基于51单片机的智能晾衣架的设计与制作

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目录

1产品功能分析.........................................................................................................1

2设计方案遴选.........................................................................................................1

2.2步进电机的选择........................................................................................2

2.3系统框图设计............................................................................................2

3产品硬件设计.........................................................................................................3

3.1电路原理图及工作原理............................................................................3

3.2STC89C52RC单片机核心电路................................................................4

3.3按键电路设计............................................................................................7

3.4光线检测电路............................................................................................8

3.5DHT11湿度传感器电路...........................................................................9

3.6数码管显示电路.......................................................................................9

3.7步进电机驱动电路................................................................................10

4产品软件设计.......................................................................................................11

4.1主程序流程图..........................................................................................11

4.2温湿度测验..............................................................................................12

4.3APP程序设计..........................................................................................13

4.4产品程序清单..........................................................................................14

5产品使用说明.......................................................................................................15

5.1产品实物图各部分介绍..........................................................................15

5.2产品硬件调试..........................................................................................16

5.3产品使用说明..........................................................................................17

6产品设计技术标准...............................................................................................17

参考资料.....................................................................................................................18

附录.............................................................................................................................19

附录1元器件清单............................................................................................19

附录2电路原理图............................................................................................20

I

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附录3PCB设计图.............................................................................................21

附录4产品实物图............................................................................................22

附录5主程序代码............................................................................................23

II

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基于51单片机的智能晾衣架的设计与制作

1产品功能分析

在这个快速发展的信息时代，人们的时间感更强，作息也越来越紧张，生

活中一些琐碎的事情没必要也不应该占用太多的时间和精力。

就当前所言我们所使用的晾衣架大多数都是不能跟随自然环境的变化而进

行自动回收的传统的类型。假如小区居民都是劳动者，或者小区居民刚好有事

情出门在外，没有任何人居住在家里，在这些情况下，如果这个时候突然变天

下雨或者天黑了的情况，传统类型的晾衣架就完全做不到把晾晒在房子外面的

衣物进行避雨或者避露珠的功能。炎炎夏日，劳动者一般情况下是把自家的衣

服晾晒在房子外头整整一天。即便是小区居民当时在家，也很少在夏日阳光正

强的时候在室内收衣服，温度变化后再拿到阳台晾干，其实暴晒对衣服的损坏

程度很大。这个时候就需要一个智能的晾衣架以满足不同类型住户对晾晒衣物

的需求。

本设计采用51单片机作为智能晾衣架的检测及控制核心，同时配合温湿度

传感器和光敏电阻等板块。通过温湿度传感器检测外面自然环境的湿度，当外

面自然环境的湿度已经达到了自己设置的最高湿度时，自然环境的光线变暗时

或者天黑的时候，单片机控制电动机收回（或者展出），从而使晾衣架自动进

行回收，当传送杆抵达到开关的位置时，电机的转动停下；然后当下雨停止

时，自然环境的光线变亮时，太阳光充足并且湿度低于设置的上限值时，光敏

电阻和湿度传感器将得到的消息传送给单片机，再由单片机去控制电动机的展

出（或者收回）从而使晾衣架自动对衣服进行展出或者收回曝晒。

2设计方案遴选

在进行硬件电路搭建前必须得选择好合适的产品的零部件，以发挥器件的

基本功能。一个完整的智能晾衣架产品需要几个零部件组成，虽然有很多模块

可供我们挑选，但是需要我们在自身的经济水平以及产品兼容性上来考虑，产

品的基本形式是显示功能，自动感受外界变化功能等组成。

2.1核心芯片的选择

方案1：使用STM32系列

STM32单片机该款产品的优缺点：STM32系列主要是为需求低,功耗低,

1

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高性能的嵌入式应用设计的ARM，基本集成市场市面中工业领域的功能的

