生活電器
自動晾衣架方案開發(fā)
基于STC89C52單片機(jī)的自動晾衣架系統(tǒng)設(shè)計
國內(nèi)雖然已有不少廠家在生產(chǎn)自動晾衣架，但通常都是安裝在陽臺內(nèi)部，通過電路的控制來實現(xiàn)晾衣架的垂直升降或具有加熱烘干的功能，可以說是還未真正達(dá)到自動晾衣或智能晾衣功能?；诖吮疚囊許TC89C52單片機(jī)為控制核心，采用光敏電阻和新型溫濕度傳感器SHT11，設(shè)計了可以自動檢測天黑、高溫天氣、下雨，根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境情并運用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動衣架實現(xiàn)自動晾曬收回的自動晾衣架。所設(shè)計的自動晾衣架具有定時、預(yù)約等功能，并且可以預(yù)設(shè)光強和濕度值，可以滿足不同氣候、不同地域的曬衣條件。用戶需要做的只是將衣服放于衣架上，通過按鈕設(shè)置便可以享受到非常好的曬衣體驗。
一、自動晾衣架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
為了能夠?qū)⒆詣恿酪录苎b進(jìn)陽臺并滿足控制系統(tǒng)的所有功能，設(shè)計如圖1所示的晾衣架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。整個結(jié)構(gòu)由10個部分組成：1：螺絲、2：傳感器、3：固定支架、4：軸承座、5：晾衣架、6：房頂、7：滑塊、8：步進(jìn)電機(jī)、9：墻壁、10：控制器。
自動晾衣架控制系統(tǒng)（控制器）通過按鈕設(shè)置相應(yīng)的工作模式，并啟動傳感器進(jìn)行信號采集，將采集到的信號送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號進(jìn)行處理，并在顯示屏上實時顯示，最后送給電機(jī)驅(qū)動器來控制電機(jī)實現(xiàn)衣架的伸縮。系統(tǒng)由五個功能模塊構(gòu)成，分別為電源模塊、信號采集模塊、按鈕設(shè)置模塊、顯示模塊以及電機(jī)運轉(zhuǎn)模塊，如圖2所示，其中信號采集模塊包含光照強度的采集以及溫濕度的采集；電機(jī)轉(zhuǎn)運模塊包括電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)以及曬衣架。
二、自動晾衣架硬件電路設(shè)計
單片機(jī)最小系統(tǒng)是是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對于51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路。本設(shè)計控制系統(tǒng)的CPU采用STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)是一個低電壓，高性能單片機(jī)。晶振電路采用了11．0592MHz，兩個10PF的瓷片電容輔助起振；復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位。原理圖由Proteus繪制，其默認(rèn)單片機(jī)電源地為已接狀態(tài)。
本控制系統(tǒng)一共擁有九個按鈕，并賦予不同的功能，每個按鈕均為彈性式的按鈕。各個按鈕的功能分別為加、減、設(shè)置、手動／自動模式切換、回收晾衣架、定時模式開啟／關(guān)閉、衣架伸出、高溫模式開啟／關(guān)閉，分別與單片機(jī)的P2．0、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P1．5、P1．6、P1．7相連，另一端連接地，從而構(gòu)成一個閉合回路。
顯示電路選用LCD1602，LCD1602數(shù)據(jù)傳輸端口D0到D7分別與單片機(jī)的P0．0到P0．7相連，LCD1602的RS端、RW端、EN端分別連接單片機(jī)的P2．6、P2．5、P2．7口。LCD1602通過接一個1kΩ的電位器來調(diào)整顯示屏的對比度。
溫濕度檢測電路選用了SHT11傳感器，與單片機(jī)之間的通信采用IIC總線協(xié)議，時鐘線SCK和數(shù)據(jù)線DATA分別連接單片機(jī)的P1．0和P1．1口，并且在數(shù)據(jù)線上拉一個電阻R2（4．7kΩ）將電位嵌位在高電平。光照采集電路選用了常用的光敏電阻，通過A／D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可接受的數(shù)字量信號。將光敏電阻連接到PCF8591的AIN0端，使電源、地、光敏電阻構(gòu)成一個分壓器，PCF8591的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA分別連接單片機(jī)的P1．2和P1．3口。通過光照強度的變化引起光敏電阻阻值的變化，從而引起電壓的微小變化送入PCF8591的模擬輸入端，通過IIC總線協(xié)議單片機(jī)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
