基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现.docx

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基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现

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基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现

基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现

董阳

通信工程专业　通信1301班　学号1

指导教师　李丽芬副教授

摘　　要

现在都市的生活越来越忙，很多人都没有时间和精力来管理一些细节上的东西，比如，在合适的阳光温度时间内晾晒衣服。

针对这来问题我们开始了研究，通过对智能晾衣架控制系统的设计与实现的不断探究，得到了比较好的设计思路。

通过使用DHT11温湿度传感器、光敏电阻等元件，对环境的变化进行检测，然后再将测量数据传递给STC89C51单片机，单片机的核心板再对所测量的温湿度和光线的强弱进行判别，驱使电机进行正转或者反转，达到智能晾晒衣物的目的。

在温湿度检测方面使用的是DHT11传感器模块，该模块将测量得到的数据与设定值进行对比，如果湿度超越过设定值，系统会默认回收晾衣架，发送脉冲信号来控制电机收回晾衣架。

针对光照强度方面的检测我们选择使用光敏电阻，光照强度的改变会使电阻阻值产生相应的变化，单片机将变化后的阻值与设定值进行对比，如果超过设定值，则控制电机进行转动，使衣架收回，从而实现智能晾衣服的目的。

关键词：

智能　STC89C51　DHT11

DesignandImplementationofIntelligentClothesHangerControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

Abstract

Nowthecitylifemoreandmorebusy,alotofpeopledonothavethetimeandenergytomanagesomeofthedetails,forexample,intheappropriatetemperatureofthesundryingclothes.Inordertosolvethisproblem,westartedtheresearch,throughtheintelligentclotheshangercontrolsystemdesignandimplementationofcontinuousresearch,getabetterdesignideas.ByusingtheDHT11temperatureandhumiditysensor,photosensitiveresistanceandothercomponents,thechangeofenvironmentweredetected,andthenthemeasurementdataaretransmittedtotheSTC89C51microcontrollercoreboardmicrocontrollertomeasurethetemperatureandhumidityandlightintensitydiscrimination,motordrivenforwardorreverse,achievestheintelligentclothesdryingpurpose.UsedinthedetectionofthetemperatureandhumidityDHT11sensormodule,themodulewillbemeasureddataarecomparedwiththesetvalue,ifthehumidityisbeyondthesetvalue,thesystemwilldefaultrecoveryracks,sendpulsesignaltocontrolthemotorbackracks.Similarly,thephotosensitiveresistorfordetectingthelightintensityofthelightintensity,thechangeswillcausetheresistancechange,willchangetheresistancecomparedwiththesetvalue,ifitexceedsthesetvalue,thencontrolthemotortorotate,theclotheshangertorecover,soastoachievethepurposeofintelligentclothes.

Keywords:

intelligentSTC89C51DHT11

目　　录

前　　言

科技是第一生产力科技的进步推动着人类生活的进步，人们对生活也开始不断的追求智能化，这种形式促使各国也在家具智能方面开始了深入的研究。

人工智能化的产生以及运用使人们对家电、照明、窗帘管理控制和防盗报警等智能化方面的研究更进了一步，促使人们生活向全面人工智能化也更近了一步。

但是，在各项人工智能的家具中针对晾衣工具这个方面的研究我国并没有得到很大中的重视和研究，甚至可以用没有什么改变来形容，所以其市场研究价值很高，十分利于我们开发研究。

现在在我国大多数普通用户生活中，很少会存在能够随着外界环境改变而硬件自身够功进行变化的智能晾衣架，从而达到自动收缩或者伸展晾衣架的目的。

常见的普通晾衣架在实际生活活中并不是很人性化帮助人们生活便利，并且很多常见的问题不能够解决。

例如，我们工作不在家时，突然下起雨，在外面晾洗的衣服不能够及时回收而导致重洗；晚上因为加班不能够回家，晾晒的衣服也不能够及时回收造成损失，并且在酷热夏日，我们因为工作繁忙的原因通常会导致把洗好的衣物晾晒在室外一整天，而不能及时收回。

假设我们不在家，但是在夏天的正午时候不能够把衣物回收到屋子里，导致衣物暴晒，这样的现象在我们平时的生活中最为常见，所以普通的晾衣架对我们的衣物伤害极大。

虽然在国际上有很多大的厂家对智能晾衣架有一定的研究，但是他们所研究量产的智能晾衣架大都是半智能化的，用户只能经过电路按键等控制方式使衣物达到垂直升降晾晒衣服的目的。

