自动晾衣架控制系统设计

摘要

智能自动晾衣架能够实现晾衣架的自动升降，衣服超重的自动检测及系统故障保护等功能。与传统的手动晾衣架相比，自动晾衣架具有升降更省力，升降速度更快等优势，随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。

本设计采用单片机AT89C51作为自动晾衣架的检测及控制核心，采用电阻应变片实现超重检测，通过手动按键控制晾衣架的升降，通过发光二极管显示晾衣架的工作状态，同时具有超重声光报警作用，该系统还增加了直流电机的的过流保护功能以及电气隔离功能。软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图，实现了对晾衣架升降控制，状态显示等功能。本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。

AUTOMATIC CLOTHES HANGER CONTROL

SYSTEM DESIGN

ABSTRACT

Intelligent automatic clothes hanger which is able to realize automatic lift the clothes hanger, automatic detection clothes are overweight or not, system's fault protection function of the clothes hanger. Compared with the traditional manual clothes hanger, it has lifting more easily and more faster. As technology is being perfected, automatic air clothes tree will be the market leading products.

This design use the single-chip microcomputer AT89C51 as automatic clothes hanger detection and control core .using resistance strain gauge realize overweight detection, through manual buttons to control clothes hanger up or down. through the leds to display the clothes hanger working condition.At the same time,it has the overweight sound-light alarm circuit. this system also increased dc motor of the over-current protection function.software part adopts modular design thought, compiled the flowchart of each module. realized to dc motor positive & reverse control and state display functions.This design is agile and convenient, widely use .Basicly can satisfy the practice demands.

KEY WORDS clothes hanger single-chip microcomputer lift control alarm

目录

中文摘要 ............................................................................................................................................... I 英文摘要 .............................................................................................................................................. I I 1 绪论. (1)

1.1 自动晾衣架介绍 (1)

1.2 晾衣架的历史及现状 (1)

1.3 晾衣架行业的发展及未来 (2)

2 整体电路设计 (4)

2.1 自动晾衣架整体框图 (4)

2.2 系统的主要部件方案论证与比较 (4)

2.2.1 处理器的选择与论证 (5)

2.2.2 驱动电机的选择与论证 (5)

2.2.3 直流电机驱动电路的选择与论证 (5)

2.2.4 稳压电源方案选择与论证 (6)

2.3 系统各模块的最终方案 (6)

3 基本元器件介绍及各部分电路设计 (8)

3.1 直流电机的运行原理 (8)

3.1.1 直流电机的结构 (8)

3.1.2 直流电机的基本工作原理 (8)

3.1.3 直流电机的额定值 (10)

3.2 单片机原理 (11)

3.2.1 单片机原理概述 (11)

3.2.2 单片机的应用系统 (11)

3.2.3 AT89C51简介 (13)

3.3 其它主要器件介绍 (17)

3.3.1 NE555介绍 (17)

3.3.2 集成运放LM358介绍 (19)

3.3.3 继电器的介绍 (20)

3.3.4 光耦介绍 (22)

3.3.5 串行下载口介绍 (23)

3.4 各部分电路设计 (25)

3.4.1 电源电路 (25)

3.4.2 时钟电路 (27)

3.4.3 复位电路 (28)

3.4.4 按键电路 (29)

3.4.5 超重检测电路 (29)

3.4.6 状态指示电路 (30)

3.4.7 声光报警电路 (31)

3.4.8 过流保护电路 (32)

3.4.9 控制电机正反转电路 (33)

3.4.10 串口电路 (34)

4 系统的软件各部分设计与实现 (36)

4.1 超重检测部分 (36)

4.2 上升部分 (36)

4.3 下降部分 (37)

4.4 过流中断部分 (38)

5 设计总结 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录 (42)

1 绪论

1.1 自动晾衣架介绍

目前晾衣架分手动、自动两种。手动较为普及。自动之所以未能普及推广，这是由于整个行业技术上的不成熟以及售后服务的局限——毕竟是镶在天花板上，不像小家电一样容易搬移去维修保养。因而目前，还是手动为市场的主导。但自动晾衣架有着手动晾衣架不可比拟的优势如升降更省力，升降速度更快等。随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。

