基于單片機的智能晾衣架控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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燕京理工學院畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的智能晾衣架控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 摘 要 現(xiàn)在都市的生活越來越忙，很多人都沒有時間和精力來管理一些細節(jié)上的東西，比如，在合適的陽光溫度時間內(nèi)晾曬衣服。針對這來問題我們開始了研究，通過對智能晾衣架控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)的不斷探究，得到了比較好的設計思路。通過使用DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻等元件，對環(huán)境的變化進行檢測，然后再將測量數(shù)據(jù)傳遞給STC89C51單片機，單片機的核心板再對所測量的溫濕度和光線的強弱進行判別，驅(qū)使電機進行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，達到智能晾曬衣物的目的。在溫濕度檢測方面使用的是DHT11傳感器模塊，該模塊將測量得到的數(shù)據(jù)與設定值進行對比，如果濕度超越過設定值，系統(tǒng)會默認回收晾衣架，發(fā)送脈沖信號來控制電機收回晾衣架。針對光照強度方面的檢測我們選擇使用光敏電阻，光照強度的改變會使電阻阻值產(chǎn)生相應的變化，單片機將變化后的阻值與設定值進行對比，如果超過設定值，則控制電機進行轉(zhuǎn)動，使衣架收回，從而實現(xiàn)智能晾衣服的目的。 關鍵詞：智能 STC89C51 DHT11 Design and Implementation of Intelligent Clothes Hanger Control System Based on Single Chip Microcomputer Abstract Now the city life more and more busy, a lot of people do not have the time and energy to manage some of the details, for example, in the appropriate temperature of the sun drying clothes. In order to solve this problem, we started the research, through the intelligent clothes hanger control system design and implementation of continuous research, get a better design ideas. By using the DHT11 temperature and humidity sensor, photosensitive resistance and other components, the change of environment were detected, and then the measurement data are transmitted to the STC89C51 microcontroller core board microcontroller to measure the temperature and humidity and light intensity discrimination, motor driven forward or reverse, achieves the intelligent clothes drying purpose. Used in the detection of the temperature and humidity DHT11 sensor module, the module will be measured data are compared with the set value, if the humidity is beyond the set value, the system will default recovery racks, send pulse signal to control the motor back racks. Similarly, the photosensitive resistor for detecting the light intensity of the light intensity, the changes will cause the resistance change, will change the resistance compared with the set value, if it exceeds the set value, then