【《基于单片机的智能晾衣架系统的硬件设计案例》5500字】

基于单片机的智能晾衣架系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29396基于单片机的智能晾衣架系统的硬件设计案例 1198321系统总体设计 2219521.1系统结构设计 267811.2硬件设计思路 32481.3软件设计思路 318261.4设计工作原理 31981.5本章小结 411852系统硬件的设计与实现 4100312.1硬件系统总体设计图 4296532.2STM32主控模块电路设计 5299222.1.1STM32F103C8T6介绍 5289102.1.2最小系统结构 688672.3按键模块电路设计 7290972.2.1按键功能介绍 859182.2.2按键模块电路设计 8292732.4继电器模块设计 8133822.4.1继电器和步进电机介绍 841782.4.2继电器控制电路设计 101682.5限位行程开关模块 1093192.5.1限位行程开关介绍 1052112.5.2限位行程开关电路设计 11180742.6液晶显示模块电路设计 11118962.6.1LCD1602液晶介绍 11113272.6.2液晶显示电路设计 12161852.7声光报警模块设计 1371832.7.1蜂鸣器和LED介绍 13215552.7.2声光报警模块电路设计 13204832.8湿度检测模块电路设计 14325872.8.1DHT11介绍 1469042.8.2DHT11电路设计 14220952.9光敏检测模块 1562402.9.1光敏检测模块介绍 15226202.9.2光敏检测模块电路设计 15121532.10无线收发模块 16123882.10.1WIFI模块介绍 16143532.10.2WIFI模块电路设计 16208412.11本章小结 171系统总体设计1.1系统结构设计该系统的设计思路为：先明确系统功能，再根据功能的实现方法将控制器分成多个不同的功能模块，最后再对模块分别进行硬件电路设计和软件编程编写。硬件组合设计对控制电路结构进行合理规划，软件编程实现各子模块的相应功能，在此设计基础上，将整个系统设计为九个模块，分别为单片机主控模块、无线收发模块、液晶显示模块、限位行程开关模块、湿度检测模块、光敏检测模块、继电器模块、声光报警模块、矩阵按键模块。系统结构设计图如下图所示：图2-1总体结构设计图1.2硬件设计思路系统各模块的实现方式如下：(1)单片机主控模块：使用STM32F103C8T6单片机芯片实现总体控制，对其他模块进行指令控制。(2)无线收发模块：使用WIFI模块实现，用于实现液晶显示屏上的信息收发。(3)液晶显示模块：使用LCD12602液晶屏，用来感测信息、设定值以及显示工作状态。。(4)限位行程开关模块：使用限位行程开关，限定晾衣杆伸出距离，防止过卷。(5)湿度检测模块：通过选用DHT11温湿度传感器进行检测当前空气的相对湿度，当空气湿度大于80时，收回衣服，防止衣服受潮。(6)光敏检测模块：选用光敏传感器检测光照强弱，光照强度小于100时，判断其为夜间模式，控制步进电机反转，光照强度大于100时，判断其为白天模式，控制步进电机正转。(7)继电器模块：选用步进电机实现晾衣架伸缩控制。选用蜂鸣器以及LED指示灯，实现限位行程开关模块故障的报警(9)矩阵按键模块：选用4×4矩阵按键模块，用于设定光照和雨滴的阈值，自动和手动模式切换。1.3软件设计思路本设计利用KEILC软件进行C语言的编码工作。参考任务书的功能要求，实物电路，软件设计思路，根据功能需求和控制顺序，设计的代码分别由主程序、无线收发，液晶显示、限位行程开关、湿度检测、光敏检测、继电器模块、声光报警和矩阵按键九个程序模块组成。通过以上程序编写，实现软件对各自相应硬件模块的控制和所需功能的实现[8]。1.4设计工作原理硬件运行工作后，根据设定好的光照强度和湿度等参数，光敏传感器和湿度传感器DHT11开始运行工作，并将检测到的光照强度和当前空气湿度数据传入主控模块，显示在液晶显示屏上，当当前湿度小于80并且光照强度大于100的情况下，控制步进电机正转，限位行程开关则是控制步进电机转动圈数，防止过卷而出现意外，当限位行程开关发生故障时，声光报警模块就会进行自动报警，按键模块可以在自动和手动两种模式下自动切换，自动模式通过STM32进行控制，手动模式下可以进行手动控制，WIFI模块可以将晾衣架工作状态传入手机进行查看。1.5本章小结本章介绍了该控制器的总体设计和各硬件模块，简单简单分析了各模块的功能及设计的工作原理。