智能蜂箱的设计与实现

2021-05-20李鹏程

四川农业与农机 2021年2期

李鹏程

成都师范学院，四川成都

0 引言

智能蜂箱是一种将智能技术（包括传感器技术、嵌入式技术、单片机技术等）运用到养蜂过程中的设备，实现对蜂箱环境与蜜蜂活动的智能监测，具体来说就是通过对蜂箱内温湿度采集与控制对蜂蜜产量进行监测；通过所采集的蜂箱数据对蜜蜂行为进行分析以及对蜂群智能养殖进行指导。

1 系统设计框图

如图1所示，整个系统结构以STC15W4K56S4单片机为核心，主要由电源模块、温湿度传感器模块、时钟模块、舵机驱动模块等组成。其中，电源模块用锂电池供电，通过DC-DC 直流稳压5.0 V 供电；时钟模块采用DS1302 芯片进行计数定时；温湿度传感器采用DTH11 芯片进行蜂箱内的温度和湿度检测并显示在LCD1602 显示屏；当温度过高时，触发蜂鸣器报警，通过驱动舵机给蜂箱送风达到降温效果；当温度较低时，通过发热电阻丝导通发热，转动风扇送热风使蜂箱温度均匀升高。

图1 系统方案框图

2 主要电路原理

2.1 单片机控制电路

STC15W4K56S4 单片机具有高速、高可靠、宽电压、低功耗、超强抗干扰的特性，拥有8 通道10 位高速AD，高精度PWM 输出等特点。该单片机的工作电压为2.5～5.5 V，内存大、运行速度快。单片机电路如图2所示。

2.2 温湿度模块

本研究设计的智能蜂箱温湿度数据采集终端采用了DHT11 温湿度传感器，该传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其内部含有一个NTC 测温元件与一个电阻式测湿元件，使之拥有检测温度和湿度的功能，湿度的量程范围为20%～90% RH（精度为±5%RH），温度的检测范围为0～50 ℃（精度为±2 ℃），供电范围为3.3～5.5 V，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性等特点。DHT11温湿度传感器如图3所示。

DHT11 具有单总线接口，仅需要占用一个I/O 端口，使得DHT11 与主控制器STC15W4K56S4 单片机之间的通信变得十分简易快捷。传感器一次的通讯时间为4 ms 左右，DHT11发出响应信号，送出40 Bit的数据，并触发一次信号采集，将温度和湿度的数据传输给单片机，如果没有接受到MCU 发送的开始信号，DHT11 不会进行温湿度数据采集。

图2 单片机电路

图3 DHT11温湿度传感器实物

DHT11温湿度传感器电路如图4所示，该部分主要由温湿度传感器DHT11、一节4.7kΩ 电阻、一节220μF电容等组成。其中，DHT11 芯片的引脚1 接VCC，引脚2 接电阻R2 并接到VCC，引脚2 与单片机的引脚7 相连，引脚4接地，电容C4具有稳压的作用并接VCC和GND。

2.3 时钟模块电路

DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟芯片，通过简单的串行接口与单片机进行通信，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，工作电压为2.0～5.5 V。该芯片可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM 数据。本电路采用5.0 V 供电，芯片的RST、SCLK、I/O 端口分别与单片机的P2.7、P2.5、P2.6相连，X1、X2 端口接32.768 kHz 的晶振。通过该时钟芯片对蜂箱进行定时、计时等功能来使蜂箱更加智能化。DS1302芯片电路如图5所示。

2.4 显示模块

本设计的显示模块采用的是LCD1602 液晶显示屏，LCD1602 是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD，可以显示两行，每行16 个字符（一个汉字占用两个字符）共32 个字符。LCD1602 芯片的工作电压为4.5～5.5 V，其最佳工作电压为5.0 V。LCD1602 芯片的RS、RW、EN 引脚分别与单片机的P1.2、P1.3、P1.4 相连，数据引脚D0～D7 连接单片机的P0 端。LCD1602 显示电路如图6所示。

2.5 DC-DC直流稳压模块

DC-DC 直流稳压模块是用开关电源的原理实现的，DC-DC 内部有振荡器和斩波模块，而在输出端有一个电容进行滤波，只要电容足够大，其结果就等于将中间的那个脉冲波形进行微积分，从而输出一个5.0 V 的直流波形，这样就可以给单片机供电从而驱动舵机达到送风降温和升温等功能。DC-DC直流稳压模块电路如图7所示。

图4 DHT11温湿度传感器电路

图5 时钟模块电路

3 程序流程图

本设计的程序流程如图8所示。程序开始，经过一系列初始化后，温湿度传感器开始采集温湿度数据，时钟芯片采集时间，通过数据处理将数据传输到显示屏进行显示当前的温湿度，程序判断当前的温湿度数据是否满足设定范围，如果不满足，蜂鸣器将会响动达到报警效果，单片机将驱动舵机使风扇送风给蜂箱内部进行降温或升温；如果满足，程序直接跳到数据显示部分，使当前温湿度数据显示在显示屏上以便实时监测，一个采集过程结束，将进行下一个采集过程，使蜂箱内环境能够稳定。