control the motor to rotate, the clothes hanger to recover, so as to achieve the purpose of intelligent clothes. Key words: intelligent STC89C51 DHT11 目 錄 前 言 1 第1章 緒論 2 第1.1節(jié) 選題背景 2 第1.2節(jié) 研究方法及目的 2 第1.3節(jié) 研究意義 3 第2章 系統(tǒng)總體設計 4 第2.1節(jié) 總系統(tǒng)設計框圖 4 第2.2節(jié) 系統(tǒng)組成概述 4 第2.3節(jié) 控制系統(tǒng)核心選擇 4 第2.4節(jié) 濕度檢測模塊選擇 5 第2.5節(jié) 遙控電路設計 5 第2.6節(jié) 遙控發(fā)射模塊參數(shù) 6 第2.7節(jié) 光強檢測模塊選擇 7 第2.8節(jié) 電機模塊選擇 7 第２.9節(jié) 系統(tǒng)設計要求 8 第3章 控制系統(tǒng)硬件設計 9 第3.1節(jié) 單片機的介紹及其工作系統(tǒng)設計 9 第3.2節(jié) 溫濕度傳感器電路 14 第3.3節(jié) 光敏檢測電路 17 第3.4節(jié) 直流電機驅(qū)動電路 19 第4章 控制系統(tǒng)設計 21 第4.1節(jié) 程序流程圖 21 第4.2節(jié) 程序設計 22 第4.3節(jié) 系統(tǒng)初始化 22 第4.4節(jié) 溫濕度檢測 25 第5章 系統(tǒng)整體調(diào)試 27 第5.1節(jié) 系統(tǒng)仿真演示 28 第5.2節(jié) 硬件實物的焊接 33 結(jié) 論 37 附 錄 39 參考文獻 41 致 謝 42 42 前 言 科技是第一生產(chǎn)力科技的進步推動著人類生活的進步，人們對生活也開始不斷的追求智能化，這種形式促使各國也在家具智能方面開始了深入的研究。人工智能化的產(chǎn)生以及運用使人們對家電、照明、窗簾管理控制和防盜報警等智能化方面的研究更進了一步，促使人們生活向全面人工智能化也更近了一步。但是，在各項人工智能的家具中針對晾衣工具這個方面的研究我國并沒有得到很大中的重視和研究，甚至可以用沒有什么改變來形容，所以其市場研究價值很高，十分利于我們開發(fā)研究。 現(xiàn)在在我國大多數(shù)普通用戶生活中，很少會存在能夠隨著外界環(huán)境改變而硬件自身夠功進行變化的智能晾衣架，從而達到自動收縮或者伸展晾衣架的目的。常見的普通晾衣架在實際生活活中并不是很人性化幫助人們生活便利，并且很多常見的問題不能夠解決。例如，我們工作不在家時，突然下起雨，在外面晾洗的衣服不能夠及時回收而導致重洗；晚上因為加班不能夠回家，晾曬的衣服也不能夠及時回收造成損失，并且在酷熱夏日，我們因為工作繁忙的原因通常會導致把洗好的衣物晾曬在室外一整天，而不能及時收回。假設我們不在家，但是在夏天的正午時候不能夠把衣物回收到屋子里，導致衣物暴曬，這樣的現(xiàn)象在我們平時的生活中最為常見，所以普通的晾衣架對我們的衣物傷害極大。 雖然在國際上有很多大的廠家對智能晾衣架有一定的研究，但是他們所研究量產(chǎn)的智能晾衣架大都是半智能化的，用戶只能經(jīng)過電路按鍵等控制方式使衣物達到垂直升降晾曬衣服的目的?；谶@一現(xiàn)狀我的設計思路是使用DHT11溫濕度傳感器和光傳感器來檢測室外的天氣溫度和光照的情況，然后得到當下天氣信息，這些信息再由傳感器傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機再通過脈沖信號使電機進行轉(zhuǎn)動，進而達到智能曬衣物的目的。 第1章 緒論 第1.1節(jié) 選題背景 科技是第一生產(chǎn)力科技的進步推動著人類生活的進步，人們對生活也開始不斷的追求智能化，這種形式促使各國也在家具智能方面開始了深入的研究。人工智能化的產(chǎn)生以及運用使人們對家電、照明、窗簾管理控制和防盜報警等智能化方面的研究更近了一步，促使人們向全面人工智能化也更近了一步。但是，在各項人工智能的家具中針對晾衣工具這個方面的研究我國并沒有得到很大中的重視和研究，甚至可以用沒有什么改變來形容，因此智能晾衣架也有很大發(fā)展空間，其市場研究價值很高，并且漸漸的這種生活模式將會吸引社會的很大關注。 第1.2節(jié) 研究方法及目的 1.2.1研究目的 現(xiàn)在在我國大多數(shù)普通用戶生活中，很少會存在能夠隨著外界環(huán)境改變而硬件自身夠功進行變化的智能晾衣架，從而達到自動收縮或者伸展晾衣架的目的。常見的普通晾衣架在實際生活活中并不是很人性化幫助人們生活便利，并且很多常見的問題不能夠解決。例如，我們工作不在家時，突然下起雨，在外面晾洗的衣服不能夠及時回收而導致重洗；晚上因為加班不能夠回家，晾曬的衣服也不能夠及時回收造成損失，并且在酷熱夏日，我們因為工作繁忙的原因通常會導致把洗好的衣物晾曬在室外一整天，而不能及時收回。假設我們不在家，但是在夏天的正午時候不能夠把衣物回收到屋子里，導致衣物暴曬，這樣的現(xiàn)象在我們平時的生活中最為常見，所以普通的晾衣架對我們的衣物傷害極大。 