【基于STC89C52单片机的智能晾衣架设计7400字（论文）】

基于STC89C52单片机的智能晾衣架设计目录TOC\o"1-3"\h\u15254摘要 27053引言 2311871.系统设计背景 2279541.1课题研究背景与意义  236991.2系统的发展与现状 317332.系统总体设计  3243152.1系统总体框架     3211252.2总体程序设计流程 411083.硬件部分设计 517433.1最小单片机系统 5164083.2光强采集模块 6309133.3温湿度传感模块 6279513.4驱动模块 743133.5显示模块 8200793.6红外线模块 9229454.软件部分设计 10294674.1系统主程序设计 1083644.2液晶显示流程图 11267384.3LN298控制电机流程图 1293154.4温湿度传感器流程图 13268045.系统调试及结果分析 14239395.1系统软硬件调试 14315545.2实验结果分析 17105486.总结 18摘要：为了解决传统晾衣架的缺点，以STC89C52单片机为基础，通过加入光强采集模块，液晶显示模块，温湿度传感模块与驱动模块，利用了LN298电路驱动步进电机，LM393光敏电阻，LCD1602液晶显示和DHT11温湿度传感器最终设计出智能晾衣架系统，经过对程序的实验调试成功制作出智能晾衣架。该晾衣架解决了传统晾衣架所需空间大，需要大量人力的缺点。充分利用室外空间，能够根据天气与日夜自动收放晾衣架。关键词：晾衣架；单片机；温湿度传感器引言现如今在时代的不断发展和生活水平的迅速提高之下，普通的家庭居住生活方式早已不能满足人们的需求，人们的家庭生活方式已经与传统大相径庭，在全自动与智能控制方面越来越强。而晾衣架作为每家每户的必需品，却在相当长一段时间没有得到较大的创新，发展与进步。在当今新型家庭应用产品的大型更新换代下，本论文研究设计开发出一种与市面上传统晾衣架概念不同新的新产品，选取STC89C52单片机作为产品的核心元件，利用光敏电阻，湿度传感器等设计出智能晾衣架来解决目前市面普通晾衣架的一些缺点。本款晾衣架是通过采用温湿度传感器来达到晾衣架在晴天与雨天自动收放的目的，通过光敏电阻实现晾衣架在白天与夜晚的自动收放，将晾衣架极大地智能化自动化。经过一系列实验和调试，智能晾衣架系统被成功设计出来。1.系统设计背景1.1课题研究背景与意义 传统手摇晾衣架拥有很多缺点，如占地面积较大，需要手动升降，遇到下雨天不能及时收回衣服。因此本人基于STC89C52单片机设计开发出了一种新型智能晾衣架，基本实现自动化，打开开关衣架可自动伸出进行晾晒。具有较小的占地面积，本晾衣架根据湿度自动识别晴天雨天，因此下雨时可以自动收回，防止衣物被雨淋湿。同时其功能还包含在夜幕降临时机器控制收回衣物，朝阳初升时将衣架推出。拥有多种传统晾衣架不具备的工作模式与性能。1.2系统的发展与现状晾衣架作为一种很普遍的家具，我国很多家庭都拥有，晾衣架在我国拥有很久远的历史，现代的晾衣架仍是手动居多，但因其占地面积和人力耗费，国内外都在致力于新型晾衣架的研究，随着人工智能的不断发展与进步，晾衣架也在朝着智能化和自动化发展，而当前市面上的晾衣架还是以手动和半自动为主，已经很难满足人们的需求。而新型智能晾衣架拥有更优秀的功能，如占地面积小，能够自动根据天气和光照而进行自我收放，不仅在家庭中更加实用，大大减少用户负担，更是在旅馆，医院等需要大量晾晒物品的场所得到更好的应用，具有极大的发展前景。2.系统总体设计 本系统选择了比STC89C51性能更加优秀的STC89C52单片机来担任此产品核心中枢、控制整个系统运转，以此来达到数据采集的目的、并对其分析后再进行处理、在最后以此来控制可供执行的部件；通过光敏电阻来实现对环境光强值的检测，每时每刻外界的温湿度值则通过温度传感器来达到检测的目的；而用来描述系统当前状态的参数显示我选用了1602型号液晶屏；使用298驱动电机来为电机转动提供停转信号；还添加了红外控制系统通过红外遥控器来远程遥控晾衣架的开启和关闭。系统总体选择了采用STC89C52单片机用于收集光照、湿度这两个外部天气信号，也是以单片机为核心影响衣架运动状态，再使用步进电机带动衣架运行达到收放功能，当室外处于天气晴朗，没有下雨的状态时，系统将会自动把晾衣架转出，对衣物进行晾晒；当室外开始下雨或者光线较暗时，晾衣架将会自动转回室内，此举可以防止衣物被雨水打湿，也能在天黑后自动将义务收回。