2系统硬件的设计与实现2.1硬件系统总体设计图系统硬件总体设计图如下图所示：图3-1硬件系统设计图设计使用STM32F103C8T6进行控制，对按键模块进行数据采集，采集湿度检测模块的测量湿度值和光敏模块的光照强度测量值，将其显示在液晶屏幕LCD1602上，并通过判断测量湿度值和光照强度测量值决定步进电机的正转和反转，限位行程开关防止步进电机过卷，声光报警模块的蜂鸣器和LED灯则在限位行程开关发生故障时进行报警，无线收发模块则将液晶显示屏上的信息上传到手机供用户查阅。2.2STM32主控模块电路设计2.1.1STM32F103C8T6介绍意法半导体有限公司是由意大利与法国两个半导体公司和微电子公司合并而来，该公司的半导体技术在世界上处于领先水平。STM32就是其公司的产品，其中STM32F103C8T6单片机是该公司推出的STM32系列中的增强型，STM32系列芯片价格较于市场上其他同类型的低，功耗低，复合性能强大，并且该芯片所自带的开发工具齐全，官方参考资料丰富完整，可选择的型号非常多，各大嵌入式相关网站都能找到STM32的库文件，给仪器的开发与使用带来了极大的方便，所以用途非常广泛。基于STM32F103C8T6芯片设计的最小系统板实物如图3-2所示。图3-2STM32F103C8T6最小系统板实物图STM32F103C8T6引脚如图所示：图3-3STM32F103C8T6引脚图特性：(1)工作频率范围：0-72MHZ；(2)嵌套的中断控制器和可屏蔽中断通道；(3)供电电压：1.0~2.6V；(4)内部32kHzRC-PLL为CPU时钟；(5)7通道DMA控制器；(6)具备I2CS、USART、SPI等接口[9]；(7)总线宽度：32位。2.1.2最小系统结构STM32F103C8T6芯片芯片电路是一个单片机在集成电路中正常工作时的一个最小系统集成电路，每个芯片STM32集成电路模块都根据实际需要自行设计最小的一个系统集成电路，这是保证主控模块正常工作的基本条件。在本自动晾衣架系统结构设计中，最小系统结构就是基于一个STM32芯片的最小功能模块，STM32F103C8T6最小功能系统结构模块主要包括有三大组成部分：驱动电源、时钟和自动复位控制电路。其中单片机的射频时钟驱动控制电路主要由晶振和驱动电容等两个部分元件组成,时钟驱动控制电路如图3-4所示。图3-4时钟电路图复位电路可以让单片机在发生运行故障时回到原始状态，对于保持单片机正常运行有重要作用，复位电路如图3-5所示。图3-5复位电路图最小系统的直流输出输入电源控制电路由loldo通过低压差分和线性电源稳压器将5v的直流输出输入电源转换成2.3v，为最小系统的输出主控制器和芯片系统提供输出电源，其进入输出的能源电路整体结构如软件图3-6所示。图3-6电源电路图单片机从初始的状态出发开始正常工作，首先是上电启动,起动后再进行初始化。选用STM32F103C8T6型号的单片机，引脚2连接一个声光报警控制电路，引脚4、5、7分别是连接一个时钟控制电路和一个复位控制电路，引脚8、9、13连接一个继电器的控制电路，引脚10、11、12、13是连接一个按键，引脚20、21、25、26、27、28是连接一个液晶显示电路，引脚16、17与光敏检测模块的电路相连，引脚18与温湿度检测模块的电路相连，引脚30、31、32连接限位行程开关电路，引脚35、36、37控制WIFI模块电路。通过单片机对各模块发送指令，实现按键控制、液晶显示相关信息、声光报警、控制步进电机转动、检测空气湿度、检测光照强度和无线收发等功能[10]。最小系统电路图如下图所示：图3-7最小系统电路2.3按键模块电路设计通过按键我们就可以将电机的工作模式分别定义为手动模式或者自动模式，并且步进电机也可以直接通过按键来控制步进电机的正传、逆向旋转和停止，在自动模式下则可以通过复位电路进行循环检测。2.2.1按键功能介绍独立按键是单片机外部连接设备中经常使用的键盘组，最显著的优点就是在满足模块功能的情况下，尽可能的节省开发板空间和减少代码量，并且识别和读取也相较于矩阵按键简单一些。按键实物如下图3-8所示：图3-8按键实物图2.2.2按键模块电路设计轻触按钮SW2是在手动模式下直接控制步进电机的正传，SW3是在手动模式下直接控制步进电机的逆传，SW4是在手动模式下直接控制步进电机的停止转动，SW5是在直接控制自动模式和手动模式之间的切换。该按键的控制电路结构如图3-9所示。图3-9按键控制电路图2.4继电器模块设计2.4.1继电器和步进电机介绍继电器是一种由电控制组成的元件，它的作用主要是当输入量(包括激励量)已经发生了改变并且输出量到达一定预定值时，输出电路中的所有被控量就会随之发生一个预定值的改变。其本质是一种利用小的电流来控制大电流而设计成的一种自动开关，所以说它们在电路上起到了安全防护、转换电路和自动调整等作用[11]。继电器作为控制元件，其具有如下几种作用：

(1)扩大控制范围;(2)放大;(3)综合信号;

