基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计分解.docx

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基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计分解

基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计

摘要

对于现在城市里的大多数人们每天忙于工作，白天几乎都不在家中，当天气变化时不能及时将衣物收回。

关于这个问题，本文对智能晾衣架系统进行研究，运用DHT11温湿度传感器，光敏电阻采集到的信号传输给系统处理核心单片机AT89S52，根据当时的温湿度和光线的强弱判断晾衣架是否要收回。

当空气中的相对湿度超过设定值或光线变暗到一定值时，系统会发出报警提示主人收衣服并延时，无人应答后系统会自动发出脉冲信号给电机，从而控制机械部分自动收回晾衣架。

关键词：

智能AT89S52DHT11

MCUbasedintelligentclotheshorsecontrolsystemdesign

Abstract

Withtheconstantdevelopmentandsocialprogress,intelligentproductsinthecontinuousinfluxofourfamilylife,tothepeople'sdailylifemoreconvenient,butairingtoolorinaprimitivelevelalmostnochange,graduallyandourlifeaway.Fornowthecitywheremostpeoplearebusywiththeirworkeveryday,hardlyeverathome,whenweatherchangeswillbeunabletorecover.Aboutthisquestion,theintelligentclotheshangersystemisstudied,usingtheDHT11temperatureandhumiditysensor,5547photosensitiveresistancesignalstransmittedtothesystemprocessingcorechipAT89S52,accordingtothetimeofthetemperatureandhumidityandlightintensitytojudgewhethertotakebacktheclotheshanger.Whentheairrelativehumidityexceedsasetvalue（thinkit'sgoingtorainorrain）orthedarktoacertainvalue（thathadbeendark）,thesystemwillsendoutalarmhostreceivedclothesanddelay,noresponseafterthesystemwillautomaticallysendapulsesignaltoasteppingmotor,soastocontrolthemechanicalpartsautomaticallyretracttheclotheshanger.

Keywords:

IntelligentAT89S52DHT11

前言

现在人们的生活追求个性化、自动化，家装要求的档次越来越高，生活家居人性化、智能化的要求使智能控制技术在智能家居电子产品中得到了广泛的应用，它不仅优化了人们的生活方式和居住环境，而且方便了人们有效的安排时间和节约各种能源。

人们实现了家电、照明、窗帘控制和防盗报警等智能化，但是晾衣工具还是处于比较原始的层次几乎没有什么改变，渐渐与我们的生活脱节。

目前人们所使用的晾衣架多为不能随外界环境变化而自动收缩的传统类型。

假如住户是双职工，或者住户有事在外，那么如果下雨或者夜晚，传统类型的晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨、避露水的功能。

炎热夏日，上班族通常是把衣物晾晒在室外一整天。

住户即使在家，为了减少麻烦，也很少在夏日的正午把衣物收回室内，等气温下降之后再把衣物拿出去晾晒，其实暴晒对衣物的损伤极大。

国内现在也有生产智能晾衣架的厂家，但是他们所生产的智能晾衣架都是安装在阳台内部，通过电路的控制使晾衣架根据不同的情况垂直升降，以达到智能晾晒衣物的功能。

而本设计是通过温湿度传感器和光敏传感器感应外界天气中的雨水、温度和光照情况，运用传感器、单片机驱动电动机来控制晾衣架的伸张和收缩，从而达到智能晾晒衣物的目的。

第1章绪论

第1.1节选题背景

随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求快节奏，家装要求的档次越来越高，生活家居人性化、智能化的要求使智能控制技术在智能家居电子产品中得到了广泛应用，它不仅优化了人们的生活方式和居住环境，而且方便人们有效地安排时间和节约各种能源，实现了家电、照明、窗帘控制和防盗报警、定时控制及电话远程控制等。

伴随着高智能家居的快速发展，晾衣工具的智能化发展明显落后与其他家用器具智能化发展之后，现在已经引起社会的很大关注。

第1.2节研究目的与研究方法

1.2.1研究目的

目前人们所使用的晾衣架多为不能随外界环境变化而自动收缩的传统类型。

假如住户是双职工，或者住户有事在外，那么如果下雨或者夜晚，传统类型的晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨、避露水的功能。

