基于AT89S52单片机的智能晾衣架系统设计毕业设计论文.docx
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基于AT89S52单片机的智能晾衣架系统设计毕业设计论文.docx
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基于AT89S52单片机的智能晾衣架系统设计毕业设计论文
摘 要
随着社会的不断发展和进步,智能化的产品在不段的涌入我们的家庭生活,给我们的生活起居带来便利。
但是晾衣工具还是处于比较原始的层次几乎没有什么改变,已经跟不上我们生活的节奏的变化,对于现在城市里的大多数人们每天都是忙于工作,白天的时间几乎都不在家中。
当天气变化时不能及时的把衣服收回。
关于这个问题本文对智能晾衣架系统进行研究,运用DS18B20温度传感器、CHR01湿度传感器和5547光敏电阻采集到的信号传输给系统处理核心单片机AT89S52,根据当时的温湿度和光线的强弱判断晾衣架是否要收回。
当空气中的相对湿度超过设定值(认为要下雨或已经下雨)或光线变暗到一定值(认为已经天黑)时,系统会发出报警提示主人收衣服并延时,无人应答后系统会自动发出脉冲信号给步进电机,从而控制机械部分自动收回晾衣架
关键字:
温度传感器;湿度传感器;光敏电阻;AT89S52
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentandadvancementofsociety,manyintellectualizationproductsenterintoourdailylifeandgiveconvenienceforourlife.Buttherackusedtodryclotheisinalowlevelandhaslittlechangesoitcannotcatchupwiththerhythmofourlife.Theresidentsinmoderncitiesarealwaysbusyintheirworkandcannotstayathomeduringthedaytime.Whenweathergoesbadtheyhavenochancetotakebacktheirclothes.Basedonthisproblemthispaperdesignsthisintellectualizedrackusedtodryclothessystem.ThissystemusesthesignalgatheredbyDS18B20temperaturesensor,CHR01humiditysensorand5547photoresistancesensortoputintothesystemprocessingcoremonolithicintegratedcircuitAT89S52.Whethertotakebacktheclotheswasdeterminedbythecurrentstatusoftemperature,humidityandsunshine.Whentherelativehumiditysurpassesthedefinedvalue(Thereisatendencytorainorhaverained)orthesunshinewasdarktoaspecialdefinitevalue(Theweatherturnsdark)thesystemwillsendoutwarningandpromptthemastertotakebacktheclothes.Ifthereisnobodyreplyingit,thesystemwillsendoutpulsesignalintostepmotorautomotive,controlthemechanicalpartandtakebacktherackusedtodryclothes.
KeyWords:
temperaturesensor,humiditysensor,photoresistance,AT89S52.
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第1章绪论
1.1课题来源
随着社会经济水平的发展,现在人们的生活追求个性化、自动化,追求快节奏,追求充满乐趣的生活方式,家装要求的档次越来越高,生活家居人性化、智能化的要求使智能控制技术在智能家居电子产品中得到了广泛应用,它不仅优化了人们的生活方式和居住环境,而且方便人们有效地安排时间和节约各种能源,实现了家电、照明、窗帘控制和防盗报警、定时控制及电话远程控制等。
伴随着高智能家居的快速发展,晾衣工具的智能化发展明显落后与其他家用器具智能化发展之后,现在已经引起社会的很大关注。
1.2晾衣服架的发展现状
在中国各大中城市以及农村普遍是将衣物晾晒于阳台内部或外部,而传统的晾晒衣物方式是阳台内天花板下设置有钢筋挂钩,钩上通常是挂有竹杆或其它杆体。
人们通常习惯于用一支撑杆将衣物支撑到晾衣杆上晾晒,这样晾晒衣物费时费力,而且布置钢筋及竹杆与当今现代化建筑结构的阳台也不搭配、有失雅观。
另外,家庭通常大都是老人晾衣物,因此,传统的支撑晒衣、收衣不仅是费神费力,而且容易扭伤筋骨或支撑不顺扎伤人体。
正因传统晾晒衣方式有众多的不便,后出现手摇晾衣架,手摇晾衣架改变了支撑晾衣架的传统习惯,同时也给众多家庭带来了更多的方便。
但手摇晾衣架需设置多个机械装置和支撑点,同时需多根网线布置来带动其晾衣杆的上下升降。
