智能雨水晾衣監(jiān)測(cè)裝置

楊詩(shī)涵 毛自娟 李勝 任海生 余怡濤 聶程志

摘要：智能雨水晾衣監(jiān)測(cè)裝置采用單片機(jī)作為主要控制芯片，由溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器獲取外界的信息。傳感器所采集到空氣溫濕度、風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度以及是否正在下雨等信息，由單片機(jī)處理后對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)防水布的伸出與收縮。裝置可以選擇自動(dòng)避雨和手動(dòng)避雨兩種模式。設(shè)計(jì)電路采用仿真軟件在電腦上進(jìn)行仿真，極大地減小設(shè)計(jì)成本，直觀地發(fā)現(xiàn)裝置設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，也能更好地驗(yàn)證該裝置的正確性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)? 溫濕度傳感器? 風(fēng)速傳感器? 雨滴傳感器? 光敏傳感器? 步進(jìn)電機(jī)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1;TP212;TU855

Intelligent Rainwater Monitoring Devices of Drying Clothes

YANG Shihan? MAO Zijuan*? Li Sheng? REN Haisheng? YU Yitao? NIE Chengzhi

（Minzu Normal University of Xingyi， Xingyi， Guizhou Province，? 5624000 China）

Abstract：The intelligent rainwater monitoring device of drying clothes uses a single-chip microcomputer as the main control chip， and obtains external information by the temperature and humidity sensor， wind speed sensor， rain sensor and photosensitive sensor. The single-chip microcomputer processes the information collected by sensors such as air humidity and temperature， wind strength， light intensity and whether it is raining and then controls the stepper motor to realize the extension and contraction of the tarpaulin. The device can choose the automatic rain sheltering mode and the manual rain sheltering mode. The designed circuit is simulated on the computer by simulation software， which greatly reduces design costs， intuitively finds the shortcomings of device design and better verifies the correctness of the device.

Key Words：Single-chip microcomputer; Temperature and humidity sensor; Air speed sensor; Rain sensor; Photosensitive sensor; Stepping motor simulation

當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展，智能化產(chǎn)品的質(zhì)量不斷提高，極大地方便了人們的生活。晾衣架就是人們生活中不可或缺的一部分，而傳統(tǒng)晾衣架有很多弊端，已經(jīng)不能滿足人們的快節(jié)奏生活。據(jù)我國(guó)晾衣架協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)我國(guó)智能晾衣架產(chǎn)品增速持續(xù)保持在50%以上，而智能化晾衣架的產(chǎn)品價(jià)格一般是手搖、外飄等傳統(tǒng)晾衣架產(chǎn)品的3倍以上。

智能雨水晾衣監(jiān)測(cè)裝置是一種利用單片機(jī)處理多種傳感器，檢測(cè)外界信號(hào)而判斷是否有雨水的裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制遮雨布遮蓋衣物，避免衣物淋濕。該裝置適用于出門(mén)忘記關(guān)窗，曬在外面的衣物忘記收回以及門(mén)店門(mén)口防雨等多種場(chǎng)景[1]。

01 晾衣監(jiān)測(cè)裝置的方案設(shè)計(jì)

0.11.1 系統(tǒng)組成

裝置由6個(gè)子系統(tǒng)組成：控制、檢測(cè)、外部卷簾、按鍵輸入、顯示以及蜂鳴器電路。控制系統(tǒng)是使用51單片機(jī)作為主控芯片；檢測(cè)系統(tǒng)包括溫濕度傳感模塊、風(fēng)速傳感器、光敏傳感器、雨滴傳感器；外部卷簾系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)控制防水布的收縮與伸；按鍵輸入系統(tǒng)為3個(gè)獨(dú)立的機(jī)械按鍵；顯示系統(tǒng)模塊使用LCD1602液晶顯示屏；蜂鳴器電路采用一個(gè)NPN型三極管為驅(qū)動(dòng)，而單片機(jī)IO只需要輸出較小的電流就可以使蜂鳴器發(fā)出聲響。電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