雖然在國際上有很多大的廠家對智能晾衣架有一定的研究，但是他們所研究量產(chǎn)的智能晾衣架大都是半智能化的，用戶只能經(jīng)過電路按鍵等控制方式使衣物達到垂直升降晾曬衣服的目的，但是這樣的設計并不能完美的晾曬衣服并且讓其對衣服無損傷，通過用單片機為核心的設計可以很好解決這個問題。整個系統(tǒng)的工作過程為，單片機經(jīng)過DHT11溫濕傳感器來獲取當下天氣情況，當室外的溫度或濕度為系統(tǒng)設定數(shù)值的時候，單片機會發(fā)送信號驅(qū)使電動機進行轉(zhuǎn)動，來完成智能晾曬衣服目的。另外，在轉(zhuǎn)動的過程中當傳動桿接觸到位置開關時，電機就會中止轉(zhuǎn)動；在雨過天晴的時候陽光會比較充足，此時光敏電阻會因為光照變化的原因使自身阻值產(chǎn)生變化，并將其變化信息發(fā)送給單片機，單片機在程序的指引下對光照強度進行判斷，然后發(fā)送脈沖信號給電機，使電機進行轉(zhuǎn)動進而實現(xiàn)智能晾衣。 1.2.2研究方法 （1）文獻法。由于本研究將會觸及到很多單片機方面的繪圖以及變成等方面的知識和技術，為了能夠更好的完成研究，所以需要對大量的期刊雜志等書籍進行瀏覽、整理和分析。這樣做能夠快速而且有效的獲得大量對本研究由有利的信息和材料，因此成為研究方法不可缺少的部分。 （2）觀察法。合理的觀察對研究有很大的幫助，這種研究方法具有很強的目的性和計劃性，在實驗中往往能達到意想不到的效果，從而開辟人們的思路，招致新的發(fā)現(xiàn)，因此也成為研究方法不可缺少的部分。 第1.3節(jié) 研究意義 按照現(xiàn)階段的晾衣架開發(fā)情況，本設計方法能夠把人們從原始的晾衣操作方法中解脫出來，實現(xiàn)智能生活化。這種智能晾衣架除了人工智能外還有其他的優(yōu)點，例如占地面積相對其他的晾衣架而言較小，并且它的操作方法也特別簡單，能夠通過遙控來實現(xiàn)人工伸展和收回，它的外觀也有很高的美觀性。相對其他晾衣架而言這種設計方式的晾衣架大大避免了那些操作麻煩方面的問題。它的工作方式是，各個相應的檢測模塊在獲取到這個時候的溫濕度或者光的強度后會把自己獲取的東西發(fā)送給單片機，單片機會發(fā)送相對應的信號來驅(qū)使電動機進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)晾衣服的功能。 第2章 系統(tǒng)總體設計 第2.1節(jié) 總系統(tǒng)設計框圖 本設計使用STC89C51單片機，同時再通過溫濕度傳感器和光敏電阻等裝置來配合來檢測外界的環(huán)境變化，把他們自己獲取的信息發(fā)送給單片機，再使單片機來驅(qū)使電機轉(zhuǎn)動，完成智能晾衣功能，對于智能晾衣架的總體設計框圖如圖2.1所系統(tǒng)總體控制框圖示： 溫濕度傳感電路 晾衣架執(zhí)行 機構(gòu) 電機驅(qū)動 單片機最小系統(tǒng) 光敏傳感電路 報警電路 圖2.1 系統(tǒng)總體控制框圖 第2.2節(jié) 系統(tǒng)組成概述 系統(tǒng)主要由：控制系統(tǒng)核心、濕度檢測模塊、光強檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、直流電機、撥碼開關模塊和顯示模塊。控制系統(tǒng)核心作為系統(tǒng)的控制核心和數(shù)據(jù)處理中心；濕度檢測模塊用來采集環(huán)境濕度信號；光強檢測模塊用來采集環(huán)境光強信號；電機驅(qū)動模塊用來功率放大驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，進而帶動晾衣架做伸出或縮回運動；撥碼開關模塊是用來設置系統(tǒng)工作模式，并在手動工作模式下，設置晾衣架的伸出或縮回；顯示模塊用來顯示濕度數(shù)據(jù)、光強情況、晾衣架狀態(tài)等內(nèi)容。 第2.3節(jié) 控制系統(tǒng)核心選擇 方案一：采用STC89C51作為系統(tǒng)的控制器。STC89C51是一種性能好、功耗低的8位結(jié)構(gòu)的微處理器，其內(nèi)部配置了系統(tǒng)可編程的8K的 Flash存儲器[3]。該芯片性能穩(wěn)定、抗干擾能力強；并且能夠靈活的編程和設計，在很多的工業(yè)控制現(xiàn)場和嵌入式系統(tǒng)中都可以非常有效的擔任控制任務。 方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA的功能非常強大，對于很多具有復雜邏輯功能的控制系統(tǒng)均可作為系統(tǒng)的核心；并且開發(fā)的系統(tǒng)具有較小的體積、極高的集成度、極強的穩(wěn)定性、豐富的硬件資源、擴展易實現(xiàn)、處理速度快，通常用于控制功能復雜、控制要求較高的控制系統(tǒng)中，但該控制器價格很高、編程較單片機復雜很多。 本系統(tǒng)邏輯功能簡單，僅僅需要讀取傳感器和撥碼開關信號、控制電機、控制顯示屏，對控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不是很高，STC89C51單片機完全能達到控制要求，從性價比方面考慮選擇方案一。 