基于單片機的智能晾衣架系統(tǒng)的硬件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29396基于單片機的智能晾衣架系統(tǒng)的硬件設計案例 1198321系統(tǒng)總體設計 2219521.1系統(tǒng)結構設計 267811.2硬件設計思路 32481.3軟件設計思路 318261.4設計工作原理 31981.5本章小結 411852系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn) 4100312.1硬件系統(tǒng)總體設計圖 4296532.2STM32主控模塊電路設計 5299222.1.1STM32F103C8T6介紹 5289102.1.2最小系統(tǒng)結構 688672.3按鍵模塊電路設計 7290972.2.1按鍵功能介紹 859182.2.2按鍵模塊電路設計 8292732.4繼電器模塊設計 8133822.4.1繼電器和步進電機介紹 841782.4.2繼電器控制電路設計 101682.5限位行程開關模塊 1093192.5.1限位行程開關介紹 1052112.5.2限位行程開關電路設計 11180742.6液晶顯示模塊電路設計 11118962.6.1LCD1602液晶介紹 11113272.6.2液晶顯示電路設計 12161852.7聲光報警模塊設計 1371832.7.1蜂鳴器和LED介紹 13215552.7.2聲光報警模塊電路設計 13204832.8濕度檢測模塊電路設計 14325872.8.1DHT11介紹 1469042.8.2DHT11電路設計 14220952.9光敏檢測模塊 1562402.9.1光敏檢測模塊介紹 15226202.9.2光敏檢測模塊電路設計 15121532.10無線收發(fā)模塊 16123882.10.1WIFI模塊介紹 16143532.10.2WIFI模塊電路設計 16208412.11本章小結 171系統(tǒng)總體設計1.1系統(tǒng)結構設計該系統(tǒng)的設計思路為：先明確系統(tǒng)功能，再根據(jù)功能的實現(xiàn)方法將控制器分成多個不同的功能模塊，最后再對模塊分別進行硬件電路設計和軟件編程編寫。硬件組合設計對控制電路結構進行合理規(guī)劃，軟件編程實現(xiàn)各子模塊的相應功能，在此設計基礎上，將整個系統(tǒng)設計為九個模塊，分別為單片機主控模塊、無線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、限位行程開關模塊、濕度檢測模塊、光敏檢測模塊、繼電器模塊、聲光報警模塊、矩陣按鍵模塊。系統(tǒng)結構設計圖如下圖所示：圖2-1總體結構設計圖1.2硬件設計思路系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)方式如下：(1)單片機主控模塊：使用STM32F103C8T6單片機芯片實現(xiàn)總體控制，對其他模塊進行指令控制。(2)無線收發(fā)模塊：使用WIFI模塊實現(xiàn)，用于實現(xiàn)液晶顯示屏上的信息收發(fā)。(3)液晶顯示模塊：使用LCD12602液晶屏，用來感測信息、設定值以及顯示工作狀態(tài)。。(4)限位行程開關模塊：使用限位行程開關，限定晾衣桿伸出距離，防止過卷。(5)濕度檢測模塊：通過選用DHT11溫濕度傳感器進行檢測當前空氣的相對濕度，當空氣濕度大于80時，收回衣服，防止衣服受潮。(6)光敏檢測模塊：選用光敏傳感器檢測光照強弱，光照強度小于100時，判斷其為夜間模式，控制步進電機反轉，光照強度大于100時，判斷其為白天模式，控制步進電機正轉。(7)繼電器模塊：選用步進電機實現(xiàn)晾衣架伸縮控制。選用蜂鳴器以及LED指示燈，實現(xiàn)限位行程開關模塊故障的報警(9)矩陣按鍵模塊：選用4×4矩陣按鍵模塊，用于設定光照和雨滴的閾值，自動和手動模式切換。