2.1系统总体框架    系统总体框架包含了按键设置、红外遥控控制、DHT11温湿度采集、光强检测、单片机处理单元、LCD160显示、LN298控制、步进电机几个部分构成，具体机构框条支架以下图1所示，通过光敏电阻来反映外界遭受到的光照状态。外界光照增强则光敏电阻的电阻减小。.通过DHT11温湿度采集装置来感受外界湿度情况，而且可以通过按键来提前设置一个需要的湿度数值，为了确定衣架的实时方位而使用传感器来感测位置，在此基础上通过单片机来控制步进电机的运行与转动，来实现对晾衣架的操作与控制使其能够伸出去到室外或者收回来至室内。图1系统总体框架2.2总体程序设计流程(1)首先我们设立一个STC89C52的单片机总控制系统，让单片机来操作并且控制整体的系统部分，它的作用为收取数据并对其进行加工与解算，以及控制可供执行的元件的动作；(2)检测功能:通过温湿度处理器实时检测是否下雨；通过光敏电阻确保每时每刻所处位置光强值的大小；(3)显示功能:系统每时每刻的状态和运行过程中的不同情况在1602型号的液晶屏上体现出来；(4)执行部件:通过298驱动电机产生停转信号控制电机转动；(5)程序编写:选取的是KEILC软件来对程序进行编撰，系统具体程序的设计与记录用C语言实现，写出来的程序要有收取数据之功能，并且自动研究后在液晶屏上输出体现。3.硬件部分设计3.1最小单片机系统STC89c52RCSTC89c52RC图2STC89C52引脚图单片机又被称为单片微控制器，与我们平常认知不同，单片机的原理不是在一个微小的集成电路上设计单独的程序，而是相当于把一个极其小的电脑系统安置在一个极小的集成电路上。在本次设计中选择使用了STC89C52单片机来自于STC公司研发使用的一种高运作功效、低能量损失且能够抵御外界各种影响的CMOS8影响器，采取之前大部分设计选取的MCS-51其中的关键部分，但对其各个细节都进行了更新换代，新添加了众多老版本51单片机没有的性能和用途，属于8051单片机的界限突破型号，当以时钟为单位时，此单片机能够在每个周期任意采用6单位或者12单位，其包含和使用的指令代码可以完全适应并在过去的8051中运行。主要特性如下在任意的操作模式与功能以及内部运转核心可完全适应51单片机、4K长度可刻写FLASH暂时放置数据的地方、完整无声运转，内部RAM选择了123*8位的模式、18的二倍线可定序I/O条、两个2×8长度的确保时间装置/统筹数据装置、六处间隔源、可定序串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路单片机[1,2]。STC89C52RC单片机之运转方法有以下三种：掉电状态、空闲状态和普通运行状态。其中掉电状态可以从外部来进行中断唤醒，广泛适用于电表、气表、水表诸如此类需要盛有电解质溶液和金属电极装置供电的系统和一些可以轻松装带的装置中。3.2光强采集模块本次设计中的光强采集模块主要是通过光敏电阻来实现的。光导管的运行本质被称为内光电效应，即此种材料一旦接触到某种固定的波时，会发出载流子进而形成通电的效果，在被系统外部的电场影响后随即载流子开始进行流动，电子朝通电处正方向快速移动，空穴朝通电处负方向快速移动以至于光导管的对电流运动的妨碍能力相当快地减少。而论文中采用的光导管是负参数的光敏电阻，也就是随着光照的增强电阻值不断减小。当光照水平高低发生变动的时候，光导管的材料属改变，阻值随即出现改动，通过把光敏电阻对电流的妨碍能力转化为电势信息的方法，再通过电压比较器比较最终得到电平信号，因此我选用了LM393比较器来最终判断室外实时环境湿度和光线强弱。LM393有独特的两种运转模式，一种是单电源另一种是双电源，其用电量很小，使用的电流也很微少，其传发信息的方式与TTL、DTL、MOS、CMOS等都是兼容的，LM393的信息发送是通过开路集电极联系的。LM393电压比较电路图如下图3所示：图3LM393电压比较器3.3温湿度传感模块启动温湿度传感器则模块开始运行，其核心是DHT11启动工作进开始把监测出的温湿度进行收取和处置。DHT11温湿度传感器具备各种优势，占用空间和面积很小，无需额外部件，可靠性与稳定性都非常高，抗干扰能力也很强，响应快且性价比极高，在很多需要测量温湿度的状况中都能很好的发挥作用。DHT11温湿度传感器是一种能够非常精确地收取数值的装置。它的湿度采集范围是从20%RH到90%RH。