牛喜娟
摘 要:隨著時代的發(fā)展,女性逐漸改變原來的“家庭主婦”的形象,步入職場。但身份的轉(zhuǎn)換也難逃家務(wù)的支配,本課題是想要設(shè)計一款以溫濕度傳感器控制下的晾衣架,減輕這些職業(yè)女性的工作量。對于外面多變的環(huán)境狀況,因為有工作,更多家庭會選擇將衣服晾在室內(nèi),但是仍有衣服晾曬程度不均的情況,尤其是在南方潮濕的天氣里,衣服變干燥更難,更甚者會出現(xiàn)發(fā)霉的狀況。本設(shè)計中的晾衣架安裝在陽臺外面,根據(jù)光敏電阻和溫濕度傳感器的參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進行比較來決定衣架的伸縮,使衣物邊干。
此本課題研究的晾衣架系統(tǒng)是以單片機為核心,通過溫濕度傳感器和光敏電阻監(jiān)測外部環(huán)境,然后與系統(tǒng)所設(shè)的光照及濕度預(yù)設(shè)值進行比較,在智能模式時,電動機控制晾衣架進行自動晾衣;手動模式時,配以報警和指示燈狀態(tài)會變成紅色加以提醒。
關(guān)鍵詞:晾衣架;AT89C52單片機;DHT11
第1章 相關(guān)技術(shù)及工具背景介紹
1.1 相關(guān)技術(shù)
1.1.1單片機技術(shù)
MCU微控制器,也被稱作單片微型計算機和單片機。這類微控制器是把中央處理器的規(guī)格以及工作頻率做了適當(dāng)?shù)目s減,并且整合了存儲器、定時計數(shù)器、串口等接口的芯片級計算機。
1.1.2 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)
AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是將外界監(jiān)測到的溫濕度,通過內(nèi)部的一個數(shù)據(jù)處理,轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,以便后面實驗所用。但是在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前,必須將所有的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換之后,輸出的數(shù)字信號可以有多種位數(shù),滿足不同需求。數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)在我們的系統(tǒng)中非常重要,因為我們的現(xiàn)實生活中能夠獲取到的都是物理信號,我們必須將這些信號進行處理,才能使用它們,達到我們的實驗?zāi)康摹?/p>
第2章 溫濕度傳感器控制下的晾衣架系統(tǒng)設(shè)計
2.1 功能設(shè)計
系統(tǒng)包括兩種工作模式:
(1)自動(智能)模式:系統(tǒng)復(fù)位默認(rèn)工作在自動控制模式,如果外部環(huán)境為高濕度低光照的情況下,晾衣架自動收回,否則伸長,對應(yīng)指示燈亮,因為自動沒有讓蜂鳴器和指示燈提示。
(2)手動模式:高濕度低光照的情況下蜂鳴器會響指示燈會亮,可以手動調(diào)節(jié)伸縮操作。安排一個手動開關(guān),主要是為了防止一些特殊情況的發(fā)生,或者對一些特殊情況需要做一些特別的處理。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)模塊包括光敏電阻傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、PCF8591 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊、聲音報警模塊、LCD1602A顯示器模塊、電機電路模塊、手動控制模塊、LED燈模塊以及C52單片機模塊。
2.3模塊設(shè)計
2.3.1 按鍵模塊
四個獨立按鍵定義為:
button1 ,顯示頁面標(biāo)志,0主頁1設(shè)置頁;
button2,當(dāng)前是設(shè)置頁時,移動設(shè)置參數(shù)標(biāo)志;
button3 ,當(dāng)前頁是主頁時,如果是手動模式,設(shè)置op為1伸長標(biāo)志,如果不是主頁,根據(jù)setIndex判斷當(dāng)前設(shè)置的參數(shù),并對那個參數(shù)進行+1操作;
button4,當(dāng)前頁是主頁時,如果是手動模式,設(shè)置op為2收回標(biāo)志,如果不是主頁,根據(jù)setIndex判斷當(dāng)前設(shè)置的參數(shù),并對那個參數(shù)進行-1操作;
2.3.2 電機模塊
本課題中所使用的L298N電機主要是為了給模擬晾衣架工作狀態(tài)的馬達提供外動力,以此來達到實驗所要的效果,而為了實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。
工作狀態(tài)具體分析如下:
① ?每兩根線控制一個一個馬達A和B,最先對四個接口初始化。當(dāng)控制A的0號線輸入低電平,1號線輸入高電平時,馬達A 正轉(zhuǎn);
② ?當(dāng)控制A的0號線輸入高電平,1號線輸入低電平時,馬達A 反轉(zhuǎn);
③ ?當(dāng)控制B的0號線輸入高電平,1號線輸入低電平時,馬達B正轉(zhuǎn);