0.21.2 工作原理

該裝置由檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中，再由單片機(jī)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行運(yùn)行讀取、判斷，將檢測(cè)到的溫度、濕度、風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度以及雨滴傳感器是否檢測(cè)到有水，判斷是否下雨，最后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防水布的伸出與收縮操作[2]。當(dāng)季節(jié)變更時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況改變溫度、濕度、風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度的閾值來(lái)使單片機(jī)正常工作。

12 晾衣裝置的重要子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.12.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以STC89C52為主控芯片[3]，該芯片具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗等特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要由晶振電路與復(fù)位電路組成一個(gè)最小系統(tǒng)，外部晶振為12 MHz。復(fù)位按鍵S1可以使單片機(jī)復(fù)位重啟。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.22.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）SHT11溫濕度數(shù)字式傳感模塊使用的是二線串行接口，內(nèi)部有8～12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，可以CRC傳輸校驗(yàn)，有著傳輸可靠性高、精確度高、適用范圍廣等特點(diǎn)，并且提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和較好質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。將時(shí)鐘信號(hào)引腳與P10連接，數(shù)據(jù)信號(hào)引腳與P11連接，溫濕度傳感模塊如圖3所示。

（2）風(fēng)速傳感器使用TCG-FS[3]，用來(lái)檢測(cè)風(fēng)力大小。該裝置采用機(jī)械式風(fēng)速傳感器，具有防雨水、耐腐蝕、抗老化等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器與風(fēng)速傳感器組成，風(fēng)速模擬量由AO輸出，然后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換器的CHO端口，最后將數(shù)字量傳輸給單片機(jī)。光照強(qiáng)度的檢測(cè)使用光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光照強(qiáng)度越大，其阻值越小。利用光敏電阻的電壓變化獲得模擬量，ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)輸出分別與P16和P17相連，可獲得較為精確的光照強(qiáng)度數(shù)字量。風(fēng)速傳感器和光敏傳感器電路如圖4所示。

ADC0832是一個(gè)8位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使用雙數(shù)據(jù)輸出來(lái)作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，且數(shù)據(jù)誤差較小。在設(shè)計(jì)中，風(fēng)速傳感器輸出的模擬量接入ADC0832的第一個(gè)通道（CH0通道），光敏傳感器輸出的模擬量接入第二個(gè)通道（CH1通道），只需要編寫(xiě)一個(gè)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換程序，通過(guò)改變通道就可以實(shí)現(xiàn)兩路的轉(zhuǎn)換功能。

（3）雨滴傳感器是用來(lái)檢測(cè)是否有雨水的裝置。它的原理是利用水的導(dǎo)電性，當(dāng)水聚集在模塊上時(shí)，鎳線會(huì)并聯(lián)連接，降低了電阻，從而降低了兩端的電壓。有雨水出現(xiàn)時(shí)，它的電阻值較小，沒(méi)有雨水時(shí)，它會(huì)增大電阻值，使用LM393電壓比較器將模擬量轉(zhuǎn)換為0和1兩種狀態(tài)。將雨滴傳感器的兩個(gè)引腳與J3端口連接，若檢測(cè)到雨水，DO輸出低電平，未檢測(cè)到雨水，DO輸出高電平[4]。單片機(jī)直接獲取雨滴傳感器的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否有雨水。同樣可以使用AO引腳輸出的模擬量來(lái)獲取具體的雨量大小。雨滴傳感器電路如5所示。

1.32.3 外部卷簾系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)作為主要的動(dòng)力來(lái)源。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)決定正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，再由齒輪組合將力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)軸上，由旋轉(zhuǎn)軸的作用實(shí)現(xiàn)的防水布伸出與收縮。這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便[5]。步進(jìn)電機(jī)用ULN2003A芯片驅(qū)動(dòng)，主要功能是給步進(jìn)電機(jī)提供電流電壓，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的IO口輸出有限，所以必須要外部提供電流，同時(shí)也需要隔離的作用來(lái)保護(hù)單片機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