1.3軟件設計思路本設計利用KEILC軟件進行C語言的編碼工作。參考任務書的功能要求，實物電路，軟件設計思路，根據(jù)功能需求和控制順序，設計的代碼分別由主程序、無線收發(fā)，液晶顯示、限位行程開關、濕度檢測、光敏檢測、繼電器模塊、聲光報警和矩陣按鍵九個程序模塊組成。通過以上程序編寫，實現(xiàn)軟件對各自相應硬件模塊的控制和所需功能的實現(xiàn)[8]。1.4設計工作原理硬件運行工作后，根據(jù)設定好的光照強度和濕度等參數(shù)，光敏傳感器和濕度傳感器DHT11開始運行工作，并將檢測到的光照強度和當前空氣濕度數(shù)據(jù)傳入主控模塊，顯示在液晶顯示屏上，當當前濕度小于80并且光照強度大于100的情況下，控制步進電機正轉，限位行程開關則是控制步進電機轉動圈數(shù)，防止過卷而出現(xiàn)意外，當限位行程開關發(fā)生故障時，聲光報警模塊就會進行自動報警，按鍵模塊可以在自動和手動兩種模式下自動切換，自動模式通過STM32進行控制，手動模式下可以進行手動控制，WIFI模塊可以將晾衣架工作狀態(tài)傳入手機進行查看。1.5本章小結本章介紹了該控制器的總體設計和各硬件模塊，簡單簡單分析了各模塊的功能及設計的工作原理。2系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn)2.1硬件系統(tǒng)總體設計圖系統(tǒng)硬件總體設計圖如下圖所示：圖3-1硬件系統(tǒng)設計圖設計使用STM32F103C8T6進行控制，對按鍵模塊進行數(shù)據(jù)采集，采集濕度檢測模塊的測量濕度值和光敏模塊的光照強度測量值，將其顯示在液晶屏幕LCD1602上，并通過判斷測量濕度值和光照強度測量值決定步進電機的正轉和反轉，限位行程開關防止步進電機過卷，聲光報警模塊的蜂鳴器和LED燈則在限位行程開關發(fā)生故障時進行報警，無線收發(fā)模塊則將液晶顯示屏上的信息上傳到手機供用戶查閱。2.2STM32主控模塊電路設計2.1.1STM32F103C8T6介紹意法半導體有限公司是由意大利與法國兩個半導體公司和微電子公司合并而來，該公司的半導體技術在世界上處于領先水平。STM32就是其公司的產(chǎn)品，其中STM32F103C8T6單片機是該公司推出的STM32系列中的增強型，STM32系列芯片價格較于市場上其他同類型的低，功耗低，復合性能強大，并且該芯片所自帶的開發(fā)工具齊全，官方參考資料豐富完整，可選擇的型號非常多，各大嵌入式相關網(wǎng)站都能找到STM32的庫文件，給儀器的開發(fā)與使用帶來了極大的方便，所以用途非常廣泛。基于STM32F103C8T6芯片設計的最小系統(tǒng)板實物如圖3-2所示。圖3-2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板實物圖STM32F103C8T6引腳如圖所示：圖3-3STM32F103C8T6引腳圖特性：(1)工作頻率范圍：0-72MHZ；(2)嵌套的中斷控制器和可屏蔽中斷通道；(3)供電電壓：1.0~2.6V；(4)內(nèi)部32kHzRC-PLL為CPU時鐘；(5)7通道DMA控制器；(6)具備I2CS、USART、SPI等接口[9]；(7)總線寬度：32位。2.1.2最小系統(tǒng)結構STM32F103C8T6芯片芯片電路是一個單片機在集成電路中正常工作時的一個最小系統(tǒng)集成電路，每個芯片STM32集成電路模塊都根據(jù)實際需要自行設計最小的一個系統(tǒng)集成電路，這是保證主控模塊正常工作的基本條件。在本自動晾衣架系統(tǒng)結構設計中，最小系統(tǒng)結構就是基于一個STM32芯片的最小功能模塊，STM32F103C8T6最小功能系統(tǒng)結構模塊主要包括有三大組成部分：驅動電源、時鐘和自動復位控制電路。其中單片機的射頻時鐘驅動控制電路主要由晶振和驅動電容等兩個部分元件組成,時鐘驅動控制電路如圖3-4所示。