毕业设计（论文）-基于AT89S52单片机的智能晾衣架系统设计.doc

大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 i 摘摘 要要 随着社会的不断发展和进步，智能化的产品在不段的涌入我们的家庭生活， 给我们的生活起居带来便利。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，已经跟不上我们生活的节奏的变化，对于现在城市里的大多数人们每天 都是忙于工作，白天的时间几乎都不在家中。当天气变化时不能及时的把衣服收 回。关于这个问题本文对智能晾衣架系统进行研究，运用 ds18b20 温度传感器、 chr01 湿度传感器和 5547 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（认为要下雨或已经下雨）或光线变暗到一定值（认为已经 天黑）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 脉冲信号给步进电机，从而控制机械部分自动收回晾衣架 关关键键字字: 温度传感器；湿度传感器；光敏电阻； at89s52 智能晾衣架系统设计 ii abstract with the continuous development and advancement of society, many intellectualization products enter into our daily life and give convenience for our life. but the rack used to dry clothe is in a low level and has little change so it can not catch up with the rhythm of our life. the residents in modern cities are always busy in their work and can not stay at home during the daytime. when weather goes bad they have no chance to take back their clothes. based on this problem this paper designs this intellectualized rack used to dry clothes system. this system uses the signal gathered by ds18b20 temperature sensor, chr01 humidity sensor and 5547 photoresistance sensor to put into the system processing core monolithic integrated circuit at89s52. whether to take back the clothes was determined by the current status of temperature, humidity and sunshine. when the relative humidity surpasses the defined value (there is a tendency to rain or have rained) or the sunshine was dark to a special definite value ( the weather turns dark) the system will send out warning and prompt the master to take back the clothes. if there is nobody replying it, the system will send out pulse signal into step motor automotive, control the mechanical part and take back the rack used to dry clothes. key words：temperature sensor，humidity sensor，photoresistance ，at89s52. 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 iii 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题来源.1 1.2 晾衣服架的发展现状1 1.3 系统的研究意义2 第 2 章 系统总体方案设计.3 2.1 总系统设计框图3 2.2 系统组成概述3 2.3 系统硬件电路选择3 2.4 系统软件结构设计4 2.5 机械结构设计5 第 3 章 控制系统硬件设计.6 3.1 单片机的介绍及其工作系统设计6 3.2 温度传感器电路7 3.3 湿度传感器电路9 3.4 光敏检测电路10 3.5 显示电路11 3.5 步进电机及其驱动电路11 第 4 章 控制系统软件设计.14 