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生活電器

自動晾衣架方案設計開發


基于STC89C52單片機的自動晾衣架系統設計

國內雖然已有不少廠家在生產自動晾衣架,但通常都是安裝在陽臺內部,通過電路的控制來實現晾衣架的垂直升降或具有加熱烘干的功能,可以說是還未真正達到自動晾衣或智能晾衣功能。基于此本文以STC89C52單片機為控制核心,采用光敏電阻和新型溫濕度傳感器SHT11,設計了可以自動檢測天黑、高溫天氣、下雨,根據當前的環境情并運用步進電機驅動衣架實現自動晾曬收回的自動晾衣架。所設計的自動晾衣架具有定時、預約等功能,并且可以預設光強和濕度值,可以滿足不同氣候、不同地域的曬衣條件。用戶需要做的只是將衣服放于衣架上,通過按鈕設置便可以享受到非常好的曬衣體驗。

一、自動晾衣架系統結構設計

為了能夠將自動晾衣架裝進陽臺并滿足控制系統的所有功能,設計如圖1所示的晾衣架機械結構圖。整個結構由10個部分組成:1:螺絲、2:傳感器、3:固定支架、4:軸承座、5:晾衣架、6:房頂、7:滑塊、8:步進電機、9:墻壁、10:控制器。

圖 1 自動晾衣架的機械結構圖

自動晾衣架控制系統(控制器)通過按鈕設置相應的工作模式,并啟動傳感器進行信號采集,將采集到的信號送給單片機,單片機將接收到的信號進行處理,并在顯示屏上實時顯示,最后送給電機驅動器來控制電機實現衣架的伸縮。系統由五個功能模塊構成,分別為電源模塊、信號采集模塊、按鈕設置模塊、顯示模塊以及電機運轉模塊,如圖2所示,其中信號采集模塊包含光照強度的采集以及溫濕度的采集;電機轉運模塊包括電機驅動器、步進電機、傳動機構以及曬衣架。

圖 2 控制系統結構框圖

二、自動晾衣架硬件電路設計

單片機最小系統是是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對于51系列單片機來說,最小系統一般應該包括:單片機、電源電路、晶振電路、復位電路。本設計控制系統的CPU采用STC89C52單片機,該單片機是一個低電壓,高性能單片機。晶振電路采用了11.0592MHz,兩個10PF的瓷片電容輔助起振;復位電路采用按鍵復位。原理圖由Proteus繪制,其默認單片機電源地為已接狀態。

本控制系統一共擁有九個按鈕,并賦予不同的功能,每個按鈕均為彈性式的按鈕。各個按鈕的功能分別為加、減、設置、手動/自動模式切換、回收晾衣架、定時模式開啟/關閉、衣架伸出、高溫模式開啟/關閉,分別與單片機的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P1.5、P1.6、P1.7相連,另一端連接地,從而構成一個閉合回路。

顯示電路選用LCD1602,LCD1602數據傳輸端口D0到D7分別與單片機的P0.0到P0.7相連,LCD1602的RS端、RW端、EN端分別連接單片機的P2.6、P2.5、P2.7口。LCD1602通過接一個1kΩ的電位器來調整顯示屏的對比度。

溫濕度檢測電路選用了SHT11傳感器,與單片機之間的通信采用IIC總線協議,時鐘線SCK和數據線DATA分別連接單片機的P1.0和P1.1口,并且在數據線上拉一個電阻R2(4.7kΩ)將電位嵌位在高電平。光照采集電路選用了常用的光敏電阻,通過A/D轉換芯片PCF8591將模擬信號轉換成單片機可接受的數字量信號。將光敏電阻連接到PCF8591的AIN0端,使電源、地、光敏電阻構成一個分壓器,PCF8591的時鐘線SCL和數據線SDA分別連接單片機的P1.2和P1.3口。通過光照強度的變化引起光敏電阻阻值的變化,從而引起電壓的微小變化送入PCF8591的模擬輸入端,通過IIC總線協議單片機讀取相關數據進行處理。