基于这一现状我的设计思路是使用DHT11温湿度传感器和光传感器来检测室外的天气温度和光照的情况，然后得到当下天气信息，这些信息再由传感器传输到单片机，单片机再通过脉冲信号使电机进行转动，进而达到智能晒衣物的目的。

第1章　绪论

第节　选题背景

科技是第一生产力科技的进步推动着人类生活的进步，人们对生活也开始不断的追求智能化，这种形式促使各国也在家具智能方面开始了深入的研究。

人工智能化的产生以及运用使人们对家电、照明、窗帘管理控制和防盗报警等智能化方面的研究更近了一步，促使人们向全面人工智能化也更近了一步。

但是，在各项人工智能的家具中针对晾衣工具这个方面的研究我国并没有得到很大中的重视和研究，甚至可以用没有什么改变来形容，因此智能晾衣架也有很大发展空间，其市场研究价值很高，并且

第节研究方法及目的

现在在我国大多数普通用户生活中，很少会存在能够随着外界环境改变而硬件自身够功进行变化的智能晾衣架，从而达到自动收缩或者伸展晾衣架的目的。

常见的普通晾衣架在实际生活活中并不是很人性化帮助人们生活便利，并且很多常见的问题不能够解决。

例如，我们工作不在家时，突然下起雨，在外面晾洗的衣服不能够及时回收而导致重洗；晚上因为加班不能够回家，晾晒的衣服也不能够及时回收造成损失，并且在酷热夏日，我们因为工作繁忙的原因通常会导致把洗好的衣物晾晒在室外一整天，而不能及时收回。

假设我们不在家，但是在夏天的正午时候不能够把衣物回收到屋子里，导致衣物暴晒，这样的现象在我们平时的生活中最为常见，所以普通的晾衣架对我们的衣物伤害极大。

虽然在国际上有很多大的厂家对智能晾衣架有一定的研究，但是他们所研究量产的智能晾衣架大都是半智能化的，用户只能经过电路按键等控制方式使衣物达到垂直升降晾晒衣服的目的，但是这样的设计并不能完美的晾晒衣服并且让其对衣服无损伤，通过用单片机为核心的设计可以很好解决这个问题。

整个系统的工作过程为，单片机经过DHT11温湿传感器来获取当下天气情况，当室外的温度或湿度为系统设定数值的时候，单片机会发送信号驱使电动机进行转动，来完成智能晾晒衣服目的。

另外，在转动的过程中当传动杆接触到位置开关时，电机就会中止转动；在雨过天晴的时候阳光会比较充足，此时光敏电阻会因为光照变化的原因使自身阻值产生变化，并将其变化信息发送给单片机，单片机在程序的指引下对光照强度进行判断，然后发送脉冲信号给电机，使电机进行转动进而实现智能晾衣。

（1）文献法。

由于本研究将会触及到很多单片机方面的绘图以及变成等方面的知识和技术，为了能够更好的完成研究，所以需要对大量的期刊杂志等书籍进行浏览、整理和分析。

这样做能够快速而且有效的获得大量对本研究由有利的信息和材料，因此成为研究方法不可缺少的部分。

（2）观察法。

合理的观察对研究有很大的帮助，这种研究方法具有很强的目的性和计划性，在实验中往往能达到意想不到的效果，从而开辟人们的思路，招致新的发现，因此也成为研究方法不可缺少的部分。

第节　研究意义

按照现阶段的晾衣架开发情况，本设计方法能够把人们从原始的晾衣操作方法中解脱出来，实现智能生活化。

这种智能晾衣架除了人工智能外还有其他的优点，例如占地面积相对其他的晾衣架而言较小，并且它的操作方法也特别简单，能够通过遥控来实现人工伸展和收回，它的外观也有很高的美观性。

相对其他晾衣架而言这种设计方式的晾衣架大大避免了那些操作麻烦方面的问题。

它的工作方式是，各个相应的检测模块在获取到这个时候的温湿度或者光的强度后会把自己获取的东西发送给单片机，单片机会发送相对应的信号来驱使电动机进行转动，实现晾衣服的功能。

第2章　系统总体设计

第节　总系统设计框图

本设计使用STC89C51单片机，同时再通过温湿度传感器和光敏电阻等装置来配合来检测外界的环境变化，把他们自己获取的信息发送给单片机，再使单片机来驱使电机转动，完成智能晾衣功能，对于智能晾衣架的总体设计框图如图所系统总体控制框图示：