4.1 系统初始化14 4.2 液晶显示15 4.3 温度检测15 4.4 湿度检测16 4.5 电机控制程序17 第 5 章 机械系统的设计.18 5.1 传动螺纹的选择18 5.1.1 螺栓的选择18 5.2 螺纹传动的选择19 5.2.1 耐磨性计算19 5.2.2 螺杆的强度计算20 5.2.3 螺母螺纹强度计算21 第 6 章 系统整体调试.23 结 论.24 谢 辞.25 参 考 文 献.26 智能晾衣架系统设计 iv 附录 127 附录 228 附录 337 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题来源课题来源 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, 追求充满乐趣的生活方式, 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。 1.21.2 晾衣服架的晾衣服架的发展现状发展现状 在中国各大中城市以及农村普遍是将衣物晾晒于阳台内部或外部，而传统的 晾晒衣物方式是阳台内天花板下设置有钢筋挂钩，钩上通常是挂有竹杆或其它杆 体。人们通常习惯于用一支撑杆将衣物支撑到晾衣杆上晾晒，这样晾晒衣物费时 费力，而且布置钢筋及竹杆与当今现代化建筑结构的阳台也不搭配、有失雅观。 另外，家庭通常大都是老人晾衣物，因此，传统的支撑晒衣、收衣不仅是费神费 力，而且容易扭伤筋骨或支撑不顺扎伤人体。正因传统晾晒衣方式有众多的不便， 后出现手摇晾衣架，手摇晾衣架改变了支撑晾衣架的传统习惯，同时也给众多家 庭带来了更多的方便。但手摇晾衣架需设置多个机械装置和支撑点，同时需多根 网线布置来带动其晾衣杆的上下升降。由于支撑点及多根网线的布置，手摇式晾 衣架给原本漂亮的阳台增添了不美的因素。其次，手摇晾衣架的升降每次都要人 工转换接头，且需要人力摇动慢慢将杆升降，若晾杆承载的衣物重量过大，摇上 去既费力又容易伤手。因此，手摇晾衣架虽然改变传统支撑晾衣的不便，但没有 彻底改变费神费力的根本状态。人们期望着一种更方便更美观的新型晾衣架的出 现。 智能晾衣架系统设计 2 1.31.3 系统的研究意义系统的研究意义 基于现在晾衣架发展现状，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：有可以伸缩，操作简单，占地面积 小，美观实用的优点。同类产品虽有可收缩式的，但属组装而成，操作比较麻烦， 而本晾衣架只需按下打开按键，衣架杆即可自动伸展开来。同时晾衣架能识别晴 雨天气，自动完成收衣服功能的目的。晴雨智能晾衣架能有效地避免在下雨时， 衣服无人收起而被雨淋湿；或在天色变晚时，衣架能自动收回，避免衣服在外面 过夜。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 3 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.12.1 总系统设计框图总系统设计框图 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 度传感电路、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 晾衣的智能化的功能。总体设计框图如下图 2.1 所示： 图图 2.1 系统总体控制框图系统总体控制框图 2.22.2 系统组成概述系统组成概述 本系统可固定在阳台外面，既能节省空间，同时系统通过测温度电路、测湿 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并且能在液晶屏上显示温、湿度值 和晾衣架状态。当要下雨或已经下雨时，空气中的相对湿度急剧增加超过初定值 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。 2.32.3 系统硬件电路选择系统硬件电路选择 本系统的控制核心采用扩展型单片机 at89s52, 该系列单片机是采用高性能 报警电路 电机驱动 液晶显示单片机 最小系 统 键盘电路 晾衣架 执行机 构 温度传感电路 湿度传感电路 光敏传感电路 智能晾衣架系统设计 4 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。 系统检测部分电路由 dallas 公司的 ds18b20 为核心的温度传感电路、广州 西博臣科技有限公司的 chr01 型湿度传感器为核心的湿度传感电路及由光敏电阻 构成的光线检测电路组成。ds18b20 数字温度计是 dallas 公司生产的 1wire， 即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统， 具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。chr- 01 阻抗型高分子湿度传感器（湿敏电阻）, 采用功能高分子膜涂敷在带有导电 电极陶瓷衬底上，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件， 导电机 理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。 