基于單片機(jī)的智能晾衣架系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29396基于單片機(jī)的智能晾衣架系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1198321系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2219521.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 267811.2硬件設(shè)計(jì)思路 32481.3軟件設(shè)計(jì)思路 318261.4設(shè)計(jì)工作原理 31981.5本章小結(jié) 411852系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4100312.1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 4296532.2STM32主控模塊電路設(shè)計(jì) 5299222.1.1STM32F103C8T6介紹 5289102.1.2最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 688672.3按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 7290972.2.1按鍵功能介紹 859182.2.2按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 8292732.4繼電器模塊設(shè)計(jì) 8133822.4.1繼電器和步進(jìn)電機(jī)介紹 841782.4.2繼電器控制電路設(shè)計(jì) 101682.5限位行程開(kāi)關(guān)模塊 1093192.5.1限位行程開(kāi)關(guān)介紹 1052112.5.2限位行程開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì) 11180742.6液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 11118962.6.1LCD1602液晶介紹 11113272.6.2液晶顯示電路設(shè)計(jì) 12161852.7聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 1371832.7.1蜂鳴器和LED介紹 13215552.7.2聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 13204832.8濕度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì) 14325872.8.1DHT11介紹 1469042.8.2DHT11電路設(shè)計(jì) 14220952.9光敏檢測(cè)模塊 1562402.9.1光敏檢測(cè)模塊介紹 15226202.9.2光敏檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì) 15121532.10無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 16123882.10.1WIFI模塊介紹 16143532.10.2WIFI模塊電路設(shè)計(jì) 16208412.11本章小結(jié) 171系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：先明確系統(tǒng)功能，再根據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)方法將控制器分成多個(gè)不同的功能模塊，最后再對(duì)模塊分別進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程編寫(xiě)。硬件組合設(shè)計(jì)對(duì)控制電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理規(guī)劃，軟件編程實(shí)現(xiàn)各子模塊的相應(yīng)功能，在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為九個(gè)模塊，分別為單片機(jī)主控模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、限位行程開(kāi)關(guān)模塊、濕度檢測(cè)模塊、光敏檢測(cè)模塊、繼電器模塊、聲光報(bào)警模塊、矩陣按鍵模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖2-1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1.2硬件設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)方式如下：(1)單片機(jī)主控模塊：使用STM32F103C8T6單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)總體控制，對(duì)其他模塊進(jìn)行指令控制。(2)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊：使用WIFI模塊實(shí)現(xiàn)，用于實(shí)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(lái)感測(cè)信息、設(shè)定值以及顯示工作狀態(tài)。。(4)限位行程開(kāi)關(guān)模塊：使用限位行程開(kāi)關(guān)，限定晾衣桿伸出距離，防止過(guò)卷。(5)濕度檢測(cè)模塊：通過(guò)選用DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)前空氣的相對(duì)濕度，當(dāng)空氣濕度大于80時(shí)，收回衣服，防止衣服受潮。(6)光敏檢測(cè)模塊：選用光敏傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)弱，光照強(qiáng)度小于100時(shí)，判斷其為夜間模式，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，光照強(qiáng)度大于100時(shí)，判斷其為白天模式，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。(7)繼電器模塊：選用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)晾衣架伸縮控制。