
}

void UART_SendString(unsigned char *str) {
while (*str) {
UART_SendByte(*str++);
}
}

void UART_ISR(void) interrupt 4 {
if (RI) {
RI = 0;
// 處理接收到的數(shù)據(jù)
}
}

（3）主程序框架

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>



void delay_ms(unsigned int ms) {

unsigned int i, j;

for (i = 0; i < ms; i++)

for (j = 0; j < 114; j++);

}



void main(void) {

unsigned int light;

UART_Init();

BH1750_Init();

while (1) {

light = BH1750_ReadLight();

UART_SendString("Light: ");

UART_SendByte(light / 1000 + '0');

UART_SendByte((light % 1000) / 100 + '0');

UART_SendByte((light % 100) / 10 + '0');

UART_SendByte(light % 10 + '0');

UART_SendString(" lx
");

delay_ms(1000);

}

}

系統(tǒng)功能擴(kuò)展與優(yōu)化

1. 多傳感器集成

• 增加溫濕度傳感器（如DHT22）與氣體傳感器（如MQ-135），通過ADC與I2C接口實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測。

• 采用分時復(fù)用技術(shù)，通過定時器切換傳感器采樣通道，降低硬件成本。

2. 無線通信模塊

• 集成ESP8266 Wi-Fi模塊或NRF24L01無線模塊，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程上傳與控制指令的無線下發(fā)。

• 開發(fā)手機(jī)APP或Web端界面，實現(xiàn)豬舍環(huán)境的實時監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)查詢。

3. 自動控制策略

• 基于模糊控制算法，根據(jù)光照強(qiáng)度、溫濕度、有害氣體濃度等多參數(shù)綜合調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

• 增加故障自診斷功能，當(dāng)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時，通過蜂鳴器或LED報警。

4. 低功耗優(yōu)化

• 采用間歇工作模式，非采樣期間單片機(jī)進(jìn)入掉電模式，通過定時器或外部中斷喚醒。

• 優(yōu)化傳感器采樣頻率，根據(jù)環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整采樣間隔。

系統(tǒng)測試與驗證

1. 硬件測試

• 電源測試：使用萬用表測量各模塊供電電壓，確保穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

• 信號測試：使用示波器觀察I2C、UART、PWM等信號波形，驗證時序與電平符合規(guī)范。

• 傳感器校準(zhǔn)：將BH1750與標(biāo)準(zhǔn)照度計對比，修正測量誤差。

2. 軟件測試

• 功能測試：逐項驗證傳感器數(shù)據(jù)采集、控制邏輯、串口通信等功能。

• 壓力測試：長時間運(yùn)行系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)存泄漏、程序跑飛等問題。

• 邊界測試：模擬極端環(huán)境條件（如強(qiáng)光、高濕、高濃度氣體），驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3. 現(xiàn)場測試

• 在實際豬舍環(huán)境中部署系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行72小時，記錄環(huán)境參數(shù)與控制效果。

• 根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整控制閾值與算法參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

結(jié)論

本方案基于STC12C5A60S2單片機(jī)、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片與BH1750光照傳感器，設(shè)計了一套低成本、高可靠性的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)。通過多傳感器集成、自動控制策略與無線通信擴(kuò)展，實現(xiàn)了豬舍環(huán)境的實時監(jiān)測與智能化調(diào)控。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有測量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，可有效提升豬舍管理水平，降低養(yǎng)殖成本，具有較高的應(yīng)用價值與推廣前景。