基于單片機(jī)的智能晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張士偉

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)人們生活方式地不斷改變與革新，目前越來越多的智能化生活用品出現(xiàn)在我們的日常生活中，針對(duì)目前大多數(shù)城市居民由于工作等其他方面的事情無法花費(fèi)太多時(shí)間和精力來管理我們生活中合理晾曬與收衣服的問題，本設(shè)計(jì)詳細(xì)的論述了晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能，設(shè)計(jì)完成了一種可以根據(jù)外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測(cè)外界環(huán)境光線從而實(shí)現(xiàn)天黑自動(dòng)收衣服，采用DHT11傳感器檢測(cè)環(huán)境濕度，下雨的時(shí)候不用麻煩人力可以自動(dòng)收衣服，將信號(hào)送到控制系統(tǒng)核心AT89C51單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)有兩個(gè)模式：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下系統(tǒng)根據(jù)所采集的參數(shù)與設(shè)定值比較進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)收回和打開衣架的功能，手動(dòng)模式下用戶可手動(dòng)打開和收回衣架。

Abstract： With the continuous change and innovation of people's life style in modern society， more and more intelligent daily necessities are appearing in our daily life. It is impossible for most urban residents to spend too much time and energy managing the problem of picking up and hang out the clothes reasonably in our lives， because of other aspects of work. This paper introduces the design procedures and product function of the control system of clothes hanger in detail. This design achieves an intelligent clothes hanger which can automatically collect clothes on the basis of the outside weather environment， it applies the photoresistance to detect the ambient light in order to realize the automatic clothes collection. The DHT11 sensor is used to detect the ambient humidity， the clothes are automatically collected on rainy days， and the signal is sent to the core AT89C51 of the control system. This design has two modes： automatic mode and manual mode. Under the self-motion pattern， the system can drive the function of the clothes rack by driving the positive and reverse of the stepping motor to realize the function of the clothes rack， and the user can manually open and recover the clothes hanger under manual mode.

關(guān)鍵詞：AT89C51；DHT11；智能晾衣架

Key words： AT89C51；DHT11；intelligent laundry rack

中圖分類號(hào)：TH273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）03-0125-03

0 引言

我們身處21世紀(jì)科技和信息大爆炸的時(shí)代，各個(gè)國(guó)家對(duì)人工智能深入研究的趨勢(shì)勢(shì)不可擋，人們對(duì)高新技術(shù)的追求也越來越熱烈，人工智能被認(rèn)為是近幾年來最好的發(fā)展趨勢(shì)之一， 目前在大多數(shù)的家庭中所使用的的還是原始的晾衣架，需要耗費(fèi)人力去收衣服和晾衣服，造成人們?cè)谌粘Ｐ∈轮性S多不便并且花費(fèi)一定精力去處理晾衣服和收衣服這件小事[1]。盡管目前在國(guó)內(nèi)國(guó)外的廠商現(xiàn)在有許多關(guān)于這方面的研究，但是極大多數(shù)功能和技術(shù)并不成熟，僅僅達(dá)到簡(jiǎn)單的升降模式而已，并不能達(dá)到完全的智能或者說智能程度不夠[2，3]。鑒于此種近況，本設(shè)計(jì)是根據(jù)外界環(huán)境濕度和光線情況，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)（即當(dāng)下雨濕度過大時(shí)）控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)收回衣架，反之則打開衣架；采用光敏電阻，當(dāng)環(huán)境光線過暗時(shí)（即天黑時(shí)）控制步進(jìn)電機(jī)收回衣架，反之打開。并且可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)從而達(dá)到掌控衣架收回與開啟的大小[4]。本設(shè)計(jì)完成了一種可以根據(jù)外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測(cè)外界環(huán)境光線從而實(shí)現(xiàn)天黑自動(dòng)收衣服，采用DHT11傳感器檢測(cè)環(huán)境濕度，下雨的時(shí)候不用麻煩人力可以自動(dòng)收衣服，將信號(hào)送到控制系統(tǒng)核心AT89C51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)晾衣架自動(dòng)收取涼曬的衣服的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的中央綜合控制處理核心，加上以濕溫度傳感器DHT11為核心的濕度傳感電路和光敏電阻組成的光敏電路，還有永磁式步進(jìn)電機(jī)、按鍵電路和指示燈顯示電路行成整個(gè)系統(tǒng)的基本組成機(jī)構(gòu)。通過濕度傳感器收集外界濕度信號(hào)，通過光敏電阻采集光信號(hào)，這兩者再通過各自的組成電路將模擬信號(hào)送至單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)的綜合運(yùn)算處理，單片機(jī)經(jīng)過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后單片機(jī)根據(jù)所設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行，再將控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)將控制作用于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹一下AT89C51單片機(jī)的各種參數(shù)和性能，圖2為AT89C51引腳圖。

