基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现

燕京理工学院毕业设计 论文 I 基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现基于单片机的智能晾衣架控制系统的设计与实现 董阳 通信工程专业 通信 1301 班 学号 指导教师 李丽芬副教授 摘摘 要要 现在都市的生活越来越忙 很多人都没有时间和精力来管理一些细节上的东西 比如 在合适的阳光温度时间内晾晒衣服 针对这来问题我们开始了研究 通过对 智能晾衣架控制系统的设计与实现的不断探究 得到了比较好的设计思路 通过使 用 DHT11 温湿度传感器 光敏电阻等元件 对环境的变化进行检测 然后再将测量 数据传递给 STC89C51 单片机 单片机的核心板再对所测量的温湿度和光线的强弱进 行判别 驱使电机进行正转或者反转 达到智能晾晒衣物的目的 在温湿度检测方 面使用的是 DHT11 传感器模块 该模块将测量得到的数据与设定值进行对比 如果 湿度超越过设定值 系统会默认回收晾衣架 发送脉冲信号来控制电机收回晾衣架 针对光照强度方面的检测我们选择使用光敏电阻 光照强度的改变会使电阻阻值产 生相应的变化 单片机将变化后的阻值与设定值进行对比 如果超过设定值 则控 制电机进行转动 使衣架收回 从而实现智能晾衣服的目的 关键词关键词 智能 STC89C51 DHT11 燕京理工学院毕业设计 论文 II Design and Implementation of Intelligent Clothes Hanger Control System Based on Single Chip Microcomputer Abstract Now the city life more and more busy a lot of people do not have the time and energy to manage some of the details for example in the appropriate temperature of the sun drying clothes In order to solve this problem we started the research through the intelligent clothes hanger control system design and implementation of continuous research get a better design ideas By using the DHT11 temperature and humidity sensor photosensitive resistance and other components the change of environment were detected and then the measurement data are transmitted to the STC89C51 microcontroller core board microcontroller to measure the temperature and humidity and light intensity discrimination motor driven forward or reverse achieves the intelligent clothes drying purpose Used in the detection of the temperature and humidity DHT11 sensor module the module will be measured data are compared with the set value if the humidity is beyond the set value the system will default recovery racks send pulse signal to control the motor back racks Similarly the photosensitive resistor for detecting the light intensity of the light intensity the changes will cause the resistance change will change the resistance compared with the set value if it exceeds the set value then control the motor to rotate the clothes hanger to recover so as to achieve the purpose of intelligent clothes Key words intelligent STC89C51 DHT11 燕京理工学院毕业设计 论文 III 目目 录录 前 言 1 第 1 章 绪论 2 第 1 1 节 选题背景 2 第 1 2 节 研究方法及目的 2 第 1 3 节 研究意义 3 第第 2 2 章章 