第2.4節(jié) 濕度檢測模塊選擇 方案一：采用DHT11傳感器采集濕度，該傳感器集測溫、測濕度為一體，輸出為數(shù)字量信號，數(shù)字量信號以經(jīng)內(nèi)部校準。傳感器采用專業(yè)的集成數(shù)字傳感器技術，其具有極高的穩(wěn)定性和極強的可靠性[4]。傳感器內(nèi)部設置了一個感溫元件和一個感濕元件，輸出為總線形式，可直接與單片機相連。該傳感器不僅性能十分優(yōu)越，價格也非常低廉，在很多低成本控制系統(tǒng)中被應用。 方案二：采用HR202電阻型濕度傳感器，HR202濕敏電阻其核心感濕元件是一種新型的高分子材料，該材料具有很寬的感濕范圍，并且常見穩(wěn)定有效，可廣泛的應用在倉庫、大棚等需要檢測、控制濕度的系統(tǒng)中，但該傳感器不能直接通過直流驅(qū)動，采集信號要通過A/D轉(zhuǎn)換，因此電路設計較為復雜。 綜合考慮性能和讀取方式，DHT11雖然編程較為復雜，但其外圍電路簡單，可通過單片機I/O口直接讀取，所以選擇方案一作為系統(tǒng)的濕度檢測模塊。 第2.5節(jié) 遙控電路設計 對于遙控方面所采用的模塊是SC2262和SC2272，它們用于遙控和接收，其中遙控電路圖如圖2.2所示： 圖2.2遙控電路 遙控器設計部分將使用12V電池對其進行供電，當按下按鍵后電池的正極才能夠使其芯片和發(fā)射模塊的電源端相互連通并發(fā)出信號，之所以有這樣設計是為了能夠更好地確保電池的耐用。 其中接收部分的電路圖如2.3接收電路所示： 圖2.3接收電路 接收電路輸出端經(jīng)過NPN三極管9013將輸出的高電平轉(zhuǎn)變成低電平，這樣的設計方便了單片機能夠更好的識別低電平變動。 第2.6節(jié) 遙控發(fā)射模塊參數(shù) 1、通訊方式：調(diào)幅AM 2、工作頻率：315MHZ/433MHZ 3、頻率穩(wěn)定度：75KHZ 4、發(fā)射功率：≤500MW 5、靜態(tài)電流：≤0.1UA 6、發(fā)射電流：3～50MA 7、工作電壓：DC 3～12V 第2.7節(jié) 光強檢測模塊選擇 方案一：采用光敏電阻采集光強。光敏電阻的阻值受環(huán)境光強影響，隨光強不同，阻值也會隨之而改變。通過將電阻值轉(zhuǎn)化成電壓信號、再經(jīng)電壓比較器比較得到電平信號，得知外部環(huán)境光照的強弱[15]。光敏電阻價格極為便宜，只需簡單的處理電路即可達到系統(tǒng)的要求。 方案二：采用GY-30采集光強。GY-30是一款數(shù)字光強檢測模塊，采用ROHM原裝BH單片機可以直接讀取，不需要開發(fā)人員進行標定。該方案電路簡單、可以采集準確的光照強度，但編程非常復雜。 綜合考慮，系統(tǒng)中只要對光的強弱做作一個區(qū)分，并不需要采集出準確的數(shù)值，從程序編寫的難以程度上考慮，選擇方案一作為系統(tǒng)光強檢測模塊。 第2.8節(jié) 電機模塊選擇 方案一：利用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片是專用的電機驅(qū)動芯片。每個L298中配置了兩個H橋電路，可能夠?qū)蓚€小型直流電機進行正反轉(zhuǎn)運行控制。芯片的使能端直接接在邏輯電壓的高、低上，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動和停止；也能夠?qū)纹瑱C輸出PWM接在芯片的使能端上，通過改變PWM的占空比來對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，用來需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)中[6]。L298具有很強的驅(qū)動能力，在其可以驅(qū)動電壓范圍內(nèi)，可以提供的最大驅(qū)動電流是2A。L298還具有過熱保護和電流反饋檢測功能，是一種安全、可靠的電機驅(qū)動方案。 方案二：利用控制繼電器組成電機驅(qū)動模塊，通過四個繼電器組成來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制，并通過觸點動作速度實現(xiàn)電機調(diào)速[7]。這種實現(xiàn)方式電路簡單，但是繼電器的響應時間較長，并且頻繁的開通、關斷會造成繼電器的壽命降低，可靠性較低。 綜合考慮，為增強系統(tǒng)的可靠性、提高性能，電機驅(qū)動模塊選擇方案一作為系統(tǒng)的電機驅(qū)動模塊。 第2.9節(jié) 系統(tǒng)設計要求 在智能晾衣架的研究設計中，應達到以下幾點要求： （1）簡單性：智能晾衣架是為現(xiàn)在生活節(jié)奏快的上班一族設計，因此本設計必須操作簡單，因為忙碌一天的上班族是不愿意在這些小事上花費精力。而且本設計就是為了解決生活小事，若是操作繁雜，這就與我們的初衷恰恰相反的，所以此設計必須操作簡單。 （2）經(jīng)濟性：本設計擁有著大量的潛在市場，是能夠在家庭中應用的。所以必須要設計合理。