基于STC89C52 單片機(jī)的智能晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林關(guān)成

（渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院 渭南 714099）

關(guān)鍵字 晾衣架；STC89C52單片機(jī)；光敏電阻；雨滴傳感器；智能控制

1 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)智能家居的需求越來越高［1］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)晾衣架的普及率約40%，其市場銷售規(guī)模約50 億元，預(yù)計(jì)未來將達(dá)到300億元［2～3］。然而，大多數(shù)家庭所使用的晾衣架還是較為原始的傳統(tǒng)晾衣架。傳統(tǒng)的晾衣架需要手動(dòng)控制，不能根據(jù)外界環(huán)境濕度和光線等天氣情況自動(dòng)控制，需要耗費(fèi)人力去收晾衣服，造成人們在日常生活中諸多不便，無法滿足現(xiàn)代人們的生活需求［4～5］。目前，晾衣架產(chǎn)業(yè)逐漸完善，質(zhì)量和機(jī)械結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，行業(yè)設(shè)計(jì)主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇方面。雖然國內(nèi)外廠商現(xiàn)在有眾多晾衣架設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐與應(yīng)用，但大多數(shù)晾衣架的功能不夠完善，其技術(shù)也不夠成熟，所實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品主要處于半自動(dòng)化狀態(tài)［6～7］，僅僅通過按鍵電路等方式調(diào)節(jié)晾衣架的收回和打開等操作，達(dá)到簡單的高度升降功能，并不能根據(jù)環(huán)境濕度和光照情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，合理保護(hù)衣物，沒有實(shí)現(xiàn)完全的智能化［8～10］。因此，現(xiàn)有的傳統(tǒng)晾衣架智能化程度不夠，需要進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)，提高其智能化水平。

針對(duì)傳統(tǒng)晾衣架存在的弊端，本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)STC89C52 為主控制器，利用濕度傳感器和雨滴檢測模塊收集外界環(huán)境的濕度信號(hào)，借助光敏電阻檢測光照強(qiáng)度信號(hào)，通過傳感器監(jiān)測電路將采集的多路模擬信號(hào)輸入至主控芯片進(jìn)行運(yùn)算和綜合處理。模擬信號(hào)經(jīng)過主控制器內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)運(yùn)行所設(shè)計(jì)的控制程序，將處理后的數(shù)字信號(hào)輸出至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而控制衣架的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的智能控制，提高其智能化程度，滿足人們對(duì)智能家居的需求。

2 智能晾衣架控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

智能晾衣架控制系統(tǒng)要求根據(jù)外界環(huán)境濕度或雨量大小，若濕度或雨量超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，收回晾衣架，反之則打開；根據(jù)環(huán)境光線的明暗情況，當(dāng)環(huán)境光線的光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)收回晾衣架，反之則打開；同時(shí)，為了控制晾衣架收回和開啟的升降幅度，需要設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。根據(jù)功能需求分析，系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，選用光敏電阻，采用濕度傳感電路和雨滴檢測模塊實(shí)時(shí)檢測環(huán)境中的濕度光照條件，控制芯片通過讀取傳感器檢測的外界數(shù)據(jù)信息，綜合比對(duì)處理，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使晾衣架打開或收回到預(yù)設(shè)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)晾衣架的智能控制。同時(shí)，考慮操作簡便和設(shè)計(jì)合理，采用遙控方式，通過按鍵切換手動(dòng)模式或自動(dòng)模式，輸入信息通過無線收發(fā)模塊傳送到單片機(jī)芯片。

為了便于功能擴(kuò)展，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)為單片機(jī)模塊、信息顯示模塊、雨滴檢測模塊、濕度檢測模塊、光照檢測模塊、遙控電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源供電模塊等八個(gè)獨(dú)立的模塊。單片機(jī)模塊根據(jù)遙控指令處理傳感器監(jiān)測信號(hào)，輸出運(yùn)算結(jié)果控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成晾衣架的打開或收回，同時(shí)驅(qū)動(dòng)信息顯示模塊；信息顯示模塊將當(dāng)前空氣濕度情況及雨量信息以及光照強(qiáng)度等狀態(tài)對(duì)外顯示；雨滴檢測、濕度檢測和光照檢測等傳感器模塊用于采集外界環(huán)境的雨量、濕度及光照強(qiáng)度等信息，并傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理；遙控電路模塊用于設(shè)置切換晾衣架處于自動(dòng)模式或手動(dòng)模式；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)單片機(jī)的指令控制步進(jìn)電機(jī)等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的打開或收回；電源供電模塊主要為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。控制系統(tǒng)的框圖如圖1 所示。