晾衣架执行

机构

图系统总体控制框图

第节　系统组成概述

系统主要由：

控制系统核心、湿度检测模块、光强检测模块、电机驱动模块、直流电机、拨码开关模块和显示模块。

控制系统核心作为系统的控制核心和数据处理中心；湿度检测模块用来采集环境湿度信号；光强检测模块用来采集环境光强信号；电机驱动模块用来功率放大驱动电机正反转，进而带动晾衣架做伸出或缩回运动；拨码开关模块是用来设置系统工作模式，并在手动工作模式下，设置晾衣架的伸出或缩回；显示模块用来显示湿度数据、光强情况、晾衣架状态等内容。

第节　控制系统核心选择

方案一：

采用STC89C51作为系统的控制器。

STC89C51是一种性能好、功耗低的8位结构的微处理器，其内部配置了系统可编程的8K的Flash存储器[3]。

该芯片性能稳定、抗干扰能力强；并且能够灵活的编程和设计，在很多的工业控制现场和嵌入式系统中都可以非常有效的担任控制任务。

方案二：

采用FPGA作为系统的主控制器。

FPGA的功能非常强大，对于很多具有复杂逻辑功能的控制系统均可作为系统的核心；并且开发的系统具有较小的体积、极高的集成度、极强的稳定性、丰富的硬件资源、扩展易实现、处理速度快，通常用于控制功能复杂、控制要求较高的控制系统中，但该控制器价格很高、编程较单片机复杂很多。

本系统逻辑功能简单，仅仅需要读取传感器和拨码开关信号、控制电机、控制显示屏，对控制器的数据处理能力要求不是很高，STC89C51单片机完全能达到控制要求，从性价比方面考虑选择方案一。

第节　湿度检测模块选择

方案一：

采用DHT11传感器采集湿度，该传感器集测温、测湿度为一体，输出为数字量信号，数字量信号以经内部校准。

传感器采用专业的集成数字传感器技术，其具有极高的稳定性和极强的可靠性[4]。

传感器内部设置了一个感温元件和一个感湿元件，输出为总线形式，可直接与单片机相连。

该传感器不仅性能十分优越，价格也非常低廉，在很多低成本控制系统中被应用。

方案二：

采用HR202电阻型湿度传感器，HR202湿敏电阻其核心感湿元件是一种新型的高分子材料，该材料具有很宽的感湿范围，并且常见稳定有效，可广泛的应用在仓库、大棚等需要检测、控制湿度的系统中，但该传感器不能直接通过直流驱动，采集信号要通过A/D转换，因此电路设计较为复杂。

综合考虑性能和读取方式，DHT11虽然编程较为复杂，但其外围电路简单，可通过单片机I/O口直接读取，所以选择方案一作为系统的湿度检测模块。

第节　遥控电路设计

对于遥控方面所采用的模块是SC2262和SC2272，它们用于遥控和接收，其中遥控电路图如图所示：

图遥控电路

遥控器设计部分将使用12V电池对其进行供电，当按下按键后电池的正极才能够使其芯片和发射模块的电源端相互连通并发出信号，之所以有这样设计是为了能够更好地确保电池的耐用。

其中接收部分的电路图如接收电路所示：

图接收电路

接收电路输出端经过NPN三极管9013将输出的高电平转变成低电平，这样的设计方便了单片机能够更好的识别低电平变动。

第节　遥控发射模块参数

1、通讯方式：

调幅AM

2、工作频率：

315MHZ/433MHZ

3、频率稳定度：

±75KHZ

4、发射功率：

≤500MW

5、静态电流：

≤

6、发射电流：

3～50MA

7、工作电压：

DC3～12V

第节　光强检测模块选择

方案一：

采用光敏电阻采集光强。

光敏电阻的阻值受环境光强影响，随光强不同，阻值也会随之而改变。

通过将电阻值转化成电压信号、再经电压比较器比较得到电平信号，得知外部环境光照的强弱[15]。

光敏电阻价格极为便宜，只需简单的处理电路即可达到系统的要求。

方案二：

采用GY-30采集光强。

GY-30是一款数字光强检测模块，采用ROHM原装BH单片机可以直接读取，不需要开发人员进行标定。

该方案电路简单、可以采集准确的光照强度，但编程非常复杂。

综合考虑，系统中只要对光的强弱做作一个区分，并不需要采集出准确的数值，从程序编写的难以程度上考虑，选择方案一作为系统光强检测模块。

第节　电机模块选择

方案一：

利用L298N芯片驱动电机，该芯片是专用的电机驱动芯片。

每个L298中配置了两个H桥电路，可能够对两个小型直流电机进行正反转运行控制。

芯片的使能端直接接在逻辑电压的高、低上，能够实现电机的转动和停止；也能够将单片机输出PWM接在芯片的使能端上，通过改变PWM的占空比来对电机转速进行调节，用来需要调节转速的系统中[6]。

