温湿度传感器控制下的晾衣架设计研究

牛喜娟

摘 要：随着时代的发展，女性逐渐改变原来的“家庭主妇”的形象，步入职场。但身份的转换也难逃家务的支配，本课题是想要设计一款以温湿度传感器控制下的晾衣架，减轻这些职业女性的工作量。对于外面多变的环境状况，因为有工作，更多家庭會选择将衣服晾在室内，但是仍有衣服晾晒程度不均的情况，尤其是在南方潮湿的天气里，衣服变干燥更难，更甚者会出现发霉的状况。本设计中的晾衣架安装在阳台外面，根据光敏电阻和温湿度传感器的参数与系统预设值进行比较来决定衣架的伸缩，使衣物边干。

此本课题研究的晾衣架系统是以单片机为核心，通过温湿度传感器和光敏电阻监测外部环境，然后与系统所设的光照及湿度预设值进行比较，在智能模式时，电动机控制晾衣架进行自动晾衣;手动模式时，配以报警和指示灯状态会变成红色加以提醒。

关键词：晾衣架;AT89C52单片机;DHT11

第1章 相关技术及工具背景介绍

1.1 相关技术

1.1.1单片机技术

MCU微控制器，也被称作单片微型计算机和单片机。这类微控制器是把中央处理器的规格以及工作频率做了适当的缩减，并且整合了存储器、定时计数器、串口等接口的芯片级计算机。

1.1.2 AD数模转换技术

AD数模转换器就是将外界监测到的温湿度，通过内部的一个数据处理，转化成数字信号，以便后面实验所用。但是在进行数模转换之前，必须将所有的信号转换成电压信号。数模转换之后，输出的数字信号可以有多种位数，满足不同需求。数模转换技术在我们的系统中非常重要，因为我们的现实生活中能够获取到的都是物理信号，我们必须将这些信号进行处理，才能使用它们，达到我们的实验目的。

第2章 温湿度传感器控制下的晾衣架系统设计

2.1 功能设计

系统包括两种工作模式：

（1）自动（智能）模式：系统复位默认工作在自动控制模式，如果外部环境为高湿度低光照的情况下，晾衣架自动收回，否则伸长，对应指示灯亮，因为自动没有让蜂鸣器和指示灯提示。

（2）手动模式：高湿度低光照的情况下蜂鸣器会响指示灯会亮，可以手动调节伸缩操作。安排一个手动开关，主要是为了防止一些特殊情况的发生，或者对一些特殊情况需要做一些特别的处理。

2.2 系统设计

系统模块包括光敏电阻传感器模块、DHT11温湿度传感器模块、PCF8591 AD数模转换器模块、声音报警模块、LCD1602A显示器模块、电机电路模块、手动控制模块、LED灯模块以及C52单片机模块。

2.3模块设计

2.3.1 按键模块

四个独立按键定义为：

button1 ，显示页面标志，0主页1设置页;

button2，当前是设置页时，移动设置参数标志;

button3 ，当前页是主页时，如果是手动模式，设置op为1伸长标志，如果不是主页，根据setIndex判断当前设置的参数，并对那个参数进行+1操作;

button4，当前页是主页时，如果是手动模式，设置op为2收回标志，如果不是主页，根据setIndex判断当前设置的参数，并对那个参数进行-1操作;

2.3.2 电机模块

本课题中所使用的L298N电机主要是为了给模拟晾衣架工作状态的马达提供外动力，以此来达到实验所要的效果，而为了实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。

工作状态具体分析如下：

①  每两根线控制一个一个马达A和B，最先对四个接口初始化。当控制A的0号线输入低电平，1号线输入高电平时，马达A 正转;

②  当控制A的0号线输入高电平，1号线输入低电平时，马达A 反转;

③  当控制B的0号线输入高电平，1号线输入低电平时，马达B正转;

④  当控制B的0号线输入低电平，1号线输入高电平时，马达B反转;

⑤  当控制马达AB的0号线和1号线均为低电平时，则电机停止工作。

2.3.3 LCD1602A 显示器模块

LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。采用四线驱动向LCD1602写入指令和数据，要从LCD1602读取数据，需要采用八线驱动，则可以读写。