設計合理中經(jīng)濟性尤為重要，而且我們設計的是智能晾衣架，作為一個晾衣架本身功能來說，就決定了本設計的產(chǎn)品價格就不能太高。并且，任何人都喜歡性價比高的產(chǎn)品。所以我們的設計應該追求物美價廉。這就要求我們不僅要技術先進，經(jīng)濟上也要更加合理。 （3）實用性：本設計是工具，因此我們設計應該多考慮一些實用功能，不能設計那些不實用的功能。本設計針對的是經(jīng)常在露天晾曬衣物的人群設計，所以在設計過程中也會做一些調(diào)整，添加實用的功能，減少冗雜而不必要的功能。 （4）安全、可靠性：因為智能晾衣架是應用于家庭的，所以要保證其安全、可靠性。從電子元件、電路設計、材料的選用都應注意提高其安全性與可靠性。 第3章 控制系統(tǒng)硬件設計 在之前總體設計完成之后，本章將會對控制系統(tǒng)硬件面進行設計，其中包含STC89C51的概述和簡介，DHT11溫濕度傳感器的使用簡介，光敏檢測電路的設計，還有電機驅(qū)動的電路設計，然后在根據(jù)系統(tǒng)性能的要求對其硬件設計進行修改和完善。 第3.1節(jié) 單片機的介紹及其工作系統(tǒng)設計 3.1.1 STC89C51特點 STC89C51的主要性能[10]： 1、與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 2、1000次擦寫周期 3、時鐘頻率0 ~ 35MHz的一般8051 0至420 MHz.實踐工作頻率可達48MHz三級加密程序存儲器 4、低功耗空閑和掉電模式 5、STC89C516AD具備ADC功能。10 位精度ADC，共8 路掉電標識符 引腳結(jié)構(gòu)如圖3.1STC89C51引腳結(jié)構(gòu)所示： 圖3.1 STC89C51引腳結(jié)構(gòu) STC89C51芯片內(nèi)部帶有8K字節(jié)Flash存儲器，其具有性能高、功耗低等優(yōu)點，俗稱單片機。該器件存儲器的制造技術是采用ATMEL高密度非易失性技術，和工業(yè)上的MCS-51的系列芯片具有完成相同的引腳配置和指令集。該芯片性能穩(wěn)定、具有很強的抗干擾能力；并且能夠靈活的編程和設計，在很多的工業(yè)控制現(xiàn)場和嵌入式系統(tǒng)中都可以非常有效的擔任控制任務；并且該芯片價格超低，在許多的小型、低成本的控制系統(tǒng)中作為控制核心。 STC89C51單片機的功能特性：40個外部引腳，F(xiàn)lash閃速存儲器4k字節(jié)，內(nèi)部RAM1288位，輸入/輸出（I/O）口32個，中斷優(yōu)先級5個，中斷嵌套中斷2層， 16位定時器/計數(shù)器3個，全雙工串行通信口（UART）1個，看門狗（WDT）定時器，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。該芯片常見的封裝形式有：TQFP、PLCC和PDIP三種，用來滿足各種工作場合的需求[10]。其引腳圖（PDIP封裝形式）如圖3.1所示。 STC89C51單片機的引腳功能說明： VCC：電源正端輸入。 VSS：接地。 RST：單片機的復位輸入。 EA/VPP：外部訪問允許?！癊A”是英文“External Access”的縮寫，表示存儲外部程序代碼，為使能從0000H 到FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應該接VCC。在Flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。 PSEN：是外部程序存儲器的選通信號。當單片機開始從外部程序存儲器執(zhí)行程序時，該引腳會被激活，其周期是機器周期的一半，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，則不激活PSEN。 ALE：當訪問數(shù)據(jù)存儲器或外部程序存儲器時，該引腳將輸出脈沖，用來鎖存地址的低8位字節(jié)。 P0口（P0.0―P0.7）：P0口是一個8位雙向輸入/輸出（I/O）端口，其漏極開路，每腳最多能夠驅(qū)動的TTL邏輯電平為8個。在對單片機進行編程操作時，指令字節(jié)通過P0口接收；而進行校驗程序時，指令字節(jié)通過P0口輸出，此時P0必須外部上拉電阻才能輸出高電平。P0.0表示第0位，也就是最低位；P0.1表示第1位；依此類推，P0.7表示第7位，也就是最高位。四組I/O口中只有P0口具有內(nèi)部無上拉電阻，其余I/O均在內(nèi)部配置上拉電阻，將I/O的電平拉高。P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。 P1（P1.0―P1.7）：P1口是一個8位雙向I/O端口，內(nèi)部配置了上拉電阻，P1口緩沖器最多能夠輸出或接收4個LS TTL門電流。若將P1口管腳寫入1，則I/O口輸出高電平，表示該端口設置為輸入，可以讀取外部電平信號。 P2（P2.0―P2.7）：P2口是一個8位雙向I/O端口，其內(nèi)部配置了上拉電阻，每一個引腳最多能驅(qū)動4個LS的TTL邏輯門電路。若想將P2設置為輸入口，用來讀取外部電平信號，則需控制P2輸出高電平。 