原標題：基于多傳感器模糊控制的豬舍環境測控系統設計方案

基于STC12C5A60S2單片機+MAX232電平轉換芯片+BH1750光照傳感器的豬舍環境測控系統設計方案

系統總體設計概述

豬舍環境測控系統旨在通過傳感器實時監測豬舍內的光照強度、溫濕度、有害氣體濃度等關鍵環境參數，并通過單片機實現數據采集、處理與控制，最終通過串口通信將數據上傳至PC端或移動終端，實現遠程監控與自動化調控。本方案以STC12C5A60S2單片機為核心控制器，結合MAX232電平轉換芯片實現TTL與RS-232電平轉換，采用BH1750光照傳感器實現光照強度的高精度測量，同時集成溫濕度傳感器、氣體傳感器等外圍模塊，構建一套低成本、高可靠性的豬舍環境測控系統。

核心元器件選型與功能解析

1. STC12C5A60S2單片機：系統控制核心

元器件型號：STC12C5A60S2
器件作用：作為系統的主控單元，負責傳感器數據采集、算法處理、控制指令輸出及串口通信。
選型理由：

• 高性能8051內核：采用單時鐘/機器周期（1T）設計，指令執行速度較傳統8051提升8-12倍，滿足實時性要求。

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

• 低功耗設計：支持空閑模式與掉電模式，可通過外部中斷喚醒，適應豬舍長時間運行需求。

• 高抗干擾能力：集成MAX810專用復位電路與看門狗定時器，增強系統穩定性。

• 開發便捷性：支持ISP/IAP在線編程，無需專用編程器，降低開發成本。

功能實現：

• 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，獲取光照強度數據。

• 通過UART1接口連接MAX232電平轉換芯片，實現與PC端的串口通信。

• 通過PWM輸出控制風機、補光燈等執行機構，實現環境參數調控。

2. MAX232電平轉換芯片：串口通信橋梁

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

• 單電源供電：僅需+5V電源，簡化電源設計，適合電池供電或低功耗場景。

• 高集成度：片內集成電荷泵電路與雙組驅動器/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，關斷模式功耗低于5μW，延長電池壽命。

• 抗干擾能力強：接收器輸入范圍±30V，具備遲滯特性，適應工業環境電磁干擾。

功能實現：

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

• 將PC端發送的RS-232電平轉換為TTL電平，供單片機接收。

• 支持全雙工通信，波特率最高可達120kbps，滿足數據傳輸需求。

3. BH1750光照傳感器：光照強度檢測模塊

元器件型號：BH1750FVI
器件作用：實時監測豬舍內光照強度，輸出16位數字信號，精度達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，適應不同光照場景。

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

• 低功耗設計：待機電流僅0.5μA，適合長時間運行。

• 抗干擾能力強：內置50Hz/60Hz噪聲濾波功能，減少環境光干擾。

功能實現：

• 通過I2C接口與STC12C5A60S2單片機通信，支持連續測量與單次測量模式。

• 測量結果存儲于內部寄存器，單片機通過讀取寄存器獲取光照強度值。

• 支持多設備級聯，同一I2C總線下可掛載多個BH1750模塊，實現多點監測。

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，單總線數字輸出，簡化硬件設計。

• 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ADC采集。

• 執行機構：

• 風機：采用直流無刷電機，通過PWM信號控制轉速，實現通風換氣。

• 補光燈：LED燈帶，通過繼電器或MOSFET驅動，根據光照強度自動調節亮度。

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

• 顯示模塊：OLED顯示屏（如SSD1306驅動），I2C接口，實時顯示環境參數與系統狀態。

系統硬件設計

1. 主控電路設計

STC12C5A60S2采用PDIP-40封裝，關鍵引腳配置如下：

• 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。

• 復位電路：集成MAX810專用復位芯片，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連接風機與補光燈驅動電路。

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

2. MAX232接口電路設計

MAX232采用16引腳DIP封裝，關鍵連接如下：

• 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-。

• 數據通道1：T1IN（11腳）接單片機TXD，R1OUT（12腳）接單片機RXD；T1OUT（14腳）、R1IN（13腳）接DB9接口。

• 數據通道2：未使用，懸空處理。

3. BH1750接口電路設計

BH1750采用LGA封裝，關鍵連接如下：

• 電源引腳：VCC接+3.3V，GND接地。

• I2C接口：SCL接單片機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I2C地址為0x23。

系統軟件設計

1. 主程序設計流程

1. 系統初始化：配置I/O口、定時器、ADC、I2C、UART等外設。

2. 傳感器數據采集：

• 通過I2C讀取BH1750光照強度值。

• 通過ADC讀取溫濕度傳感器與氣體傳感器輸出值。

3. 數據處理與顯示：將原始數據轉換為實際物理量，通過OLED顯示。

4. 控制邏輯判斷：

• 若光照強度低于閾值，啟動補光燈。

• 若有害氣體濃度超標，啟動風機通風。

5. 串口通信：將環境參數上傳至PC端，接收控制指令。

6. 循環執行：返回步驟2，實現實時監測與控制。

2. 關鍵模塊代碼實現

（1）BH1750驅動代碼

#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); // 發送上電命令

I2C_Stop();

delay_ms(10);

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46);

I2C_WriteByte(0x10); // 發送連續高分辨率模式命令

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; // 轉換為實際光照強度（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;
// 處理接收到的數據
}
}

（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);

}

}

系統功能擴展與優化

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接口實現多參數監測。

• 采用分時復用技術，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，實現環境參數的遠程上傳與控制指令的無線下發。

• 開發手機APP或Web端界面，實現豬舍環境的實時監控與歷史數據查詢。

3. 自動控制策略

• 基于模糊控制算法，根據光照強度、溫濕度、有害氣體濃度等多參數綜合調節風機、補光燈等執行機構。

• 增加故障自診斷功能，當傳感器或執行機構故障時，通過蜂鳴器或LED報警。

4. 低功耗優化

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

• 優化傳感器采樣頻率，根據環境變化動態調整采樣間隔。

系統測試與驗證

1. 硬件測試

• 電源測試：使用萬用表測量各模塊供電電壓，確保穩定在額定范圍內。

• 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范。

• 傳感器校準：將BH1750與標準照度計對比，修正測量誤差。

2. 軟件測試

• 功能測試：逐項驗證傳感器數據采集、控制邏輯、串口通信等功能。

• 壓力測試：長時間運行系統，監測內存泄漏、程序跑飛等問題。

• 邊界測試：模擬極端環境條件（如強光、高濕、高濃度氣體），驗證系統穩定性。

3. 現場測試

• 在實際豬舍環境中部署系統，連續運行72小時，記錄環境參數與控制效果。

• 根據測試結果調整控制閾值與算法參數，優化系統性能。

結論

本方案基于STC12C5A60S2單片機、MAX232電平轉換芯片與BH1750光照傳感器，設計了一套低成本、高可靠性的豬舍環境測控系統。通過多傳感器集成、自動控制策略與無線通信擴展，實現了豬舍環境的實時監測與智能化調控。測試結果表明，系統具有測量精度高、響應速度快、抗干擾能力強等優點，可有效提升豬舍管理水平，降低養殖成本，具有較高的應用價值與推廣前景。