本系統(tǒng)采用的是DHT11濕度傳感器，利用它來采集周圍環(huán)境的濕度。由于它利用了專有的濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊收集技術(shù)，故其具備非常好的穩(wěn)定性和十分好的質(zhì)量保證。它的內(nèi)部由一個(gè)NTC測(cè)量溫度的元件和一個(gè)利用電阻來感應(yīng)濕度的元件構(gòu)成，外部與8位單片機(jī)相連接。每個(gè)DHT11濕度傳感器都在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過極為嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，它的接口是單行制，因此該系統(tǒng)采集信號(hào)十分簡(jiǎn)易，相較于其他傳感器對(duì)于本設(shè)計(jì)來說相當(dāng)合理，而且它具有長(zhǎng)達(dá)20米的信號(hào)傳輸距離，封裝為4針單排封裝，連接十分簡(jiǎn)單方便[5]。

系統(tǒng)天黑自動(dòng)收衣服功能又光敏電阻采集光了信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，光敏電阻是一種使用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)所制成的一種電阻器。它隨入射光強(qiáng)的大小變化而變化，當(dāng)外界光線增大時(shí)，電阻值減小，當(dāng)外界光線減小時(shí)，電阻值增大。當(dāng)光敏電阻接受到光照時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度低于光子的能量時(shí)，處于價(jià)帶中的電子會(huì)吸取一個(gè)光子的能量產(chǎn)生躍遷，這個(gè)時(shí)候由于電子的脫離則在價(jià)帶中就會(huì)留出一個(gè)帶正電荷的空穴。這種因?yàn)楣庹盏脑蚨a(chǎn)生的電子與空穴的相對(duì)數(shù)量的改變導(dǎo)致減少了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，從而讓其電阻率變小，最后造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。

本系統(tǒng)采用光敏電阻來檢測(cè)是否天黑，通關(guān)光敏電阻來實(shí)現(xiàn)天黑自動(dòng)收衣服，天亮自動(dòng)晾衣服功能，電路圖如圖3。當(dāng)外界光線照射到光敏電阻GR1時(shí)，光敏電阻阻值下降，LM393反向輸出端電壓大于同向輸入端電壓，這時(shí)會(huì)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷。當(dāng)外界光線變暗時(shí)，D4就會(huì)亮起，在自動(dòng)模式下晾衣架收回。

步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的角位移和線位移是通過電脈沖信號(hào)來轉(zhuǎn)換的。它的原理是：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接受到來自系統(tǒng)的電脈沖信號(hào)后，它就會(huì)根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，這個(gè)角度也稱步進(jìn)角。我們可以通過控制電機(jī)接受到的電脈沖信號(hào)數(shù)目來控制角位移的大小，因此能夠準(zhǔn)確定位。另外電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度可以通過脈沖頻率來控制，繼而達(dá)到我們想要的功能。

一般步進(jìn)電機(jī)分為三種：永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。每種電機(jī)各有特點(diǎn)，它們適用于不同的場(chǎng)合。永磁式步進(jìn)電機(jī)的步距和力矩較大而且動(dòng)態(tài)性能也較好，混合步進(jìn)電機(jī)相比永磁式步進(jìn)電機(jī)步距較小，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的力矩和動(dòng)態(tài)性能較差，故此在本設(shè)計(jì)中采用CZ-2801型步進(jìn)電機(jī)。 采用永磁式步進(jìn)電機(jī)，圖4為CZ-2801 型永磁式步進(jìn)電機(jī)外型圖。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