④ ?當(dāng)控制B的0號線輸入低電平,1號線輸入高電平時,馬達B反轉(zhuǎn);
⑤ ?當(dāng)控制馬達AB的0號線和1號線均為低電平時,則電機停止工作。
2.3.3 LCD1602A 顯示器模塊
LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性,通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制,即可以顯示出圖形。采用四線驅(qū)動向LCD1602寫入指令和數(shù)據(jù),要從LCD1602讀取數(shù)據(jù),需要采用八線驅(qū)動,則可以讀寫。
2.3.4 報警和指示燈模塊
采用蜂鳴器報警電路。用3個不同顏色的發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)。功能分析具體如下:
①自動模式:高濕度低光照的情況下自動收回,否則伸長,對應(yīng)指示燈亮,因為自動沒有讓蜂鳴器和指示燈提示。
②手動模式:高濕度低光照的情況下蜂鳴器會響指示燈會亮,可以手動調(diào)節(jié)伸縮操作。
2.3.5 DHT11溫濕度傳感器模塊
本課題所使用的DHT11溫濕度傳感器的主要工作模式是:將外界環(huán)境的溫度及濕度值進行采集,然后在傳感器在低電平信號時,過濾掉80微妙低電平和80微妙高電平之后,準(zhǔn)備開始讀取40位數(shù)據(jù)。在進行一系列對數(shù)據(jù)進行處理后,再傳給AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器,進行后續(xù)的實驗操作。
2.3.6 PCF8591 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊
8位AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊,有4個模擬輸入信號、1個模擬輸出信號,采用I2C協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。
具體功能如下:
PCF8591 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器將監(jiān)測到的外界環(huán)境的溫度以及濕度這兩種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并且根據(jù)數(shù)據(jù)計算出溫度和濕度,將其正確的顯現(xiàn)在顯示器上,再通過計算出的溫濕度值來對晾衣架進行伸或是縮的操作,以達到智能晾衣架的目的。
2.3.7 光敏傳感器模塊
通過光敏電阻傳感器模塊采集光照強度,并將光照強度轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出到PCF8591 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,由PCF8591將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并且根據(jù)獲取的數(shù)值計算出光照強度比例,計算出數(shù)據(jù)之后,再跟預(yù)設(shè)值進行比較,來判斷晾衣架是否伸縮,達到智能晾衣架的功能。
第3章 溫濕度傳感器控制下的晾衣架系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.1 按鍵模塊初始化、判斷及賦值
按鍵模塊包含4個獨立按鍵, button1 顯示頁面標(biāo)志,0主頁1設(shè)置頁;button2當(dāng)前是設(shè)置頁時,移動設(shè)置參數(shù)標(biāo)志;button3 當(dāng)前頁是主頁時,如果是手動模式,設(shè)置op為1伸長標(biāo)志,如果不是主頁,根據(jù)setIndex判斷當(dāng)前設(shè)置的參數(shù),并對那個參數(shù)進行+1操作;button4當(dāng)前頁是主頁時,如果是手動模式,設(shè)置op為2收回標(biāo)志,如果不是主頁,根據(jù)setIndex判斷當(dāng)前設(shè)置的參數(shù),并對那個參數(shù)進行-1操作。
按鍵判斷流程圖如圖3-1所示。
3.2 LCD1602A顯示器模塊功能的實現(xiàn)
具體實現(xiàn)方法是:第一先使顯示器進行初始化操作;第二輸入i=0,并且判斷l(xiāng)ine是否為0,若是,則設(shè)置數(shù)據(jù)位置指針在第一行的第一個位置,否則設(shè)置數(shù)據(jù)位置指針在第二行的第一個位置。倘若i<16,則進行i++操作。數(shù)據(jù)操作流程圖如圖3-2 所示,四位數(shù)據(jù)拆分如圖3-3所示。
3.3 i2c總線的實現(xiàn)
I2C總線是一種同步串行總線協(xié)議。在本課題中,是一種自定義協(xié)議,只需要兩根線就可以通過該協(xié)議連接兩個器件。主器件的功能是是傳送數(shù)據(jù),而從器件是被尋址的、進行讀取數(shù)據(jù)的功能。具體功能實現(xiàn):
①首先通過開始信號、結(jié)束信號以及應(yīng)答信號完成I2C通信協(xié)議的三次握手。
