2023年12月20日发(作者：宗稷辰)
智能晾衣架的设计与实现
摘要
随着社会的不断进展和进步，智能化的产品在不断的涌入我们的家庭生活，给人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，渐渐与我们的生活脱节。对于现在城市里的大多数人们每天忙于工作，白天几乎都不在家中，当天气改变时不能准时将衣物收回。关于这个问题，本文对智能晾衣架系统进行研究，运用DHT11温湿度传感器，光敏电阻采集到的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推断晾衣架是否要收回。当空气中的相对湿度超过设定值（认为要下雨或者已经下雨）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仆人收衣服并延时，无人应答后系统会自动发出脉冲号给电机，从而控制机械部分自动收回晾衣架。
关键词：智能AT89S52 DHT11
Abstract
With the constant development and social
progress, intelligent products in the
continuous influx ofour family life, to the
people's daily life more convenient, but airing
tool or in a primitive level almost nochange,
gradually and our life away. For now the city
where most people are busy with their work
everyday, hardly ever at home, when weather
changes will be unable to recover. About this
question, theintelligent clothes hanger system
is studied, using the DHT11 temperature and
humidity sensor, 5547photosensitive resistance
signals transmitted to the system processing
core chip AT89S52, according tothe time of the
temperature and humidity and light intensity to
judge whether to take back the clotheshanger.
When the air relative humidity exceeds a set
value ( think it's going to rain or rain ) or
the dark toa certain value ( that had been
dark ), the system will send out alarm host
received clothes and delay, noresponse after
the system will automatically send a pulse
signal to a stepping motor, so as to control
themechanical parts automatically retract the
clothes hanger.
Key AT89S52 DHT11
目录
前言
现在人们的糊口追求个性化、自动化，家装要求的档次愈来愈高，糊口家居兽性化、智能化的要求使智能控制技术在智能家居电子产品中获得了广泛的使用，它不仅优化了人们的糊口体式格局和居住情况，并且便利了人们有效的安排时间和节省各种能源。人们实现了家电、照明、窗帘控制和防盗报警等智能化，但是晾衣工具还是处于比较原始的层次几乎没有什么改动，渐渐与我们的糊口摆脱。
国内现在也有生产智能晾衣架的厂家，但是他们所生产的智能晾衣架都是安装在阳台内部，通过电路的控制使晾衣架根据不同的情况垂直升降，以达到智能晾晒衣物的功能。而本设计是通过温湿度传感器和光敏传感器感应外界天气中的雨水、温度和光照情况，
运用传感器、单片机驱动电动机来控制晾衣架的伸张和收缩，从而达到智能晾晒衣物的目的。
第1章绪论
第1.1节选题背景
随着社会经济水平的进展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求快节奏，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，而且便利人们有效地安排时间和节省各种能源，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进展，晾衣工具的智能化进展明显落后与其他家用器具智能化进展之后，现在已经引起社会的很大关注。
第1.2节研究目的与研究方法
1.2.1研究目的
目前人们所使用的晾衣架多为不能随外界环境改变而自动收缩的传统类型。假如住户是双职工，或者住
户有事在外，那么如果下雨或者夜晚，传统类型的晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨、避露水的功能。酷热夏日，上班族通常是把衣物晾晒在室外一整天。住户即使在家，为了减少麻烦，也很少在夏日的正午把衣物收回室内，等气温下降之后再把衣物拿出去晾晒，其实暴晒对衣物的损伤极大。
国内现在也有生产智能晾衣架的厂家，但是他们所生产的智能晾衣架都是安装在阳台内部，通过电路的控制使晾衣架根据不同的情况垂直升降，以达到智能晾晒衣物的功能。而本设计采纳单片机作为智能晾衣架的检测及控制核心，通过温湿传感器探测外界环境的温度和湿度，当温度或湿度达到一定指标时，单片机控制电动机正转（或者反转）从而使衣架自动收回，当传动杆接触到位置开关时，电机停止转动；当雨停后，阳光充裕时，光敏电阻将息反馈给单片机，单片机再控制电动机反转（或者正转）从而使衣架自动伸出接收晾晒。晾衣杆与各传动轴之间采纳滑轮、钢丝绳等连接。
1.2.2研究办法
（1）文献法。本研究涉及单片机编程、原理图绘制、元器件焊接等技术，需要对涉及的知识醒目才能实现方案的胜利
设计，只要通过对大量相关书籍期刊进行阅读、收拾整顿、分析，才能获得有价值的研究材料。因而，本研究把文献法作为最紧张的研究办法。
（2）窥察法。科学的窥察具有目标性和打算性、系统性和可重复性。在科学试验和调查研究中，窥察法具有扩展人们的感性认识、启发人们的思维、导致新的觉察等几个方面的感化。因而对于本研究有很大匡助。
第1.3节研究意义
基于现在晾衣架的进展现状，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。本有用新型晾衣架主要特点在于：可以伸缩，操作简洁，占地面积小，美观有用。同类产品有可收缩式的，但属于组装而成，操作比较麻烦，而本晾衣架是通过温湿度传感器和光敏传感器感应外界天气中的雨水、温度和光照情况，运用传感器、单片机驱动电动机来控制晾衣架的伸张和收缩，从而达到智能晾晒衣物的目的。
第2章系统总体设计
第2.1节总系统设计框图
本设计采纳美国Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心，外围辅助温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，实现收晾衣智能化的功能。总体设计框图如图2.1所示：
图2.1系统总体控制框图