P3（P3.0―P3.7）：P3口和P1口，P2口一樣，也是一個8位雙向I/O端口，其內(nèi)部也配置了上拉電阻的，其輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P3口也可作為STC89C51的一些特殊功能口，其引腳第二功能分配如下表3.1所示。 XTAL1：反向振蕩器的輸入。 XTAL2：反向振蕩器的輸出。 表3.1 P3口引腳第二功能 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外部中斷0） P3.3 INT1（外部中斷1） P3.4 T0（定時/計數(shù)器0） P3.5 T1（定時/計數(shù)器1） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 3.1.2單片機工作系統(tǒng)設計 單片機必須在具備晶振電路和復位電路后才能保證其正常運行。晶振電路也稱時鐘電路，該電路是給單片機提供穩(wěn)定的時鐘源，復位電路的功能是重置單片機，使其總起始地址開始工作，從程序代碼的起始端開始運行。下面將對時鐘電路和復位電路進行詳細介紹。 （1）時鐘電路設計 圖3.2 時鐘電路 在使用51系列單片機開發(fā)系統(tǒng)時，晶振電路主要由兩部分組成：石英晶體和瓷片電容。適石英晶體一般選擇為12MHz或11.0592MHz；匹配的瓷片電容是20~30pf之間，這個大小的電容可以很好的抑制干擾，使時鐘電路穩(wěn)定工作。如圖3.2所示為本次設計的時鐘電路，選用11.0592M的晶振，其晶振兩腳與單片機的時鐘輸入引腳XTAL1和XTAL2相連，并在兩端分別連接30pf瓷片電容C1，C2的一端，瓷片電容的另一端直接接地[9]。 （2）復位電路設計 若系統(tǒng)在運行時，受環(huán)境干擾單片機內(nèi)代碼執(zhí)行時跑飛或需要從新執(zhí)行代碼時，這時需要將單片機復位，從頭執(zhí)行程序代碼，這就需要設置復位電路。STC89C51單片機在RST引腳上施加兩個機器周期以上的時間就會完成復位，代碼將從最開始地址從新執(zhí)行。在系統(tǒng)上電時，也要對單片機進行復位，為了方便，無需每次上電都通過操作按鍵進行復位，復位電路中設置了上電復位。 圖3.3為本設計的復位電路。該電路即可實現(xiàn)上電復位，又能實現(xiàn)手動復位。系統(tǒng)在得電開始運行前，由于電容C3充電， RST引腳上為高電平，高電平持續(xù)時間是電容充電時間，充電時間大于兩個機械周期則上電復位；單片機在正常工作時，按下復位按鍵S1，則RSE引腳直接接在+5V電源上，松手后恢復低電平，實現(xiàn)手動復位。 圖3.3 復位電路 第3.2節(jié) 溫濕度傳感器電路 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器它經(jīng)常被用來測量環(huán)境的溫濕度，之所以使用它是確保設計的產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，DHT11具有質(zhì)量好、響應快、抗干擾能力強、性價比好等優(yōu)點。另外，他還具有超小體積，低功耗，以及信號傳輸間隔長度能夠達到20米以上的特點。在非常精確的濕度校準實驗室校準每個DHT11傳感器都要進行再次校準，用來確保DHT11溫濕度模塊的測量準確性以及可靠性，傳感器的接口方式采用單線串行接口，之所以使用這樣的設計方式是為了使系統(tǒng)變得簡單快捷并且單排針4針組件產(chǎn)品，連接方便，可根據(jù)用戶要求提供特殊包裝格式[3]。 1.DHT11的工作特點： ?相對濕度和溫度測量 ?全部校準，數(shù)字輸出 ?卓越的長期穩(wěn)定性 ?無需額外部件 ?超長的信號傳輸距離 ?超低能耗 ?4 引腳安裝 ?完全互換 2.DHT11應用領域 ?暖通空調(diào) ?氣象站 ?家電 ?濕度調(diào)節(jié)器 ?醫(yī)療 ?除濕器 ?測試及檢測設備 ?汽車 ?數(shù)據(jù)記錄器 ? 消費品 ?自動控制 3. DHT11數(shù)字傳感器電源引腳以及串行接口 電源電壓：工作電壓是3V到5.5V，工作時候需要先等待一秒鐘，其目的是確保不穩(wěn)定狀態(tài)器件不發(fā)送任何的指令[3]。 串行接口：DATA 用于微處理器與DHT11之間的通信和同步，本設計采取使用單總線數(shù)據(jù)形式，一次通訊市場大約為4ms，其中數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，詳細格式在下面說明，此時小數(shù)部分用來以后擴充，現(xiàn)在讀取出為零。操作流程為一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，先出高位。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得最后數(shù)據(jù)的末8位[3]。