DHT11温湿度传感器的通信协议采用的是单总线双线串行，其采集的过程为由STC89C52单片机发出开始的信号，然后以I/O引脚的方式发给DHT11传感器，接着DHT11反向单片机发送响应[3]，最后把采集到的数据依照40位数据帧格式来进行输出结果，最高位放在前面，然后温湿度以0来作为小数部分的数值，简单来说就是通过单片机最终采取收到的数据以整数的形式来体现，把校验位是四个长度的信息相加把所得结果的低八位信息取出即为结果之和，最后传给单片机，通过单片机来将检测得到的数据进行解构分析，最后具体算出温度和湿度的数量值大小，然后在电子屏幕上将其表达出来。图4是温湿度传感器实物图。图4温湿度传感器实物图3.4驱动模块驱动模块主要使用步进电机来完成和实现。步进电机属于开环控制元件的一种，其原理是将电脉冲消息变形成角度信息或线性信息。当步进电机的运转没有超过额定负荷值时，脉冲信号通过频率以及脉冲数确保步进电机旋转时的速度和结束时电机所处的位置，这时电机的参数与状况不会因为负载变化而随之产生影响，总而言之每当多加一个脉冲信号传输给电机时，电机将会随之转动一个角度我们称之为一个步距角[5]。结合各种需求并分析，最终选择的步进电机是四相八拍，工作时的电压是DC5V--DC12V，是把短暂起伏的电冲击信息变形成角度变化的信息。四相八拍也叫半步，它的运行流程是：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A再次从头循环。传统仪器的运转会累积误差但步进电机转动起来产生的误差值与其不同。虽然步进电机每进行一定的角度的转动都会产生理论上的误差，但由于每转动一圈的累计误差是0，因此即使这些误差也会存留但每一圈后都会被重置，这使得步距的累计差值将会无法一直相加下去。下图5即为步进电机的实物图。图5步进电机实物图3.5显示模块对于本次设计而言，对显示模块的要求有：能够显示晾衣架的开关状态、能够显示实时的温度值和湿度值，能够显示晾衣架处于自动模式还是手动模式，总体来说需要显示的内容较为简单且内容量少，因此选用的显示器只需要显示少量信息的小屏幕显示器即能满足设计要求，在这些条件之下最终选择型号为LCD1602的液晶显示器。LCD1602液晶显示器的作用是表现出两条信息，而且它的任意一条都可以表示出16长度的数据，恰恰可以达到本设计目标中的要求。除此之外，LCD1602的优势还有它不大的体型，而且它工作使用很少的电量，屏幕上的字体也很清晰明了，对本设计来说是个合格的显示器，能够完成显示模块的构建任务。LCD1602的运行和工作需要3.5V到5V的电压，而且它的里面安装了一种使电路恢复到起始状态的设备，既有光标移动、也有清屏的功能。屏幕的明暗水平能够通过按键来调节。LCD1602液晶显示器里面安装了放置信息的储存设备。这些功能使得它可以直接和单片机互相联系，最后让单片机操作影响屏幕表现出来的数据信息。LCD1602液晶显示器具备16个引脚，中央处理器根据不同情况输入RS、RW的值来影响屏幕显示的数据，LCD的运转模式如下：当操作命令为指令寄存器的写入时，需要RS和RW都为0；当操作命令为读busy(DB7)，以及读取位址计数器（DB0—DB6）的值时，需要RS为0且RW为1[4,5]；当操作命令为显示各字符的写入数据寄存器时，需要RS为1且RW为0；当操作命令为从液晶显示器内部的数据寄存器中选取需要的数据时，需要RS和RW都为1。在运转中枢传来信息前LCD1602要开始模块标志位的忙信号后才使用中枢传来的信息，可以执行指令的前提要求时液晶显示器处于低电平状态。图6是LCD1602的实物图。图6LCD1602的实物3.6红外线模块在此次设计中添加了红外线模块，以达到使用红外遥控器来控制晾衣架的目的。设计原理是按下对应按键，红外遥控器将发出对应波长的红外线，当系统的红外探头感受到设定波长的红外线时就会自动发出指令给单片机，在经过单片机的处理移动其他模块实现对晾衣架的控制。光分为微波、红外线、红颜色的色光、橙颜色的色光、黄颜色的色光、绿颜色的色光、青颜色的色光、蓝颜色的色光、紫颜色的色光、紫外线、X光、伽马射线。其中紫颜色的光、蓝颜色的色光、青颜色的色光、绿颜色的色光、黄颜色的色光、橙颜色的色光、红颜色的色光这些能够被人眼看到，故称为可见光。波长越短，频率越高；波长越长，频率越低[6]。而我们通常使用红外线来进行遥控的原因是目前由红外发光管构成的红外发射器件和红外接收器件亮起来时产生的波长和达到受光峰值是的波长差距不大，它们这两种情况之间的光谱放在近红外的这段光波段内恰恰能够叠加对应在一起，二者的匹配度十分优秀，因此使用红外线来实现遥控传送速度十分快而且很不容易被外界条件影响。