陳玉青，洪連環(huán)，胡 斌

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

隨著當(dāng)今時代的發(fā)展和變化，人們對于生活的舒適度和便捷度要求越來越高，于是智能家居在近幾年成為熱議話題并且快速發(fā)展。對于上班族來說，晾曬衣物作為生活中重要部分，仍然普遍存在著衣物被淋濕或者被打濕的情況[1]，故對晾衣架的智能性要求越來越高。目前已有的一些自動升降晾衣架，用戶通過遙控裝置控制，僅僅是解決了傳統(tǒng)晾衣費力的問題，并且由于價格較高，真正使用的家庭比較少[2]。已經(jīng)研究的可自動伸縮的防雨晾衣架，大多都是通過光傳感器或者光敏電阻識別白天和夜晚來實現(xiàn)晾衣架的伸縮。然而使用光敏傳感或光敏電阻識別存在一定的誤差，在晚上容易受到室內(nèi)燈光或者鄰居燈光的影響，從而導(dǎo)致錯誤識別伸出衣架，造成弄濕衣物的后果。本文設(shè)計的智能防雨伸縮晾衣架系統(tǒng)，通過DS1302定時芯片設(shè)定定時區(qū)間來精確定時區(qū)別白天與夜晚[3]，不會受到外界光照的影響，很好地解決了這一問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以STC89C52單片機芯片作為主控元件，與外圍電路形成的單片機最小系統(tǒng)作為核心控制模塊。通過太陽能電池板為系統(tǒng)供電，結(jié)合濕度檢測模塊和定時器定時模塊進行大氣環(huán)境濕度信息的檢測以及晝夜變化的判定，通過液晶屏顯示模塊進行檢測信息的顯示以及按鍵設(shè)定信息的顯示，單片機對這些信息進行處理并輸出信號控制步進電機驅(qū)動模塊的動作，并且聯(lián)合指示燈實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)各模塊構(gòu)成的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

選用單片機最小系統(tǒng)作為整個晾衣架設(shè)計的控制中心，其中，控制芯片采用STC89C52，具有低功耗性和極強的穩(wěn)定性。采用內(nèi)部時鐘電路為整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)各模塊運行提供基準(zhǔn)脈沖，選用12 MHz的石英晶振。復(fù)位電路作為單片機系統(tǒng)的一種保護電路，能夠使單片機恢復(fù)到初始狀態(tài)，重新開始運行。本系統(tǒng)中采用按鍵復(fù)位方式。單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 太陽能供電模塊

整個晾衣架系統(tǒng)的供電通過太陽能電池板吸收太陽光來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用單晶硅太陽能電池板吸收太陽光轉(zhuǎn)換成電能，其轉(zhuǎn)換效率比其他類型的太陽能電池板更高，并且使用壽命也較長，可以大大提高太陽光的有效利用率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

圖2 系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路圖

2.3 DHT11濕度檢測模塊

濕度檢測模塊采用DHT11 數(shù)字式溫濕度傳感器，通過內(nèi)部的感濕元件檢測大氣濕度，并經(jīng)過了數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的處理，輸出信號具有極高的精確性和可靠性[5]。其濕度測量范圍為20%～90%RH，測量精度達到±5%RH，滿足本系統(tǒng)中測量大氣環(huán)境濕度的要求。DHT11 與單片機之間的數(shù)據(jù)通信采用單總線通信的方式[6]，設(shè)計電路中將DHT11 的雙向數(shù)據(jù)通信接口DATA 與單片機P2.4引腳相連，由于測量距離小于20 m，外接1 個4.7 kΩ 的 上 拉 電阻。具體電路原理圖如圖3所示。

圖3 DHT11濕度檢測電路圖

2.4 LCD1602液晶顯示模塊

在本系統(tǒng)中，LCD1602 作為主要顯示部分，用于顯示實時感知的大氣濕度和預(yù)設(shè)濕度，以及實時時間和設(shè)定的定時區(qū)間。其能同時顯示32個字符，可以直接通過編程來實現(xiàn)讀/寫操作和光標(biāo)的定位，易于控制和使用。本系統(tǒng)選用帶背光含16 個引腳的LCD1602，其中D0～D7 作為數(shù)據(jù)通信引腳，與單片機的P0口相連；而主要的控制引腳，即寄存器選擇腳RS、讀寫信號腳R/W、使能端E，分別與單片機的P2.6、P2.5、P2.7 相連。為了調(diào)整背光亮度和去耦濾波，在LCD 中外接電阻和電容，該模塊電路設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 LCD1602液晶顯示電路圖

2.5 DS1302定時模塊

為了使晾衣架能自動識別白天與黑夜，且不受到燈光的影響而作出錯誤判斷，系統(tǒng)采用定時模塊設(shè)定定時區(qū)間來區(qū)分白天與黑夜。由于定時器模塊是全天候工作的，選用DS1302 定時器芯片，可以為系統(tǒng)提供精確的定時時間。DS1302是一款涓流充電時鐘芯片，數(shù)據(jù)傳輸速度快且功耗較低。計時時間可以從年精確到秒，同時具有時間調(diào)整的功能。內(nèi)部采用雙電源供應(yīng)模式，備用電源可以在主電源斷電時供電繼續(xù)時鐘的運行，從而實現(xiàn)掉電不丟失數(shù)據(jù)[7]。