系统总体设计系统总体设计 4 第 2 1 节 总系统设计框图 4 第 2 2 节 系统组成概述 4 第 2 3 节 控制系统核心选择 4 第 2 4 节 湿度检测模块选择 5 第 2 5 节 遥控电路设计 5 第 2 6 节 遥控发射模块参数 6 第 2 7 节 光强检测模块选择 7 第 2 8 节 电机模块选择 7 第 9 节 系统设计要求 8 第 3 章 控制系统硬件设计 9 第 3 1 节 单片机的介绍及其工作系统设计 9 第 3 2 节 温湿度传感器电路 14 燕京理工学院毕业设计 论文 IV 第 3 3 节 光敏检测电路 17 第 3 4 节 直流电机驱动电路 19 第 4 章 控制系统设计 21 第 4 1 节 程序流程图 21 第 4 2 节 程序设计 22 第 4 3 节 系统初始化 22 第 4 4 节 温湿度检测 25 第 5 章 系统整体调试 27 第 5 1 节 系统仿真演示 28 第 5 2 节 硬件实物的焊接 33 结 论 37 附 录 39 参考文献 41 致 谢 42 燕京理工学院毕业设计 论文 1 前前 言言 科技是第一生产力科技的进步推动着人类生活的进步 人们对生活也开始 不断的追求智能化 这种形式促使各国也在家具智能方面开始了深入的研究 人工智能化的产生以及运用使人们对家电 照明 窗帘管理控制和防盗报警等 智能化方面的研究更进了一步 促使人们生活向全面人工智能化也更近了一步 但是 在各项人工智能的家具中针对晾衣工具这个方面的研究我国并没有得到 很大中的重视和研究 甚至可以用没有什么改变来形容 所以其市场研究价值 很高 十分利于我们开发研究 现在在我国大多数普通用户生活中 很少会存在能够随着外界环境改变而 硬件自身够功进行变化的智能晾衣架 从而达到自动收缩或者伸展晾衣架的目 的 常见的普通晾衣架在实际生活活中并不是很人性化帮助人们生活便利 并 且很多常见的问题不能够解决 例如 我们工作不在家时 突然下起雨 在外 面晾洗的衣服不能够及时回收而导致重洗 晚上因为加班不能够回家 晾晒的 衣服也不能够及时回收造成损失 并且在酷热夏日 我们因为工作繁忙的原因 通常会导致把洗好的衣物晾晒在室外一整天 而不能及时收回 假设我们不在 家 但是在夏天的正午时候不能够把衣物回收到屋子里 导致衣物暴晒 这样 的现象在我们平时的生活中最为常见 所以普通的晾衣架对我们的衣物伤害极 大 虽然在国际上有很多大的厂家对智能晾衣架有一定的研究 但是他们所研 究量产的智能晾衣架大都是半智能化的 用户只能经过电路按键等控制方式使 衣物达到垂直升降晾晒衣服的目的 基于这一现状我的设计思路是使用 DHT11 温湿度传感器和光传感器来检测室外的天气温度和光照的情况 然后得到当下 天气信息 这些信息再由传感器传输到单片机 单片机再通过脉冲信号使电机 进行转动 进而达到智能晒衣物的目的 燕京理工学院毕业设计 论文 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 第第 1 11 1 节节 选题背景选题背景 科技是第一生产力科技的进步推动着人类生活的进步 人们对生活也开始 不断的追求智能化 这种形式促使各国也在家具智能方面开始了深入的研究 人工智能化的产生以及运用使人们对家电 照明 窗帘管理控制和防盗报警等 智能化方面的研究更近了一步 促使人们向全面人工智能化也更近了一步 但 是 在各项人工智能的家具中针对晾衣工具这个方面的研究我国并没有得到很 大中的重视和研究 甚至可以用没有什么改变来形容 因此智能晾衣架也有很 大发展空间 其市场研究价值很高 并且渐渐的这种生活模式将会吸引社会的 很大关注 第第 1 21 2 节节 研究方法及目的研究方法及目的 1 2 11 2 1 研究目的研究目的 现在在我国大多数普通用户生活中 很少会存在能够随着外界环境改变而 硬件自身够功进行变化的智能晾衣架 从而达到自动收缩或者伸展晾衣架的目 的 常见的普通晾衣架在实际生活活中并不是很人性化帮助人们生活便利 并 且很多常见的问题不能够解决 例如 我们工作不在家时 突然下起雨 在外 面晾洗的衣服不能够及时回收而导致重洗 晚上因为加班不能够回家 晾晒的 衣服也不能够及时回收造成损失 并且在酷热夏日 我们因为工作繁忙的原因 通常会导致把洗好的衣物晾晒在室外一整天 而不能及时收回 假设我们不在 家 但是在夏天的正午时候不能够把衣物回收到屋子里 导致衣物暴晒 这样 的现象在我们平时的生活中最为常见 所以普通的晾衣架对我们的衣物伤害极 大 虽然在国际上有很多大的厂家对智能晾衣架有一定的研究 但是他们所研 究量产的智能晾衣架大都是半智能化的 用户只能经过电路按键等控制方式使 衣物达到垂直升降晾晒衣服的目的 但是这样的设计并不能完美的晾晒衣服并 燕京理工学院毕业设计 论文 3 且让其对衣服无损伤 通过用单片机为核心的设计可以很好解决这个问题 整 个系统的工作过程为 单片机经过 DHT11 温湿传感器来获取当下天气情况 当 室外的温度或湿度为系统设定数值的时候 单片机会发送信号驱使电动机进行 转动 来完成智能晾晒衣服目的 另外 在转动的过程中当传动杆接触到位置 开关时 电机就会中止转动 在雨过天晴的时候阳光会比较充足 此时光敏电 阻会因为光照变化的原因使自身阻值产生变化 并将其变化信息发送给单片机 单片机在程序的指引下对光照强度进行判断 然后发送脉冲信号给电机 使电 