基于单片机的蜂箱蜜蜂监测系统设计

黄 伟 1袁2袁 杨 卫 1袁2袁 张文栋 1袁2（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

摘 要院针对蜜蜂养殖业及科学研究中存在的蜂箱内蜜蜂数量监测困难的问题，提出一种用于监测蜂箱中蜜蜂数量

的监测系统。系统采用 STC89C52 单片机作为控制核心，用光电传感器 H42B6 感应外界光线的变化，通过触发单片

机的外部中断识别蜜蜂的经过，根据触发顺序判断蜜蜂的进出方向，通过单片机进行数据处理，并将处理后的数据送

入串口，最终通过串口调试工具显示在上位机界面上。实验结果证明：该系统能精确地统计出蜂箱中蜜蜂的进出数

目，给养蜂者的管理提供准确依据。

关键词院单片机；监测系统；蜜蜂；光电传感器；上位机

中图分类号院S894曰TP277.2曰TP368.2曰TP274+.2 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2014冤02-0082-04

Design of hive bees monitoring system based on MCU

HUANG Wei1，2，YANG Wei1，2，ZHANG Wen-dong1，2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 03005，China

2.Key Laboratory of Ministry of Education for Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract: In view of the existing difficulty on aquaculture and scientific research of monitoringthe number of bees in bee hive，a monitoring system was proposed for monitoring the number ofbees. This system uses STC89C52 as control core，photoelectric sensor H42B6 to response outsidelight changes， bee -passing was recognized by triggering MCU external interruption， and thepassing direction was judged by the trigger order. Then the data were processed with themonolithic integrated circuit， the processed data were sent into a serial port， and they weredisplayed on the computer screen through a serial port debug tool. The experimental results showthat the system can accurately count the access number of bees for a hive. It will provideaccurate basis for the beekeepers management.Key words: MCU；monitoring system；bee；photoelectric sensor；upper machine

收稿日期院2013-03-05曰收到修改稿日期院2013-05-17作者简介：黄 伟（1986-），男，河北辛集市人，硕士研究生，

专业方向为电路与系统。

0 引 言蜜蜂的研究常常会遇到对蜂群的数量统计问

题，在实际生活中，统计蜂箱中蜜蜂的数量能够为养

蜂者的管理工作提供很大的便利[1-2]。而蜜蜂的个体

小、数量多、活动频繁，人工统计难度大、准确率低。

一般的计数器只能简单地记录通过某一固定位置的

物体个数，而不能辨别物体通过的方向。光电传感器

具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高等优点[3]，本文提出一种利用红外光电传感器设计的蜂箱蜜蜂

监测系统，能够同时对蜜蜂的进出进行统计，还能精

确统计出蜂箱中蜜蜂的进出数目，为科学研究和养蜂

者的管理提供便利。

1 设计原理光电传感器是根据光敏二极管工作原理制造的

一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.40 No.2March，2014第 40 卷第 2 期2014 年 3 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2014.02.021