用戶 MCU 發(fā)送一次信號之后，DHT11將從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速形式， 等候主機開始信號完畢后，DHT11再發(fā)送相對應的信號，同時送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，再次選擇讀取部分數(shù)據(jù)[3]。在這個模式下，DHT11 接收到開始信號后觸發(fā)一次溫濕度采集，假如沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會自動開始溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為低速模式，過程如圖3.4通信過程（1）所示： 圖3.4通訊過程（1） 總線處于空閑模式的時候電平為高電平，主機會把總線拉低等待DHT11的響應，這時候的總線需要的時間超過18ms，這樣做是為了保證DHT11可以啟動信號檢測。當DHT11接收主機信號開始后，就開始發(fā)送80μs低電平相應信號，等待20 ~ 40μs，才開始閱讀DHT11響應信號。主機開始發(fā)送信號后，可以切換到輸入模式或者輸出高電平模式，通過總線將上拉電阻，進程如圖3.5通信過程（2）所示： 圖3.5 通訊過程（2） 當總線為一種低水平的響應信號時候，DHT11發(fā)送響應信號后，再把總線拉高80us，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)都是以50us低水平時隙開始的，高電平的長短表明了數(shù)據(jù)位是0還是1。（如圖3.6數(shù)字0信號表示方法，圖3.7數(shù)字1信號表示方法）讀高水平的響應信號，如果DHT11沒有響應，請檢查線路是否正常。最后一個bit數(shù)據(jù)傳送完成后，DHT11將會拉低總線50μs，然后總線的上拉電阻將會進入空閑階段。 圖3.6 數(shù)字0信號表示方法 數(shù)字1信號表示方法 圖3.7 數(shù)字1信號表示方法 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器它經(jīng)常被用來測量環(huán)境的溫濕度，使用它的原因是因為它能夠確保設計的產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，它還具有超小體積，低功耗，以及信號傳輸間隔長度能夠達到20米以上的特點。在非常精確的濕度校準實驗室校準每個DHT11傳感器都要進行再次校準，用來確保DHT11溫濕度模塊的測量準確性以及可靠性。產(chǎn)品為單排針4針組裝，方便連接，特殊包裝格式可根據(jù)用戶要求提供。接口說明如圖3.8 DHT11典型應用電路所示： 圖3.8 DHT11典型應用電路 第3.3節(jié) 光敏檢測電路 系統(tǒng)光強檢測通過光敏電阻來實現(xiàn)，在外邊天氣光強不同時，光敏電阻的阻值會發(fā)生變化。光敏電阻還可以叫做光導管，制作中常用的材料有：硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等。這些材料具有很強的光特性，在一定波長的光照下，其產(chǎn)生的阻值立即發(fā)生變化。這種現(xiàn)象是產(chǎn)生的原因是由于光照會產(chǎn)生載流子，而這些載流子將會參與導電，使光敏電阻的阻值迅速的下降[11]。 光強檢測電路如圖3.9所示。光敏電阻與47K電阻串聯(lián)，當光強較弱時，光敏電阻阻值較高，這時光敏電阻上端輸出電壓較高；當光強較強時，光敏電阻阻值較低，這時光敏電阻上端輸出電壓較低；光敏電阻上端輸出電壓為V；輸出電壓V是隨光強變化的模擬量信號，需要進行電路處理才能被I/O口讀取[12]。 如圖所示，輸出的電壓信號V通過兩個電壓比較器與兩個閾值相比較得到兩個電平信號，當電壓信號V高于高閾值時，才認為光線較強；在電壓信號V低于第閾值時，才認為光線較弱。有效防止了使用一個閾值時，電壓V在閾值附近時，電平信號震蕩的問題。 電壓信號V分別輸入至兩個電壓比較器的負輸入端和正輸入端，R7和R10兩個電位器分別為電壓比較器提供一個可調(diào)的上限和下限電壓閾值，然后在電壓比較器輸出端上拉一個4.7K電阻，電路即可正常工作。當電壓比較器的正輸入端電壓大于負輸入端時，輸出高電平；當電壓比較器的正輸入端電壓小于負輸入端時，輸出低電平。電壓比較器輸出的電平信號送至單片機的I/O口，I/O口通過掃描即可獲知外部的光線強弱。 圖3.9 光敏檢測電路 其中GL5528電阻的各項參數(shù)是： 最大電壓（V-dc）：150 最大功耗（mW）：100 環(huán)境溫度（C）：-30--- +70 光譜峰值（nm）：540 亮電阻（10Lux）（KΩ）:10-20 暗電阻（MΩ）:1 100λ10：0.6 響應時間（ms）：上升：20 下降：30 第3.4節(jié) 直流電機驅(qū)動電路 3.4.1 L298N基本參數(shù) （1）類型 ： 半橋； （2）輸入類型 ： 非反相； （3）輸出數(shù) ：4； （4）電流-輸出/通道 ：2A； （5）電流-峰值輸出 ：3A； （6）電源電壓 ：4.5 V ~ 46 V； （7）工作溫度 ：-25C ~ 130C； （8）安裝類型 ： 通孔； （9）封裝/外殼 ：Multiwatt-15（垂直，彎曲和錯列引線）； （10）供應商設備封裝 ：15-Multiwatt； （11）包裝 ：管件。 