机进行转动进而实现智能晾衣 1 2 21 2 2 研究方法研究方法 1 文献法 由于本研究将会触及到很多单片机方面的绘图以及变成等方 面的知识和技术 为了能够更好的完成研究 所以需要对大量的期刊杂志等书 籍进行浏览 整理和分析 这样做能够快速而且有效的获得大量对本研究由有 利的信息和材料 因此成为研究方法不可缺少的部分 2 观察法 合理的观察对研究有很大的帮助 这种研究方法具有很强的 目的性和计划性 在实验中往往能达到意想不到的效果 从而开辟人们的思路 招致新的发现 因此也成为研究方法不可缺少的部分 第第 1 31 3 节节 研究意义研究意义 按照现阶段的晾衣架开发情况 本设计方法能够把人们从原始的晾衣操作 方法中解脱出来 实现智能生活化 这种智能晾衣架除了人工智能外还有其他 的优点 例如占地面积相对其他的晾衣架而言较小 并且它的操作方法也特别 简单 能够通过遥控来实现人工伸展和收回 它的外观也有很高的美观性 相 对其他晾衣架而言这种设计方式的晾衣架大大避免了那些操作麻烦方面的问题 它的工作方式是 各个相应的检测模块在获取到这个时候的温湿度或者光的强 度后会把自己获取的东西发送给单片机 单片机会发送相对应的信号来驱使电 动机进行转动 实现晾衣服的功能 燕京理工学院毕业设计 论文 4 第第 2 2 章章 系统总体设计系统总体设计 第第 2 12 1 节节 总系统设计框图总系统设计框图 本设计使用 STC89C51 单片机 同时再通过温湿度传感器和光敏电阻等装置 来配合来检测外界的环境变化 把他们自己获取的信息发送给单片机 再使单 片机来驱使电机转动 完成智能晾衣功能 对于智能晾衣架的总体设计框图如 图 2 1 所系统总体控制框图示 图图 2 12 1 系统总体控制框图系统总体控制框图 第第 2 22 2 节节 系统组成概述系统组成概述 系统主要由 控制系统核心 湿度检测模块 光强检测模块 电机驱动模 块 直流电机 拨码开关模块和显示模块 控制系统核心作为系统的控制核心 和数据处理中心 湿度检测模块用来采集环境湿度信号 光强检测模块用来采 集环境光强信号 电机驱动模块用来功率放大驱动电机正反转 进而带动晾衣 架做伸出或缩回运动 拨码开关模块是用来设置系统工作模式 并在手动工作 模式下 设置晾衣架的伸出或缩回 显示模块用来显示湿度数据 光强情况 晾衣架状态等内容 第第 2 32 3 节节 控制系统核心选择控制系统核心选择 方案一 采用 STC89C51 作为系统的控制器 STC89C51 是一种性能好 功 温湿度传感电 路 光敏传感电路 单片机最小系统 电机驱动 报警电路 晾衣架执行 机构 燕京理工学院毕业设计 论文 5 耗低的 8 位结构的微处理器 其内部配置了系统可编程的 8K 的 Flash 存储器 3 该芯片性能稳定 抗干扰能力强 并且能够灵活的编程和设计 在很多的 工业控制现场和嵌入式系统中都可以非常有效的担任控制任务 方案二 采用 FPGA 作为系统的主控制器 FPGA 的功能非常强大 对于很 多具有复杂逻辑功能的控制系统均可作为系统的核心 并且开发的系统具有较 小的体积 极高的集成度 极强的稳定性 丰富的硬件资源 扩展易实现 处 理速度快 通常用于控制功能复杂 控制要求较高的控制系统中 但该控制器 价格很高 编程较单片机复杂很多 本系统逻辑功能简单 仅仅需要读取传感器和拨码开关信号 控制电机 控制显示屏 对控制器的数据处理能力要求不是很高 STC89C51 单片机完全能 达到控制要求 从性价比方面考虑选择方案一 第第 2 42 4 节节 湿度检测模块选择湿度检测模块选择 方案一 采用 DHT11 传感器采集湿度 该传感器集测温 测湿度为一体 输出为数字量信号 数字量信号以经内部校准 传感器采用专业的集成数字传 感器技术 其具有极高的稳定性和极强的可靠性 4 传感器内部设置了一个感 温元件和一个感湿元件 输出为总线形式 可直接与单片机相连 该传感器不 仅性能十分优越 价格也非常低廉 在很多低成本控制系统中被应用 方案二 采用 HR202 电阻型湿度传感器 HR202 湿敏电阻其核心感湿元件 是一种新型的高分子材料 该材料具有很宽的感湿范围 并且常见稳定有效 可广泛的应用在仓库 大棚等需要检测 控制湿度的系统中 但该传感器不能 直接通过直流驱动 采集信号要通过 A D 转换 因此电路设计较为复杂 综合考虑性能和读取方式 DHT11 虽然编程较为复杂 但其外围电路简单 可通过单片机 I O 口直接读取 所以选择方案一作为系统的湿度检测模块 第第 2 52 5 节节 遥控电路设计遥控电路设计 对于遥控方面所采用的模块是 SC2262 和 SC2272 它们用于遥控和接收 其中遥控电路图如图 2 2 所示 燕京理工学院毕业设计 论文 6 图图 2 22 2 遥控电路遥控电路 遥控器设计部分将使用 12V 电池对其进行供电 当按下按键后电池的正极 才能够使其芯片和发射模块的电源端相互连通并发出信号 之所以有这样设计 是为了能够更好地确保电池的耐用 其中接收部分的电路图如 2 3 接收电路所示 图图 2 32 3 接收电路接收电路 接收电路输出端经过 NPN 三极管 9013 将输出的高电平转变成低电平 这样 的设计方便了单片机能够更好的识别低电平变动 第第 2 62 6 节节 遥控发射模块参数遥控发射模块参数 1 通讯方式 调幅 AM 2 工作频率 315MHZ 