原标题：基于多传感器模糊控制的猪舍环境测控系统设计方案

基于STC12C5A60S2单片机+MAX232电平转换芯片+BH1750光照传感器的猪舍环境测控系统设计方案

系统总体设计概述

猪舍环境测控系统旨在通过传感器实时监测猪舍内的光照强度、温湿度、有害气体浓度等关键环境参数，并通过单片机实现数据采集、处理与控制，最终通过串口通信将数据上传至PC端或移动终端，实现远程监控与自动化调控。本方案以STC12C5A60S2单片机为核心控制器，结合MAX232电平转换芯片实现TTL与RS-232电平转换，采用BH1750光照传感器实现光照强度的高精度测量，同时集成温湿度传感器、气体传感器等外围模块，构建一套低成本、高可靠性的猪舍环境测控系统。

核心元器件选型与功能解析

1. STC12C5A60S2单片机：系统控制核心

元器件型号：STC12C5A60S2
器件作用：作为系统的主控单元，负责传感器数据采集、算法处理、控制指令输出及串口通信。
选型理由：

• 高性能8051内核：采用单时钟/机器周期（1T）设计，指令执行速度较传统8051提升8-12倍，满足实时性要求。

• 丰富外设资源：内置8路10位ADC、2路PWM、4个16位定时器、双串口（UART1/UART2）、I²C/SPI接口，支持多传感器扩展。

• 低功耗设计：支持空闲模式与掉电模式，可通过外部中断唤醒，适应猪舍长时间运行需求。

• 高抗干扰能力：集成MAX810专用复位电路与看门狗定时器，增强系统稳定性。

• 开发便捷性：支持ISP/IAP在线编程，无需专用编程器，降低开发成本。

功能实现：

• 通过ADC接口连接温湿度传感器（如DHT11/DHT22）与气体传感器（如MQ-135），实现模拟信号采集。

• 通过I²C接口与BH1750光照传感器通信，获取光照强度数据。

• 通过UART1接口连接MAX232电平转换芯片，实现与PC端的串口通信。

• 通过PWM输出控制风机、补光灯等执行机构，实现环境参数调控。

2. MAX232电平转换芯片：串口通信桥梁

元器件型号：MAX232
器件作用：实现单片机TTL电平（0-5V）与PC端RS-232电平（±12V）的双向转换，确保串口通信兼容性。
选型理由：

• 单电源供电：仅需+5V电源，简化电源设计，适合电池供电或低功耗场景。

• 高集成度：片内集成电荷泵电路与双组驱动器/接收器，仅需4个0.1μF电容即可工作，减少外围元件。

• 低功耗特性：典型工作电流仅8mA，关断模式功耗低于5μW，延长电池寿命。

• 抗干扰能力强：接收器输入范围±30V，具备迟滞特性，适应工业环境电磁干扰。

功能实现：

• 将单片机UART1输出的TTL电平转换为RS-232电平，通过DB9接口连接PC端。

• 将PC端发送的RS-232电平转换为TTL电平，供单片机接收。

• 支持全双工通信，波特率最高可达120kbps，满足数据传输需求。

3. BH1750光照传感器：光照强度检测模块

元器件型号：BH1750FVI
器件作用：实时监测猪舍内光照强度，输出16位数字信号，精度达1lx。
选型理由：

• 高精度测量：支持1-65535lx量程，分辨率可选1lx、0.5lx、4lx，适应不同光照场景。

• I²C接口通信：支持标准模式（100kHz）与快速模式（400kHz），简化硬件连接与软件编程。

• 低功耗设计：待机电流仅0.5μA，适合长时间运行。

• 抗干扰能力强：内置50Hz/60Hz噪声滤波功能，减少环境光干扰。

功能实现：

• 通过I²C接口与STC12C5A60S2单片机通信，支持连续测量与单次测量模式。

• 测量结果存储于内部寄存器，单片机通过读取寄存器获取光照强度值。

• 支持多设备级联，同一I²C总线下可挂载多个BH1750模块，实现多点监测。

4. 辅助元器件选型

• 温湿度传感器：DHT22（AM2302），量程-40℃~+80℃，湿度0-100%RH，精度±0.5℃/±2%RH，单总线数字输出，简化硬件设计。

• 气体传感器：MQ-135，对氨气、硫化氢等有害气体敏感，输出模拟电压信号，通过单片机ADC采集。

• 执行机构：

• 风机：采用直流无刷电机，通过PWM信号控制转速，实现通风换气。

• 补光灯：LED灯带，通过继电器或MOSFET驱动，根据光照强度自动调节亮度。

• 电源模块：采用LM2596降压芯片将12V电源转换为5V，为单片机与传感器供电；AMS1117-3.3将5V转换为3.3V，为BH1750供电。

• 显示模块：OLED显示屏（如SSD1306驱动），I²C接口，实时显示环境参数与系统状态。

系统硬件设计

1. 主控电路设计

STC12C5A60S2采用PDIP-40封装，关键引脚配置如下：

• 电源引脚：VCC（40脚）接+5V，GND（20脚）接地。

• 晶振电路：外接11.0592MHz晶振，C1、C2为30pF瓷片电容。

• 复位电路：集成MAX810专用复位芯片，RST引脚接1kΩ电阻上拉。

• I²C接口：P1.0（SCL）、P1.1（SDA）连接BH1750，通过4.7kΩ上拉电阻接+3.3V。

• ADC接口：P1.2-P1.5连接温湿度传感器与气体传感器输出端。

• PWM输出：P1.6、P1.7连接风机与补光灯驱动电路。

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

2. MAX232接口电路设计

MAX232采用16引脚DIP封装，关键连接如下：

• 电源引脚：VCC（16脚）接+5V，GND（15脚）接地。

• 电荷泵电容：C1+（1脚）、C1-（3脚）接1μF电解电容至V+，C2+（4脚）、C2-（5脚）接1μF电解电容至V-。

• 数据通道1：T1IN（11脚）接单片机TXD，R1OUT（12脚）接单片机RXD；T1OUT（14脚）、R1IN（13脚）接DB9接口。