圖1 智能晾衣架控制系統(tǒng)框圖

3 智能晾衣架控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)STC89C52 為主控芯片，利用傳感器監(jiān)測電路采集外界環(huán)境的溫濕度和光照強(qiáng)度等信息，并通過LCD 液晶屏顯示；采用紅外遙控電路控制切換手動(dòng)和智能工作模式，并運(yùn)用LED數(shù)碼管指示工作模式狀態(tài)；通過單片機(jī)指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制晾衣架的打開或收回，安裝限位開關(guān)控制電機(jī)停止。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)電路、外界環(huán)境監(jiān)測的傳感器電路、遙控模式電路、電源供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和信息顯示電路六個(gè)部分組成。

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)電路

單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)電路主要包括晶振電路、電源電路和復(fù)位電路三個(gè)部分。設(shè)計(jì)所選用單片機(jī)的晶振電路可為控制系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，由外接晶振、片內(nèi)振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成。電源電路采用+5V 供電，其間跨接電容，過濾干擾信號(hào)，防止電壓波動(dòng)。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位，配合手動(dòng)按鍵，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)原或校準(zhǔn)。

3.2 傳感器監(jiān)測電路

1）雨滴檢測模塊

雨滴傳感器采用FR-04 材料，表面鍍鎳處理，使用+5V 電源供電［11］。在傳感器干燥情況下，輸出高電壓5V，感應(yīng)指示燈熄滅；當(dāng)傳感器檢測到雨滴時(shí)，輸出低電壓0V，感應(yīng)指示燈熄滅；然后刷干雨滴，系統(tǒng)恢復(fù)到?jīng)]有雨滴的輸出信號(hào)。同時(shí)輸出模擬量，其輸出的電壓和滴到感應(yīng)板的雨水量成正比例關(guān)系。

2）濕度檢測模塊

設(shè)計(jì)中濕度檢測使用具有濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊收集技術(shù)的DHT11 數(shù)字濕度檢測傳感器［12］，其內(nèi)部采用電阻式材料，利用電阻感應(yīng)濕度，可校準(zhǔn)輸出的信號(hào)量。輸出數(shù)據(jù)使用單總線串行模式，輸出內(nèi)容為5 個(gè)字節(jié)，包括濕度的整數(shù)和小數(shù)位。模塊外接3.3V～5V 電源，采用4 針單排封裝，通過開關(guān)數(shù)字量輸出接口和單片機(jī)IO 口相連，讀取數(shù)據(jù)信息，其信號(hào)傳輸距離達(dá)20m。

3）光照檢測模塊

設(shè)計(jì)中光照強(qiáng)度檢測使用的是光敏電阻。光敏電阻是由半導(dǎo)體材料制作而成的［13］，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，其阻值和光照強(qiáng)度成反比。通過使用光敏電阻，利用其光照特性和三極管以及電阻構(gòu)成附屬電路，在光敏電阻處于不同阻值時(shí)，三極管處于導(dǎo)通或截止的狀態(tài)，輸出高低不同電平，然后向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，實(shí)現(xiàn)晾衣架的打開和收回。

3.3 遙控模式電路

系統(tǒng)中使用SC2262 和SC2272 芯片分別作為遙控和接收電路［14］，遙控端供電使用12V 的電池，在按建按下后，才開始供電，可降低電池的使用時(shí)間，降低遙控端的功耗。在接收電路中，使用了9013 三極管，通過三極管特性把高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，輸入到單片機(jī)。數(shù)據(jù)的最大傳輸速率是9.6KBS，使用中控制在2.5KBS。

3.4 電源供電電路

選用集成穩(wěn)壓直流電源供電［15］，主要包含整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路和電源變壓器四個(gè)部分，其中整流電路采用整流二極管1N4007 構(gòu)成整流橋，穩(wěn)壓電路使用三端集成穩(wěn)壓器LM7805。其輸入電壓為7V～35V，輸出直流電壓為+5V，輸出電流最大達(dá)1A，電源內(nèi)部含有過載過流保護(hù)電路。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制電機(jī)選用兩個(gè)永磁式步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48，用來打開或收回晾衣架［16］。步進(jìn)電機(jī)為4 相5 線制，其驅(qū)動(dòng)電壓為+5V，步進(jìn)角5.625/64°，減速比1：64，啟動(dòng)頻率 ≥ 550PPS。同時(shí)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，使用繼電器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。對(duì)于繼電器驅(qū)動(dòng)電路，則使用9012 三極管來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)表示晾衣架打開，藍(lán)色LED 燈點(diǎn)亮；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)表示晾衣架收回，黃色LED 燈點(diǎn)亮；通過行程開關(guān)檢測是否達(dá)到位置，達(dá)到行程開關(guān)位置時(shí)，對(duì)應(yīng)LED指示燈閃爍然后熄滅。