433MHZ 3 频率稳定度 75KHZ 4 发射功率 500MW 燕京理工学院毕业设计 论文 7 5 静态电流 0 1UA 6 发射电流 3 50MA 7 工作电压 DC 3 12V 第第 2 72 7 节节 光强检测模块选择光强检测模块选择 方案一 采用光敏电阻采集光强 光敏电阻的阻值受环境光强影响 随光 强不同 阻值也会随之而改变 通过将电阻值转化成电压信号 再经电压比较 器比较得到电平信号 得知外部环境光照的强弱 15 光敏电阻价格极为便宜 只需简单的处理电路即可达到系统的要求 方案二 采用 GY 30 采集光强 GY 30 是一款数字光强检测模块 采用 ROHM 原装 BH 单片机可以直接读取 不需要开发人员进行标定 该方案电路简 单 可以采集准确的光照强度 但编程非常复杂 综合考虑 系统中只要对光的强弱做作一个区分 并不需要采集出准确的 数值 从程序编写的难以程度上考虑 选择方案一作为系统光强检测模块 第第 2 82 8 节节 电机模块选择电机模块选择 方案一 利用 L298N 芯片驱动电机 该芯片是专用的电机驱动芯片 每个 L298 中配置了两个 H 桥电路 可能够对两个小型直流电机进行正反转运行控制 芯片的使能端直接接在逻辑电压的高 低上 能够实现电机的转动和停止 也 能够将单片机输出 PWM 接在芯片的使能端上 通过改变 PWM 的占空比来对电机 转速进行调节 用来需要调节转速的系统中 6 L298 具有很强的驱动能力 在 其可以驱动电压范围内 可以提供的最大驱动电流是 2A L298 还具有过热保护 和电流反馈检测功能 是一种安全 可靠的电机驱动方案 方案二 利用控制继电器组成电机驱动模块 通过四个继电器组成来实现 电机的正反转控制 并通过触点动作速度实现电机调速 7 这种实现方式电路 简单 但是继电器的响应时间较长 并且频繁的开通 关断会造成继电器的寿 命降低 可靠性较低 综合考虑 为增强系统的可靠性 提高性能 电机驱动模块选择方案一作 燕京理工学院毕业设计 论文 8 为系统的电机驱动模块 第第 2 92 9 节节 系统设计要求系统设计要求 在智能晾衣架的研究设计中 应达到以下几点要求 1 简单性 智能晾衣架是为现在生活节奏快的上班一族设计 因此本设 计必须操作简单 因为忙碌一天的上班族是不愿意在这些小事上花费精力 而 且本设计就是为了解决生活小事 若是操作繁杂 这就与我们的初衷恰恰相反 的 所以此设计必须操作简单 2 经济性 本设计拥有着大量的潜在市场 是能够在家庭中应用的 所 以必须要设计合理 设计合理中经济性尤为重要 而且我们设计的是智能晾衣 架 作为一个晾衣架本身功能来说 就决定了本设计的产品价格就不能太高 并且 任何人都喜欢性价比高的产品 所以我们的设计应该追求物美价廉 这 就要求我们不仅要技术先进 经济上也要更加合理 3 实用性 本设计是工具 因此我们设计应该多考虑一些实用功能 不 能设计那些不实用的功能 本设计针对的是经常在露天晾晒衣物的人群设计 所以在设计过程中也会做一些调整 添加实用的功能 减少冗杂而不必要的功 能 4 安全 可靠性 因为智能晾衣架是应用于家庭的 所以要保证其安全 可靠性 从电子元件 电路设计 材料的选用都应注意提高其安全性与可靠性 燕京理工学院毕业设计 论文 9 第第 3 3 章章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 在之前总体设计完成之后 本章将会对控制系统硬件面进行设计 其中包 含 STC89C51 的概述和简介 DHT11 温湿度传感器的使用简介 光敏检测电路的 设计 还有电机驱动的电路设计 然后在根据系统性能的要求对其硬件设计进 行修改和完善 第第 3 13 1 节节 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 3 1 13 1 1 STC89C51STC89C51 特点特点 STC89C51 的主要性能 10 1 与 MCS 51 单片机产品兼容 2 1000 次擦写周期 3 时钟频率 0 35MHz 的一般 8051 0 至 420 MHz 实践工作频率可达 48MHz 三级加密程序存储器 4 低功耗空闲和掉电模式 5 STC89C516AD 具备 ADC 功能 10 位精度 ADC 共 8 路掉电标识符 引脚结构如图 3 1STC89C51 引脚结构所示 燕京理工学院毕业设计 论文 10 图图 3 13 1 STC89C51STC89C51 引脚结构引脚结构 STC89C51 芯片内部带有 8K 字节 Flash 存储器 其具有性能高 功耗低等 优点 俗称单片机 该器件存储器的制造技术是采用 ATMEL 高密度非易失性技 术 和工业上的 MCS 51 的系列芯片具有完成相同的引脚配置和指令集 该芯片 性能稳定 具有很强的抗干扰能力 并且能够灵活的编程和设计 在很多的工 业控制现场和嵌入式系统中都可以非常有效的担任控制任务 并且该芯片价格 超低 在许多的小型 低成本的控制系统中作为控制核心 STC89C51 单片机的功能特性 40 个外部引脚 Flash 闪速存储器 4k 字节 内部 RAM128 8 位 输入 输出 I O 口 32 个 中断优先级 5 个 中断嵌套中 断 2 层 16 位定时器 计数器 3 个 全双工串行通信口 UART 1 个 