系统采用北京斯达微步控制技术有限公司的 57byg 二相系列步进电机及与 之相匹配的驱动器 ms-2h090m 作为动力系统，驱动器 ms-2h090m 具有接线简单控 制方便等优点，对于系统开发带来极大方便。同时为了系统显示应用的方便，系 统采用 12864 液晶实时显示测量结果。 2.42.4 系统软件结构设计系统软件结构设计 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硬件设计的具体情况，单片机控制系统软件程序主 要由如下模块组成:初始化模块、中断处理模块、液晶显示模块、控制模块、报 警模块等等，具体的模块示意图如下图 2.2 所示。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 5 2.52.5 机械结构设计机械结构设计 系统采用结构简单方便的可伸缩的机械执行机构来实现衣服收凉工作如图 2. .3 所示5，具体设计详见第四章。 图图 2.2 控制软件框图控制软件框图 图图 2.3 系统机械执行机构系统机械执行机构 智能晾衣架系统设计 6 第第 3 3 章章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 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、温度传感器、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。参照已有的电机的参数选择的电机为：yej 系列电磁制动电 动机 3.13.1 单片机的介绍及其工作系统设计单片机的介绍及其工作系统设计 at89s52 单片机是一种低功耗、高性能的有 8k 字节可编程（可擦写）闪存 的 8 位互补金属氧化物半导体微控制器。它由美国的 atmel 公司用高密度固定 存储器技术制造且和现有标准的 mcs-51 指令系统兼容。at89s52 带有 isp 下载 功能，它利用 89s-avr isp 编程器替代昂贵的单片机仿真器编程器，既节省开 发费用，又带来使用方便。at89s52 的运行速度快、处理能力强，且对 c 语言编 程提供了较好的支持。兼容 mcs-51 指令系统 8k 可反复擦写 isp flash rom 32 个双向 i/o 口 4.5-5.5v 工作电压 3 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33mhz 全双工 uart 串行中断口线 256x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 isp 字节和分页编程 双数据寄存器指针 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 7 单片机及其最小系统工作电路如下图 3.1 所示12： 图图 3.1 单片机最小系统工作电路单片机最小系统工作电路 3.23.2 温度传感器电路温度传感器电路 ds18b20 数字温度计是 dallas 公司生产的 1wire，即单总线器件，具有为微 型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器、线路简单等优点。可直接 将温度转化为串行数字信号（提供 9 为二进制数字）给单片机处理，且在统一线 上可以挂多个传感器芯片。它具有 3 个引脚 to-92 小体积封装形式，温度测量范 围为-55 到+125c ，可编程为 9 到 12 位 a/d 转换精度，测温分辨率可达 0.0625 c，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端 引入，也可采用寄生电源方式产生，多个 ds18b20 通信可以并联到三根或两根线 上，cpu 只需一根端口线就能与多个 ds18b20 通信，占用微处理的端口较少，可 节省大量的引线和逻辑电路。 1、ds18b20 产品的特点 （1） 、只要求一个端口即可实现通信。 （2） 、在 ds18b20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3） 、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4） 、测量温度范围在55。c 到125。c 之间。 （5） 、数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 （6） 、内部有温度上、下限告警设置。 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 89s52 s110k 200k c1 30p c2 30p + c1 20uf 11.0592m vcc rd wr p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 ale p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 d1 le d vcc s1 s2 s3 s4 r1 1k r2 1k r3 1k r4 1k 智能晾衣架系统设计 8 （7） 、温度数字量装换时间 200ms，对应的可分辨率是最多在 750ms把温度值 转化为数字。 （8） 、用户可定义的非易失性温度报警设置。 （9） 、报警搜索病例识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 2、ds18b20 的应用 包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。负压特性： 电源极性反接时，温度计不会发热而烧毁，但不能正常工作。 3、ds18b20 的引脚介 to92 封装的 ds18b20 的引脚排列见图 3.2，其引脚功能描述见表 3.2。 图图 3.23.2 ds18b20ds18b20 底面图底面图 表表 3.23.2 ds18b20ds18b20 详细引脚功能描述详细引脚功能描述 序 号 名称引脚功能描述 1gnd地信号 2dq数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电 源下，也可以向器件提供电源。 3vdd可选择的 vdd 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 4.ds18b20 的使用方法 由于 ds18b20 采用的是 1wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双 向传输，而对 at89s51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必 须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 ds18b20 芯片的访问。 由于 ds18b20 是在一根 i/o 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格 的时序要求。ds18b20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将 主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主 机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机 需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 9 3.33.3 湿度传感器电路湿度传感器电路 高分子湿度传感器 chr01 为新一代复合型电阻型湿度敏感部件，其复阻抗与 空气相对湿度成指数关系，直流阻抗（普通数字万用表测量）几乎为无穷大，与 传统意义上的电阻有空气中水分子参与膜感湿中的离子导电，由于水分子为极性 分子，在直流电存在的情况下，会电离，分解，从而影响导电与元件的寿命，所 以要求采用交流电路对传感器进行供电。 对湿度传感器而言，频率与阻抗之间存在一定的关系，对于测量 30%- 80%rh 范围，频率的变化对传感器影响并不明显，在单片机软件编程的实际应用 时，需要通过将传感器置于湿度发生装置中（例如恒温恒湿箱）进行实测，通过 软件对最终的误差进行修正，此项修正基本上可以弥补频率变化所产生的误差以 及其他误差。 湿度传感器阻抗变化与温度的关系见规格书中的数据表，先检测温度，然后 按查表法对进行湿度检测。如果湿度精度要求不是特别严格的情况， （从数据处 理简易的法则来说） ，可以推算湿度传感器温度系数为-0.4%rh/，公式为： h（t）=h (25) - 0.4*(t 25) 例如，以实测阻抗按 25的数据表读数，例如在 35时读到的阻抗为 30k，按 25表格，相对湿度为 60%rh，此时按公式计算的实际湿度应为 56%rh。 湿度传感器阻抗采用 555 转换电路来测试，由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 3-3(a)所示，当电源接通后，电容 c 被充电， 2 r c u 上升，当 c u 上升到 2 3 cc v 时， 触发器被置位，此时 o u 为低电平，电容 c 通过 2 r 和 t 放电，使 c u 下降。当 c u 下 降到 1 3 cc v 时，触发器又被置位， o u 反转为高电平。c 放电结束，t 截止， cc v 将 通过 1 r 和 2 r 向电容器 c 充电，当 c u 上升到 2 3 cc v 时，触发器又发生翻转，如此周 而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： 12 1.43 (2) f rr c 智能晾衣架系统设计 10 由于 555 内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率 受电压和温度变化的影响很小。所以系统采用将湿度传感器的阻抗通过 555 多谐 振荡器将阻抗变为对频率的测试。其电路图如图 3.3(b)所示，图 3.3(a) 11为多 谐振荡电路。 