DS1302的計時模式可以分為24 h和12 h制，本系統(tǒng)選用24 h 制計時模式。其與單片機之間的數(shù)據(jù)通信通過內(nèi)部的串行引腳來實現(xiàn)，串行引腳主要有時鐘引腳SCLK、數(shù)據(jù)通信引腳I/O、復(fù)位引腳RST，將它們分別接至單片機P1.1、P1.2、P1.3引腳上。DS1302定時模塊電路如圖5所示。

圖5 DS1302定時模塊電路圖

2.6 步進電機驅(qū)動模塊

為了實現(xiàn)晾衣架的自動伸縮，本系統(tǒng)采用28BYJ48 四相八拍步進電機作為驅(qū)動器，其轉(zhuǎn)動控制是通過單片機發(fā)出的電脈沖信號來實現(xiàn)的，具有噪聲低、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)的優(yōu)點，適用于本系統(tǒng)中的家居晾衣架。

由于單片機的輸出信號較小，達不到控制晾衣架伸縮的要求，需要通過ULN2003 驅(qū)動芯片將脈沖信號放大來實現(xiàn)[8]。該芯片包含7個輸入端口和7個輸出端口，由于選用的是四相八拍式步進電機，只需使用其中的4個輸入和4個輸出端口，驅(qū)動模塊電路中，單片機通過P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引腳連接驅(qū)動芯片的4個輸入端口IN1-IN4，來實現(xiàn)控制脈沖信號的輸出。步進電機驅(qū)動模塊電路如圖6所示。

圖6 步進電機驅(qū)動模塊電路圖

2.7 按鍵指示燈模塊

本系統(tǒng)設(shè)置按鍵分別用于模式的切換，手動模式下晾衣架的伸縮控制、預(yù)設(shè)濕度數(shù)值的加減以及定時區(qū)間的調(diào)整。按鍵指示燈模塊電路如圖7 所示，S1 為切換按鍵，初始狀態(tài)下為智能模式，LCD 顯示當(dāng)前時間以及定時區(qū)間，可以通過S3和S4分別改變定時區(qū)間的上下限。當(dāng)按一下S1時，LCD顯示實時檢測濕度以及預(yù)設(shè)濕度數(shù)值，可通過按鍵S2和S3進行預(yù)設(shè)濕度數(shù)值的改變。當(dāng)按兩下S1時，模式切換為手動模式，此時可以通過S2 和S3實現(xiàn)晾衣架的伸縮控制。

LED 指示燈用于指示當(dāng)前晾衣架狀態(tài)，當(dāng)處于自動模式下時，LED1亮紅燈，手動模式下熄滅。LED2 和LED3分別用于指示晾衣架的晾衣和收衣狀態(tài)，當(dāng)處于晾衣狀態(tài)下時，LED2 亮黃燈，LED3 不亮；處于收衣狀態(tài)下時，LED3亮藍燈，LED2不亮。

圖7 按鍵指示燈模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)運用C 語言進行程序的編寫，主要運用if、while語句進行條件的判斷，采用模塊化程序設(shè)計的思想，設(shè)計主程序并對各個模塊子程序進行調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)整個程序的編程控制。

3.1 DS1302定時模塊程序設(shè)計

DS1302定時模塊子程序首先定義了各個數(shù)據(jù)和寄存器的地址，然后進行子模塊的初始化，通過將復(fù)位引腳RST 和時鐘引腳SCLK置于低電平來實現(xiàn)。該模塊的核心部分就是單片機和時鐘芯片之間數(shù)據(jù)的讀寫操作。在進行寫操作時，先將RST置于高電平使能啟動DS1302總線，再依據(jù)單字節(jié)傳送方式，將8 位地址和數(shù)據(jù)先后寫入DS1302。在進行讀操作時，同樣先使能片選信號RST，再依次寫入目標(biāo)地址并讀出數(shù)據(jù)信息。在進行讀和寫操作時，都要將命令字節(jié)D7設(shè)置為邏輯1，否則處于寫保護狀態(tài)下無法進行數(shù)據(jù)交換[9]。

3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計

程序從主程序開始執(zhí)行，主程序中首先進行各個引腳的定義以及函數(shù)的聲明，然后對各個子程序模塊進行初始化，依次進行LCD液晶屏顯示模塊、DS1302定時模塊、濕度檢測模塊的初始化，之后系統(tǒng)對按鍵進行不斷掃描，根據(jù)掃描的結(jié)果結(jié)合大氣環(huán)境進行響應(yīng)的動作。具體主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的這個智能防雨晾衣架系統(tǒng)基于STC89C52單片機芯片，通過太陽能板模塊供電，符合當(dāng)前的綠色節(jié)能理念。通過DS1302定時芯片區(qū)別晝夜，不易受到其他光源的影響。且設(shè)有2種工作模式，智能模式下可實現(xiàn)根據(jù)外界環(huán)境自動晾收衣，手動模式下可自己控制晾衣收衣，系統(tǒng)更具實際應(yīng)用性。設(shè)定的定時時間和預(yù)設(shè)濕度可調(diào)，使系統(tǒng)具有一定的靈敏性和通用性，結(jié)構(gòu)簡單、便于操作，造價更符合作為晾衣架的標(biāo)準(zhǔn)，適合上班族和普通大眾家庭使用，具有一定的推廣價值。