看门狗 WDT 定时器 片内振荡器和时钟电路 该芯片常见的封装形式有 燕京理工学院毕业设计 论文 11 TQFP PLCC 和 PDIP 三种 用来满足各种工作场合的需求 10 其引脚图 PDIP 封装形式 如图 3 1 所示 STC89C51 单片机的引脚功能说明 VCC 电源正端输入 VSS 接地 RST 单片机的复位输入 EA VPP 外部访问允许 EA 是英文 External Access 的缩写 表示 存储外部程序代码 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 Flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 PSEN 是外部程序存储器的选通信号 当单片机开始从外部程序存储器执 行程序时 该引脚会被激活 其周期是机器周期的一半 而在访问外部数据存 储器时 则不激活 PSEN ALE 当访问数据存储器或外部程序存储器时 该引脚将输出脉冲 用来锁 存地址的低 8 位字节 P0 口 P0 0 P0 7 P0 口是一个 8 位双向输入 输出 I O 端口 其漏 极开路 每脚最多能够驱动的 TTL 逻辑电平为 8 个 在对单片机进行编程操作 时 指令字节通过 P0 口接收 而进行校验程序时 指令字节通过 P0 口输出 此时 P0 必须外部上拉电阻才能输出高电平 P0 0 表示第 0 位 也就是最低位 P0 1 表示第 1 位 依此类推 P0 7 表示第 7 位 也就是最高位 四组 I O 口中 只有 P0 口具有内部无上拉电阻 其余 I O 均在内部配置上拉电阻 将 I O 的电 平拉高 P0 在当做 I O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载 P1 P1 0 P1 7 P1 口是一个 8 位双向 I O 端口 内部配置了上拉电阻 P1 口缓冲器最多能够输出或接收 4 个 LS TTL 门电流 若将 P1 口管脚写入 1 则 I O 口输出高电平 表示该端口设置为输入 可以读取外部电平信号 P2 P2 0 P2 7 P2 口是一个 8 位双向 I O 端口 其内部配置了上拉电 阻 每一个引脚最多能驱动 4 个 LS 的 TTL 逻辑门电路 若想将 P2 设置为输入 口 用来读取外部电平信号 则需控制 P2 输出高电平 P3 P3 0 P3 7 P3 口和 P1 口 P2 口一样 也是一个 8 位双向 I O 端 口 其内部也配置了上拉电阻的 其输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 燕京理工学院毕业设计 论文 12 P3 口也可作为 STC89C51 的一些特殊功能口 其引脚第二功能分配如下表 3 1 所示 XTAL1 反向振荡器的输入 XTAL2 反向振荡器的输出 表表 3 1 P3 口引脚第二功能口引脚第二功能 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时 计数器 0 P3 5T1 定时 计数器 1 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 3 1 23 1 2 单片机工作系统设计单片机工作系统设计 单片机必须在具备晶振电路和复位电路后才能保证其正常运行 晶振电路 也称时钟电路 该电路是给单片机提供稳定的时钟源 复位电路的功能是重置 单片机 使其总起始地址开始工作 从程序代码的起始端开始运行 下面将对 时钟电路和复位电路进行详细介绍 1 时钟电路设计 图图 3 23 2 时钟电路时钟电路 30pF C2 12 11 0592M 30pF C1 XTAL1 XTAL2 燕京理工学院毕业设计 论文 13 在使用 51 系列单片机开发系统时 晶振电路主要由两部分组成 石英晶体 和瓷片电容 适石英晶体一般选择为 12MHz 或 11 0592MHz 匹配的瓷片电容是 20 30pf 之间 这个大小的电容可以很好的抑制干扰 使时钟电路稳定工作 如图 3 2 所示为本次设计的时钟电路 选用 11 0592M 的晶振 其晶振两脚与单 片机的时钟输入引脚 XTAL1 和 XTAL2 相连 并在两端分别连接 30pf 瓷片电容 C1 C2 的一端 瓷片电容的另一端直接接地 9 2 复位电路设计 若系统在运行时 受环境干扰单片机内代码执行时跑飞或需要从新执行代 码时 这时需要将单片机复位 从头执行程序代码 这就需要设置复位电路 STC89C51 单片机在 RST 引脚上施加两个机器周期以上的时间就会完成复位 代 码将从最开始地址从新执行 在系统上电时 也要对单片机进行复位 为了方 便 无需每次上电都通过操作按键进行复位 复位电路中设置了上电复位 图 3 3 为本设计的复位电路 该电路即可实现上电复位 又能实现手动复 位 系统在得电开始运行前 由于电容 C3 充电 RST 引脚上为高电平 高电 平持续时间是电容充电时间 充电时间大于两个机械周期则上电复位 单片机 在正常工作时 按下复位按键 S1 则 RSE 引脚直接接在 5V 电源上 松手后恢 复低电平 实现手动复位 S1 10uF C3 5V 10K R3 RST 图图 3 3 复位电路复位电路 燕京理工学院毕业设计 论文 14 