自动晾衣架是大约10年前出现的一种晾晒衣服的用具。这种产品刚出来时晾杆是用不锈钢圆管做的，款式单一，只是作为一种方便晾晒衣服的工具，但随着时间的推移，生产晾衣架的厂家越来越多，竞争越来越大，厂家各出奇谋，晾衣架的款式越来越多，越来越漂亮，晾衣架如今已不仅仅是一种晾晒的工具了，更演变成一种装饰品，成为阳台一道风景线。晾衣架的各种配件也层出不穷，每一件配件都可以作为装饰品，点缀现代家庭的阳台。

1.2 晾衣架的历史及现状

自动晾衣架是一中国特色的产品，上世纪八十年代末发源于中国，至今大约20年历史，是一新兴行业。

晾衣架是我国较早出现的一种家具，周朝开始实行礼制，贵族阶层对衣冠十分重视，为了适应这种需要，较早就出现了专门用来悬挂衣物的架子。各个朝代的衣架形式各有不同，名称也有所不同。春秋时期，横架的木杆，用以挂衣曰“桁”，又叫“木施”。在宋代，衣架的使用较前代更为普遍，并且有形象的资料，河南禹县宋墓壁画梳妆图中的衣架，它由两根立柱支撑一根横杆，横杆两头长出立柱，两头微向上翘，并做成花朵状。下部用两横木墩以稳定立柱，在上横杆下部的两柱之间，另加一根横杆，以起加固作用。明代衣架整体造型仍保持着传统模式，但用材、制作、装饰很精致。衣架下端以两块墩子木作支撑，里外两面浮雕回纹，前后两个镂雕卷草花抵夹。上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，由于底下的横格木具有一定的宽度，故可以摆放鞋履等物。晾衣架从选材、设计、雕刻制作，在明代的时期都达到了很高的艺术水平。明清衣架造型典雅，装饰精美，雕刻细致。明清官员头戴乌纱红缨帽，身着前后缀

有补子的马蹄袖长袍，故清代衣架高大，立柱上设有横杆，二端出挑，雕有文饰回纹，墩上有立柱，前后两个镂雕卷草花抵夹。上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，两墩安装用小块木料连接。清朝实行“易服”政策，推行穿满人服装，满人体魄剽悍而高大，所穿的服装体积大，份量重。有钱、有地位人的衣服，是由绣凤的绫罗绸缎组成。因此，造就清代衣架的繁华、端庄、巨大，是这一个时期的特征，也是区别其他时代的不同之处。清代衣架又俗称“朝服架”，主要挂置男用官服所用，因此，所有的衣架主梁都如同二条仰首的双龙，傲气地横卧在那里，象征着官运享通，其余的如“福”、“禄”、“寿”及各种装饰性花饰，则进一步强调他们的价值观念。可以看到，早期的封建社会，做工精细、用料讲究的晾衣架只是上层权贵阶层的奢侈家庭用品，而普通的老百姓是享受不到的，他们只能就地取材，竹竿或木棍做晾杆，再加上一个自制的支架，就成了“平民晾衣架”，而且这个晾衣的传统竟然沿用了几千年，直到现在中国不少的农村地区仍在使用这种最朴实、最简单的晾衣方式。

古时的衣架到了现代社会又有了新的演变和发展，随着人类文明和科技的进步，现代的制作工艺及新型合金材料运用的相结合，产生了现代的晾衣架，晾衣架也日益发展成为现代家居生活的必备品。特别最近几年，中国的房地产迎来了前所未有的高速发展局面，紧随其后的建材家居业，自然也水涨船高。晾衣架做为建材类五金产品，随着人民生活水平的提高，也成为了家庭装修中消费者必须考虑购买的家居用品。目前，晾衣架产品的市场消费观念正在发生变化，人们晾晒衣服和生活用品的习惯从最早的原始的固定晾杆，到手拉升降衣架，再到自动晾衣架和最新的数码遥控晾衣架，短短的20年时间内，产品已经发生了翻天覆地的变化。从消费需求看，人们的消费观念也开始向品牌化、高档化、简易化的理性方向迈进。体验试营销手段正悄然进入晾衣架市场。消费者对产品的需求，也从简单的使用需求，上升到对产品的整体设计、功能、色彩、服务等多方面的整合需求。从产品技术看，现代晾衣架晾杆的材质和表面工艺处理也在不断地提高，材质用料上也从铁质到不锈钢，再发展到铝合金及目前采用的最新航空材料——铝钛合金，不断地推进发展。