2.3.4 报警和指示灯模块

采用蜂鸣器报警电路。用3个不同颜色的发光二极管显示工作状态。功能分析具体如下：

①自动模式：高湿度低光照的情况下自动收回，否则伸长，对应指示灯亮，因为自动没有让蜂鸣器和指示灯提示。

②手动模式：高湿度低光照的情况下蜂鸣器会响指示灯会亮，可以手动调节伸缩操作。

2.3.5 DHT11温湿度传感器模块

本课题所使用的DHT11温湿度传感器的主要工作模式是：将外界环境的温度及湿度值进行采集，然后在传感器在低电平信号时，过滤掉80微妙低电平和80微妙高电平之后，准备开始读取40位数据。在进行一系列对数据进行处理后，再传给AD数模转换器，进行后续的实验操作。

2.3.6 PCF8591 AD数模转换器模块

8位AD数模转换器模块，有4个模拟输入信号、1个模拟输出信号，采用I2C协议进行数据传输。

具体功能如下：

PCF8591 AD数模转换器将监测到的外界环境的温度以及湿度这两种模拟信号转换为数字信号，并且根据数据计算出温度和湿度，将其正确的显现在显示器上，再通过计算出的温湿度值来对晾衣架进行伸或是缩的操作，以达到智能晾衣架的目的。

2.3.7 光敏传感器模块

通过光敏电阻传感器模块采集光照强度，并将光照强度转换为模拟信号输出到PCF8591 AD数模转换模块，由PCF8591将模拟信号转换为数字信号，并且根据获取的数值计算出光照强度比例，计算出数据之后，再跟预设值进行比较，来判断晾衣架是否伸缩，达到智能晾衣架的功能。

第3章 温湿度传感器控制下的晾衣架系统的实现

3.1 按键模块初始化、判断及赋值

按键模块包含4个独立按键， button1 显示页面标志，0主页1设置页;button2当前是设置页时，移动设置参数标志;button3 当前页是主页时，如果是手动模式，设置op为1伸长标志，如果不是主页，根据setIndex判断当前设置的参数，并对那个参数进行+1操作;button4当前页是主页时，如果是手动模式，设置op为2收回标志，如果不是主页，根据setIndex判断当前设置的参数，并对那个参数进行-1操作。

按键判断流程图如图3-1所示。

3.2 LCD1602A显示器模块功能的实现

具体实现方法是：第一先使显示器进行初始化操作;第二输入i=0，并且判断line是否为0，若是，则设置数据位置指针在第一行的第一个位置，否则设置数据位置指针在第二行的第一个位置。倘若i<16，则进行i++操作。数据操作流程图如图3-2 所示，四位数据拆分如图3-3所示。

3.3 i2c总线的实现

I2C总线是一种同步串行总线协议。在本课题中，是一种自定义协议，只需要两根线就可以通过该协议连接两个器件。主器件的功能是是传送数据，而从器件是被寻址的、进行读取数据的功能。具体功能实现：

①首先通过开始信号、结束信号以及应答信号完成I2C通信协议的三次握手。

②其次，发送8位数据到AD;然后，AD读8位数据。

③最后进行写操作、读操作并且获取转换后的强度。

其中，发送数据如图3-4所示;读取数据如图3-5所示。

3.4 DHT11温湿度传感器模块的实现

首先对DHT11温湿度传感器读到的外界环境的湿度数据进行运算处理，然后输出低电平信号，保持18毫秒低电平信号，释放拉高电平信号，等待20微秒，继续拉高电平信号，如果检测到DHT11的低电平信号，过滤DHT11的80微秒低电平信号，过滤DHT11的80微秒高电平信号，准备开始读取40位数据，依次读取湿度整数部分、湿度小数部分、温度整数部分、温度小数部分，最后则显示在显示器上。DHT11温湿度传感器运行函数流程图如图3-6 所示。

3.5 软件整体设计

首先对系统进行初始化设置，然后通过DHT11温湿度传感器和光敏电阻来监测外部环境的温湿度，再通过AD转换器将监测到的模拟信号转换为数字信号。

其次，判断html为主页面还是设置页面。当工作模式为0且op为1时，电动机正转;

当工作模式为0且op为2时，电动机反转;

当工作模式为1且在主页面时，若监测外界湿度大于预设湿度值、外界光照小于预设光照值时，绿灯亮，此情况下晾衣架伸缩档大于0，的话，电动机反转，否则绿灯灭;

若排除“监测外界湿度大于预设湿度值、外界光照小于预设光照值”时，在其他情况下黄灯亮，此时若晾衣架伸缩档小于5的话，电动机正转，否则黄灯灭;