選用蜂鳴器以及LED指示燈，實(shí)現(xiàn)限位行程開(kāi)關(guān)模塊故障的報(bào)警(9)矩陣按鍵模塊：選用4×4矩陣按鍵模塊，用于設(shè)定光照和雨滴的閾值，自動(dòng)和手動(dòng)模式切換。1.3軟件設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)利用KEILC軟件進(jìn)行C語(yǔ)言的編碼工作。參考任務(wù)書(shū)的功能要求，實(shí)物電路，軟件設(shè)計(jì)思路，根據(jù)功能需求和控制順序，設(shè)計(jì)的代碼分別由主程序、無(wú)線(xiàn)收發(fā)，液晶顯示、限位行程開(kāi)關(guān)、濕度檢測(cè)、光敏檢測(cè)、繼電器模塊、聲光報(bào)警和矩陣按鍵九個(gè)程序模塊組成。通過(guò)以上程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)各自相應(yīng)硬件模塊的控制和所需功能的實(shí)現(xiàn)[8]。1.4設(shè)計(jì)工作原理硬件運(yùn)行工作后，根據(jù)設(shè)定好的光照強(qiáng)度和濕度等參數(shù)，光敏傳感器和濕度傳感器DHT11開(kāi)始運(yùn)行工作，并將檢測(cè)到的光照強(qiáng)度和當(dāng)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(dāng)當(dāng)前濕度小于80并且光照強(qiáng)度大于100的情況下，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，限位行程開(kāi)關(guān)則是控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，防止過(guò)卷而出現(xiàn)意外，當(dāng)限位行程開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，聲光報(bào)警模塊就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，按鍵模塊可以在自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式下自動(dòng)切換，自動(dòng)模式通過(guò)STM32進(jìn)行控制，手動(dòng)模式下可以進(jìn)行手動(dòng)控制，WIFI模塊可以將晾衣架工作狀態(tài)傳入手機(jī)進(jìn)行查看。1.5本章小結(jié)本章介紹了該控制器的總體設(shè)計(jì)和各硬件模塊，簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單分析了各模塊的功能及設(shè)計(jì)的工作原理。2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖3-1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)使用STM32F103C8T6進(jìn)行控制，對(duì)按鍵模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集濕度檢測(cè)模塊的測(cè)量濕度值和光敏模塊的光照強(qiáng)度測(cè)量值，將其顯示在液晶屏幕LCD1602上，并通過(guò)判斷測(cè)量濕度值和光照強(qiáng)度測(cè)量值決定步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，限位行程開(kāi)關(guān)防止步進(jìn)電機(jī)過(guò)卷，聲光報(bào)警模塊的蜂鳴器和LED燈則在限位行程開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊則將液晶顯示屏上的信息上傳到手機(jī)供用戶(hù)查閱。2.2STM32主控模塊電路設(shè)計(jì)2.1.1STM32F103C8T6介紹意法半導(dǎo)體有限公司是由意大利與法國(guó)兩個(gè)半導(dǎo)體公司和微電子公司合并而來(lái)，該公司的半導(dǎo)體技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先水平。STM32就是其公司的產(chǎn)品，其中STM32F103C8T6單片機(jī)是該公司推出的STM32系列中的增強(qiáng)型，STM32系列芯片價(jià)格較于市場(chǎng)上其他同類(lèi)型的低，功耗低，復(fù)合性能強(qiáng)大，并且該芯片所自帶的開(kāi)發(fā)工具齊全，官方參考資料豐富完整，可選擇的型號(hào)非常多，各大嵌入式相關(guān)網(wǎng)站都能找到STM32的庫(kù)文件，給儀器的開(kāi)發(fā)與使用帶來(lái)了極大的方便，所以用途非常廣泛?；赟TM32F103C8T6芯片設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)板實(shí)物如圖3-2所示。圖3-2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板實(shí)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(shí)鐘；(5)7通道DMA控制器；(6)具備I2CS、USART、SPI等接口[9]；(7)總線(xiàn)寬度：32位。2.1.2最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)STM32F103C8T6芯片芯片電路是一個(gè)單片機(jī)在集成電路中正常工作時(shí)的一個(gè)最小系統(tǒng)集成電路，每個(gè)芯片STM32集成電路模塊都根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)計(jì)最小的一個(gè)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(dòng)晾衣架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是基于一個(gè)STM32芯片的最小功能模塊，STM32F103C8T6最小功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊主要包括有三大組成部分：驅(qū)動(dòng)電源、時(shí)鐘和自動(dòng)復(fù)位控制電路。