3.43.4 光敏检测电路光敏检测电路 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 止就大。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 路结构图如下图 3.4 所示6。电路中光 图图 3.3(a) 555 多谐振荡电路多谐振荡电路 1 5 4 8 3 7 2 6 r1 r2 0.01uf 0.01uf vcc vo 图图 3.3(b) 555 多谐振荡电路多谐振荡电路 1 2 j2 shidu 1 5 4 8 3 7 2 6 800 0.01uf 0.01uf vcc vo 图图 3.4 光敏检测电路光敏检测电路 100k pgm5539 3k a lm393 vcc 100k p32 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 11 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，单片机控制步进电机将衣服 收回。 3.53.5 显示电路显示电路 系统采用 12864 液晶显示模块作为显示单元，12864 液晶显示模块是带中文 字库的一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一 级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864, 内 置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ascii 字符集.利用该模块灵活的接 口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特 点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论 硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图 形液晶模块。 3.53.5 步进电机及其驱动电路步进电机及其驱动电路 系统采用北京斯达微步控制技术有限公司的57byg二相系列步进电机及与之 相匹配的驱动器ms-2h090m。步进电动机是一种以电脉冲信号进行控制，并将电 脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机，因此适合作为数控系统的 伺服元件。随着混合式步进电动机的产生和应用，其输出功率和力矩不断增加， 成本与价格却不断降低，为步进电动机的推广应用打下了良好的基础。 步进电机的驱动电路采用与步进电机相匹配的 sh-2h057 型驱动器。驱动器 内部采用 8 支 14a-30a 的分立大功率器件(完全不同于常用的 1a 左右的集成功 率器件)，控制部分采用美国最新推出的细分驱动专用芯片。本驱动器的输入信 号共有二路，它们是：步进脉冲信号 cp、方向电平信号 dir。它们在驱动器内部 由 270 的限流电阻和光耦器件组成，且电路形式完全相同，见下图（图 3.5） 。 智能晾衣架系统设计 12 图图 3.53.5 驱动器内部接线图驱动器内部接线图 外部接成共阳方式（把 cp+和 dir+接在一起，接外部系统的 vcc，脉冲信 号和方向信号分别从负端 cp-、dir-接入）或共阴方式（把 cp-和 dir-接在一起， 接外部系统的 gnd，脉冲信号和方向信号分别从正端 cp+、dir+接入） ，二路信号 默认幅值为 5v，如果不是 5v 则须外部另加限流电阻 r，保证给驱动器内部光耦 提供 8-15ma 的驱动电流，本系统采用共阳方式。由于是用了专用驱动器大大的 减轻了软件的负担，程序只需输出驱动脉冲和方向控制信号。 步进脉冲信号 cp 用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接 受一个 cp 脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)，cp 脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制 cp 脉冲的个数，则可以使 步进电机精确定位3。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本 驱动器的 cp 信号为低电平有效，要求 cp 信号的驱动电流为 8-15ma，对 cp 的脉 冲宽度也有一定的要求，一般不小于 5s（参见图 3.6） 。 图图 3.63.6 cpcp 的脉冲宽度及高低电平方式的脉冲宽度及高低电平方式 方向电平信号 dir 用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机 一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向必须在电机停止后再 进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个 cp 脉冲结束后以及下一 个方向的第一个 cp 脉冲前发出（见图 3.7） 。