由于支撑点及多根网线的布置,手摇式晾衣架给原本漂亮的阳台增添了不美的因素。
其次,手摇晾衣架的升降每次都要人工转换接头,且需要人力摇动慢慢将杆升降,若晾杆承载的衣物重量过大,摇上去既费力又容易伤手。
因此,手摇晾衣架虽然改变传统支撑晾衣的不便,但没有彻底改变费神费力的根本状态。
人们期望着一种更方便更美观的新型晾衣架的出现。
1.3系统的研究意义
基于现在晾衣架发展现状,本设计开发了一种能帮助人们摆脱原始操作的智能晾衣架。
本实用新型晾衣架主要特点在于:
有可以伸缩,操作简单,占地面积小,美观实用的优点。
同类产品虽有可收缩式的,但属组装而成,操作比较麻烦,而本晾衣架只需按下打开按键,衣架杆即可自动伸展开来。
同时晾衣架能识别晴雨天气,自动完成收衣服功能的目的。
晴雨智能晾衣架能有效地避免在下雨时,衣服无人收起而被雨淋湿;或在天色变晚时,衣架能自动收回,避免衣服在外面过夜。
第2章系统总体方案设计
2.1总系统设计框图
本设计采用美国Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心,外围辅助温度传感电路、湿度传感电路及光敏传感电路等检测电路来控制电机运动,实现收晾衣的智能化的功能。
总体设计框图如下图2.1所示:
图2.1系统总体控制框图
2.2系统组成概述
本系统可固定在阳台外面,既能节省空间,同时系统通过测温度电路、测湿度电路及光敏电路等检测电路自动测量当前空气温度、湿度和光线强度,根据当前温、湿度值和光线强度确定晾衣架是否收回并且能在液晶屏上显示温、湿度值和晾衣架状态。
当要下雨或已经下雨时,空气中的相对湿度急剧增加超过初定值时,系统会自动发出警报(提示主人收衣服),若无人应答系统自动默认屋内无人,系统会自动给电机脉冲完成自动收衣服功能。
2.3系统硬件电路选择
本系统的控制核心采用扩展型单片机AT89S52,该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计的,由先进的CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器,全部支持12时钟和6时钟操作,包含128字节和256字节RAM,32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口,可以满足本系统的需要。
系统检测部分电路由DALLAS公司的DS18B20为核心的温度传感电路、广州西博臣科技有限公司的CHR01型湿度传感器为核心的湿度传感电路及由光敏电阻构成的光线检测电路组成。
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
CHR-01阻抗型高分子湿度传感器(湿敏电阻),采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件,导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。
系统采用北京斯达微步控制技术有限公司的57BYG二相系列步进电机及与之相匹配的驱动器MS-2H090M作为动力系统,驱动器MS-2H090M具有接线简单控制方便等优点,对于系统开发带来极大方便。
同时为了系统显示应用的方便,系统采用12864液晶实时显示测量结果。
2.4系统软件结构设计
系统软件设计采用结构化和模块化设计方法,便于程序的编译、调试。
根据设计的要求和前面描述的控制系统硬件设计的具体情况,单片机控制系统软件程序主要由如下模块组成:
初始化模块、中断处理模块、液晶显示模块、控制模块、报警模块等等,具体的模块示意图如下图2.2所示。
图2.2控制软件框图
2.5机械结构设计
系统采用结构简单方便的可伸缩的机械执行机构来实现衣服收凉工作如图2.3所示[5],具体设计详见第四章。
第3章控制系统硬件设计
在完成了总体设计后,本章主要完成主控单元的硬件设计,包括核心芯片的选型和电路的具体设计,主要是单片机芯片、温度传感器、湿度传感器、光敏电路及外围电路的选型,然后再根据系统功能的要求,应用protel99se软件进行电路板的具体设计。
参照已有的电机的参数选择的电机为:
YEJ系列电磁制动电动机
3.1单片机的介绍及其工作系统设计
AT89S52单片机是一种低功耗、高性能的有8k字节可编程(可擦写)闪存的8位互补金属氧化物半导体微控制器。
它由美国的Atmel公司用高密度固定存储器技术制造且和现有标准的MCS-51指令系统兼容。
AT89S52带有ISP下载功能,它利用89S-AVRISP编程器替代昂贵的单片机仿真器编程器,既节省开发费用,又带来使用方便。
AT89S52的运行速度快、处理能力强,且对C语言编程提供了较好的支持。
兼容MCS-51指令系统
◆8k可反复擦写ISPFlashROM
◆32个双向I/O口
◆4.5-5.5V工作电压
◆3个16位可编程定时/计数器
◆时钟频率0-33MHz
◆全双工UART串行中断口线
◆256x8bit内部RAM
◆2个外部中断源
◆低功耗空闲和省电模式
◆中断唤醒省电模式
◆3级加密位
◆看门狗(WDT)电路
◆软件设置空闲和省电功能
◆灵活的ISP字节和分页编程
◆双数据寄存器指针
单片机及其最小系统工作电路如下图3.1所示[12]:
图3.1单片机最小系统工作电路
3.2温度传感器电路