其中單片機(jī)的射頻時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)控制電路主要由晶振和驅(qū)動(dòng)電容等兩個(gè)部分元件組成,時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3-4所示。圖3-4時(shí)鐘電路圖復(fù)位電路可以讓單片機(jī)在發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)回到原始狀態(tài)，對(duì)于保持單片機(jī)正常運(yùn)行有重要作用，復(fù)位電路如圖3-5所示。圖3-5復(fù)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(guò)低壓差分和線(xiàn)性電源穩(wěn)壓器將5v的直流輸出輸入電源轉(zhuǎn)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(jìn)入輸出的能源電路整體結(jié)構(gòu)如軟件圖3-6所示。圖3-6電源電路圖單片機(jī)從初始的狀態(tài)出發(fā)開(kāi)始正常工作，首先是上電啟動(dòng),起動(dòng)后再進(jìn)行初始化。選用STM32F103C8T6型號(hào)的單片機(jī)，引腳2連接一個(gè)聲光報(bào)警控制電路，引腳4、5、7分別是連接一個(gè)時(shí)鐘控制電路和一個(gè)復(fù)位控制電路，引腳8、9、13連接一個(gè)繼電器的控制電路，引腳10、11、12、13是連接一個(gè)按鍵，引腳20、21、25、26、27、28是連接一個(gè)液晶顯示電路，引腳16、17與光敏檢測(cè)模塊的電路相連，引腳18與溫濕度檢測(cè)模塊的電路相連，引腳30、31、32連接限位行程開(kāi)關(guān)電路，引腳35、36、37控制WIFI模塊電路。通過(guò)單片機(jī)對(duì)各模塊發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)按鍵控制、液晶顯示相關(guān)信息、聲光報(bào)警、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、檢測(cè)空氣濕度、檢測(cè)光照強(qiáng)度和無(wú)線(xiàn)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(shè)計(jì)通過(guò)按鍵我們就可以將電機(jī)的工作模式分別定義為手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式，并且步進(jìn)電機(jī)也可以直接通過(guò)按鍵來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、逆向旋轉(zhuǎn)和停止，在自動(dòng)模式下則可以通過(guò)復(fù)位電路進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。2.2.1按鍵功能介紹獨(dú)立按鍵是單片機(jī)外部連接設(shè)備中經(jīng)常使用的鍵盤(pán)組，最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是在滿(mǎn)足模塊功能的情況下，盡可能的節(jié)省開(kāi)發(fā)板空間和減少代碼量，并且識(shí)別和讀取也相較于矩陣按鍵簡(jiǎn)單一些。按鍵實(shí)物如下圖3-8所示：圖3-8按鍵實(shí)物圖2.2.2按鍵模塊電路設(shè)計(jì)輕觸按鈕SW2是在手動(dòng)模式下直接控制步進(jìn)電機(jī)的正傳，SW3是在手動(dòng)模式下直接控制步進(jìn)電機(jī)的逆?zhèn)?，SW4是在手動(dòng)模式下直接控制步進(jìn)電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)，SW5是在直接控制自動(dòng)模式和手動(dòng)模式之間的切換。該按鍵的控制電路結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9按鍵控制電路圖2.4繼電器模塊設(shè)計(jì)2.4.1繼電器和步進(jìn)電機(jī)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(dāng)輸入量(包括激勵(lì)量)已經(jīng)發(fā)生了改變并且輸出量到達(dá)一定預(yù)定值時(shí)，輸出電路中的所有被控量就會(huì)隨之發(fā)生一個(gè)預(yù)定值的改變。其本質(zhì)是一種利用小的電流來(lái)控制大電流而設(shè)計(jì)成的一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)，所以說(shuō)它們?cè)陔娐飞掀鸬搅税踩雷o(hù)、轉(zhuǎn)換電路和自動(dòng)調(diào)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(kuò)大控制范圍;(2)放大;(3)綜合信號(hào);

(4)自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)。繼電器實(shí)物如下圖3-10所示。圖3-10繼電器實(shí)物圖步進(jìn)電機(jī)指的是一種把數(shù)字脈沖信號(hào)直接地轉(zhuǎn)化成電機(jī)的角動(dòng)量的一種執(zhí)行器件，具體而言，就是發(fā)送端輸出一個(gè)脈沖信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī),它就會(huì)按照步進(jìn)電機(jī)自身設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度。要想準(zhǔn)確地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各個(gè)角位移向量,就必須要通過(guò)控制給其傳入的脈沖個(gè)數(shù);如果想要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就需要控制傳入脈沖信號(hào)的頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的作用。步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖如圖3-11所示。圖3-11步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖2.4.2繼電器控制電路設(shè)計(jì)JQC-3FF-S-Z繼電器兩側(cè)，一側(cè)是控制，低電壓，低電流，另一側(cè)是接入電路中的，是高電壓，高電流。