炎热夏日，上班族通常是把衣物晾晒在室外一整天。

住户即使在家，为了减少麻烦，也很少在夏日的正午把衣物收回室内，等气温下降之后再把衣物拿出去晾晒，其实暴晒对衣物的损伤极大。

国内现在也有生产智能晾衣架的厂家，但是他们所生产的智能晾衣架都是安装在阳台内部，通过电路的控制使晾衣架根据不同的情况垂直升降，以达到智能晾晒衣物的功能。

而本设计采用单片机作为智能晾衣架的检测及控制核心，通过温湿传感器探测外界环境的温度和湿度，当温度或湿度达到一定指标时，单片机控制电动机正转（或者反转）从而使衣架自动收回，当传动杆接触到位置开关时，电机停止转动；当雨停后，阳光充裕时，光敏电阻将信息反馈给单片机，单片机再控制电动机反转（或者正转）从而使衣架自动伸出接收晾晒。

晾衣杆与各传动轴之间采用滑轮、钢丝绳等连接。

1.2.2研究方法

（1）文献法。

本研究涉及单片机编程、原理图绘制、元器件焊接等技术，需要对涉及的知识精通才能实现方案的成功设计，只有通过对大量相关书籍期刊进行阅读、整理、分析，才能得到有价值的研究资料。

因此，本研究把文献法作为最重要的研究方法。

（2）观察法。

科学的观察具有目的性和计划性、系统性和可重复性。

在科学实验和调查研究中，观察法具有扩大人们的感性认识、启发人们的思维、导致新的发现等几个方面的作用。

因此对于本研究有很大帮助。

第1.3节研究意义

基于现在晾衣架的发展现状，本设计开发了一种能帮助人们摆脱原始操作的智能晾衣架。

本实用新型晾衣架主要特点在于：

可以伸缩，操作简单，占地面积小，美观实用。

同类产品有可收缩式的，但属于组装而成，操作比较麻烦，而本晾衣架是通过温湿度传感器和光敏传感器感应外界天气中的雨水、温度和光照情况，运用传感器、单片机驱动电动机来控制晾衣架的伸张和收缩，从而达到智能晾晒衣物的目的。

第2章系统总体设计

第2.1节总系统设计框图

本设计采用美国Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心，外围辅助温湿度传感电路及光敏传感电路等检测电路来控制电机运动，实现收晾衣智能化的功能。

总体设计框图如图2.1所示：

图2.1系统总体控制框图

第2.2节系统组成概述

本系统可固定在阳台外面，既节省空间，同时系统通过测温湿度电路及光敏电路等检测电路自动测量当前空气温度、湿度和光线强度，根据当前温湿度值和光线强度确定晾衣架是否收回。

当要下雨或已经下雨时，空气中的相对湿度急剧增加超过设定值时，系统会自动发出警报（提示主人收衣服），若无人应答系统自动默认屋内无人，系统会自动给电机脉冲完成自动收衣服功能。

第2.3节系统硬件电路选择

本系统的控制核心采用扩展型单片机AT89S52，该系列单片机是釆用高性

能的静态80C51设计的，由先进的CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作，包含128字节和256字节RAM，32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口，可以满足本系统的需要。

系统检测部分由DHT11型温湿度传感器和5547光敏电阻组成。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择，而且此产品为4针单排引脚封装，连接十分方便。

系统电机部分采用H桥直流电机驱动，H桥电路是直流电机使用最广泛的一种驱动电路。

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，不过现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。

比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

第2.4节系统软件结构设计

系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于程序的编译、调试。

根据设计的要求和前面描述的控制系统的硬件设计的情况，单片机控制系统软件程序结构示意图如图2.2所示：

图2.2软件程序结构示意图

第2.5节机械结构设计

系统采用结构简单的可伸缩的机械执行机构来实现衣服的收晾工作，初步设计如图2.3所示：

图2.3系统机械执行机构

第3章控制系统硬件设计

在完成了总体设计后，本章主要完成主控单元的硬件设计，包括核心芯片的选型和电路的具体设计，主要是单片机芯片、温湿度传感器、光敏电路及外围电路的选型，然后再根据系统功能的要求，应用protel99se软件进行电路板的具体设计。