1.42.4 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

使用NPN型三極管為蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)IO口輸出方波就可以讓蜂鳴器發(fā)聲，改變占空比和輸出頻率可以讓蜂鳴器發(fā)出不同的音色和音調(diào)。

23 晾衣裝置電路的仿真

使用Proteus8軟件，根據(jù)原理圖繪制仿真電路圖。仿真總電路圖如圖7所示。

未按下按鍵時(shí)，液晶屏顯示初始界面，只顯示溫度值、濕度值和是否下雨。Rain下方顯示No，表示未檢測(cè)到雨水；若顯示Yes，則檢測(cè)到雨水，調(diào)節(jié)RV5可以調(diào)節(jié)雨水傳感器的靈敏度。第一次按下S2設(shè)置鍵，液晶屏顯示設(shè)置溫度的最小值，此時(shí)可以通過(guò)使用S3和S4改變溫度的最小值。第二次按下S2設(shè)置鍵，液晶屏顯示設(shè)置濕度的最大值，此時(shí)可以通過(guò)使用S3和S4改變濕度的最大值。第三次按下S2設(shè)置鍵，液晶屏顯示設(shè)置風(fēng)力的最大值，此時(shí)可以通過(guò)按下S3和S4改變風(fēng)力大小的最大值。第四次按下S2設(shè)置鍵，液晶屏顯示設(shè)置風(fēng)力的最大值，此時(shí)可以通過(guò)按下S3和S4改變光照強(qiáng)度的最小值。第五次按下S2設(shè)置鍵，回到初始界面。第一次按下S3加鍵或切換界面按鍵，顯示屏顯示風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度和電機(jī)狀態(tài)，再次按下S3則與顯示初始界面相互交換。

默認(rèn)狀態(tài)下溫度最小值為20 ℃，濕度最大值為 65%，風(fēng)力最大值為10 N/m，光照強(qiáng)度最小值為35 lx。更改SHT11的數(shù)值可將其超過(guò)最大濕度值和低于最小溫度值，向上調(diào)節(jié)RV2和向下調(diào)節(jié)RV3改變風(fēng)力值和光照強(qiáng)度，向下調(diào)節(jié)RV4模擬水滴在水滴傳感器上，則單片機(jī)會(huì)知道此時(shí)為下雨?duì)顟B(tài)，便會(huì)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)將防水布伸出，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響。雨停，各個(gè)參數(shù)恢復(fù)正常值，即開(kāi)始設(shè)置的初始值或者默認(rèn)值。

34 晾衣裝置的程序設(shè)計(jì)

首先，將溫濕度傳感器、LCD顯示屏、步進(jìn)電機(jī)的初始位置進(jìn)行初始化，由計(jì)數(shù)值控制獲取溫濕度，每500 ms獲取一次風(fēng)力值和光照強(qiáng)度值，通過(guò)顯示標(biāo)志位顯示相應(yīng)的界面，其初始值和切換顯示位為0，切換顯示標(biāo)志位最大為1，所以只有兩個(gè)界面可以顯示。顯示標(biāo)志位最大為4，可以顯示5個(gè)不同的設(shè)置界面，通過(guò)按鍵S2切換。其次，判斷當(dāng)前值是否處于設(shè)置的閾值中，如果超過(guò)或低于閾值，則系統(tǒng)伸出防水布；若未超過(guò)閾值，則可以自動(dòng)控制防水布或者手動(dòng)控制收回和伸出防水布[6]。主程序流程框圖如圖8所示。

45 結(jié)語(yǔ)

智能雨水晾衣監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)通過(guò)仿真結(jié)果表明：基本滿足用戶需要達(dá)到的功能需求。該產(chǎn)品滿足了晾曬衣物時(shí)用防水布來(lái)避免衣物淋濕和被風(fēng)刮走的需求，能夠給人們的生活帶來(lái)便利。這種裝置的設(shè)計(jì)和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，改善了傳統(tǒng)晾收衣物的方式，同時(shí)也成為智能家居的重要組成部分。

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