• 数据通道2：未使用，悬空处理。

3. BH1750接口电路设计

BH1750采用LGA封装，关键连接如下：

• 电源引脚：VCC接+3.3V，GND接地。

• I²C接口：SCL接单片机P1.0，SDA接P1.1，通过4.7kΩ上拉电阻接+3.3V。

• 地址引脚：ADDR接GND，默认I²C地址为0x23。

系统软件设计

1. 主程序设计流程

1. 系统初始化：配置I/O口、定时器、ADC、I²C、UART等外设。

2. 传感器数据采集：

• 通过I²C读取BH1750光照强度值。

• 通过ADC读取温湿度传感器与气体传感器输出值。

3. 数据处理与显示：将原始数据转换为实际物理量，通过OLED显示。

4. 控制逻辑判断：

• 若光照强度低于阈值，启动补光灯。

• 若有害气体浓度超标，启动风机通风。

5. 串口通信：将环境参数上传至PC端，接收控制指令。

6. 循环执行：返回步骤2，实现实时监测与控制。

2. 关键模块代码实现

（1）BH1750驱动代码

#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_(); // 发送NACK

I2C_SCL = 0; _nop_();

return dat;

}



void BH1750_Init(void) {

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46); // 写入BH1750地址+写命令

I2C_WriteByte(0x01); // 发送上电命令

I2C_Stop();

delay_ms(10);

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46);

I2C_WriteByte(0x10); // 发送连续高分辨率模式命令

I2C_Stop();

}



unsigned int BH1750_ReadLight(void) {

unsigned int light;

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x46);

I2C_WriteByte(0x20); // 发送单次高分辨率模式命令

I2C_Stop();

delay_ms(120); // 等待测量完成

I2C_Start();

I2C_WriteByte(0x47); // 写入BH1750地址+读命令

light = I2C_ReadByte() << 8;

light |= I2C_ReadByte();

I2C_Stop();

return light / 1.2; // 转换为实际光照强度（单位：lx）

}

（2）MAX232串口通信代码

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

void UART_Init(void) {
SCON = 0x50; // 串口模式1，允许接收
TMOD |= 0x20; // 定时器1模式2
TH1 = 0xFD;   // 波特率9600（11.0592MHz晶振）
TL1 = 0xFD;
TR1 = 1;      // 启动定时器1
ES = 1;       // 开启串口中断
EA = 1;       // 开启总中断
}

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;
// 处理接收到的数据
}
}

（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);

}

}

系统功能扩展与优化

1. 多传感器集成

• 增加温湿度传感器（如DHT22）与气体传感器（如MQ-135），通过ADC与I²C接口实现多参数监测。

• 采用分时复用技术，通过定时器切换传感器采样通道，降低硬件成本。

2. 无线通信模块

• 集成ESP8266 Wi-Fi模块或NRF24L01无线模块，实现环境参数的远程上传与控制指令的无线下发。

• 开发手机APP或Web端界面，实现猪舍环境的实时监控与历史数据查询。

3. 自动控制策略

• 基于模糊控制算法，根据光照强度、温湿度、有害气体浓度等多参数综合调节风机、补光灯等执行机构。

• 增加故障自诊断功能，当传感器或执行机构故障时，通过蜂鸣器或LED报警。

4. 低功耗优化

• 采用间歇工作模式，非采样期间单片机进入掉电模式，通过定时器或外部中断唤醒。

• 优化传感器采样频率，根据环境变化动态调整采样间隔。

系统测试与验证

1. 硬件测试

• 电源测试：使用万用表测量各模块供电电压，确保稳定在额定范围内。

• 信号测试：使用示波器观察I²C、UART、PWM等信号波形，验证时序与电平符合规范。

• 传感器校准：将BH1750与标准照度计对比，修正测量误差。

2. 软件测试

• 功能测试：逐项验证传感器数据采集、控制逻辑、串口通信等功能。

• 压力测试：长时间运行系统，监测内存泄漏、程序跑飞等问题。

• 边界测试：模拟极端环境条件（如强光、高湿、高浓度气体），验证系统稳定性。

3. 现场测试

• 在实际猪舍环境中部署系统，连续运行72小时，记录环境参数与控制效果。

• 根据测试结果调整控制阈值与算法参数，优化系统性能。

结论

本方案基于STC12C5A60S2单片机、MAX232电平转换芯片与BH1750光照传感器，设计了一套低成本、高可靠性的猪舍环境测控系统。通过多传感器集成、自动控制策略与无线通信扩展，实现了猪舍环境的实时监测与智能化调控。测试结果表明，系统具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，可有效提升猪舍管理水平，降低养殖成本，具有较高的应用价值与推广前景。