自动晾衣架控制系统设计毕业设计论文.docx
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自动晾衣架控制系统设计毕业设计论文
自动晾衣架控制系统设计
摘要
智能自动晾衣架能够实现晾衣架的自动升降，衣服超重的自动检测及系统故障保护等功能。
与传统的手动晾衣架相比，自动晾衣架具有升降更省力，升降速度更快等优势，随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。
本设计采用单片机AT89C51作为自动晾衣架的检测及控制核心，采用电阻应变片实现超重检测，通过手动按键控制晾衣架的升降，通过发光二极管显示晾衣架的工作状态，同时具有超重声光报警作用，该系统还增加了直流电机的的过流保护功能以及电气隔离功能。
软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图，实现了对晾衣架升降控制，状态显示等功能。
本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。
关键词晾衣架单片机升降控制报警
AUTOMATICCLOTHESHANGERCONTROLSYSTEMDESIGN
ABSTRACT
Intelligentautomaticclotheshangerwhichisabletorealizeautomaticlifttheclotheshanger,automaticdetectionclothesareoverweightornot,system'sfaultprotectionfunctionoftheclotheshanger.Comparedwiththetraditionalmanualclotheshanger,ithasliftingmoreeasilyandmorefaster.Astechnologyisbeingperfected,automaticairclothestreewillbethemarketleadingproducts.
Thisdesignusethesingle-chipmicrocomputerAT89C51asautomaticclotheshangerdetectionandcontrolcore.usingresistancestraingaugerealizeoverweightdetection,throughmanualbuttonstocontrolclotheshangerupordown.throughtheledstodisplaytheclotheshangerworkingcondition.Atthesametime,ithastheoverweightsound-lightalarmcircuit.thissystemalsoincreaseddcmotoroftheover-currentprotectionfunction.softwarepartadoptsmodulardesignthought,compiledtheflowchartofeachmodule.realizedtodcmotorpositive&reversecontrolandstatedisplayfunctions.Thisdesignisagileandconvenient,widelyuse.Basiclycansatisfythepracticedemands.
KEYWORDSclotheshangersingle-chipmicrocomputerliftcontrolalarm
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1绪论
1.1自动晾衣架介绍
目前晾衣架分手动、自动两种。
手动较为普及。
自动之所以未能普及推广，这是由于整个行业技术上的不成熟以及售后服务的局限——毕竟是镶在天花板上，不像小家电一样容易搬移去维修保养。
因而目前，还是手动为市场的主导。
但自动晾衣架有着手动晾衣架不可比拟的优势如升降更省力，升降速度更快等。
随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。
自动晾衣架是大约10年前出现的一种晾晒衣服的用具。
这种产品刚出来时晾杆是用不锈钢圆管做的，款式单一，只是作为一种方便晾晒衣服的工具，但随着时间的推移，生产晾衣架的厂家越来越多，竞争越来越大，厂家各出奇谋，晾衣架的款式越来越多，越来越漂亮，晾衣架如今已不仅仅是一种晾晒的工具了，更演变成一种装饰品，成为阳台一道风景线。
晾衣架的各种配件也层出不穷，每一件配件都可以作为装饰品，点缀现代家庭的阳台。
1.2晾衣架的历史及现状
自动晾衣架是一中国特色的产品，上世纪八十年代末发源于中国，至今大约20年历史，是一新兴行业。
晾衣架是我国较早出现的一种家具，周朝开始实行礼制，贵族阶层对衣冠十分重视，为了适应这种需要，较早就出现了专门用来悬挂衣物的架子。
各个朝代的衣架形式各有不同，名称也有所不同。
春秋时期，横架的木杆，用以挂衣曰“桁”，又叫“木施”。
在宋代，衣架的使用较前代更为普遍，并且有形象的资料，河南禹县宋墓壁画梳妆图中的衣架，它由两根立柱支撑一根横杆，横杆两头长出立柱，两头微向上翘，并做成花朵状。
下部用两横木墩以稳定立柱，在上横杆下部的两柱之间，另加一根横杆，以起加固作用。
明代衣架整体造型仍保持着传统模式，但用材、制作、装饰很精致。
衣架下端以两块墩子木作支撑，里外两面浮雕回纹，前后两个镂雕卷草花抵夹。
上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，由于底下的横格木具有一定的宽度，故可以摆放鞋履等物。
晾衣架从选材、设计、雕刻制作，在明代的时期都达到了很高的艺术水平。
明清衣架造型典雅，装饰精美，雕刻细致。
明清官员头戴乌纱红缨帽，身着前后缀有补子的马蹄袖长袍，故清代衣架高大，立柱上设有横杆，二端出挑，雕有文饰回纹，墩上有立柱，前后两个镂雕卷草花抵夹。
上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，两墩安装用小块木料连接。
清朝实行“易服”政策，推行穿满人服装，满人体魄剽悍而高大，所穿的服装体积大，份量重。
有钱、有地位人的衣服，是由绣凤的绫罗绸缎组成。
因此，造就清代衣架的繁华、端庄、巨大，是这一个时期的特征，也是区别其他时代的不同之处。
清代衣架又俗称“朝服架”，主要挂置男用官服所用，因此，所有的衣架主梁都如同二条仰首的双龙，傲气地横卧在那里，象征着官运享通，其余的如“福”、“禄”、“寿”及各种装饰性花饰，则进一步强调他们的价值观念。
可以看到，早期的封建社会，做工精细、用料讲究的晾衣架只是上层权贵阶层的奢侈家庭用品，而普通的老百姓是享受不到的，他们只能就地取材，竹竿或木棍做晾杆，再加上一个自制的支架，就成了“平民晾衣架”，而且这个晾衣的传统竟然沿用了几千年，直到现在中国不少的农村地区仍在使用这种最朴实、最简单的晾衣方式。
古时的衣架到了现代社会又有了新的演变和发展，随着人类文明和科技的进步，现代的制作工艺及新型合金材料运用的相结合，产生了现代的晾衣架，晾衣架也日益发展成为现代家居生活的必备品。