第2.2节系统组成概述
本系统可固定在阳台外面，既节省空间，同时系统通过测温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。当要下雨或已经下雨时，空气中的相对湿度急剧增加超过设定值时，系统会自动发出警报（提示仆人收衣服），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。
第2.3节系统硬件电路选择
本系统的控制核心采纳扩展型单片机AT89S52，该系列单片机是釆用高性
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
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
口，可以满足本系统的需要。
条I/O
串行I/O
系统检测部分由DHT11型温湿度传感器和5547光敏电阻组成。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字旌旗灯号输出的温湿度复合传感器。它使用专用的数字模块收罗技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓着的历久不乱性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，具有品质卓着、超快相应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗，旌旗灯号传输距离可达20米以上，使其成为各类使用以至最为苛刻的使用场所的最佳选择，并且此产品为4针单排引脚封装，连接非常便利。
系统电机部分采纳H桥直流电机驱动，H桥电路是直流电机使用最广泛的一种驱动电路。实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，不过现在市面上有很多封装好的H
桥集成电路，接上电源、电机和控制号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常便利可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN等。
第2.4节系统软件结构设计
系统软件设计采纳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的硬件设计的情况，单片机控制系统软件程序结构示意图如图2.2所示：
图2.2软件程序结构示意图
第2.5节机械结构设计
系统采纳结构简洁的可伸缩的机器执行机构来实现衣服的收晾工作，开端设计如图2.3所示：
图2.3
系统机械
执行机构
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详细设计，主假如单片机芯片、
温湿度传感器、光敏电路及外围电路的选型，然后再按照系统功用的要求，使用protel99se软件进行电路板的详细设计。
第3.1节单片机的介绍及其工作系统设计
3.1.1 AT89S52特点
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash
存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash同意程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52的主要性能：
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
引脚结构如图3.1所示：
图3.1 AT89S52引脚结构
引脚号
P1.0
P1.1
P1.5
P1.6
P1.7
第二功用
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发号和方向控制）
MOSI（在系统编程用）
MISO（在系统编程用）
SCK（在系统编程用）
引脚号
P3.0
P3.1
P3.2
第二功能
RXD（串行输入）
TXD（串行输出）
INTO(外部中断0)
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
INTO(外部中断0)
T0（定时器外部输入）
T1（定时器1外部输入）
WR(外部数据存储器写选通)
RD(外部数据存储器写选通)
存储器结构
MCS-
51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器：假如EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52，假如EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。
中断
AT89S52有6其中断源：两个外部中断（INT0和INT1），三个按时中断（按时器、1、2）和一个串行中断。这些中断每一其中断源都可以通过置位或清除特别寄存器IE中的相关中断同意控制位划分使得中断源有效或无效。IE还包括一其中
断同意总控制位EA，它能一次禁止所有中断。IE.6位是不可用的。对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。
按时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或纪律触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清。实际上，中断服务程序一定判定是不是是TF2
或EXF2激活中断，标志位也一定由软件清。
定时器和定时器1标志位TF0
和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
3.1.2单片机工作系统设计
复位电路和时钟电路都是单片机最小系统的基本部分。复位电路通常采纳上电自动复位和按键复位两种方式。本系统选用按键手动复位，这种方式便利、简洁、简单操作。它是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。单片机各功能部件的运行都是以时钟控制号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直
接影响单片机的稳定性。时钟电路设计有内部时钟方式和外部时钟方式两种，本系统采纳内部时钟方式。单片机最小系统工作电路如图3.2所示：
图3.2单片机最小系统工作电路
第3.2节温湿度传感器电路
DHT11数字温湿度传感器采纳单线制串行接口，使系统集成变得简单快捷，具有极高的可靠性和历久的不乱性，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高机能8位单片机相连接，因而该产品具有品质卓着、超快相应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗，旌旗灯号传输距离可达20米以上，使其成为各类使用以至最为苛刻的使用场所的最佳选择。
11传感器的特点：
（1）相对湿度和温度测量
（2）全部校准，数字输出
（3）卓着的历久不乱性
（4）无需额外部件
（5）超长的号传输距离
（6）超低能耗
（7）4引脚安装
（8）完全互换
11应用领域
（1）暖通空调测试及检测设备
（2）汽车数据记录器
（3）消费品自动控制
（4）气象站家电
（5）湿度调节器医疗
（6）除湿器
11数字传感器电源引脚以及串行接口
电源引脚：DHT11的供电电压为3～5.5