這兩側(cè)之間的電路是隔離的，也就是高電壓一側(cè)的電壓和電流是不會(huì)進(jìn)入低壓的一側(cè)，低壓的一側(cè)也不會(huì)進(jìn)入高電壓的[12]，兩側(cè)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(kāi)關(guān)模塊限位行程開(kāi)關(guān)的主要目的是防止步進(jìn)電機(jī)過(guò)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(kāi)關(guān)介紹限位行程開(kāi)關(guān)的功能就是一種用來(lái)限制機(jī)械裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)極限位置的電氣開(kāi)關(guān)。限位行程開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)比較直觀；非接觸式限位行程開(kāi)關(guān)的類(lèi)型和形式很多,常見(jiàn)的類(lèi)型有干簧管、光電式、傳感器式等等,本設(shè)計(jì)中實(shí)用的限位行程開(kāi)關(guān)是光電式。限位行程開(kāi)關(guān)的實(shí)物如下圖3-13所示。圖3-13繼電器實(shí)物圖2.5.2限位行程開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)限位行程開(kāi)關(guān)的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外射線(xiàn)，當(dāng)反射強(qiáng)度大的時(shí)候（遮擋物在其感應(yīng)范圍內(nèi)）光敏三極管飽和，此時(shí)限位行程開(kāi)關(guān)的輸出端會(huì)變成高電平，指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)反射強(qiáng)度不夠大的時(shí)候（遮擋物不在其感應(yīng)范圍內(nèi)）光敏三極管處于關(guān)斷狀態(tài)[13]，此時(shí)限位行程開(kāi)關(guān)的輸出端會(huì)變成低電平，指示燈熄滅。限位行程開(kāi)關(guān)電路圖如圖3-14所示。圖3-14限位行程開(kāi)關(guān)電路圖2.6液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)LCD1602顯示當(dāng)前空氣溫度，顯示當(dāng)前空氣濕度，顯示當(dāng)前光照強(qiáng)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(gè)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(guò)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(hù)可通過(guò)各種電壓來(lái)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(diǎn)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(shí)物如圖3-15所示：圖3-15LCD1602實(shí)物圖2.6.2液晶顯示電路設(shè)計(jì)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(dòng)變阻器R4：引腳3在此連接滑動(dòng)變阻器的工作原理是通過(guò)手動(dòng)改變工作電壓來(lái)控制和調(diào)節(jié)液晶的對(duì)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(biāo)明選擇的是串行接線(xiàn)方式。通過(guò)對(duì)STM32進(jìn)行編程，使液晶屏顯示當(dāng)前空氣的濕度、溫度和當(dāng)前的光照強(qiáng)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(bào)警模塊設(shè)計(jì)2.7.1蜂鳴器和LED介紹蜂鳴器是一種高頻電子信號(hào)訊響器,其經(jīng)過(guò)通電設(shè)定后能夠產(chǎn)生發(fā)出類(lèi)似高頻蜂鳴聲的一種電子器件,在各種預(yù)警產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，蜂鳴器實(shí)物如圖3-17所示。圖3-17蜂鳴器實(shí)物圖LED燈在日常生活中很常見(jiàn),其主要的工作和原理非常簡(jiǎn)單,就是將所有的電能直接轉(zhuǎn)化成放射性的光能，其使用簡(jiǎn)單且造價(jià)低廉，在市場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，本設(shè)計(jì)中采用紅色LED作為報(bào)警指示燈[14]。2.7.2聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)聲光報(bào)警模塊的功能是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)值超過(guò)限位行程開(kāi)關(guān)的預(yù)設(shè)值時(shí)，聲光報(bào)警模塊啟動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，LED燈亮。聲光報(bào)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(bào)警電路圖2.8濕度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)2.8.1DHT11介紹DHT11溫濕度傳感器是一種復(fù)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(chǎng)上大受歡迎。它主要的兩個(gè)模塊分別為一個(gè)基于ntc的三位測(cè)溫感濕元件和一個(gè)四位電阻式的測(cè)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(jī)上。其優(yōu)點(diǎn)也極為明顯：響應(yīng)塊、體積小、功耗低、抗震、抗干擾能力強(qiáng)、連接方便、性?xún)r(jià)比高等等。DHT11實(shí)物如下圖3-19所示圖3-19DHT11實(shí)物圖2.8.2DHT11電路設(shè)計(jì)DHT11上電之后，測(cè)試當(dāng)前環(huán)境溫濕度，此時(shí)屬于輸入狀態(tài)，然后STM32單片機(jī)進(jìn)行掩飾處理，之后DHT11發(fā)送