3.4.2 L298N簡介 L298是由SGS公司設計生產(chǎn)的，其封裝是采用15腳Multiwatt封裝，其內(nèi)部都配置了4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢宰鳛橐粋€兩相步進電機，或者兩個小型直流電機的驅(qū)動器，使用極為方便。 L298N芯片可以作為一個四相電機和兩個二相電機的驅(qū)動器，其控制電機的最大供電電壓可達到50V，輸出控制電機的電壓隨著輸入的電壓的變化而變化，可以通過調(diào)節(jié)輸入的電壓來改變電機的控制電壓；控制引腳可以直接連接在單片機的I/O上，可直接通過編程來改變I/O口輸出電平來控制L298N的工作模式；并且所需的外圍輔助器件非常少，控制極為方便[14]。 L298N的邏輯電源VSS可接入的范圍為直流4．5～7 V，其邏輯控制口可接受TTL電平信號。芯片第4引腳VS可直接與電機的供電電源連接，其電機的供電電源VS是在＋2．5～50 V之間。最大可輸出2．5 A供驅(qū)動電流，可以直接用來驅(qū)動阻性或感性負載。L298芯片上的OUT1，OUT2是一組直流電機的接口，OUT3，OUT4是另一組，本設計我們通過它來驅(qū)動一個小型直流電機。5和7以及10和12腳接入單片機的I/O口，通過輸出不同的電平信號來控制直流電機的轉(zhuǎn)向。ENA和ENB為控制的使能端，也接入單片機的I/O口，可同過I/O輸出PWM來控制電機的啟動和、停止和轉(zhuǎn)速。表3.2是L298N功能邏輯圖。 表3.2 L298N功能邏輯圖 ENA(ENB) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) L X X 停止 3.4.3 電機驅(qū)動電路 本系統(tǒng)中，需要對一個電機進行方向和速度控制，將IN1、IN2和ENA分別連到單片機的I/O口P2.2、P2.3、P2.4上，通過改變I/O口的電平狀態(tài)，實現(xiàn)電機的方向和速度控制。芯片供電電源VSS接+5V邏輯電平，電機的動力電源VS與也接+5V輸入，ISENA和ISENB分別接地。芯片輸出端口接電機兩端，為了保護芯片，防止電流回流，在OUT1，OUT2兩端分別接上續(xù)流二極管1N4007。為了濾除電機干擾，在電源上加入了一個100UF和一個104進行濾波[9]。具體電路如圖3.10所示。 圖3.10 電機驅(qū)動電路 第4章 控制系統(tǒng)設計 第4.1節(jié) 程序流程圖 系統(tǒng)軟件設計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設計方法，原因是因為這樣很容易編譯，調(diào)試過程[1]。然后根據(jù)設計要求，以及前端控制系統(tǒng)硬件設計的具體條件進行說明，設計軟件基于單片機控制，其中單片機控制系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖4.1所示： 系統(tǒng)是否是智能模式 是 否 光線明暗 濕度大小 打開按鈕是否按下 關閉按鈕是否按下 暗或濕度大 亮或濕度小 否 是 是 關閉晾衣架 打開晾衣架 關閉晾衣架 打開晾衣架 否 否 關閉限位是否閉合 打開限位是否閉合 是 是 中止動作 結(jié)束 圖4.1 程序流程圖 第4.2節(jié) 程序設計 C語言是計算機程序設計語言的一種，它處于機器語言與高級語言之間，它不僅具備機器語言的特點，同時又具備高級語言的特點。C語言1972年產(chǎn)生于美國，它是由貝爾研究所的D.M.Ritchie推出的。在此之后，各種不同類型的計算機都被移植成為C語言。C語言不僅能夠編寫工作系統(tǒng)和控制程序代碼，還能夠作為設計應用程序的語言，其編寫的應用程序與計算機硬件無絕對關系。如今，C語言的使用范圍非常之廣泛，因為該語言極其強大的處理數(shù)據(jù)的能力，已經(jīng)不僅僅是應用在軟件的開發(fā)上，很多種類的科研也都開始使用C語言編程[8]。 C語言簡明易懂、開發(fā)和維護都很方便，并且不受硬件操作能力約束，采用模塊化設計移植很容易，開發(fā)周期短。使用C語言開發(fā)單片機的控制程序代碼，儲存單元的分配都是通過編譯器自動完成的，程序設計者只需要關注程序本身的設計，無需考慮儲存單元分配等問題。C語言可以采用模塊化的編程，對一些常用控制功能或算法的函數(shù)可以編寫相應的程序塊，在使用時直接調(diào)用，可以極其方便的進行程序開發(fā)和移植，縮短程序開發(fā)周期。 第4.3節(jié) 系統(tǒng)初始化 軟件系統(tǒng)設計設置包含聲明庫函數(shù)如：#include
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- 基于 單片機 智能 晾衣架 控制系統(tǒng) 設計 實現(xiàn)
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