圖3-4時鐘電路圖復位電路可以讓單片機在發(fā)生運行故障時回到原始狀態(tài)，對于保持單片機正常運行有重要作用，復位電路如圖3-5所示。圖3-5復位電路圖最小系統(tǒng)的直流輸出輸入電源控制電路由loldo通過低壓差分和線性電源穩(wěn)壓器將5v的直流輸出輸入電源轉換成2.3v，為最小系統(tǒng)的輸出主控制器和芯片系統(tǒng)提供輸出電源，其進入輸出的能源電路整體結構如軟件圖3-6所示。圖3-6電源電路圖單片機從初始的狀態(tài)出發(fā)開始正常工作，首先是上電啟動,起動后再進行初始化。選用STM32F103C8T6型號的單片機，引腳2連接一個聲光報警控制電路，引腳4、5、7分別是連接一個時鐘控制電路和一個復位控制電路，引腳8、9、13連接一個繼電器的控制電路，引腳10、11、12、13是連接一個按鍵，引腳20、21、25、26、27、28是連接一個液晶顯示電路，引腳16、17與光敏檢測模塊的電路相連，引腳18與溫濕度檢測模塊的電路相連，引腳30、31、32連接限位行程開關電路，引腳35、36、37控制WIFI模塊電路。通過單片機對各模塊發(fā)送指令，實現(xiàn)按鍵控制、液晶顯示相關信息、聲光報警、控制步進電機轉動、檢測空氣濕度、檢測光照強度和無線收發(fā)等功能[10]。最小系統(tǒng)電路圖如下圖所示：圖3-7最小系統(tǒng)電路2.3按鍵模塊電路設計通過按鍵我們就可以將電機的工作模式分別定義為手動模式或者自動模式，并且步進電機也可以直接通過按鍵來控制步進電機的正傳、逆向旋轉和停止，在自動模式下則可以通過復位電路進行循環(huán)檢測。2.2.1按鍵功能介紹獨立按鍵是單片機外部連接設備中經(jīng)常使用的鍵盤組，最顯著的優(yōu)點就是在滿足模塊功能的情況下，盡可能的節(jié)省開發(fā)板空間和減少代碼量，并且識別和讀取也相較于矩陣按鍵簡單一些。按鍵實物如下圖3-8所示：圖3-8按鍵實物圖2.2.2按鍵模塊電路設計輕觸按鈕SW2是在手動模式下直接控制步進電機的正傳，SW3是在手動模式下直接控制步進電機的逆?zhèn)?，SW4是在手動模式下直接控制步進電機的停止轉動，SW5是在直接控制自動模式和手動模式之間的切換。該按鍵的控制電路結構如圖3-9所示。圖3-9按鍵控制電路圖2.4繼電器模塊設計2.4.1繼電器和步進電機介紹繼電器是一種由電控制組成的元件，它的作用主要是當輸入量(包括激勵量)已經(jīng)發(fā)生了改變并且輸出量到達一定預定值時，輸出電路中的所有被控量就會隨之發(fā)生一個預定值的改變。其本質是一種利用小的電流來控制大電流而設計成的一種自動開關，所以說它們在電路上起到了安全防護、轉換電路和自動調整等作用[11]。繼電器作為控制元件，其具有如下幾種作用：

(1)擴大控制范圍;(2)放大;(3)綜合信號;

(4)自動、遙控、監(jiān)測。繼電器實物如下圖3-10所示。圖3-10繼電器實物圖步進電機指的是一種把數(shù)字脈沖信號直接地轉化成電機的角動量的一種執(zhí)行器件，具體而言，就是發(fā)送端輸出一個脈沖信號傳遞給步進電機,它就會按照步進電機自身設定的方向旋轉一個固定角度。要想準確地控制驅動電機的各個角位移向量,就必須要通過控制給其傳入的脈沖個數(shù);如果想要控制電機的轉速，就需要控制傳入脈沖信號的頻率，從而達到調節(jié)速度的作用。步進電機的實物圖如圖3-11所示。圖3-11步進電機實物圖2.4.2繼電器控制電路設計JQC-3FF-S-Z繼電器兩側，一側是控制，低電壓，低電流，另一側是接入電路中的，是高電壓，高電流。這兩側之間的電路是隔離的，也就是高電壓一側的電壓和電流是不會進入低壓的一側，低壓的一側也不會進入高電壓的[12]，兩側完全隔離，其電路圖如下圖3-12所示：圖3-12繼電器電路圖2.5限位行程開關模塊限位行程開關的主要目的是防止步進電機過卷，發(fā)生意外，所以其主要控制限定晾衣桿伸出距離。2.5.1限位行程開關介紹限位行程開關的功能就是一種用來限制機械裝置的運轉極限位置的電氣開關。