溫濕度傳感器控制下的晾衣架設計研究

牛喜娟

摘 要：隨著時代的發展，女性逐漸改變原來的“家庭主婦”的形象，步入職場。但身份的轉換也難逃家務的支配，本課題是想要設計一款以溫濕度傳感器控制下的晾衣架，減輕這些職業女性的工作量。對于外面多變的環境狀況，因為有工作，更多家庭會選擇將衣服晾在室內，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，更甚者會出現發霉的狀況。本設計中的晾衣架安裝在陽臺外面，根據光敏電阻和溫濕度傳感器的參數與系統預設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是以單片機為核心，通過溫濕度傳感器和光敏電阻監測外部環境，然后與系統所設的光照及濕度預設值進行比較，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會變成紅色加以提醒。

關鍵詞：晾衣架;AT89C52單片機;DHT11

第1章 相關技術及工具背景介紹

1.1 相關技術

1.1.1單片機技術

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格以及工作頻率做了適當的縮減，并且整合了存儲器、定時計數器、串口等接口的芯片級計算機。

1.1.2 AD數模轉換技術

AD數模轉換器就是將外界監測到的溫濕度，通過內部的一個數據處理，轉化成數字信號，以便后面實驗所用。但是在進行數模轉換之前，必須將所有的信號轉換成電壓信號。數模轉換之后，輸出的數字信號可以有多種位數，滿足不同需求。數模轉換技術在我們的系統中非常重要，因為我們的現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，達到我們的實驗目的。

第2章 溫濕度傳感器控制下的晾衣架系統設計

2.1 功能設計

系統包括兩種工作模式：

（1）自動（智能）模式：系統復位默認工作在自動控制模式，如果外部環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，可以手動調節伸縮操作。安排一個手動開關，主要是為了防止一些特殊情況的發生，或者對一些特殊情況需要做一些特別的處理。

2.2 系統設計

系統模塊包括光敏電阻傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、PCF8591 AD數模轉換器模塊、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模塊設計

2.3.1 按鍵模塊

四個獨立按鍵定義為：

button1 ，顯示頁面標志，0主頁1設置頁;

button2，當前是設置頁時，移動設置參數標志;

button3 ，當前頁是主頁時，如果是手動模式，設置op為1伸長標志，如果不是主頁，根據setIndex判斷當前設置的參數，并對那個參數進行+1操作;

button4，當前頁是主頁時，如果是手動模式，設置op為2收回標志，如果不是主頁，根據setIndex判斷當前設置的參數，并對那個參數進行-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，而為了實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。

工作狀態具體分析如下：

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;

② ?當控制A的0號線輸入高電平，1號線輸入低電平時，馬達A 反轉;

③ ?當控制B的0號線輸入高電平，1號線輸入低電平時，馬達B正轉;

④ ?當控制B的0號線輸入低電平，1號線輸入高電平時，馬達B反轉;

⑤ ?當控制馬達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域進行控制，即可以顯示出圖形。采用四線驅動向LCD1602寫入指令和數據，要從LCD1602讀取數據，需要采用八線驅動，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個不同顏色的發光二極管顯示工作狀態。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，可以手動調節伸縮操作。

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，準備開始讀取40位數據。在進行一系列對數據進行處理后，再傳給AD數模轉換器，進行后續的實驗操作。

2.3.6 PCF8591 AD數模轉換器模塊

8位AD數模轉換器模塊，有4個模擬輸入信號、1個模擬輸出信號，采用I2C協議進行數據傳輸。

具體功能如下：

PCF8591 AD數模轉換器將監測到的外界環境的溫度以及濕度這兩種模擬信號轉換為數字信號，并且根據數據計算出溫度和濕度，將其正確的顯現在顯示器上，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，并將光照強度轉換為模擬信號輸出到PCF8591 AD數模轉換模塊，由PCF8591將模擬信號轉換為數字信號，并且根據獲取的數值計算出光照強度比例，計算出數據之后，再跟預設值進行比較，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的實現

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 顯示頁面標志，0主頁1設置頁;button2當前是設置頁時，移動設置參數標志;button3 當前頁是主頁時，如果是手動模式，設置op為1伸長標志，如果不是主頁，根據setIndex判斷當前設置的參數，并對那個參數進行+1操作;button4當前頁是主頁時，如果是手動模式，設置op為2收回標志，如果不是主頁，根據setIndex判斷當前設置的參數，并對那個參數進行-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

具體實現方法是：第一先使顯示器進行初始化操作;第二輸入i=0，并且判斷line是否為0，若是，則設置數據位置指針在第一行的第一個位置，否則設置數據位置指針在第二行的第一個位置。倘若i<16，則進行i++操作。數據操作流程圖如圖3-2 所示，四位數據拆分如圖3-3所示。

3.3 i2c總線的實現

I2C總線是一種同步串行總線協議。在本課題中，是一種自定義協議，只需要兩根線就可以通過該協議連接兩個器件。主器件的功能是是傳送數據，而從器件是被尋址的、進行讀取數據的功能。具體功能實現：

①首先通過開始信號、結束信號以及應答信號完成I2C通信協議的三次握手。

②其次，發送8位數據到AD;然后，AD讀8位數據。

③最后進行寫操作、讀操作并且獲取轉換后的強度。

其中，發送數據如圖3-4所示;讀取數據如圖3-5所示。

3.4 DHT11溫濕度傳感器模塊的實現

首先對DHT11溫濕度傳感器讀到的外界環境的濕度數據進行運算處理，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，準備開始讀取40位數據，依次讀取濕度整數部分、濕度小數部分、溫度整數部分、溫度小數部分，最后則顯示在顯示器上。DHT11溫濕度傳感器運行函數流程圖如圖3-6 所示。

3.5 軟件整體設計

首先對系統進行初始化設置，然后通過DHT11溫濕度傳感器和光敏電阻來監測外部環境的溫濕度，再通過AD轉換器將監測到的模擬信號轉換為數字信號。

其次，判斷html為主頁面還是設置頁面。當工作模式為0且op為1時，電動機正轉;

當工作模式為0且op為2時，電動機反轉;

當工作模式為1且在主頁面時，若監測外界濕度大于預設濕度值、外界光照小于預設光照值時，綠燈亮，此情況下晾衣架伸縮檔大于0，的話，電動機反轉，否則綠燈滅;

若排除“監測外界濕度大于預設濕度值、外界光照小于預設光照值”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，否則黃燈滅;

當工作模式為0且在主頁面且晾衣架伸縮檔大于0的情況下，若監測外界濕度大于預設濕度值、外界光照小于預設光照值，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，設置頁。

如圖4-1、4-2所示：

4.2 光照調節功能展示

在展示光照調節功能時，程序內的預設光照值為20%，預設濕度值為10%。不同光照強度下，LED的狀態，晾衣架伸縮檔情況，實物圖展示如圖4-3、4-4所示：

4.3 濕度調節功能展示

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，根據設計原理可得出，在判斷濕度調節功能時，在光照一定的情況下，當預設濕度值為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;當預設值為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、晾衣架伸縮檔情況實物圖展示如圖4-5、4-6：

4.4 手動調節功能展示

當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，可以手動調節伸縮操作，如圖4-8所示。

結論

本課題的具體工作如下：首先對系統進行初始化設置，然后通過光敏電阻和溫濕度傳感器采集外界環境的溫濕度值，然后根據

監測到的外界環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測到的外界環境的濕度值大于系統預設濕度值，

有且光敏電阻監測到的外界環境光照值小于系統預設光照值，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，若監測到的外界環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的設計與實現，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女性的家庭負擔。

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（作者單位：西南財經大學，四川 成都 610000）