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生活电器

自动晾衣架方案设计开发


基于STC89C52单片机的自动晾衣架系统设计

国内虽然已有不少厂家在生产自动晾衣架,但通常都是安装在阳台内部,通过电路的控制来实现晾衣架的垂直升降或具有加热烘干的功能,可以说是还未真正达到自动晾衣或智能晾衣功能。基于此本文以STC89C52单片机为控制核心,采用光敏电阻和新型温湿度传感器SHT11,设计了可以自动检测天黑、高温天气、下雨,根据当前的环境情并运用步进电机驱动衣架实现自动晾晒收回的自动晾衣架。所设计的自动晾衣架具有定时、预约等功能,并且可以预设光强和湿度值,可以满足不同气候、不同地域的晒衣条件。用户需要做的只是将衣服放于衣架上,通过按钮设置便可以享受到非常好的晒衣体验。

一、自动晾衣架系统结构设计

为了能够将自动晾衣架装进阳台并满足控制系统的所有功能,设计如图1所示的晾衣架机械结构图。整个结构由10个部分组成:1:螺丝、2:传感器、3:固定支架、4:轴承座、5:晾衣架、6:房顶、7:滑块、8:步进电机、9:墙壁、10:控制器。

图 1 自动晾衣架的机械结构图

自动晾衣架控制系统(控制器)通过按钮设置相应的工作模式,并启动传感器进行信号采集,将采集到的信号送给单片机,单片机将接收到的信号进行处理,并在显示屏上实时显示,最后送给电机驱动器来控制电机实现衣架的伸缩。系统由五个功能模块构成,分别为电源模块、信号采集模块、按钮设置模块、显示模块以及电机运转模块,如图2所示,其中信号采集模块包含光照强度的采集以及温湿度的采集;电机转运模块包括电机驱动器、步进电机、传动机构以及晒衣架。

图 2 控制系统结构框图

二、自动晾衣架硬件电路设计

单片机最小系统是是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、电源电路、晶振电路、复位电路。本设计控制系统的CPU采用STC89C52单片机,该单片机是一个低电压,高性能单片机。晶振电路采用了11.0592MHz,两个10PF的瓷片电容辅助起振;复位电路采用按键复位。原理图由Proteus绘制,其默认单片机电源地为已接状态。

本控制系统一共拥有九个按钮,并赋予不同的功能,每个按钮均为弹性式的按钮。各个按钮的功能分别为加、减、设置、手动/自动模式切换、回收晾衣架、定时模式开启/关闭、衣架伸出、高温模式开启/关闭,分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P1.5、P1.6、P1.7相连,另一端连接地,从而构成一个闭合回路。

显示电路选用LCD1602,LCD1602数据传输端口D0到D7分别与单片机的P0.0到P0.7相连,LCD1602的RS端、RW端、EN端分别连接单片机的P2.6、P2.5、P2.7口。LCD1602通过接一个1kΩ的电位器来调整显示屏的对比度。

温湿度检测电路选用了SHT11传感器,与单片机之间的通信采用IIC总线协议,时钟线SCK和数据线DATA分别连接单片机的P1.0和P1.1口,并且在数据线上拉一个电阻R2(4.7kΩ)将电位嵌位在高电平。光照采集电路选用了常用的光敏电阻,通过A/D转换芯片PCF8591将模拟信号转换成单片机可接受的数字量信号。将光敏电阻连接到PCF8591的AIN0端,使电源、地、光敏电阻构成一个分压器,PCF8591的时钟线SCL和数据线SDA分别连接单片机的P1.2和P1.3口。通过光照强度的变化引起光敏电阻阻值的变化,从而引起电压的微小变化送入PCF8591的模拟输入端,通过IIC总线协议单片机读取相关数据进行处理。

为准确实现晾衣架伸出、缩回的距离,本系统选用了步进电机,其型号42BYGH 1.8°两相步进电机,采用专用的步进电机驱动器带动的方式。若需控制电机,除了给驱动器供电之外,只需要将公共端接+5V,脉冲端和方向端连接单片机的I/O即可,脉冲端和方向端分别接单片机的P3.2、P3.3。这样设计不仅连线方便而且易于维护,如果电机模块故障,只需查I/O连接、驱动器以及步进电机是否正常即可。

自动晾衣架方案

三、自动晾衣架软件设计

自动晾衣架控制系统主程序主要由五个部分组成,系统一上电首先进行初始化操作,依次完成温湿度和光照采集、温湿度和光照处理、数据和功能显示、按键处理、衣架伸缩处理五项功能。温湿度和光照处理部分,即是否满足晒衣条件判断:将采集到的温湿度和光照与用户预设的值做比较,并判断是否超出设定的上下限值,如果超出并且衣架伸出,则将衣架收回。数据和功能显示部分主要实现湿度和光照强度的显示和一些功能模式的显示。按键处理部分主要实现用户对系统参数的设置和功能模式的选择,与显示部分相结合,达到一个友好的人机交互效果。

自动晾衣架控制系统结合实际需要考虑了五种晒衣模式:手动模式、自动模式、定时模式、预约模式和防曝晒模式。当开启手动模式后,传感器将不参与衣架的控制。由控制按钮直接对衣架的缩回、伸出进行控制。当开启自动模式时,衣架的返回完全由传感器决定,即传感器的优先级大于控制按钮的优先级。当外界天气条件不满足预设条件时,即便手动将衣架晒出,单片机也会立刻将其立即收回。若此时再次按下手/自动模式按钮,即将手动标志位置0,便可切换为手动模式。当开启定时模式,单片机便开始定时倒计时,但是当开启自动模式时传感器控制的优先级比定时模式高,所以同时开启定时模式和自动模式前要判断当然的晒衣条件是否满足预设值,如果不满足,即使开启定时模式衣架伸出也会立即收回。生活中我们可能会遇到早晨的时间很紧张的情况,那么就需要用到预约模式,即晚上将衣服洗好挂于自动晾衣架上并设定好预约时间,等预约时间到后衣架自动伸出晒衣。预约模式采用的计时方式也是定时器中断,并且预约模式可与定时模式叠加使用。为确保安全这里设置一个保护措施,即只有在衣架未伸出、预约倒计时为零且开启预约模式时,衣架才伸出。为了防止衣服曝晒,本设计添加了一个防曝晒模式,这种模式适用于夏天。该模式需要采集光强和温度,当条件满足一定的温度(设定36℃)和光照强度(设定95)时,单片机会做出判断并收回衣架。

考虑到在实际应用过程中有人为失误操作的可能,比如连续按两次衣架晒出按钮或者当衣架收回时再按一次衣架收回按钮等,这些误操作都可能损坏衣架。所以在程序当中设计了一个防碰撞保护,当衣架晒出后只能进行衣架收回操作;当衣架收回后只能进行衣架晒出操作,大大增加了衣架的使用寿命。

总结

按照所设计的自动晾衣架的机械结构及控制系统的软硬件。对采集的信号,即温湿度、光照强度进行了标定,传感器符合自动晾衣架系统的要求。同时对晾衣架的显示功能、按键功能及各种晒衣模式进行了逐一调试,符合设计要求。

所设计的基于STC单片机控制的自动晾衣架,通过判断温湿度、光照强度实现对电机控制,从而带动机械结构工作以达到晾晒衣物的目的。所设计的自动晾衣架具有五种晒衣模式,可满足不同人群、不同衣物材质、不同季节特点的需求。整个控制系统采用了成本低廉、使用方便的STC89C52单片机,对自动晾衣架的普及具有一定的参考价值。

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