V。传感器上电后，要等待1s以越过不不乱状态在此时代无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100 nF的电容，用以去耦滤波。
串行接口：DATA
用于微处置惩罚器与DHT11之间的通和同步，采纳单总线数据花式，一次通时间4ms摆布，数据分小数部分和整数部分，详细花式在上面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程为一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据花式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温
度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送精确时校验和数据即是“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU
发送一次开始号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始号结束后，DHT11发送响应号，送出40bit的数据，并触发一次号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11
接收到开始号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式，过程如图3.3所示：
图3.3通进程（1）
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11相应，主机把总线拉低一定大于18ms，包管DHT11能检测到起始旌旗灯号。DHT11接收到主机的开始旌旗灯号后，等待主机开始旌旗灯号结束，然后发送80μs低电平相应旌旗灯号。主机发送开始旌旗灯号结束后，延时等待20～40μs后，读取DHT11的相应旌旗灯号，主机发送开始旌旗灯号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平都可，总线由上拉电阻拉高，进程如图3.4所示：
图3.4通进程（2）
总线为低电平，说明DHT11发送响应号，DHT11发送响应号后，再把总线拉高80μs，准备发送数据，每一bit数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是还是1。格式如图3.5所示。如果读取响应号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最终一个bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
图3.5数字旌旗灯号表示办法
DHT11数字传感器规格与引脚如图3.6所示：
图3.6 DHT11的规格与引脚
11
数字温湿度传感器是一款含有已校准数字号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8
位单片机相连接。接口说明如图3.4所示：
图3.7 DHT11典型应用电路
第3.3节光敏检测电路
光敏电阻是按照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改动而改动。光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。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。
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推断白天和黑夜，同时可辅助湿度传感器检测阴天与晴天，其电路结构图如图3.5所示：
图3.8光敏检测电路
第3.4节直流电机驱动电路
3.4.1直流电机及H桥驱动电路
本设计采纳H桥直流电机驱动电路，直流电机（direct
current
machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能相互转换的电机。当它作电动机运行
时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流电机工作原理：直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再陆续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
H桥驱动电路如图3.6所示，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图3.6及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。电机控制采纳H桥驱动电路，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，一定导通对角线
上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图3.9 H桥驱动电路
要使电机运转，一定使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3.7所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针滚动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向滚动（电机四周的箭头唆使为顺时针方向）。
图3.10 H桥电路驱动电机顺时针转动
图3.8所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图3.11 H桥驱动电机逆时针滚动
3.4.2使能控制和方向纪律
驱动电机时，包管H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常紧张。假如三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管间接回到负极。此时，电路中除三极管
外没有其他任何负载，因而电路上的电流便可能达到最大值（该电流仅受电源机能限制），以至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路便利地控制三极管的开关。
图3.9
所示就是基于这类考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门统一个“使能”导通旌旗灯号相接，这样，用这一个旌旗灯号便可以控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以包管任何时候在H桥的同侧腿上都只要一个三极管能导通。（与本节前面的示企图一样，图3.9所示也不是一个完整的电路图，格外是图中与门和三极管间接连接是不能正常工作的。）
图3.12具有使能控制和方向纪律的H桥电路
采纳以上方法，电机的运转就只需要用三个号控制：两个方向号和一个使能号。如果DIR－L号为，DIR－R号为1，并且使能号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图3.10所示）；如果DIR－L号变为1，而DIR－R号变为，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
图3.
