基于單片機(jī)的溫濕度感應(yīng)智能晾衣桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛明軒，朱 皋，楊守良

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，各種自動(dòng)化電子電器設(shè)備在我們生活中變得隨處可見(jiàn)，如路燈自控裝置、塑料大棚自控裝備、防盜系統(tǒng)自控，等等.一直以來(lái)，人們都習(xí)慣于把洗好的衣服放到太陽(yáng)下面曬干，可是當(dāng)我們?cè)陉?yáng)光明媚時(shí)候把衣服晾出去，恰好我們又要出門(mén).如果突然下起雨來(lái)，那本來(lái)要干的衣服又被淋濕了，讓人十分煩惱，而如今的空氣污染日益嚴(yán)重，雨滴中含有大量灰塵等物質(zhì).隨著電子智能的進(jìn)步，我們希望有一個(gè)“活”的晾衣桿，在我們不在家而天氣突然轉(zhuǎn)陰或下雨時(shí)，它能幫我們把衣服收起來(lái).本設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)的濕度感應(yīng)自動(dòng)收縮晾衣桿以期為人們解除苦惱.

1 基于單片機(jī)的濕度智能晾衣桿組成

該儀器主要由濕度測(cè)量、信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸送系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)3個(gè)部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.首先，濕度測(cè)量部分的工作是由濕度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)到的空氣濕度情況提供給下一部分設(shè)備;然后，信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸送系統(tǒng)是由AT89S52單片機(jī)來(lái)完成的，單片機(jī)接受到傳感器的濕度信號(hào)后將其處理轉(zhuǎn)化為所需的穩(wěn)定的電信號(hào);最后，經(jīng)過(guò)分析處理后的電信號(hào)傳輸給單相異步電動(dòng)機(jī)組成的伸縮系統(tǒng)后，該系統(tǒng)根據(jù)大氣的濕度來(lái)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪向室內(nèi)移動(dòng)或者向室外移動(dòng)完成其伸縮功能.具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

這個(gè)系統(tǒng)是基于AT89S52單片機(jī)控制的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，具有價(jià)格低、比較實(shí)用、方便節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)愛(ài)養(yǎng)花護(hù)花者來(lái)說(shuō)具有實(shí)實(shí)在在的使用價(jià)值，也對(duì)家庭自動(dòng)化的發(fā)展起到一定的作用.

圖1 濕度智能晾衣桿整體圖

2 系統(tǒng)工作原理

本濕度智能晾衣桿是以AT89S52單片機(jī):8位AD+PWM輸出為主控制器件.首先傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，再進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換，傳給單片機(jī)處理.選用的HC02電容型濕度傳感器將檢測(cè)到濕度情況并將其轉(zhuǎn)化為具體的濕度參數(shù)，將轉(zhuǎn)化后的濕度信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送給射頻通信電路;然后，射頻通信電路將接收到的數(shù)據(jù)輸送給單相異步電動(dòng)機(jī)所組成的伸縮系統(tǒng)，伸縮系統(tǒng)再控制伸縮晾衣桿的伸縮即可［1］.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度傳感器電路

3.1.1 DHT11數(shù)字傳感器性能與應(yīng)用電路

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器.它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接.因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn).每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn).校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù).單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上，使其成為各類(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇.產(chǎn)品為4針單排引腳封裝.連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供［2-4］.接口說(shuō)明如圖2所示.

圖2 DHT11典型應(yīng)用電路

3.1.2 DHT11數(shù)字傳感器電源引腳以及串行接口

電源引腳:DHT11的供電電壓為3～5.5 V.傳感器上電后，要等待1 s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令.電源引腳(VDD，GND)之間可增加一個(gè)100 nF的電容，用以去耦濾波.

串行接口:DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說(shuō)明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零.操作流程為一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出.數(shù)據(jù)格式:8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位［5］.

用戶MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下，DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式，過(guò)程如圖3所示.

圖3 通訊過(guò)程(1)

總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18 ms，保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào).DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80μs低電平響應(yīng)信號(hào).主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待 20～40μs后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高，過(guò)程如圖4所示.

圖4 通訊過(guò)程(2)

總線為低電平，說(shuō)明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高80μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50μs低電平時(shí)隙開(kāi)始，高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是0還是1.格式如圖5所示.如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則DHT11沒(méi)有響應(yīng)，請(qǐng)檢查線路是否連接正常.當(dāng)最后一個(gè)bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11線50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài).

圖5 數(shù)字0信號(hào)表示方法

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

復(fù)位電路和時(shí)鐘電路都是單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本部分.復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式.本系統(tǒng)選用按鍵手動(dòng)復(fù)位，這種方式方便、簡(jiǎn)單、容易操作.它是通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的.

單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作.因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)的穩(wěn)定性.時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種［6-7］.本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，具體電路如圖6所示.

圖6 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

3.3 液晶顯示

液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件.因此，在這里采用的是液晶1602B字母顯示屏型，它可以顯示2行每行16個(gè)英文字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7和RS，R/W，EN等3個(gè)控制端口，工作電壓為5 V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光.該模塊也可以只用D4-D7作為4位數(shù)據(jù)分兩次傳送.這樣的話可以節(jié)省MCU的I/O口資源.下面就對(duì)此型號(hào)的顯示器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹.

1602B引腳說(shuō)明如表1所示.

表1 1602B引腳說(shuō)明

3.4 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu).當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(及步進(jìn)角).可以通過(guò)控制脈沖個(gè)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的［8］.

步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型4相8拍電機(jī)，電壓為DC5～12 V.當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng).每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度(一個(gè)步距角).

驅(qū)動(dòng)模塊電路，由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大需要通過(guò)ULN2003放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，具體電路如圖7所示.

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和仿真圖

4.1 程序流程圖

程序流程如圖8所示.

4.2 程序設(shè)計(jì)

C語(yǔ)言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言.它既有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn).它可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)工作系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序.C語(yǔ)言對(duì)操作系統(tǒng)和系統(tǒng)使用程序以及需要對(duì)硬件進(jìn)行操作的場(chǎng)合，用C語(yǔ)言明顯優(yōu)于其它解釋型高級(jí)語(yǔ)言.C語(yǔ)言具有繪圖能力強(qiáng)，可移植性，并具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫(xiě)系統(tǒng)軟件，而且它是數(shù)值計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言.所以本次設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程［9］.

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真圖如圖9所示.

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用AT89S52作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種智能的溫濕度自動(dòng)晾衣桿.信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸送系統(tǒng)是由單片機(jī)來(lái)完成的，單片機(jī)接受到DHT11溫濕度傳感器的溫濕度信號(hào)后將其處理轉(zhuǎn)化為所需的穩(wěn)定電信號(hào).經(jīng)過(guò)分析處理后的電信號(hào)傳輸給單相異步電動(dòng)機(jī)組成的伸縮系統(tǒng).該系統(tǒng)根據(jù)大氣的濕度來(lái)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)輪向室內(nèi)移動(dòng)或者向室外移動(dòng)完成其伸縮功能，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制.

圖8 程序設(shè)計(jì)流程

圖9 Proteus仿真圖

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