当工作模式为0且在主页面且晾衣架伸缩档大于0的情况下，若监测外界湿度大于预设湿度值、外界光照小于预设光照值，红灯亮，蜂鸣器响，以此来提醒用户收缩晾衣架，排除高湿度低光照的其他情况下，红灯不亮，蜂鸣器不响。

第4章 成果展示

4.1 两种界面展示

html=0，主页面;html=1，设置页。

如图4-1、4-2所示：

4.2 光照调节功能展示

在展示光照调节功能时，程序内的预设光照值为20%，预设湿度值为10%。不同光照强度下，LED的状态，晾衣架伸缩档情况，实物图展示如图4-3、4-4所示：

4.3 湿度调节功能展示

因为湿度的实验条件很难达到，存在很多不可抗因素的干扰，根据设计原理可得出，在判断湿度调节功能时，在光照一定的情况下，当预设湿度值为80%时，若测量湿度值小于80%，晾衣架伸缩档大于0则判定实验成功;当预设值为10%时，若测量湿度值大于10%，晾衣架伸缩档为0则判定实验成功。

不同湿度值下，LED的状态、晾衣架伸缩档情况实物图展示如图4-5、4-6：

4.4 手动调节功能展示

当model为0时，则为手动模式情况下。手动模式：高湿度低光照的情况下蜂鸣器会响，红灯会亮，可以手动调节伸缩操作，如图4-8所示。

结论

本課题的具体工作如下：首先对系统进行初始化设置，然后通过光敏电阻和温湿度传感器采集外界环境的温湿度值，然后根据

监测到的外界环境来进行具体的操作。在智能模式情况下，通过温湿度传感器监测到的外界环境的湿度值大于系统预设湿度值，

有且光敏电阻监测到的外界环境光照值小于系统预设光照值，且晾衣架伸缩档大于0的情况下，绿灯亮，晾衣架收回;不满足高湿度低光照的条件，则黄灯亮，此时若晾衣架伸缩档为0时，则晾衣架伸缩档伸出。

在手动模式下，若监测到的外界环境为高湿度低光照的情况，且晾衣架伸缩档大于0，则红灯亮，蜂鸣器响，以此来提醒用户进行手动伸缩晾衣架。

通过这次的智能晾衣架系统的设计与实现，我深深地体会到了人工智能带来的变革，它使我们的生活更加便利，同时在一定程度上减少了职业女性的家庭负担。

[参考文献]

[1] 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计与应用[M].合肥：中国科学技大学出版社，2001：77-94.

[2] 李祖林，张忠贤.基于数学信号处理器和单片机的回转驱动电机控制研究[J].湖南工业大学学报，2008，22（6）：65-67.

[3] 周润景.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010：98-132.

[4] 帕拉克.機电系统中的传感器与驱动器[M].北京：机械工业出版社，201264-105.

[5] 寿宏，林利栋，毛晓捷，等.自动伸缩式防雨晾衣架的研究[J].机械工程师，2010，27（7）：27-29.

[6] 荆海霞，琳勃，仁道，等.基于单片机的热偶测温系统设计[J].微计算机信息，2009，25（8）：88-89.

[7] 张谦，孙晓，周浩，等.基于单片机的智能晾衣架设计[J].机械工程与自动化，2012（6）：152-13.

[8] 谢光奇，姚敏，王银峰，钟广海.步进电机的单片机驱动控制[J].湘南学院学报，2011，32（5）：37-41.

[9] 曾增烽，刘浩，李雪.基于51单片机的串行通信协议的实现[J] .硅谷，2009，（13）：26-30.

[10] 陈铁军.智能控制理论及应用[M].北京：清华大学出版社，2009：45-47.

[11]Genetic heterogeneity and subtyping of human Hepatitis E virus isolates from Uruguay[J]. Santiago Mirazo，Natalia Ramos，José Carlos Russi，Juan Arbiza.Virus Research. 2013（2）：：7-82.

[12]New insights into the hepatitis E virus genotype 3 phylodynamics and evolutionary history[J]. Santiago Mirazo，Daiana Mir，Gonzalo Bello，Natalia Ramos，Héctor Musto，Juan Arbiza.Infection， Genetics and Evolution：105-117.

（作者单位：西南财经大学，四川 成都 610000）