第第 3 23 2 节节 温湿度传感器电路温湿度传感器电路 DHT11 数字温湿度传感器它经常被用来测量环境的温湿度 之所以使用它 是确保设计的产品测量数据的可靠性和准确性 DHT11 具有质量好 响应快 抗干扰能力强 性价比好等优点 另外 他还具有超小体积 低功耗 以及信 号传输间隔长度能够达到 20 米以上的特点 在非常精确的湿度校准实验室校准 每个 DHT11 传感器都要进行再次校准 用来确保 DHT11 温湿度模块的测量准确 性以及可靠性 传感器的接口方式采用单线串行接口 之所以使用这样的设计 方式是为了使系统变得简单快捷并且单排针 4 针组件产品 连接方便 可根据 用户要求提供特殊包装格式 3 1 DHT11 的工作特点 相对湿度和温度测量 全部校准 数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4 引脚安装 完全互换 2 DHT11 应用领域 暖通空调 气象站 家电 湿度调节器 医疗 除湿器 测试及检测设备 汽车 数据记录器 消费品 自动控制 3 DHT11 数字传感器电源引脚以及串行接口 电源电压 工作电压是 3V 到 5 5V 工作时候需要先等待一秒钟 其目的 燕京理工学院毕业设计 论文 15 是确保不稳定状态器件不发送任何的指令 3 串行接口 DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通信和同步 本设计采取使 用单总线数据形式 一次通讯市场大约为 4ms 其中数据分小数部分和整数部 分 详细格式在下面说明 此时小数部分用来以后扩充 现在读取出为零 操 作流程为一次完整的数据传输为 40bit 先出高位 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 8 bit 温度整数数据 8bit 温度小数数据 所得最后数据的末 8 位 3 用户 MCU 发送一次信号之后 DHT11 将从低功耗模式转换到高速形式 等候主机开始信 号完毕后 DHT11 再发送相对应的信号 同时送出 40bit 的数据 并触发一次 信号采集 再次选择读取部分数据 3 在这个模式下 DHT11 接收到开始信号 后触发一次温湿度采集 假如没有接收到主机发送开始信号 DHT11 不会自动 开始温湿度采集 采集数据后转换为低速模式 过程如图 3 4 通信过程 1 所 示 图图 3 43 4 通讯过程 通讯过程 1 1 总线处于空闲模式的时候电平为高电平 主机会把总线拉低等待 DHT11 的 响应 这时候的总线需要的时间超过 18ms 这样做是为了保证 DHT11 可以启动 信号检测 当 DHT11 接收主机信号开始后 就开始发送 80 s 低电平相应信号 等待 20 40 s 才开始阅读 DHT11 响应信号 主机开始发送信号后 可以切 换到输入模式或者输出高电平模式 通过总线将上拉电阻 进程如图 3 5 通信 过程 2 所示 燕京理工学院毕业设计 论文 16 图图 3 53 5 通讯过程 通讯过程 2 2 当总线为一种低水平的响应信号时候 DHT11 发送响应信号后 再把总线 拉高 80us 开始发送数据 每一位数据都是以 50us 低水平时隙开始的 高电 平的长短表明了数据位是 0 还是 1 如图 3 6 数字 0 信号表示方法 图 3 7 数字 1 信号表示方法 读高水平的响应信号 如果 DHT11 没有响应 请检查线 路是否正常 最后一个 bit 数据传送完成后 DHT11 将会拉低总线 50 s 然后 总线的上拉电阻将会进入空闲阶段 图图 3 63 6 数字数字 0 0 信号表示方法信号表示方法 数字 1 信号表示方法 图图 3 73 7 数字数字 1 1 信号表示方法信号表示方法 燕京理工学院毕业设计 论文 17 DHT11 数字温湿度传感器它经常被用来测量环境的温湿度 使用它的原 因是因为它能够确保设计的产品测量数据的可靠性和准确性 它还具有超小体 积 低功耗 以及信号传输间隔长度能够达到 20 米以上的特点 在非常精确的 湿度校准实验室校准每个 DHT11 传感器都要进行再次校准 用来确保 DHT11 温 湿度模块的测量准确性以及可靠性 产品为单排针 4 针组装 方便连接 特殊 包装格式可根据用户要求提供 接口说明如图 3 8 DHT11 典型应用电路所示 图图 3 83 8 DHT11DHT11 典型应用电路典型应用电路 第第 3 33 3 节节 光敏检测电路光敏检测电路 系统光强检测通过光敏电阻来实现 在外边天气光强不同时 光敏电阻的 阻值会发生变化 光敏电阻还可以叫做光导管 制作中常用的材料有 硫化镉 另外还有硒 硫化铝 硫化铅和硫化铋等 这些材料具有很强的光特性 在一 定波长的光照下 其产生的阻值立即发生变化 这种现象是产生的原因是由于 光照会产生载流子 而这些载流子将会参与导电 使光敏电阻的阻值迅速的下 降 11 光强检测电路如图 3 9 所示 光敏电阻与 47K 电阻串联 当光强较弱时 光敏电阻阻值较高 这时光敏电阻上端输出电压较高 当光强较强时 光敏电 阻阻值较低 这时光敏电阻上端输出电压较低 光敏电阻上端输出电压为 V 输出电压 V 是随光强变化的模拟量信号 需要进行电路处理才能被 I O 口读取 12 如图所示 输出的电压信号 V 通过两个电压比较器与两个阈值相比较得到 