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 13 图图 3.73.7 换向信号换向信号 dirdir 起作用的时刻起作用的时刻 由于单片机 io 口的输出电流较小，不足以驱动步进电机驱动器。所以我们 在单片机 io 口与驱动器之间加了 74ls07 作为驱动以增大单片机的带负载能力。 电路如图 3.8 所示。 图图 3.83.8 74077407 驱动电路驱动电路 智能晾衣架系统设计 14 第第 4 4 章章 控制系统软件设计控制系统软件设计 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硬件设计的具体情况，单片机控制系统软件程 序流程图如下图 4-1 所示。 图图 4.14.1 程序流程图程序流程图 4.14.1 系统初始化系统初始化 软件系统设置包括声明库函数如：#include ，#include等4 ，温度检测采用 ds18b20 温度传感器，由于 ds18b20 是 否 否 否 是 是 按键扫描 显示湿度 判断按键 湿度超值 光度超值 显示温度电机正转电机反转 电机转动 电机转动 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 15 的单总线方式，数据的读写都占用同一根线，所以每一种操作都必须严格按照时 序进行。图 4-2 为测温子系统流程图。单片机首先发送复位脉冲，该脉冲使信号 线上所有的 ds18b20 芯片都被复位，接着发送 rom 操作命令，使得序列号编码匹 配的 ds18b20 被激活1。被激活后的 ds18b20 进入接收内存访问命令状态，内存 访问命令完成温度转换、读取等工作(单总线在 rom 命令发送之前存储命令和控 定义系统应用口如下： sbit dq = p17; /数据传输线接单片机的相应管脚 sbit key1 = p13;/温湿度切换 sbit key2 = p14;/电机正转使衣架打开 sbit key3 = p15;/电机反转使衣架收回 系统初始化还要定系统中的数据变量如：bit flag; extern unsigned char lcdbuf5; int8u lcdbuf5=0; unsigned char templ = 0;/设全局变量 unsigned char temph = 1; float temperature; /温度值保存在 temperature 里 4.24.2 液晶显示液晶显示 液晶 12864 采用串行显示模式，显示系统软件设置包括 void send(int8u dat)数据传输程序和 void lcd_show(void)数据显示程序10，其具体程序略。 4.34.3 温度检测温度检测 温度检测采用 ds18b20 温度传感器，由于 ds18b20 的单总线方式，数据的读 写都占用同一根线，所以每一种操作都必须严格按照时序进行。图 4.2 为测温子 系统流程图。单片机首先发送复位脉冲，该脉冲使信号线上的 ds18b20 芯片都被 复位，接着发送 rom 操作命令，使得序列号编码匹配的 ds18b20 被激 智能晾衣架系统设计 16 活。被激活后的 ds18b20 进入接收内存访问命令状态，内存访问命令完成温度转 换、读取等工作(单总线在 rom 命令发送之前存储命令和控制命令不起作用)。 4.44.4 湿度检测湿度检测 湿度测试采用 555 转换电路来测试，系统首先通过外部定时器测试出 555 转 换电路的输出频率，根据测试频率利用公式 5-4 计算出湿度传感器阻抗，通过上 面 ds18b20 对温度的测试，这里读取温度值，查询下表 5-4 得到当前湿度值。 5-4 63 6 1.43*2400*0.01*10*10 2*0.01*10* f f 表表 4.4：060湿度阻抗特性数据湿度阻抗特性数据 图图 4.2 温度检测流程图温度检测流程图 是 否 系统复位 发匹配 rom 命令 发温度转换命令 发 64 位 rom 码 完成转换？ 返回 发匹配 rom 命令 发读暂存命令 发 64 位 rom 码 系统复位 读数据至内存 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 17 1525354055 30%518.8352.8256.7241.3137 35%347.6261.814313780.33 40%277.2166.693.681.5350 45%172.892.860.352.733.38 50%96.360.641.4334.322.05 55%70.840.429.1224.2515.88 60%56.229.520.817.7112.17 65%43.321.115.6113.129.02 70%31.315.4411.5110.096.58 75%22.611.848.747.354.64 80%15.89.136.525.463.38 85%10.486.554.523.892.48 90%74.63.152.651.807 4.54.5 电机控制程序电机控制程序 步进电机采用脉冲控制，在系统设置中，单片机仅需控制硬环驱动器的 cp（脉冲输出） 、dr（置位端） 、p（方向控制）三个端口即可。驱动器能够设置 环分16。系统流程图略。 