單片機(jī)開始運(yùn)行主程序執(zhí)行程序，按鍵選擇功能是否為自動(dòng)模式，按下最左側(cè)按鍵選擇為自動(dòng)模式，此時(shí)紅燈亮起，表示自動(dòng)模式開啟，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)外界濕度和光線自動(dòng)執(zhí)行收衣和晾衣功能；反之按下右側(cè)第二個(gè)鍵則將功能轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式，此時(shí)紅燈熄滅綠燈亮起，這時(shí)我們就可以自己選擇什么時(shí)候收衣服。圖5為程序設(shè)計(jì)的流程圖。

PROTEUS是一款各方面功能都比較完善的仿真軟件，它是可以用來電路仿真設(shè)計(jì)分析以及實(shí)物仿真的軟件仿真系統(tǒng)。經(jīng)過許多年的發(fā)展和完善它的仿真結(jié)果跟實(shí)際相差無幾，故采用它來反正特別接近實(shí)際。它強(qiáng)大的功能使得它成為高校的廣大師生進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)與學(xué)習(xí)的必備仿真軟件。如圖6為仿真軟件界面。

對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)非常詳細(xì)地調(diào)正和測(cè)試。首先我們需要對(duì)焊接的各個(gè)元件有一個(gè)十分清楚的認(rèn)識(shí)，充分了解每個(gè)器件的特點(diǎn)及其性能，才能無誤的將整個(gè)產(chǎn)品焊接成功。

硬件不同，則對(duì)每個(gè)硬件的焊接也有所不同。就焊接方法來講，主要由激光焊接和手工焊接，其中激光焊接的精確度更高，不會(huì)浪費(fèi)材料，但是這種焊接的成本也相當(dāng)高；手工焊接相對(duì)于激光焊接來說精確度較低，可能會(huì)造成一些失誤，但是它的成本相對(duì)來說不高，在有熟練的焊接技巧下失誤率不高，而且就本次設(shè)計(jì)來說對(duì)產(chǎn)品的精確度要求并不是特別高，所以本次設(shè)計(jì)選擇手工焊接的方式。此外對(duì)于不同物理性質(zhì)的硬件焊接時(shí)需要多加注意，尤其是對(duì)于一些易損的元器件焊接時(shí)需要做好充分的準(zhǔn)備工作，例如在焊接前將易損的器件清潔干凈，焊接時(shí)把握好烙鐵頭與焊接器件的距離，保證好兩者之間的溫度，不易過高，可以使用酒精棉球來減少溫度的升高。

經(jīng)過多次的焊接和調(diào)整，在指導(dǎo)老師的教導(dǎo)下，終于將實(shí)物如期完成，實(shí)物圖如圖7和圖8所示。

4 結(jié)論

針對(duì)目前大多數(shù)城市居民由于工作等其他方面的事情無法花費(fèi)太多時(shí)間和精力來管理我們生活中合理晾曬與收衣服的問題，本設(shè)計(jì)詳細(xì)的論述了晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能，設(shè)計(jì)完成了一種可以根據(jù)外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測(cè)外界環(huán)境光線從而實(shí)現(xiàn)天黑自動(dòng)收衣服，采用DHT11傳感器檢測(cè)環(huán)境濕度，下雨的時(shí)候不用麻煩人力可以自動(dòng)收衣服，將信號(hào)送到控制系統(tǒng)核心AT89C51單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)有兩個(gè)模式，自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下系統(tǒng)根據(jù)所采集的參數(shù)與設(shè)定值比較進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)收回和打開衣架的功能，手動(dòng)模式下用戶可手動(dòng)打開和收回衣架。所以針對(duì)目前的情況本次設(shè)計(jì)詳細(xì)地進(jìn)行了研究和討論，設(shè)計(jì)出既滿足各種功能又特別經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

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