特别最近几年，中国的房地产迎来了前所未有的高速发展局面，紧随其后的建材家居业，自然也水涨船高。
晾衣架做为建材类五金产品，随着人民生活水平的提高，也成为了家庭装修中消费者必须考虑购买的家居用品。
目前，晾衣架产品的市场消费观念正在发生变化，人们晾晒衣服和生活用品的习惯从最早的原始的固定晾杆，到手拉升降衣架，再到自动晾衣架和最新的数码遥控晾衣架，短短的20年时间内，产品已经发生了翻天覆地的变化。
从消费需求看，人们的消费观念也开始向品牌化、高档化、简易化的理性方向迈进。
体验试营销手段正悄然进入晾衣架市场。
消费者对产品的需求，也从简单的使用需求，上升到对产品的整体设计、功能、色彩、服务等多方面的整合需求。
从产品技术看，现代晾衣架晾杆的材质和表面工艺处理也在不断地提高，材质用料上也从铁质到不锈钢，再发展到铝合金及目前采用的最新航空材料——铝钛合金，不断地推进发展。
1.3晾衣架行业的发展及未来
晾衣架，发展到今天，已经不仅仅是一个晾衣服的工具。
除了实用性很强外，更是一个颇具装饰性的产品。
它是阳台一道主要的风景线。
除了要买来晾衣服，消费者也许更注重心理上的需求和满足。
目前晾衣架的“功能”已经普遍得到消费者的认可，已经形成一个“行业”。
回归产品本身——走质量、特色路线：
不断改良、创新，引领行业重新重视质量。
实用的产品，质量才是永恒的。
只有质量被大众接收，行业才可持续健康发展。
换言之，只要功能、质量普遍被认可，晾衣架将会成为居民生活一个必需品。
而竞争激烈的未来，特色将是吸引顾客的重要要素！
2整体电路设计
2.1自动晾衣架整体框图
本设计要求设计自动晾衣架的控制系统，能实现晾衣架的自动升降，衣服重量的自动检测及系统的故障保护功能。
设计衣物的搭载总重量不超过30kg，晾衣架的升降速度为0.4m/s。
电机的额定功率为120W。
该设计电路的方框图如图2-1。
该电路的输入有超重信号输入电路、手动按键电路、过流检测输入电路；电路的控制核心是AT89C51单片机；输出部分有声光报警电路、状态显示电路、电机控制电路。
图2-1整机原理方框图
电路工作原理:
当系统上电后，电源指示灯点亮；当晾晒衣服时，超重传感器检测衣物是否超过电机所能承载的质量，当超过时声光报警器就会报警，同时电机控制电路使电机不工作；当上升按键被按下，上升指示灯点亮，同时电机控制电路使电机正转；当下降上升按键被按下，下降指示灯点亮，同时电机控制电路使电机反转；如果发生故障使电机处于过流工作时，过流检测就会输出信号使声光报警器报警，同时使电机不工作。
2.2系统的主要部件方案论证与比较
题目要求设计一自动晾衣架，根据要求需采用一只电机来控制晾衣架的升降。
采用传感器衣物是否超重，当过载或发生故障时通过声光报警器实现报警,另外还需用到键盘及显示，下面对主要部件的选择加以论证。
2.2.1处理器的选择与论证
方案一：
采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的处理器。
由于FPGA将所有器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA的成本偏高，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：
采用单片机AT89C51作为系统的处理器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析，采用单片机AT89C51作为系统的处理器。
2.2.2驱动电机的选择与论证
方案一：
采用步进电机作为执行单元。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
因此，步进电机具有快速启停能力，但步进电机成本比较高且如果控制不当容易产生共振。
方案二：
采用直流电机作为执行元件。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
直流电机成本低且的电路简单。
基于以上分析，采用直流电机作为系统的传动装置。
2.2.3直流电机驱动电路的选择与论证
方案一：
采用与直流电机相匹配的成品驱动装置。
采用该方法实现直流电机驱动，其优点是工作可靠，节省制作和调试的时间，但成本很高。
方案二：
采用继电器来控制直流电机。
采用该方法实现直流电机驱动，电路连接比较简单，工作相对也比较可靠，成本低廉，技术成熟。
此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。
基于以上分析，考虑到要驱动的电机瞬时电流较大以及电路的复杂程度，采用方案二实现电机驱动。
2.2.4稳压电源方案选择与论证
方案一：
采用串联反馈式稳压电路，图2-2中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。
图2-2串联反馈式稳压电路
这种稳压电路的主回路是起调整作用的T与负载串联，故称为串联式稳压电路。
输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。
但该电路复杂，使用不方便。
方案二：
采用集成三端稳压器
图2-3集成三端稳压器
如图所示，集成三端稳压器是一个集成芯片，它有一个电压输入端Vin，一个电压输出端Vout和一个接地端GND，其基准电压由芯片内部电路决定，是一个固定的值。
集成三端稳压器的外部结构简单，使用比较方便。
基于以上分析，我们采用方案二做为电源方案。
2.3系统各模块的最终方案
经过仔细地分析和论证，选定了系统各模块的最终方案如下：
电源：
采用三端稳压器组成稳压电源：
处理器：
采用单片机AT89C51组成控制系统；
电机：
采用直流电机；
电机驱动：
采用继电器来控制直流电机；
超重检测：
电阻应变片称重传感器；
报警模块：
采用声光报警器；
键盘：
独立式键盘接口查询方式；
显示：
采用发光二极管。
3基本元器件介绍及各部分电路设计
3.1直流电机的运行原理
3.1.1直流电机的结构
图3-1直流电机的物理模型图
其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
（其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的）
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，从模型上可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
3.1.2直流电机的基本工作原理
1.直流电动机工作原理
由下图可知，当将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。
导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。
用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。
这样，电枢就顺着逆时针方向旋转。