②其次,發(fā)送8位數(shù)據(jù)到AD;然后,AD讀8位數(shù)據(jù)。
③最后進行寫操作、讀操作并且獲取轉(zhuǎn)換后的強度。
其中,發(fā)送數(shù)據(jù)如圖3-4所示;讀取數(shù)據(jù)如圖3-5所示。
3.4 DHT11溫濕度傳感器模塊的實現(xiàn)
首先對DHT11溫濕度傳感器讀到的外界環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)進行運算處理,然后輸出低電平信號,保持18毫秒低電平信號,釋放拉高電平信號,等待20微秒,繼續(xù)拉高電平信號,如果檢測到DHT11的低電平信號,過濾DHT11的80微秒低電平信號,過濾DHT11的80微秒高電平信號,準(zhǔn)備開始讀取40位數(shù)據(jù),依次讀取濕度整數(shù)部分、濕度小數(shù)部分、溫度整數(shù)部分、溫度小數(shù)部分,最后則顯示在顯示器上。DHT11溫濕度傳感器運行函數(shù)流程圖如圖3-6 所示。
3.5 軟件整體設(shè)計
首先對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置,然后通過DHT11溫濕度傳感器和光敏電阻來監(jiān)測外部環(huán)境的溫濕度,再通過AD轉(zhuǎn)換器將監(jiān)測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
其次,判斷html為主頁面還是設(shè)置頁面。當(dāng)工作模式為0且op為1時,電動機正轉(zhuǎn);
當(dāng)工作模式為0且op為2時,電動機反轉(zhuǎn);
當(dāng)工作模式為1且在主頁面時,若監(jiān)測外界濕度大于預(yù)設(shè)濕度值、外界光照小于預(yù)設(shè)光照值時,綠燈亮,此情況下晾衣架伸縮檔大于0,的話,電動機反轉(zhuǎn),否則綠燈滅;
若排除“監(jiān)測外界濕度大于預(yù)設(shè)濕度值、外界光照小于預(yù)設(shè)光照值”時,在其他情況下黃燈亮,此時若晾衣架伸縮檔小于5的話,電動機正轉(zhuǎn),否則黃燈滅;
當(dāng)工作模式為0且在主頁面且晾衣架伸縮檔大于0的情況下,若監(jiān)測外界濕度大于預(yù)設(shè)濕度值、外界光照小于預(yù)設(shè)光照值,紅燈亮,蜂鳴器響,以此來提醒用戶收縮晾衣架,排除高濕度低光照的其他情況下,紅燈不亮,蜂鳴器不響。
第4章 成果展示
4.1 兩種界面展示
html=0,主頁面;html=1,設(shè)置頁。
如圖4-1、4-2所示:
4.2 光照調(diào)節(jié)功能展示
在展示光照調(diào)節(jié)功能時,程序內(nèi)的預(yù)設(shè)光照值為20%,預(yù)設(shè)濕度值為10%。不同光照強度下,LED的狀態(tài),晾衣架伸縮檔情況,實物圖展示如圖4-3、4-4所示:
4.3 濕度調(diào)節(jié)功能展示
因為濕度的實驗條件很難達到,存在很多不可抗因素的干擾,根據(jù)設(shè)計原理可得出,在判斷濕度調(diào)節(jié)功能時,在光照一定的情況下,當(dāng)預(yù)設(shè)濕度值為80%時,若測量濕度值小于80%,晾衣架伸縮檔大于0則判定實驗成功;當(dāng)預(yù)設(shè)值為10%時,若測量濕度值大于10%,晾衣架伸縮檔為0則判定實驗成功。
不同濕度值下,LED的狀態(tài)、晾衣架伸縮檔情況實物圖展示如圖4-5、4-6:
4.4 手動調(diào)節(jié)功能展示
當(dāng)model為0時,則為手動模式情況下。手動模式:高濕度低光照的情況下蜂鳴器會響,紅燈會亮,可以手動調(diào)節(jié)伸縮操作,如圖4-8所示。
結(jié)論
本課題的具體工作如下:首先對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置,然后通過光敏電阻和溫濕度傳感器采集外界環(huán)境的溫濕度值,然后根據(jù)
監(jiān)測到的外界環(huán)境來進行具體的操作。在智能模式情況下,通過溫濕度傳感器監(jiān)測到的外界環(huán)境的濕度值大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)濕度值,
有且光敏電阻監(jiān)測到的外界環(huán)境光照值小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)光照值,且晾衣架伸縮檔大于0的情況下,綠燈亮,晾衣架收回;不滿足高濕度低光照的條件,則黃燈亮,此時若晾衣架伸縮檔為0時,則晾衣架伸縮檔伸出。
在手動模式下,若監(jiān)測到的外界環(huán)境為高濕度低光照的情況,且晾衣架伸縮檔大于0,則紅燈亮,蜂鳴器響,以此來提醒用戶進行手動伸縮晾衣架。
通過這次的智能晾衣架系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),我深深地體會到了人工智能帶來的變革,它使我們的生活更加便利,同時在一定程度上減少了職業(yè)女性的家庭負(fù)擔(dān)。
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(作者單位:西南財經(jīng)大學(xué),四川 成都 610000)