為準(zhǔn)確實現(xiàn)晾衣架伸出、縮回的距離，本系統(tǒng)選用了步進(jìn)電機(jī)，其型號42BYGH 1．8°兩相步進(jìn)電機(jī)，采用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器帶動的方式。若需控制電機(jī)，除了給驅(qū)動器供電之外，只需要將公共端接＋5V，脈沖端和方向端連接單片機(jī)的I／O即可，脈沖端和方向端分別接單片機(jī)的P3．2、P3．3。這樣設(shè)計不僅連線方便而且易于維護(hù)，如果電機(jī)模塊故障，只需查I／O連接、驅(qū)動器以及步進(jìn)電機(jī)是否正常即可。
三、自動晾衣架軟件設(shè)計
自動晾衣架控制系統(tǒng)主程序主要由五個部分組成，系統(tǒng)一上電首先進(jìn)行初始化操作，依次完成溫濕度和光照采集、溫濕度和光照處理、數(shù)據(jù)和功能顯示、按鍵處理、衣架伸縮處理五項功能。溫濕度和光照處理部分，即是否滿足曬衣條件判斷：將采集到的溫濕度和光照與用戶預(yù)設(shè)的值做比較，并判斷是否超出設(shè)定的上下限值，如果超出并且衣架伸出，則將衣架收回。數(shù)據(jù)和功能顯示部分主要實現(xiàn)濕度和光照強度的顯示和一些功能模式的顯示。按鍵處理部分主要實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和功能模式的選擇，與顯示部分相結(jié)合，達(dá)到一個友好的人機(jī)交互效果。
自動晾衣架控制系統(tǒng)結(jié)合實際需要考慮了五種曬衣模式：手動模式、自動模式、定時模式、預(yù)約模式和防曝曬模式。當(dāng)開啟手動模式后，傳感器將不參與衣架的控制。由控制按鈕直接對衣架的縮回、伸出進(jìn)行控制。當(dāng)開啟自動模式時，衣架的返回完全由傳感器決定，即傳感器的優(yōu)先級大于控制按鈕的優(yōu)先級。當(dāng)外界天氣條件不滿足預(yù)設(shè)條件時，即便手動將衣架曬出，單片機(jī)也會立刻將其立即收回。若此時再次按下手／自動模式按鈕，即將手動標(biāo)志位置0，便可切換為手動模式。當(dāng)開啟定時模式，單片機(jī)便開始定時倒計時，但是當(dāng)開啟自動模式時傳感器控制的優(yōu)先級比定時模式高，所以同時開啟定時模式和自動模式前要判斷當(dāng)然的曬衣條件是否滿足預(yù)設(shè)值，如果不滿足，即使開啟定時模式衣架伸出也會立即收回。生活中我們可能會遇到早晨的時間很緊張的情況，那么就需要用到預(yù)約模式，即晚上將衣服洗好掛于自動晾衣架上并設(shè)定好預(yù)約時間，等預(yù)約時間到后衣架自動伸出曬衣。預(yù)約模式采用的計時方式也是定時器中斷，并且預(yù)約模式可與定時模式疊加使用。為確保安全這里設(shè)置一個保護(hù)措施，即只有在衣架未伸出、預(yù)約倒計時為零且開啟預(yù)約模式時，衣架才伸出。為了防止衣服曝曬，本設(shè)計添加了一個防曝曬模式，這種模式適用于夏天。該模式需要采集光強和溫度，當(dāng)條件滿足一定的溫度（設(shè)定36℃）和光照強度（設(shè)定95）時，單片機(jī)會做出判斷并收回衣架。
考慮到在實際應(yīng)用過程中有人為失誤操作的可能，比如連續(xù)按兩次衣架曬出按鈕或者當(dāng)衣架收回時再按一次衣架收回按鈕等，這些誤操作都可能損壞衣架。所以在程序當(dāng)中設(shè)計了一個防碰撞保護(hù)，當(dāng)衣架曬出后只能進(jìn)行衣架收回操作；當(dāng)衣架收回后只能進(jìn)行衣架曬出操作，大大增加了衣架的使用壽命。
總結(jié)
按照所設(shè)計的自動晾衣架的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的軟硬件。對采集的信號，即溫濕度、光照強度進(jìn)行了標(biāo)定，傳感器符合自動晾衣架系統(tǒng)的要求。同時對晾衣架的顯示功能、按鍵功能及各種曬衣模式進(jìn)行了逐一調(diào)試，符合設(shè)計要求。
所設(shè)計的基于STC單片機(jī)控制的自動晾衣架，通過判斷溫濕度、光照強度實現(xiàn)對電機(jī)控制，從而帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)工作以達(dá)到晾曬衣物的目的。所設(shè)計的自動晾衣架具有五種曬衣模式，可滿足不同人群、不同衣物材質(zhì)、不同季節(jié)特點的需求。整個控制系統(tǒng)采用了成本低廉、使用方便的STC89C52單片機(jī)，對自動晾衣架的普及具有一定的參考價值。
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