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire,即单总线器件,具有为微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器、线路简单等优点。
可直接将温度转化为串行数字信号(提供9为二进制数字)给单片机处理,且在统一线上可以挂多个传感器芯片。
它具有3个引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围为-55到+125
,可编程为9到12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625
,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生,多个DS18B20通信可以并联到三根或两根线上,CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信,占用微处理的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
1、DS18B20产品的特点
(1)、只要求一个端口即可实现通信。
(2)、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
(3)、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
(4)、测量温度范围在-55。
C到+125。
C之间。
(5)、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
(6)、内部有温度上、下限告警设置。
(7)、温度数字量装换时间200
,对应的可分辨率是最多在750
把温度值转化为数字。
(8)、用户可定义的非易失性温度报警设置。
(9)、报警搜索病例识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件。
2、DS18B20的应用
包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。
负压特性:
电源极性反接时,温度计不会发热而烧毁,但不能正常工作。
3、DS18B20的引脚介
TO-92封装的DS18B20的引脚排列见图3.2,其引脚功能描述见表3.2。
图3.2DS18B20底面图
表3.2 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
4.DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89S51单片机来说,硬件上并不支持单总线协议,因此,我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序:
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
3.3湿度传感器电路
高分子湿度传感器CHR01为新一代复合型电阻型湿度敏感部件,其复阻抗与空气相对湿度成指数关系,直流阻抗(普通数字万用表测量)几乎为无穷大,与传统意义上的电阻有空气中水分子参与膜感湿中的离子导电,由于水分子为极性分子,在直流电存在的情况下,会电离,分解,从而影响导电与元件的寿命,所以要求采用交流电路对传感器进行供电。
对湿度传感器而言,频率与阻抗之间存在一定的关系,对于测量30%--80%RH范围,频率的变化对传感器影响并不明显,在单片机软件编程的实际应用时,需要通过将传感器置于湿度发生装置中(例如恒温恒湿箱)进行实测,通过软件对最终的误差进行修正,此项修正基本上可以弥补频率变化所产生的误差以及其他误差。
湿度传感器阻抗变化与温度的关系见规格书中的数据表,先检测温度,然后按查表法对进行湿度检测。
如果湿度精度要求不是特别严格的情况,(从数据处理简易的法则来说),可以推算湿度传感器温度系数为-0.4%RH/℃,公式为:
H(t)=H(25℃)-0.4*(t–25)
例如,以实测阻抗按25℃的数据表读数,例如在35℃时读到的阻抗为30K,按25℃表格,相对湿度为60%RH,此时按公式计算的实际湿度应为56%RH。
湿度传感器阻抗采用555转换电路来测试,由555定时器构成的多谐振荡器如图3-3(a)所示,当电源接通后,电容C被充电,
上升,当
上升到
时,触发器被置位,此时
为低电平,电容C通过
和T放电,使
下降。
当
下降到
时,触发器又被置位,
反转为高电平。
C放电结束,T截止,
将通过
和
向电容器C充电,当
上升到
时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为:
由于555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,它的振荡频率受电压和温度变化的影响很小。
所以系统采用将湿度传感器的阻抗通过555多谐振荡器将阻抗变为对频率的测试。
其电路图如图3.3(b)所示,图3.3(a)[11]为多
谐振荡电路。
3.4光敏检测电路
光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件,光敏电阻的阻值会随着光照的强弱的变化而变化。
光照强,光敏电阻的阻值就小;光照弱,光敏电阻的阻止就大。