智能晾衣架系统设计 18 第第 5 章章 机械系统的设计机械系统的设计 5.15.1 传动螺纹的选择传动螺纹的选择 我选用市场上晾衣架最长用到的伸缩式晾衣架的基础上加以改装的。使用布 进电机为动力源。然后用一对齿轮将动力传动到一个螺旋传动机构上，带动衣架 作伸缩运动。螺旋传动具有结构简单，加工方便、易于加工、传动平稳、螺纹有 侧间隙，翻转是有空行程，由于我们的机构工作传动误差要求不是很高能够满足 系统工作要求。 5.1.15.1.1 螺栓的选择螺栓的选择 图图 5.15.1 整体机构受力分析整体机构受力分析 整体机构受力分析如上图 5.113。设定每个晾衣杆上最多可以悬挂 6 件衣服 每件衣服最重为 2kg 可得总受力为 36kg*9.8=352.8n.因为传动螺栓和支撑螺栓 为受力最大的螺栓，故只需检验它们. 设定与 y 轴的最大张角为。由受力分30 析可得，螺栓工作力为剪切力且最大剪切力为：176.4n 。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 19 2 0 4 q f d 4 3 2 176.4 2.25*10 (10*10 ) 4 为螺栓所受的最大剪切力 q f 为螺栓所受切应力 为螺栓材料的需用切应力 可得所选用的gb27-1988六角头铰制空螺栓-a级的材料和直径可远远保证工 作要求7。 5.25.2 螺纹传动的选择螺纹传动的选择 由上面的受力分析可得传动螺母的受力状态15，其受力分析如图 5.2 所示： 图图5.25.2 传动螺母受力分析传动螺母受力分析 这样就可以得到传动螺纹杆的受力情况：滑动螺旋工作时，主要承载转矩 距和走向拉力（压力）的作用，同时螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。 其失效形式主要是螺纹磨损。 5.2.15.2.1 耐磨性计算耐磨性计算 由图可得，螺纹传动的螺杆-螺母的材料选择为淬火钢-青铜8。作用于螺杆 的轴向力为=152.59n，螺纹的承压面积为a,螺纹中径为=9 ，螺纹工作 5 f 2 dmm 智能晾衣架系统设计 20 高 度为,螺纹螺距为,螺母高度为，螺纹1hmm2pmm 2 2.5*1025hdmm 工作圈数为，则螺纹工作面上的耐磨性条件为 h p 。 22 fffp pp ad hd hh 令，可得 2 h d 2 fp d hp 对于梯形螺纹=，则h0.5p 2 0.8 f d p 2 6 152.59 0.84.882 2.5*10*10 dmm 为材料的许用压强。 p 取 2.5。 可见，远远满足要求。 5.2.25.2.2 螺杆的强度计算螺杆的强度计算 螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）f 和扭矩 t 的作用。螺杆危险截面上既 有压缩（或拉伸）应力，又有切应力14。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强 度理论或求出危险截面的计算应力 9，其强度条件为 ca 2222 ca 3()3() t ft aw 或 22 ca 2 14*153*9 (152.59)3()16.340 7.5 10 4 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 21 式中：f 螺杆所受的轴向拉力（或压力）n a 螺杆螺纹段的危险截面面积： 2 1 4 ad 2 mm 螺杆螺纹段的抗扭截面系数， t w 3 11 164 t dd wa 3 mm 传递的转动m 螺杆螺纹小径 1 dmm 螺杆材料的许用应力， mpa 可以看出完全满足工作要求。 5.2.35.2.3 螺母螺纹强度计算螺母螺纹强度计算 螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，螺母的材料的强度低于螺杆，故只需校核螺 母螺纹牙的强度。 如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径（单位为）处展开，则可看到做宽dmm 度为的悬梁臂。假设螺母没权螺纹所承受的平均压力为，并作为在以螺纹d f u 中径（单位为）为直径的圆周上，螺纹牙危险截面的剪切强度条件为2： 2 dmm 图图 4.34.3 螺纹传动螺纹传动 智能晾衣架系统设计 22 2 f db u 螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为： 2 6 bb fl db u 2 6 152.59 (10.59) 0.725 10.5 (0.65 2)12.5 bb mp 式中：螺纹牙根部的厚度，单位为，对于梯形螺纹，=0.65.bmmbp 弯曲力臂， （单位为，）lmm 2 2 dd l 螺母材料的许用切应力，单位为。 mpa 螺杆所受扭矩， t 2 tan() 2 v d tf*nmm 螺母材料的需用弯曲应力，单位为。 b mpa 可见，满足工作要求。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 23 第第 6 6 章章 系统整体调试系统整体调试 按电路图接好电路之后，就在keil uvision2上编写程序并用jdt-8052xp仿真 器作整机调试，jdt-8052xp仿真器兼容keil公司的keil c51开发环境用户能够直 接在功能强大的集成环境下进行软件设计和硬件调试。