两个电平信号 当电压信号 V 高于高阈值时 才认为光线较强 在电压信号 V 低于第阈值时 才认为光线较弱 有效防止了使用一个阈值时 电压 V 在阈值 附近时 电平信号震荡的问题 燕京理工学院毕业设计 论文 18 电压信号 V 分别输入至两个电压比较器的负输入端和正输入端 R7 和 R10 两个电位器分别为电压比较器提供一个可调的上限和下限电压阈值 然后在电 压比较器输出端上拉一个 4 7K 电阻 电路即可正常工作 当电压比较器的正输 入端电压大于负输入端时 输出高电平 当电压比较器的正输入端电压小于负 输入端时 输出低电平 电压比较器输出的电平信号送至单片机的 I O 口 I O 口通过扫描即可获知外部的光线强弱 图图 3 93 9 光敏检测电路光敏检测电路 其中 GL5528 电阻的各项参数是 最大电压 V dc 150 最大功耗 mW 100 环境温度 C 30 70 光谱峰值 nm 540 亮电阻 10Lux K 10 20 暗电阻 M 1 100 10 0 6 响应时间 ms 上升 20 下降 30 R 20 10k Q 6 9013 R 21 guangmin R 19 104 V CC P1 0 燕京理工学院毕业设计 论文 19 第第 3 43 4 节节 直流电机驱动电路直流电机驱动电路 3 4 13 4 1 L298NL298N 基本参数基本参数 1 类型 半桥 2 输入类型 非反相 3 输出数 4 4 电流 输出 通道 2A 5 电流 峰值输出 3A 6 电源电压 4 5 V 46 V 7 工作温度 25 C 130 C 8 安装类型 通孔 9 封装 外壳 Multiwatt 15 垂直 弯曲和错列引线 10 供应商设备封装 15 Multiwatt 11 包装 管件 3 4 23 4 2 L298NL298N 简介简介 L298 是由 SGS 公司设计生产的 其封装是采用 15 脚 Multiwatt 封装 其 内部都配置了 4 通道逻辑驱动电路 可以作为一个两相步进电机 或者两个小 型直流电机的驱动器 使用极为方便 L298N 芯片可以作为一个四相电机和两个二相电机的驱动器 其控制电机 的最大供电电压可达到 50V 输出控制电机的电压随着输入的电压的变化而变 化 可以通过调节输入的电压来改变电机的控制电压 控制引脚可以直接连接 在单片机的 I O 上 可直接通过编程来改变 I O 口输出电平来控制 L298N 的工 作模式 并且所需的外围辅助器件非常少 控制极为方便 14 L298N 的逻辑电源 VSS 可接入的范围为直流 4 5 7 V 其逻辑控制口可接 受 TTL 电平信号 芯片第 4 引脚 VS 可直接与电机的供电电源连接 其电机的供 电电源 VS 是在 2 5 50 V 之间 最大可输出 2 5 A 供驱动电流 可以直接 用来驱动阻性或感性负载 L298 芯片上的 OUT1 OUT2 是一组直流电机的接口 OUT3 OUT4 是另一组 本设计我们通过它来驱动一个小型直流电机 5 和 7 以 燕京理工学院毕业设计 论文 20 及 10 和 12 脚接入单片机的 I O 口 通过输出不同的电平信号来控制直流电机 的转向 ENA 和 ENB 为控制的使能端 也接入单片机的 I O 口 可同过 I O 输 出 PWM 来控制电机的启动和 停止和转速 表 3 2 是 L298N 功能逻辑图 表表 3 2 L298N 功能逻辑图功能逻辑图 ENA ENB IN1 IN3 IN2 IN4 电机运行情况 HHL正转 HLH反转 LXX停止 3 4 33 4 3 电机驱动电路电机驱动电路 本系统中 需要对一个电机进行方向和速度控制 将 IN1 IN2 和 ENA 分别 连到单片机的 I O 口 P2 2 P2 3 P2 4 上 通过改变 I O 口的电平状态 实现 电机的方向和速度控制 芯片供电电源 VSS 接 5V 逻辑电平 电机的动力电源 VS 与也接 5V 输入 ISENA 和 ISENB 分别接地 芯片输出端口接电机两端 为 了保护芯片 防止电流回流 在 OUT1 OUT2 两端分别接上续流二极管 1N4007 为了滤除电机干扰 在电源上加入了一个 100UF 和一个 104 进行滤波 9 具体电路如图 3 10 所示 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 ENA 6 ENB 11 GND 8 VSS 9 VS 4 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 OUT4 14 ISENA 1 ISENB 15 L298NGND GND D1 1N4007 D3 1N4007 D2 1N4007 D4 1N4007 M B1 Motor 5V 104 C4 5V GND 0 01uF C5 5V GND P2 2 P2 3 P2 4 图图 3 10 电机驱动电路电机驱动电路 燕京理工学院毕业设计 论文 21 第第 4 4 章章 控制系统设计控制系统设计 第第 4 14 1 节节 程序流程图程序流程图 系统软件设计采用结构化和模块化的设计方法 原因是因为这样很容易编 译 调试过程 1 然后根据设计要求 以及前端控制系统硬件设计的具体条件 进行说明 设计软件基于单片机控制 其中单片机控制系统软件程序流程图如 