1.3 晾衣架行业的发展及未来

晾衣架，发展到今天，已经不仅仅是一个晾衣服的工具。除了实用性很强外，更是一个颇具装饰性的产品。它是阳台一道主要的风景线。除了要买来晾衣服，消费者

也许更注重心理上的需求和满足。

目前晾衣架的“功能”已经普遍得到消费者的认可，已经形成一个“行业”。回归产品本身——走质量、特色路线：不断改良、创新，引领行业重新重视质量。实用的产品，质量才是永恒的。只有质量被大众接收，行业才可持续健康发展。换言之，只要功能、质量普遍被认可，晾衣架将会成为居民生活一个必需品。而竞争激烈的未来，特色将是吸引顾客的重要要素！

2 整体电路设计

2.1 自动晾衣架整体框图

本设计要求设计自动晾衣架的控制系统，能实现晾衣架的自动升降，衣服重量的自动检测及系统的故障保护功能。设计衣物的搭载总重量不超过30kg ，晾衣架的升降速度为0.4m/s 。电机的额定功率为120W 。

该设计电路的方框图如图2-1。该电路的输入有超重信号输入电路、手动按键电路、过流检测输入电路；电路的控制核心是AT89C51单片机；输出部分有声光报警电路、状态显示电路、电机控制电路。

图2-1 整机原理方框图

电路工作原理:当系统上电后，电源指示灯点亮；当晾晒衣服时，超重传感器检测衣物是否超过电机所能承载的质量，当超过时声光报警器就会报警，同时电机控制电路使电机不工作；当上升按键被按下，上升指示灯点亮，同时电机控制电路使电机正转；当下降上升按键被按下，下降指示灯点亮，同时电机控制电路使电机反转；如果发生故障使电机处于过流工作时，过流检测就会输出信号使声光报警器报警，同时使电机不工作。

2.2 系统的主要部件方案论证与比较

题目要求设计一自动晾衣架，根据要求需采用一只电机来控制晾衣架的升降。采用传感器衣物是否超重，当过载或发生故障时通过声光报警器实现报警,另外还需用到键盘及显示，下面对主要部件的选择加以论证。 状态显示

声光报警器 过流检测 电机控制

超重传感器

AT89C51 手动按键

2.2.1 处理器的选择与论证

方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的处理器。由于FPGA将所有器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA的成本偏高，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。

方案二：采用单片机AT89C51作为系统的处理器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。

基于以上分析，采用单片机AT89C51作为系统的处理器。

2.2.2 驱动电机的选择与论证

方案一：采用步进电机作为执行单元。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。因此，步进电机具有快速启停能力，但步进电机成本比较高且如果控制不当容易产生共振。

方案二：采用直流电机作为执行元件。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机成本低且的电路简单。

基于以上分析，采用直流电机作为系统的传动装置。

2.2.3 直流电机驱动电路的选择与论证

方案一：采用与直流电机相匹配的成品驱动装置。采用该方法实现直流电机驱动，其优点是工作可靠，节省制作和调试的时间，但成本很高。

方案二：采用继电器来控制直流电机。采用该方法实现直流电机驱动，电路连接比较简单，工作相对也比较可靠，成本低廉，技术成熟。此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。

基于以上分析，考虑到要驱动的电机瞬时电流较大以及电路的复杂程度，采用方

案二实现电机驱动。

2.2.4 稳压电源方案选择与论证

方案一：采用串联反馈式稳压电路，图2-2中VI是整流滤波电路的输出电压，T 为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。

图2-2 串联反馈式稳压电路

这种稳压电路的主回路是起调整作用的T与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。但该电路复杂，使用不方便。

方案二：采用集成三端稳压器

图2-3 集成三端稳压器

如图所示，集成三端稳压器是一个集成芯片，它有一个电压输入端Vin，一个电压输出端V out和一个接地端GND，其基准电压由芯片内部电路决定，是一个固定的值。集成三端稳压器的外部结构简单，使用比较方便。

基于以上分析，我们采用方案二做为电源方案。

2.3 系统各模块的最终方案

经过仔细地分析和论证，选定了系统各模块的最终方案如下：