第3.1节单片机的介绍及其工作系统设计

3.1.1AT89S52特点

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52的主要性能：

●与MCS-51单片机产品兼容

●8K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～33Hz

●三级加密程序存储器

●32个可编程I/O口线

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

引脚结构如图3.1所示：

图3.1AT89S52引脚结构

VCC:

电源

GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器写选通）

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/

：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（

）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

:

外部程序存储器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，

必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

存储器结构

MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。

程序存储器：

如果

引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52，如果

接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H~FFFFH。

中断

AT89S52有6个中断源：

两个外部中断（

和

），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。

这些中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。

IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。

IE.6位是不可用的。

对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。

用户软件不应给这些位写1。

它们为AT89系列新产品预留。

定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。

程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。

实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。

定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。

它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。

然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。

3.1.2单片机工作系统设计

复位电路和时钟电路都是单片机最小系统的基本部分。

复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。

本系统选用按键手动复位，这种方式方便、简单、容易操作。

它是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。

单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。

时钟电路设计有内部时钟方式和外部时钟方式两种，本系统采用内部时钟方式。

单片机最小系统工作电路如图3.2所示：

图3.2单片机最小系统工作电路

第3.2节温湿度传感器电路

DHT11数字温湿度传感器采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，具有极高的可靠性和长期的稳定性，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

1.DHT11传感器的特点：

（1）相对湿度和温度测量

（2）全部校准，数字输出　　

（3）卓越的长期稳定性　　

（4）无需额外部件　　

（5）超长的信号传输距离　　

（6）超低能耗　　

（7）4引脚安装　　

（8）完全互换

2.DHT11应用领域

（1）暖通空调测试及检测设备　　

（2）汽车数据记录器　　

（3）消费品自动控制　　

（4）气象站家电　　

（5）湿度调节器医疗　　

（6）除湿器

3.DHT11数字传感器电源引脚以及串行接口

电源引脚：

DHT11的供电电压为3～5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

串行接口：

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。

操作流程为一次完整的数据传输为40bit，高位先出。

数据格式：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后转换到低速模式，过程如图3.3所示：

图3.3通讯过程

（1）

总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18ms，保证DHT11能检测到起始信号。

DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80μs低电平响应信号。

主机发送开始信号结束后，延时等待20～40μs后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高，过程如图3.4所示：

图3.4通讯过程

（2）

总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80μs，准备发送数据，每一bit数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。

格式如图3.5所示。

如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。

当最后一个bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

图3.5数字0信号表示方法

DHT11数字传感器规格与引脚如图3.6所示：

图3.6DHT11的规格与引脚

4.DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

接口说明如图3.4所示：

图3.7DHT11典型应用电路

第3.3节光敏检测电路

光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件，光敏电阻的阻值会随着光照的强弱的变化而变化。

光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。

光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。

光敏面做成蛇形，电极作成梳状是因为这样既可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可以减小电极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。

在实际应用中，可以加直流偏压，也可以加交流偏压，它的电流随电压呈线性变化。

本系统中利用光敏电阻的感光特性来检测光线的强弱程度，通过检测光线的强弱程度来判断白天和黑夜，同时可辅助湿度传感器检测阴天与晴天，其电路结构图如图3.5所示：

图3.8光敏检测电路

电路中光敏电阻型号为PGM5539，系统实现原理是利用光敏电阻的光电特性即光敏电阻受光照时阻值小于无光照时来使系统工作。

在图中，电路工作前（正常光线下），调节电位器的阻值，使比较器LM393的反向输入端的电位低于同向端的电位，这时比较器输出为高，随着光线的变暗，光敏电阻阻值增大，同向端电压低于反相端时，比较器输出变为低，则申请单片机外部中断，单片机控制电机将衣服收回。

第3.4节直流电机驱动电路

3.4.1直流电机及H桥驱动电路

本设计采用H桥直流电机驱动电路，直流