图 4 1 所示 图图 4 14 1 程序流程图程序流程图 结束 否 否 打开晾衣架 打开按钮是 否按下 关闭按钮是 否按下 打开限位是 否闭合 关闭限位是 否闭合 关闭晾衣架 中止动作 是是 否 是是 系统是否是 智能模式 光线明暗 湿度大小 打开晾衣架 关闭晾衣架 亮或湿度小暗或湿度大 是 否 燕京理工学院毕业设计 论文 22 第第 4 24 2 节节 程序设计程序设计 C 语言是计算机程序设计语言的一种 它处于机器语言与高级语言之间 它不仅具备机器语言的特点 同时又具备高级语言的特点 C 语言 1972 年产生 于美国 它是由贝尔研究所的 D M Ritchie 推出的 在此之后 各种不同类型 的计算机都被移植成为 C 语言 C 语言不仅能够编写工作系统和控制程序代码 还能够作为设计应用程序的语言 其编写的应用程序与计算机硬件无绝对关系 如今 C 语言的使用范围非常之广泛 因为该语言极其强大的处理数据的能力 已经不仅仅是应用在软件的开发上 很多种类的科研也都开始使用 C 语言编程 8 C 语言简明易懂 开发和维护都很方便 并且不受硬件操作能力约束 采 用模块化设计移植很容易 开发周期短 使用 C 语言开发单片机的控制程序代 码 储存单元的分配都是通过编译器自动完成的 程序设计者只需要关注程序 本身的设计 无需考虑储存单元分配等问题 C 语言可以采用模块化的编程 对一些常用控制功能或算法的函数可以编写相应的程序块 在使用时直接调用 可以极其方便的进行程序开发和移植 缩短程序开发周期 第第 4 34 3 节节 系统初始化系统初始化 软件系统设计设置包含声明库函数如 include include 等 利用 DHT11 温湿度传感器 对于温度和湿度的检测都要使用 DHT11 单总线数据方法 同时对于这些操作都有严格的顺序安排 单片机刚开 始会发送一个复位脉冲 这个脉冲信号会使所有 DHT11 芯片进入复位状态 等 到 ROM 操作命令到达的时候 系统会使相应编码的 DHT11 激活 当 DHT11 被激 活后 它将处于等待存储器访问请求的状态 3 系统程序展示和说明 8 define uc unsigned char define ui unsigned int sbit in go P1 3 燕京理工学院毕业设计 论文 23 sbit in back P1 2 sbit out go P3 0 sbit out back P3 5 sbit limit go P3 4 sbit limit back P3 6 sbit led go P1 4 sbit led back P1 5 sbit light P1 0 sbit change P1 1 sbit led zhishi P1 7 sbit buzz P1 6 sbit W1 P2 2 sbit W2 P2 1 void COM void uc i for i 0 i 8 i U8FLAG 2 while DATA Delay 10us Delay 10us Delay 10us U8temp 0 if DATA U8temp 1 U8FLAG 2 while DATA if U8FLAG 1 break U8comdata 1 燕京理工学院毕业设计 论文 24 U8comdata U8temp 0 rof uc RH void DATA 0 Delay1 180 原来为 5 DATA 1 总线将上拉电阻拉高 延时 20us Delay 10us Delay 10us Delay 10us Delay 10us DATA 1 if DATA T U8FLAG 2 while DATA 燕京理工学院毕业设计 论文 25 第第 4 44 4 节节 温湿度检测温湿度检测 检测温湿度情况所用的模块为 DHT11 温湿度传感器 DHT11 传感器的读写 都会占用同一根线 所以操作的时候的每一步都有严格的要求 图 4 2 为测温 子系统流程图 单片机刚开始会发送一个复位脉冲 这个脉冲信号会使所有 DHT11 芯片进入复位状态 等到 ROM 操作命令到达的时候 系统会使相应编码 的 DHT11 激活 被激活后传感器将会进入等待访问的状态 内存访问命令完成 温度转换 读取等工作 图图 4 24 2 温度检测流程图温度检测流程图 系统复位 发匹配 ROM 指令 发 64 位 ROM 码 发温湿度转换命 令 系统复位 读数据至内存 发读暂存命令 发 64 位 ROM 码 发匹配 ROM 指令 完成转换 是返回 否 燕京理工学院毕业设计 论文 26 f f 10 01 0 2 10 10 01 0 2400 43 1 6 36 温湿度检测所用的电路为 555 检测电路 通过该电路测出输出频率 然后 再利用公式 4 1 将输出频率带进公式就能够得到湿度传感器的阻抗 通过之前 DHT11 对温度的检测 用表 4 1 进行查询就可以得到所对应的湿度值 4 1 4 1 表表 4 14 1 0 60 0 60 湿度阻抗特性数据湿度阻抗特性数据 15 25 35 45 55 30 518 8352 8256 7241 3137 35 347 6261 814313780 33 40 277 2166 693 681 535 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 1