L298具有很强的驱动能力，在其可以驱动电压范围内，可以提供的最大驱动电流是2A。

L298还具有过热保护和电流反馈检测功能，是一种安全、可靠的电机驱动方案。

方案二：

利用控制继电器组成电机驱动模块，通过四个继电器组成来实现电机的正反转控制，并通过触点动作速度实现电机调速[7]。

这种实现方式电路简单，但是继电器的响应时间较长，并且频繁的开通、关断会造成继电器的寿命降低，可靠性较低。

综合考虑，为增强系统的可靠性、提高性能，电机驱动模块选择方案一作为系统的电机驱动模块。

第节　系统设计要求

在智能晾衣架的研究设计中，应达到以下几点要求：

（1）简单性：

智能晾衣架是为现在生活节奏快的上班一族设计，因此本设计必须操作简单，因为忙碌一天的上班族是不愿意在这些小事上花费精力。

而且本设计就是为了解决生活小事，若是操作繁杂，这就与我们的初衷恰恰相反的，所以此设计必须操作简单。

（2）经济性：

本设计拥有着大量的潜在市场，是能够在家庭中应用的。

所以必须要设计合理。

设计合理中经济性尤为重要，而且我们设计的是智能晾衣架，作为一个晾衣架本身功能来说，就决定了本设计的产品价格就不能太高。

并且，任何人都喜欢性价比高的产品。

所以我们的设计应该追求物美价廉。

这就要求我们不仅要技术先进，经济上也要更加合理。

（3）实用性：

本设计是工具，因此我们设计应该多考虑一些实用功能，不能设计那些不实用的功能。

本设计针对的是经常在露天晾晒衣物的人群设计，所以在设计过程中也会做一些调整，添加实用的功能，减少冗杂而不必要的功能。

（4）安全、可靠性：

因为智能晾衣架是应用于家庭的，所以要保证其安全、可靠性。

从电子元件、电路设计、材料的选用都应注意提高其安全性与可靠性。

第3章　控制系统硬件设计

在之前总体设计完成之后，本章将会对控制系统硬件面进行设计，其中包含STC89C51的概述和简介，DHT11温湿度传感器的使用简介，光敏检测电路的设计，还有电机驱动的电路设计，然后在根据系统性能的要求对其硬件设计进行修改和完善。

第节　单片机的介绍及其工作系统设计

STC89C51特点

STC89C51的主要性能[10]：

1、与MCS-51单片机产品兼容

2、1000次擦写周期

3、时钟频率0~35MHz的一般80510至420MHz.实践工作频率可达48MHz三级加密程序存储器

4、低功耗空闲和掉电模式

5、STC89C516AD具备ADC功能。

10位精度ADC，共8路掉电标识符

引脚结构如图引脚结构所示：

图STC89C51引脚结构

STC89C51芯片内部带有8K字节Flash存储器，其具有性能高、功耗低等优点，俗称单片机。

该器件存储器的制造技术是采用ATMEL高密度非易失性技术，和工业上的MCS-51的系列芯片具有完成相同的引脚配置和指令集。

该芯片性能稳定、具有很强的抗干扰能力；并且能够灵活的编程和设计，在很多的工业控制现场和嵌入式系统中都可以非常有效的担任控制任务；并且该芯片价格超低，在许多的小型、低成本的控制系统中作为控制核心。

STC89C51单片机的功能特性：

40个外部引脚，Flash闪速存储器4k字节，内部RAM128×8位，输入/输出（I/O）口32个，中断优先级5个，中断嵌套中断2层，16位定时器/计数器3个，全双工串行通信口（UART）1个，看门狗（WDT）定时器，片内振荡器和时钟电路。

该芯片常见的封装形式有：

TQFP、PLCC和PDIP三种，用来满足各种工作场合的需求[10]。

其引脚图（PDIP封装形式）如图所示。

STC89C51单片机的引脚功能说明：

VCC：

电源正端输入。

VSS：

接地。

RST：

单片机的复位输入。

EA/VPP：

外部访问允许。

“EA”是英文“ExternalAccess”的缩写，表示存储外部程序代码，为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在Flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