(4)自动、遥控、监测。继电器实物如下图3-10所示。图3-10继电器实物图步进电机指的是一种把数字脉冲信号直接地转化成电机的角动量的一种执行器件，具体而言，就是发送端输出一个脉冲信号传递给步进电机,它就会按照步进电机自身设定的方向旋转一个固定角度。要想准确地控制驱动电机的各个角位移向量,就必须要通过控制给其传入的脉冲个数;如果想要控制电机的转速，就需要控制传入脉冲信号的频率，从而达到调节速度的作用。步进电机的实物图如图3-11所示。图3-11步进电机实物图2.4.2继电器控制电路设计JQC-3FF-S-Z继电器两侧，一侧是控制，低电压，低电流，另一侧是接入电路中的，是高电压，高电流。这两侧之间的电路是隔离的，也就是高电压一侧的电压和电流是不会进入低压的一侧，低压的一侧也不会进入高电压的[12]，两侧完全隔离，其电路图如下图3-12所示：图3-12继电器电路图2.5限位行程开关模块限位行程开关的主要目的是防止步进电机过卷，发生意外，所以其主要控制限定晾衣杆伸出距离。2.5.1限位行程开关介绍限位行程开关的功能就是一种用来限制机械装置的运转极限位置的电气开关。限位行程开关主要有两种：分别是接触式的和非接触式。接触式的限位行程开关比较直观；非接触式限位行程开关的类型和形式很多,常见的类型有干簧管、光电式、传感器式等等,本设计中实用的限位行程开关是光电式。限位行程开关的实物如下图3-13所示。图3-13继电器实物图2.5.2限位行程开关电路设计限位行程开关的红外发射二极管不断发射红外射线，当反射强度大的时候（遮挡物在其感应范围内）光敏三极管饱和，此时限位行程开关的输出端会变成高电平，指示灯点亮；当反射强度不够大的时候（遮挡物不在其感应范围内）光敏三极管处于关断状态[13]，此时限位行程开关的输出端会变成低电平，指示灯熄灭。限位行程开关电路图如图3-14所示。图3-14限位行程开关电路图2.6液晶显示模块电路设计LCD1602显示当前空气温度，显示当前空气湿度，显示当前光照强度。2.6.1LCD1602液晶介绍LCD1602液晶显示屏采用的是一种带有16x02即32个字符的工业式液晶显示屏。LCD1602液晶显示器的工作原理主要是通过液晶本身所需要具有的各种物理特征(有电就有显示)，所以用户可通过各种电压来控制自己需要显示的地方。它虽然可以有效地显示出大量的数字和文本，但由于其中的点阵和字符之间存在着一定的间隙存在，所以图形的显示效果并不是很理想。液晶显示的工作参数：芯片工作电压：4.5—5.5V工作电流：1.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：5.0VLCD1602实物如图3-15所示：图3-15LCD1602实物图2.6.2液晶显示电路设计LCD1602液晶显示引脚作用分别为：接地：引脚1；接电源正极：引脚2和引脚15，液晶显示器的背光电源，直接与电源连接的是引脚13和引脚14；接滑动变阻器R4：引脚3在此连接滑动变阻器的工作原理是通过手动改变工作电压来控制和调节液晶的对比度，使其显示的更加清晰；接中央控制芯：引脚4、5、6、10、12、13，其作用为控制液晶显示器的内容；接系统GND：引脚16，其作用标明选择的是串行接线方式。通过对STM32进行编程，使液晶屏显示当前空气的湿度、温度和当前的光照强度。显示模块使用串行电路，其电路如图3-16所示。图3-16液晶显示电路图2.7声光报警模块设计2.7.1蜂鸣器和LED介绍蜂鸣器是一种高频电子信号讯响器,其经过通电设定后能够产生发出类似高频蜂鸣声的一种电子器件,在各种预警产品中应用广泛，蜂鸣器实物如图3-17所示。图3-17蜂鸣器实物图LED灯在日常生活中很常见,其主要的工作和原理非常简单,就是将所有的电能直接转化成放射性的光能，其使用简单且造价低廉，在市场中应用广泛，本设计中采用红色LED作为报警指示灯[14]。2.7.2声光报警模块电路设计声光报警模块的功能是，当步进电机的转动值超过限位行程开关的预设值时，声光报警模块启动进行报警。报警时，蜂鸣器发声，LED灯亮。声光报警电路由蜂鸣器、红色LED灯、电阻、三极管组成，模块电路图如图3-18所示。图3-18声光报警电路图2.8湿度检测模块电路设计2.8.1DHT11介绍DHT11温湿度传感器是一种复合型温湿度传感器，其产品的可靠性和稳定性使其在市场上大受欢迎。它主要的两个模块分别为一个基于ntc的三位测温感湿元件和一个四位电阻式的测温感湿控制元件，并且它们是紧密地连接在一8位的主控单片机上。其优点也极为明显：响应块、体积小、功耗低、抗震、抗干扰能力强、连接方便、性价比高等等。DHT11实物如下图3-19所示图3-19DHT11实物图2.8.2DHT11电路设计DHT11上电之后，测试当前环境温湿度，此时属于输入状态，然后STM32单片机进行掩饰处理，之后DHT11发送