使用专业仿真芯片仿真标 准mcs-51内核的单片机更加真实性能更加可靠稳定绝对没有占用标准mcs-51内核 单片机的任何用户资源。实时监测和显示目标mcu的txd引脚输出支持keil的 printf函数打印输出具备了实时跟踪内部变量变化和程序输出的功能内部具有完 善的保护电路避免了使用中由于误操作所引起的仿真器损毁。仿真器自带64k程 序存储器和64k硬件断点存储器等很多强大功能。 运用 jdt-8052xp 仿真器在 keil uvision2 上编和调试写程序很方便、快捷，现 将各个小的子程序调好，并检查是否有错误和警告的出现。之后在将他们组合在 一起，根据程序的流程图撰写主程序并作整机调试。检查 i/o 口是否有重定义和 发生冲突等容易出现问题。 智能晾衣架系统设计 24 结结 论论 此系统基本能够很好的完成设计要求，达到设计目的。能够在天气变化时， 体统能根据情况自己完成收衣服的工作，能够避免衣服被淋湿。 此系统有以下几个特点： 1.机械系统结构紧凑，设计合理。能够适应大部分开放和半开放阳台。 2.系统的操作简单明了。 3.系统的制作成本低能够被广大群众所接受。 随着课题的不断深入，我越来越来发现智能晾衣架的功能还不是很完善，还 有很多地方需要改进和补充。这样就能使它的功能更加强大、更加完美。电路部 分可以给 at89c51 加上无线通信模块，能够进行远程遥控，就更加方便使用使用 者，还可以把 at89c51 换成具有语音功能的系统，只要对系统进行语音设定，之 后只要系统接受到同样的语音信号就可操作系统的各种功能，加上语音系统更能 体现代化产品更加人性化的一面。对于系统的机械系统也有很多需要改进的地方， 可以增加机械系统多样性来适应不同建筑形式的阳台。在这里我只设计了一种大 众比较能使用的机械机构，对于全封闭阳台可将晾衣架放置在棚的顶端进行伸缩， 把步进电机和阳台的拉窗相连。当空气中的相对湿度超过设定值或光线变暗到一 定值时，系统控制步进电机从而控制阳台窗子的闭合，从而达到保护衣服的目的。 在收集资料的过程中发现智能晾衣架系统现在市场上还属于空白的阶段，在 中国比较著名的晾衣架厂商深圳市欧兰特智能控制系统有限公司还没有成型的智 能晾衣架，比较先机的就是遥控晾衣架了，但是价格比较昂贵大约在￥1600.00 左右。所以此系统应具有很好的市场前景。 大连民族学院 2007 届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文 25 谢谢 辞辞 在毕业设计（论文）完成之际，在此，谨向我的指导教师王万雷老师表示衷 心的感谢。 在毕业设计和完成论文期间，王老师为我制定了详细的计划，并给予了我悉 心的指导，为我精心安排了毕业设计课题，提供了优越的学习和工作环境。在我 遇到困难时给予我热情的鼓励及关怀，使我一步步完成设计，并在这次设计中得 到了进一步的锻炼，动手能力、分析和解决实际问题的能力进一步加强。 此外，向905工作室的全体同学表示感谢，正是有了他们的鼎力支持和热心 帮助，我的设计才得以顺利完成。 智能晾衣架系统设计 26 参参 考考 文文 献献 1 徐富军, 沈建良；c51 单片机高效入门m；北京：机械工业出版社；2007。 2 朱龙根; 简明机械零件设计手册m; 北京：机械工业出版社; 1997。 3 郑堤，唐可洪；机电一体化设计基础m; 北京：机械工业出版社;1997。 4 周兴华; 单片机智能化产品 c语言设计实例详解m; 北京：航空航天大学出版社; 2006。 5 solidworks 公司; solidworks 工程图m; 北京：机械工业出版社; 2005。 6 韦琳编; 图解电子电路m; 北京-科学出版社; 2006。 7席伟光，杨光，李波；机械设计课程设计m；北京:高等教育出版社；2003。 8璞良贵，纪明刚；机械设计m；北京:高等教育出版社；2001。 9孙恒，陈作模；机械原理m；北京:高等教育出版社；2000。 10 田立, 田清, 代方震；51 单片机 c 语言程序设计快速入门m；北京：人民邮电出版社； 2007。 11康华光，邹寿彬；电子技术基础数字部分m；北京：高等教育出版社；1987。 12徐维祥，刘旭敏；单片微型机原理及应用m；大连：大连理工出版社；1996。 13 蒋秀珍； “机械学基础”综合训练图册m；北京：科学出版社；2001。 14 benjamin w.niebel,alan b.draper,richard a.wysk；modern manufacturing process engineeringm；mcgraw-hill publishing company；1989. 15 thomas e.french,charles j.vierck,robert j.foster；engineering drawing and graphic technology(fourteenth edition)m；mcgraw-hill,inc；1993. 16 keith r plossl；engineering for the control of