3.6 信息顯示電路

信息顯示電路中外界環(huán)境參數(shù)信息采用帶字庫的LCD12864 液晶屏顯示，系統(tǒng)運(yùn)行模式狀態(tài)使用兩位式八段共陽極數(shù)碼管顯示，其公共端利用74HC573八位三態(tài)鎖存器通過獨(dú)立I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。數(shù)碼管的工作電壓2V，工作電流15mA。

4 智能晾衣架控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中晾衣架的控制方式設(shè)計(jì)為智能工作模式和手動(dòng)工作模式，利用紅外遙控進(jìn)行切換，根據(jù)紅外遙控模塊輸入的數(shù)據(jù)決定工作狀態(tài)。智能工作模式中，各傳感器檢測并采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值以及光照強(qiáng)度值，并在LCD 屏上顯示相應(yīng)的數(shù)值；同時(shí)通過紅外遙控器預(yù)先設(shè)定溫濕度和光照強(qiáng)度的比較閾值，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)判定當(dāng)前的天氣情況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)晾衣架的智能控制。手動(dòng)工作模式中，利用紅外遙控器直接控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的打開或收回。系統(tǒng)的具體工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電后，啟動(dòng)定時(shí)器，打開中斷，初始化LCD 液晶顯示屏。控制系統(tǒng)主程序定時(shí)讀取濕度傳感器、雨滴傳感器和光敏電阻檢測的數(shù)據(jù)并顯示。當(dāng)按下紅外無線遙控器的智能/手動(dòng)按鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行工作模式切換。若系統(tǒng)處于智能工作狀態(tài)，單片機(jī)將傳感器采集的溫濕度和光照強(qiáng)度與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)濕度傳感器超標(biāo)，或雨滴傳感器有水，或光照強(qiáng)度較低時(shí)，單片機(jī)通過指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，自動(dòng)收回晾衣架；否則自動(dòng)打開晾衣架，智能工作狀態(tài)流程如圖3 所示。若系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)，則利用紅外無線遙控器的打開或收回按鍵直接控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的打開或者收回。

圖3 智能工作狀態(tài)流程圖

5 智能晾衣架控制系統(tǒng)的功能測試及分析調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，按照功能模塊布局線路，放置各電路所用元器件并焊接，目測檢查系統(tǒng)多功能板各元器件引腳的焊接狀態(tài)，借助儀器分別測試傳感器部分、電源部分和顯示驅(qū)動(dòng)等電路的電氣性能和功能參數(shù)。經(jīng)多次校驗(yàn)無電氣錯(cuò)誤后，系統(tǒng)通電加載調(diào)試程序。系統(tǒng)智能控制程序通過keil μVision4 軟件平臺(tái)開發(fā)編譯，利用STC-ICP 軟件將程序下載至單片機(jī)芯片，加電后，觀察LCD 液晶屏顯示溫濕度值和光照強(qiáng)度值以及預(yù)先設(shè)置的比較閾值，初始化正常后即可開始系統(tǒng)調(diào)試分析。重點(diǎn)測試單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)濕度傳感器、雨滴傳感器和光敏電阻所輸入的溫濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的延時(shí)去抖能力、環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)刷新性能以及對(duì)步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制功能。

多次試驗(yàn)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)借助紅外遙控切換工作模式，單片機(jī)根據(jù)程序運(yùn)算，比較判斷設(shè)定閾值，利用指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了晾衣架的自動(dòng)打開或收回功能，同時(shí)顯示工作狀態(tài)信息和外界環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)整體智能化程度較高，實(shí)時(shí)性能較好，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

6 結(jié)語

本文提出了智能晾衣架控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)步驟和軟件程序設(shè)計(jì)流程。通過性能測試分析，智能晾衣架控制系統(tǒng)利用紅外遙控方式能夠根據(jù)采集監(jiān)測的溫濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)打開或收回晾衣架，并實(shí)時(shí)采集和顯示更新環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，具有實(shí)時(shí)性能好、智能化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。