限位行程開關主要有兩種：分別是接觸式的和非接觸式。接觸式的限位行程開關比較直觀；非接觸式限位行程開關的類型和形式很多,常見的類型有干簧管、光電式、傳感器式等等,本設計中實用的限位行程開關是光電式。限位行程開關的實物如下圖3-13所示。圖3-13繼電器實物圖2.5.2限位行程開關電路設計限位行程開關的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外射線，當反射強度大的時候（遮擋物在其感應范圍內(nèi)）光敏三極管飽和，此時限位行程開關的輸出端會變成高電平，指示燈點亮；當反射強度不夠大的時候（遮擋物不在其感應范圍內(nèi)）光敏三極管處于關斷狀態(tài)[13]，此時限位行程開關的輸出端會變成低電平，指示燈熄滅。限位行程開關電路圖如圖3-14所示。圖3-14限位行程開關電路圖2.6液晶顯示模塊電路設計LCD1602顯示當前空氣溫度，顯示當前空氣濕度，顯示當前光照強度。2.6.1LCD1602液晶介紹LCD1602液晶顯示屏采用的是一種帶有16x02即32個字符的工業(yè)式液晶顯示屏。LCD1602液晶顯示器的工作原理主要是通過液晶本身所需要具有的各種物理特征(有電就有顯示)，所以用戶可通過各種電壓來控制自己需要顯示的地方。它雖然可以有效地顯示出大量的數(shù)字和文本，但由于其中的點陣和字符之間存在著一定的間隙存在，所以圖形的顯示效果并不是很理想。液晶顯示的工作參數(shù)：芯片工作電壓：4.5—5.5V工作電流：1.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓：5.0VLCD1602實物如圖3-15所示：圖3-15LCD1602實物圖2.6.2液晶顯示電路設計LCD1602液晶顯示引腳作用分別為：接地：引腳1；接電源正極：引腳2和引腳15，液晶顯示器的背光電源，直接與電源連接的是引腳13和引腳14；接滑動變阻器R4：引腳3在此連接滑動變阻器的工作原理是通過手動改變工作電壓來控制和調節(jié)液晶的對比度，使其顯示的更加清晰；接中央控制芯：引腳4、5、6、10、12、13，其作用為控制液晶顯示器的內(nèi)容；接系統(tǒng)GND：引腳16，其作用標明選擇的是串行接線方式。通過對STM32進行編程，使液晶屏顯示當前空氣的濕度、溫度和當前的光照強度。顯示模塊使用串行電路，其電路如圖3-16所示。圖3-16液晶顯示電路圖2.7聲光報警模塊設計2.7.1蜂鳴器和LED介紹蜂鳴器是一種高頻電子信號訊響器,其經(jīng)過通電設定后能夠產(chǎn)生發(fā)出類似高頻蜂鳴聲的一種電子器件,在各種預警產(chǎn)品中應用廣泛，蜂鳴器實物如圖3-17所示。圖3-17蜂鳴器實物圖LED燈在日常生活中很常見,其主要的工作和原理非常簡單,就是將所有的電能直接轉化成放射性的光能，其使用簡單且造價低廉，在市場中應用廣泛，本設計中采用紅色LED作為報警指示燈[14]。2.7.2聲光報警模塊電路設計聲光報警模塊的功能是，當步進電機的轉動值超過限位行程開關的預設值時，聲光報警模塊啟動進行報警。報警時，蜂鳴器發(fā)聲，LED燈亮。聲光報警電路由蜂鳴器、紅色LED燈、電阻、三極管組成，模塊電路圖如圖3-18所示。圖3-18聲光報警電路圖2.8濕度檢測模塊電路設計2.8.1DHT11介紹DHT11溫濕度傳感器是一種復合型溫濕度傳感器，其產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性使其在市場上大受歡迎。它主要的兩個模塊分別為一個基于ntc的三位測溫感濕元件和一個四位電阻式的測溫感濕控制元件，并且它們是緊密地連接在一8位的主控單片機上。其優(yōu)點也極為明顯：響應塊、體積小、功耗低、抗震、抗干擾能力強、連接方便、性價比高等等。DHT11實物如下圖3-19所示圖3-19DHT11實物圖2.8.2DHT11電路設計DHT11上電之后，測試當前環(huán)境溫濕度，此時屬于輸入狀態(tài)，然后STM32單片機進行掩飾處理，之后DHT11發(fā)送