光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极,贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上,两端接有电极引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。
光敏面做成蛇形,电极作成梳状是因为这样既可以保证有较大的受光表面,也可以减小电极之间距离,从而既可以减小电极间电子渡越时间,也有利于提高灵敏度。
在实际应用中,可以加直流偏压,也可以加交流偏压,它的电流随电压呈线性变化。
本系统中利用光敏电阻的感光特性来检测光线的强弱程度,通过检测光线的强弱程度来判断白天和黑夜,同时可辅助湿度传感器检测阴天与晴天,其电路结构图如下图3.4所示[6]。
电路中光敏电阻型号为PGM5539,系统实现原理是利用光敏电阻的光电特性即光敏电阻受光照时阻值小于无光照时来使系统工作。
在图中,电路工作前(正常光线下),调节电位器的阻值,使比较器LM393的反向输入端的电位低于同向端的电位,这时比较器输出为高,随着光线的变暗,光敏电阻阻值增大,同向端电压低于反相端时,比较器输出变为低,则申请单片机外部中断,单片机控制步进电机将衣服收回。
3.5显示电路
系统采用12864液晶显示模块作为显示单元,12864液晶显示模块是带中文字库的一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
3.5步进电机及其驱动电路
系统采用北京斯达微步控制技术有限公司的57BYG二相系列步进电机及与之相匹配的驱动器MS-2H090M。
步进电动机是一种以电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机,因此适合作为数控系统的伺服元件。
随着混合式步进电动机的产生和应用,其输出功率和力矩不断增加,成本与价格却不断降低,为步进电动机的推广应用打下了良好的基础。
步进电机的驱动电路采用与步进电机相匹配的SH-2H057型驱动器。
驱动器内部采用8支14A--30A的分立大功率器件(完全不同于常用的1A左右的集成功率器件),控制部分采用美国最新推出的细分驱动专用芯片。
本驱动器的输入信号共有二路,它们是:
步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR。
它们在驱动器内部由270的限流电阻和光耦器件组成,且电路形式完全相同,见下图(图3.5)。
图3.5驱动器内部接线图
外部接成共阳方式(把CP+和DIR+接在一起,接外部系统的VCC,脉冲信号和方向信号分别从负端CP-、DIR-接入)或共阴方式(把CP-和DIR-接在一起,接外部系统的GND,脉冲信号和方向信号分别从正端CP+、DIR+接入),二路信号默认幅值为5V,如果不是5V则须外部另加限流电阻R,保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流,本系统采用共阳方式。
由于是用了专用驱动器大大的减轻了软件的负担,程序只需输出驱动脉冲和方向控制信号。
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度,也就是说:
驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角),CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变,控制CP脉冲的个数,则可以使步进电机精确定位[3]。
这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。
本驱动器的CP信号为低电平有效,要求CP信号的驱动电流为8-15mA,对CP的脉冲宽度也有一定的要求,一般不小于5μS(参见图3.6)。
图3.6CP的脉冲宽度及高低电平方式
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。
此端为高电平时,电机一个转向;此端为低电平时,电机为另一个转向。
电机换向必须在电机停止后再进行,并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一
个方向的第一个CP脉冲前发出(见图3.7)。
图3.7 换向信号DIR起作用的时刻
由于单片机IO口的输出电流较小,不足以驱动步进电机驱动器。
所以我们在单片机IO口与驱动器之间加了74LS07作为驱动以增大单片机的带负载能力。
电路如图3.8所示。
图3.87407驱动电路
第4章控制系统软件设计
系统软件设计采用结构化和模块化设计方法,便于程序的编译、调试。
根据设计的要求和前面描述的控制系统硬件设计的具体情况,单片机控制系统软件程序流程图如下图4-1所示。
图4.1程序流程图
4.1系统初始化
软件系统设置包括声明库函数如:
#include
图4-2为测温子系统流程图。
单片机首先发送复位脉冲,该脉冲使信号线上所有的DS18B20芯片都被复位,接着发送ROM操作命令,使得序列号编码匹配的DS18B20被激活[1]。
被激活后的DS18B20进入接收内存访问命令状态,内存访问命令完成温度转换、读取等工作(单总线在ROM命令发送之前存储命令和控定义系统应用口如下:
sbitDQ=P1^7;//数据传输线接单片机的相应管脚
sbitkey1=P1^3;//温湿度切换
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