图3-2直流电动机工作原理示意图
如图3-2（a）所示。
当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图3-2（b）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。
这就是直流电动机的基本工作原理。
实际的直流电动机，电枢圆周上不是由一个线圈构成而是均匀地嵌放许多线圈，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。
2.直流电机的励磁方式
励磁绕组的供电方式称为励磁方式。
按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。
（1）他励直流电机
励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图3-3（a）所示。
永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。
图3-3中电流正方向是以电动机为例设定的。
（2）并励直流电机
励磁绕组与电枢绕组并联。
如图3-3（b）所示。
励磁电压等于电枢绕组端电压。
以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。
（3）串励直流电机
励磁绕组与电枢绕组串联，如图3-3（c）所示。
励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。
（4）复励直流电机
每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。
一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图3-3（d）所示。
两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。
直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。
图3-3直流电机的励磁方式
3.1.3直流电机的额定值
电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标称为电机的额定值。
额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。
直流电机的额定值主要有下列几项：
1.额定功率
额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。
对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率。
2.额定电压
额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压，单位为V（伏特）。
3.额定电流
额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A（安培）。
4.额定转速
额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。
额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。
还有一些额定值，例如额定转矩TN、额定效率N等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。
直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。
在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。
如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。
欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。
3.2单片机原理
3.2.1单片机原理概述
单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。
图3-4中表示单片机的典型结构图。
由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。
图3-4典型单片机结构图
3.2.2单片机的应用系统
单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。
人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。
单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。
单片机应用系统的构成基本上如图3-5所示。
图3-5单片机的应用系统
单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。
本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。
这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。
对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。
下图就是一个AT89C51的一个典型最小应用系统。
图3-6AT89C51最小应用系统
3.2.3AT89C51简介
AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。
有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。
不用紫外线擦除，提高了编程效率。
程序存储器E²PROM容量可达20K字节。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能8位微处理器，俗称单片机。
其可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
制造工艺为HMOS的51系列单片机都采用40只引脚的双列直插式封装（DIP）方式，其引脚如图3-7所示：
图3-7单片机的引脚排列
40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：
（1）电源及时钟引脚：
VCC，GND，XTAL1，XTAL2。
（2）控制引脚：
/PSEN,ALE,/EA,RESTE（即RST）。
（3）I/O口引脚：
P0口，P1口，P2口，P3口，为4个8位I/O口的外部引脚。
1.主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断
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