第 40 卷第 2 期

光被目标反射或阻断时，接收器感应出相应的电信

号[4]。在蜂箱入口处放置两个光电传感器用于监测蜜

蜂的进出，当有蜜蜂通过时，接收器电平发生变化，用

电平的变化触发单片机的外部中断，蜜蜂进出的方

向不同，两个光电传感器触发的先后顺序不同，通过

单片机判断两个外部中断的先后顺序，送入中断处理

程序进行处理，用不同的内部计数器分别进行计

数，将计数值送入相应的内存单元中存储。单片机通

过软件编程将处理后的数据送入串口，通过串口调试

软件显示在计算机屏幕上。设计原理图如图 1所示。

2 关键器件说明2.1 STC89C52

STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微

控制器，具有 8 kB 系统可编程 Flash 存储器。在单芯

片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵

活、有效的解决方案[5]。该单片机具有以下标准功能：

8kB Flash，512B RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时

器，内置 4 kB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全

双工串行口[6]。此次设计是利用 STC89C52 单片机定

时/计数器来实现对蜜蜂进出计数的功能。STC89C52引脚图见图 2。2.2 光电开关 H42B6

H42B6 为槽形光电传感器，它由高输出的红外

光电二极管与高灵敏度光电晶体管组成，其特点：性

能可靠，体积小，结构简单，可用于光电控制、光电计

量等电路中，可检测物体有无、运动方向、转速等方

面。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系

统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电式传感器由

独立且相对放置的光发射器和收光器组成。当目标通

过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输

出信号，具有效率高、数据可靠等优点。槽形（U 形）

光电开关是对射式的变形，其优点是无需调整光轴，

工作原理如图 3 所示。

3 硬件设计3.1 电源电路及外围电路

单片机及各部分芯片均采用+5 V 电压供电，需

要将交流电转换为+5V 的直流电压，交流电先通过变

压器变压，再经整流桥整流、电容滤波、L7805 稳压

后，输出+5V 直流电压[7]，电源电路如图 4 所示。

3.2 H42B6信号处理电路

H42B6 输出电压比较小，要经过信号放大后，才

能传送给单片机进行处理，并且当发出的光被目标

阻挡时，产生的是上升沿，单片机外部中断为下降

沿有效，因此需要经过非门进行高低电平的转换[8]。H42B6 信号处理电路如图 5 所示。

3.3 单片机系统设计

单片机系统包括单片机最小系统（晶振电路、复

图 1 设计原理图

进

光电开关1 光电开关2

出

图 2 STC89C52 引脚图

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GND

VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7

STC89C52

EA/VppALE/PROG

PSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

4039383736353433323130292827262524232221

STC89C52

CPU1123456789

1011121314151617181920

图 3 H42B6 传感器原理图

接收器

被检测物体

发射器

图 4 电源设计电路图

V1 V0

U1

+C1 LM78051000滋F

桥式整流器变压器

耀220

黄 伟等：基于单片机的蜂箱蜜蜂监测系统设计 83

中国测试 2014 年 3 月中国测试

图 6 系统总体设计框图

电源

检测电路指示

红外检测电路1

红外检测电路2

STC89C52INT0

INT1

MAX232

发送

计算机

接收

图 5 H42B6 信号处理电路图

VCC

A_1INT0CD40939014

A_2

H42B6

R1180 k赘

R3

20 k赘R43.3 k赘

R24.7 k赘

位电路等）、H42B6 信号处理电路、MAX232 串口通

信电路、指示灯电路，系统总体设计框图如图 6 所示。

4 软件设计主程序使用中断法进行设计，因此主函数设计

比较简单，首先进行程序初始化，之后只需等待中断

即可。外部中断程序使用两个外部中断 INT0、INT1触发单片机的内部计数器进行计数[9]，根据两个中断

触发的先后顺序，判断蜜蜂的进出，进而对进出的蜜

蜂分别计数。串口中断程序使用串口将数据传送到

计算机，通过串口调试助手显示在屏幕上，计算机

向单片机发送一条指令，单片机将蜜蜂进出的数目

以及蜂箱中蜜蜂的数目返回到计算机上进行显示。

程序流程图如图 7 所示。

根据流程图设计的串口中断程序如下：

void uart（）interrupt 4 using 3 //串口中断

{RI=0；//串口接收中断清零

k=SBUF；ES=0；//禁止串口中断

SBUF=k；printf（“The in_number is：%d\n”，a）；//打印飞

入蜜蜂数量

printf（“The out_number is：%d\n”，b）；//打印

飞出蜜蜂数量

printf（“The sum_number is：%d\n”，sum_bee+a-b)；//打印箱内蜜蜂数量

printf（“\n”）；while（! TI）；//等待中断

TI=0；//串口发送中断清零

ES=1；//允许串口中断

}5 设计结果5.1 Proteus软件仿真结果

Proteus 是一款电路分析与实物仿真软件，运行

于 Windows 操作系统上，具有实验资源丰富、实验周

期短、硬件投入少、实验过程损耗小、与实际设计接

近程度大等优点。除了具有其他 EDA 工具的原理布

图、PCB 自动或人工布线、电路仿真等功能外，Proteus最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围

电路一起仿真，可直接在单片机虚拟系统上对 MCU编程，并可对软件源代码进行实时调试。同时，它具

有电路互动仿真功能，通过动态外设模型，如键盘、

LED辕LCD 等，可实时显示系统输入、输出结果，以实

图 7 程序流程图

渊b冤串口中断流程图

中断开始

开中断

接收指令

关中断

发送数据

开中断

渊a冤主程序流程图

开始

系统初始化

外部中断初始化

串口中断初始化

等待中断

结束

渊c冤外部中断流程图

开始

先0后1 先2后0

出计数b++进计数a++ N

是否有串口中断

Y输出计数结果

结束

84

第 40 卷第 2 期

现交互仿真，或配合 Proteus 配置的虚拟仪器如示波

器、逻辑分析仪等，使单片机虚拟系统实现预期的实

验效果[10]。通过使用 Proteus 电路仿真软件进行仿真调试，

在 Proteus 中绘制原理图见图 8，仿真结果证明设计

方案切实可行。测试结果见图 9。5.2 最终结果

根据多次实际测试结果可知该系统能够准确监

测蜂箱中蜜蜂进出的数目，并对蜂箱中蜜蜂的总数

量进行精确计算，系统性能稳定，达到了对蜂箱中蜂

群监测的目的。

6 结束语本文设计的以单片机作为控制核心，完成了对

蜂箱中蜜蜂进出的监测，经实验验证，该系统具有低

功耗、结构简单、稳定性高的优点，不仅可以用于对

蜂箱蜜蜂的监测，还可以用于物流监测，如航空、铁

路、公路等运输部门的包裹及车流量的监测，也可以

用在文化娱乐部门等的客流量的监测等，具有广泛的

应用价值。

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图 9 测试结果

图 8 Proteus 中绘制的仿真原理图

U1XTAL1XTAL2

RST

PSENALEEA

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51<TEXT>

P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15

P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD

RXDTXDRTSCTS

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