PSEN：

是外部程序存储器的选通信号。

当单片机开始从外部程序存储器执行程序时，该引脚会被激活，其周期是机器周期的一半，而在访问外部数据存储器时，则不激活PSEN。

ALE：

当访问数据存储器或外部程序存储器时，该引脚将输出脉冲，用来锁存地址的低8位字节。

P0口（―）：

P0口是一个8位双向输入/输出（I/O）端口，其漏极开路，每脚最多能够驱动的TTL逻辑电平为8个。

在对单片机进行编程操作时，指令字节通过P0口接收；而进行校验程序时，指令字节通过P0口输出，此时P0必须外部上拉电阻才能输出高电平。

表示第0位，也就是最低位；表示第1位；依此类推，表示第7位，也就是最高位。

四组I/O口中只有P0口具有内部无上拉电阻，其余I/O均在内部配置上拉电阻，将I/O的电平拉高。

P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

P1（―）：

P1口是一个8位双向I/O端口，内部配置了上拉电阻，P1口缓冲器最多能够输出或接收4个LSTTL门电流。

若将P1口管脚写入1，则I/O口输出高电平，表示该端口设置为输入，可以读取外部电平信号。

P2（―）：

P2口是一个8位双向I/O端口，其内部配置了上拉电阻，每一个引脚最多能驱动4个LS的TTL逻辑门电路。

若想将P2设置为输入口，用来读取外部电平信号，则需控制P2输出高电平。

P3（―）：

P3口和P1口，P2口一样，也是一个8位双向I/O端口，其内部也配置了上拉电阻的，其输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，其引脚第二功能分配如下表所示。

XTAL1：

反向振荡器的输入。

XTAL2：

反向振荡器的输出。

表P3口引脚第二功能

端口引脚

第二功能

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

INT0（外部中断0）

INT1（外部中断1）

T0（定时/计数器0）

T1（定时/计数器1）

WR（外部数据存储器写选通）

RD（外部数据存储器读选通）

单片机工作系统设计

单片机必须在具备晶振电路和复位电路后才能保证其正常运行。

晶振电路也称时钟电路，该电路是给单片机提供稳定的时钟源，复位电路的功能是重置单片机，使其总起始地址开始工作，从程序代码的起始端开始运行。

下面将对时钟电路和复位电路进行详细介绍。

（1）时钟电路设计

图时钟电路

在使用51系列单片机开发系统时，晶振电路主要由两部分组成：

石英晶体和瓷片电容。

适石英晶体一般选择为12MHz或；匹配的瓷片电容是20~30pf之间，这个大小的电容可以很好的抑制干扰，使时钟电路稳定工作。

如图所示为本次设计的时钟电路，选用的晶振，其晶振两脚与单片机的时钟输入引脚XTAL1和XTAL2相连，并在两端分别连接30pf瓷片电容C1，C2的一端，瓷片电容的另一端直接接地[9]。

（2）复位电路设计

若系统在运行时，受环境干扰单片机内代码执行时跑飞或需要从新执行代码时，这时需要将单片机复位，从头执行程序代码，这就需要设置复位电路。

STC89C51单片机在RST引脚上施加两个机器周期以上的时间就会完成复位，代码将从最开始地址从新执行。

在系统上电时，也要对单片机进行复位，为了方便，无需每次上电都通过操作按键进行复位，复位电路中设置了上电复位。

图为本设计的复位电路。

该电路即可实现上电复位，又能实现手动复位。

系统在得电开始运行前，由于电容C3充电，RST引脚上为高电平，高电平持续时间是电容充电时间，充电时间大于两个机械周期则上电复位；单片机在正常工作时，按下复位按键S1，则RSE引脚直接接在+5V电源上，松手后恢复低电平，实现手动复位。

图复位电路

第节　温湿度传感器电路

DHT11数字温湿度传感器它经常被用来测量环境的温湿度，之所以使用它是确保设计的产品测量数据的可靠性和准确性，DHT11具有质量好、响应快、抗干扰能力强、性价比好等优点。

另外，他还具有超小体积，低功耗，以及信号传输间隔长度能够达到20米以上的特点。

在非常精确的湿度校准实验室校准每个DHT11传感器都要进行再次校准，用来确保DHT11温湿度模块的测量准确性以及可靠性，传感器的接口方式采用单线串行接口，之所以使用这样的设计方式是为了使系统变得简单快捷并且单排针4针组件产品，连接方便，可根据用户要求提供特殊包装格式[3]。

的工作特点：

相对湿度和温度测量

全部校准，数字输出

卓越的长期稳定性

无需额外部件

超长的信号传输距离

超低能耗

4引脚安装

完全互换

应用领域

暖通空调气象站

家电湿度调节器

医疗除湿器

测试及检测设备汽车

数据记录器消