為準確實現晾衣架伸出、縮回的距離,本系統選用了步進電機,其型號42BYGH 1.8°兩相步進電機,采用專用的步進電機驅動器帶動的方式。若需控制電機,除了給驅動器供電之外,只需要將公共端接+5V,脈沖端和方向端連接單片機的I/O即可,脈沖端和方向端分別接單片機的P3.2、P3.3。這樣設計不僅連線方便而且易于維護,如果電機模塊故障,只需查I/O連接、驅動器以及步進電機是否正常即可。

自動晾衣架方案

三、自動晾衣架軟件設計

自動晾衣架控制系統主程序主要由五個部分組成,系統一上電首先進行初始化操作,依次完成溫濕度和光照采集、溫濕度和光照處理、數據和功能顯示、按鍵處理、衣架伸縮處理五項功能。溫濕度和光照處理部分,即是否滿足曬衣條件判斷:將采集到的溫濕度和光照與用戶預設的值做比較,并判斷是否超出設定的上下限值,如果超出并且衣架伸出,則將衣架收回。數據和功能顯示部分主要實現濕度和光照強度的顯示和一些功能模式的顯示。按鍵處理部分主要實現用戶對系統參數的設置和功能模式的選擇,與顯示部分相結合,達到一個友好的人機交互效果。

自動晾衣架控制系統結合實際需要考慮了五種曬衣模式:手動模式、自動模式、定時模式、預約模式和防曝曬模式。當開啟手動模式后,傳感器將不參與衣架的控制。由控制按鈕直接對衣架的縮回、伸出進行控制。當開啟自動模式時,衣架的返回完全由傳感器決定,即傳感器的優先級大于控制按鈕的優先級。當外界天氣條件不滿足預設條件時,即便手動將衣架曬出,單片機也會立刻將其立即收回。若此時再次按下手/自動模式按鈕,即將手動標志位置0,便可切換為手動模式。當開啟定時模式,單片機便開始定時倒計時,但是當開啟自動模式時傳感器控制的優先級比定時模式高,所以同時開啟定時模式和自動模式前要判斷當然的曬衣條件是否滿足預設值,如果不滿足,即使開啟定時模式衣架伸出也會立即收回。生活中我們可能會遇到早晨的時間很緊張的情況,那么就需要用到預約模式,即晚上將衣服洗好掛于自動晾衣架上并設定好預約時間,等預約時間到后衣架自動伸出曬衣。預約模式采用的計時方式也是定時器中斷,并且預約模式可與定時模式疊加使用。為確保安全這里設置一個保護措施,即只有在衣架未伸出、預約倒計時為零且開啟預約模式時,衣架才伸出。為了防止衣服曝曬,本設計添加了一個防曝曬模式,這種模式適用于夏天。該模式需要采集光強和溫度,當條件滿足一定的溫度(設定36℃)和光照強度(設定95)時,單片機會做出判斷并收回衣架。

考慮到在實際應用過程中有人為失誤操作的可能,比如連續按兩次衣架曬出按鈕或者當衣架收回時再按一次衣架收回按鈕等,這些誤操作都可能損壞衣架。所以在程序當中設計了一個防碰撞保護,當衣架曬出后只能進行衣架收回操作;當衣架收回后只能進行衣架曬出操作,大大增加了衣架的使用壽命。

總結

按照所設計的自動晾衣架的機械結構及控制系統的軟硬件。對采集的信號,即溫濕度、光照強度進行了標定,傳感器符合自動晾衣架系統的要求。同時對晾衣架的顯示功能、按鍵功能及各種曬衣模式進行了逐一調試,符合設計要求。

所設計的基于STC單片機控制的自動晾衣架,通過判斷溫濕度、光照強度實現對電機控制,從而帶動機械結構工作以達到晾曬衣物的目的。所設計的自動晾衣架具有五種曬衣模式,可滿足不同人群、不同衣物材質、不同季節特點的需求。整個控制系統采用了成本低廉、使用方便的STC89C52單片機,對自動晾衣架的普及具有一定的參考價值。

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