在此次设计中红外遥控系统分为两大部分：一部分是用来发出红外线，另一部分作用是负责返回信号的感应。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管，红外接收电路由红外接收二极管、双极性晶体管或硅光电池组成，它们的作用是将由红外发射器发射出的红外光转换为对应的电信号，再由后置放大器接受，来为电路进行解码的后续操作进行提供[7]。图7即为IR1838红外探头实物图。图7IR1838探头4.软件部分设计4.1系统主程序设计通电状态下首先让系统初始化即LN298驱动步进电机初始化，然后通过光敏电阻和LM393比较器来判断光照强度和实时湿度，再将外设初始化即红外初始化[8]，之后LCD1602屏幕上将会显示出当前的温度和湿度信息，此时我们有红外线遥控模式和手动模式两种方式来打开晾衣架开关，当我们点击启动按键，红外线模块开始工作，遥控器发射的红外信号被晾衣架的红外探头接收，晾衣架开启；当使用手动模式时则通过按键模块，点击开启按钮启动晾衣架。之后我们既可以让晾衣架进入自动模式，此时LM393比较器判断光照强度和环境湿度，将信号发送给单片机，处理后LN298驱动步进电机控制晾衣架伸出或收回，也可以通过手动模式让晾衣架进入固定的打开或关闭模式。而在停电状态下，我们也能够通过手动模式开启或关闭晾衣架。该系统主程序流程图如图8所示。图8系统主程序流程图4.2液晶显示流程图在对晾衣架的操作过程中，我们通过使用红外模块和按键控制并观察LCD1602液晶显示器来与单片机进行交互。人机交互的设计是智能晾衣架的重中之重，为了达到人性化和便捷操作的目的，我们不仅需要设计出环环相扣的硬件部分，还需要通过软件来进行灵活控制，每次开机都需要使液晶显示屏初始化，初始化后进入初始化设置，之后液晶显示屏正常显示系统的各项参数，此时用户可以自行设定参数，设定参数后系统能够重新显示出新设定的参数。初始化显示内容为ucharcodeInit1[]="mode"；lcd延迟voidLCDdelay(uintz)；写入命令voidwrite_com(ucharcom)；写数据voidwrite_data(uchardate)；​for(i=0；i<14；i++){write_data(Init1[i])；}液晶流程图9如下：图9液晶流程图4.3LN298控制电机流程图晾衣架的推出和收回是设计中的重要环节，我们控制步进电机使其正反转达到此目的。通电后打开开关系统开始工作，此时我们需要判断电机应该如何进行转动，如果需要正传就依次给AB、BC、CD、DA四处通电使步进电机正转，正转结束后电机准备开始反转，当光亮水平降低到设置的数量一下或湿度大于设置的数量时再即依次给AB、AD、CD、CB充电，然后步进电机进行反转，结束后进入下一个循环。电机驱动的流程图如图10所示。图10电机驱动的程序流程图4.4温湿度传感器流程图温湿度采集程序包括：首先对DHT11温湿度传感器进行初始化，应答脉冲，扫描指令的发出，转换命令的发出，让温湿度变换完成，再次发出应答脉冲，读操作，计算最终数值等若干步骤[9,10]。当DHT11温湿度传感器开始工作之后，首先其自动进行初始化，之后等待应答脉冲来发出扫描的信息，接着传送转换信息，很久之后温湿度变化完成，再次收到回复消息之后开始发出读操作，在合并与计算之后最终得出当前温湿度大小。结束一切工作后DHT11温湿度传感器重新进行初始化，等待应答脉冲进行下一轮的运行。其程序及流程图11如下：图11温湿度采集流程图5.系统调试及结果分析5.1系统软硬件调试本次需要对两种状态进行调试：手动状态和自动状态。连接电源之后，显示如图12，此模式为自动，“close”表示晾衣架是关闭状态，22C和66%RH是实时环境的温湿度。图12晾衣架开启状态增强光照后，如图13显示，晾衣架开启，“open”表示晾衣架是开启状态，22C和66%RH是实时环境的温湿度。图13有光照时晾衣架状态在自动模式下，我们通过第二个按键可以任意制定所需湿度的大小，通过第三个和第四个按键来对湿度进行增减。如图14显示，我们设置的湿度阈值为80%RH。如果检测到外部环境湿度大于该阈值则晾衣架自动收回，反之，伸出。图14设置湿度阈值状态点击第一个按钮可以切换模式，如图15显示，此刻为手动模式，在手动模式下，点击第三个按键是打开晾衣架，点击第四个按键是关闭晾衣架。图15手动模式当停电时，我们也可以手动去开启或关闭晾衣架。如图16所示。图