13
使能号
与方向
号的使用
附：分立元件的H桥驱动电路如图3.11所示：
图3.14分立元件的H桥驱动电路
由于单片机IO口的输出电流较小，不足以驱动直流电机，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负载能力。电路如图3.12所示：
图3.15 7407驱动电路
第4章控制系统软件设计
第4.1节程序流程图
系统软件设计采纳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图4.1所示：
图4.1程序流程图
第4.2节程序设计
C
语言是一种计较机程序设计语言。它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系统设计语言，编写工作系统使用程序，也可以作为使用程序设计语言，编写不依赖计较机硬件的使用程序。C语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场所，用C语言明明优于别的解释型高级语言.C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处置惩罚能力，因而适于编写系统软件，并且它是数值计较的高级语言。以是本次设计采纳C语言编程。
第4.3节系统初始化
软件系统设计设置包括声明库函数如：#include
工作（单总线在ROM命令发送之前存储命令和控制命令不起作用）。接口定义系统应用如下：
sbit DQ=P1^7；//数据传输线接单片机的相应管脚
sbit key1=P1^3；//温湿度切换
sbit key2=P2^4；//电机正转使衣架打开
sbit key3=P3^5；//电机反转使衣架收回
系统初始化还要定系统中的数据变量如：bit FLAG；
extern unsigned char LcdBuf[5]；
INT8U LcdBuf[5]={0}；
unsigned char tempL=0；//设全局变量
unsigned char tempH=1；
float temperature；//w温湿度值保存在temperature里
第4.4节温湿度检测
温湿度检测采纳DHT11温湿度传感器，因为DHT11的单总线体式格局，数据的读写都占用统一根线，以是每一种操作都一定严厉按照时序进行。图4.2为测温子系统流程图。单片机第一发送复位脉冲，该脉冲使旌旗灯号线上的DHT11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DHT11被激活。被激活后的DHT11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制命令不起感化）。
系统复位
系统复位
发匹配ROM指令发匹配ROM指令
发64位ROM码发64位ROM码
发温湿度转换命令发读暂存命令
否
完成转换？
读数据至内存
是返回
图4.2温度检测流程图
湿度测试采纳555转换电路来测试，系统第一通过外部按时器测出555转换电路的输出频次，按照测试频次利用公式4.1计较出湿度传感器阻抗，通过上面DHT11对温度的测试，这里读取温度值，查询下表4.1获得当前湿度值。
1.43
2*.01*10
f*2400*.01*10
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
15℃
518.8
347.6
277.2
172.8
96.3
70.8
56.2
43.3
31.3
22.6
15.8
10.48
7
6
6
*10
3
（4.1）
*f
35℃
256.7
143
93.6
60.3
41.43
29.12
20.8
15.61
11.51
8.74
6.52
4.52
3.15
45℃
241.3
137
81.53
52.7
34.3
24.25
17.71
13.12
10.09
7.35
5.46
3.89
2.65
55℃
137
80.33
5.
33.38
22.05
15.88
12.17
9.02
6.58
4.64
3.38
2.48
1.807
表4.1 0-60℃湿度阻抗特性数据
25℃
352.8
261.8
166.6
92.8
60.6
40.4
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