STM32，唯一的缺点就是这个系列的单片机的成本偏高，使用起来相对是比较

复杂，这两个缺点累加起来，对一个学生来讲是比较麻烦和不太适合的。

方案2：使用51系列

51单片机该款产品的好坏处：STC89C52是一款先进的8位CMOSMCU，具

有低功耗、高性能和可编程8位处理器和闪存等特性，在单芯片上提供更灵

活、更方便的解决方案。但是世界上没有完美无缺的产品以及毫无规律破绽的

程序，51单片机也是有一些坏处的，列如AD和EEPROM等功能的扩展会增

加硬件和软件的负担，从而影响系统的性能和可靠性，同时保护芯片能力比较

差劲，很容易在焊接产品和调试产品的过程中烧毁芯片。

综合产品成本和产品功能的需求来看，我在这两个方案中选择了51系列

的单片机。

2.2步进电机的选择

方案一：永磁式步进电动机（PM）

类别结构步距力矩动态性能

永磁式转子采用多磁极圆筒形的永磁大大好

步进电动机铁，其外面配置齿状定子吸引和排斥

（PM）力产生转动

方案二：反应式步进电动机（VR）

类别结构步距力矩动态性能

反应式采用高导磁材料构成齿状转子小小较差

步进电动机和定子

（VR）

综上所述，过程中产品设计的我采用了方案一，选择使用永磁式步进电动

机（PM）进行产品组装。

2.3系统框图设计

产品设计框图如下：

2

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湿度检测

湿度显示

STC89C52RC单

片机核心电路

光线检测

电机驱动

按键控制

晾衣架执行机构

图1系统设计框图

3产品硬件设计

3.1电路原理图及工作原理

图2系统原理图

本产品是由STC89C52RC单片机核心电路，DHT11湿度传感器，数码管显示

3

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器，按键电路，步进电机，光线检测电路组成。

本产品的工作原理主要是利用DHT11湿度传感器和光线检测电路这两种传

感器检测到传感器对外界检测实际所收到的参数。接着在把湿度传感器所接收

到的实际数据显示在数码管显示器上。当下雨/天晴时,湿度使DHT11湿度传感

器导通,进而下一步传给单片机核心控制模块。控制模块发送指令到电机驱

动。从而控制电机的转动，让晾衣架收回/伸出，自动实现收衣/晒衣动作。以

此来实现晾衣架的收缩状态。

3.2STC89C52RC单片机核心电路

最新一代的STC89C52RC，速度极快，功耗极低，抗干扰能力极强，是宏晶

公司研发的，它的命令代码完全可以兼容常规的8051单片机，12时钟频率/

机，6周期时钟/机都可以随意选择。此芯片被选用的原因在于，此芯片不但能

够满足并完成该产品的功能而且能够为本设计中所需的其它扩展电路提供其它

功能。

STC89C52RC主要性能如下：

a)8051单片机拥有强大的功能，它可以根据需要调整6时钟和12时

钟/机器周期，而且它的指令代码与传统的设计完全兼容，从而能够满

足不同的应用需求。

b)工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工

作频率可达48MHz。

c)用户应用程序空间为8K字节。

d)片上集成512字节RAM。

e)通用I/O端口（32个），在重置后具体内容如下：P1/P2/P3/P4为

准双向端口/弱上拉式端口，P0端口为漏极开路输出，它被用作总

线扩展时不需要添加拉阻，但是被用作I/O端口就需要添加拉

阻。

f)ISP（系统可编程）/IAP（应用可编程），不需要使用专用的编

程器，也不需要使用专用的仿真器，可以通过串口（RXD/P3.0、

TXD/P3.1）直接加载用户程序,部分可在秒级完成。

g)具有EEPROM功能。

h)具有看门狗功能。

i)共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。

j)外部4通道屏障，边沿下降屏障或低电平触发电路，低电平模式

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外部屏障可通过低电平触发模式唤醒

k)通用异步串行端口（UART）和定时器软件应用实现可以多个

UART。

STC89C52RC单片机引脚图：

图3STC89C52RC引脚图

STC89C52RC引脚功能如下：

电源:

VCC-电源，接+5V；

GND-接地；

时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

控制线:

控制线一共有4根：

ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

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ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。

PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编

程脉冲。

PSEN:外ROM读选通信号。

RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。

VPD功能：在VCC掉电情况下，接备用电源。

EA/VPP:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：内外ROM选择端。

VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源

VPP。

I/O口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。

P0端口是一个三向双向端口，通常会被叫做数据总线端口，因为只有这个

端口可以直接用于对外部存储器的读/写操作。P0端口还用于显示外部存储卡

的8位下部地址。由于这是一个分时输出，因此该地址数据必须锁定在外部锁

存器、锁定地址和ALE信号中。

P1端口是用户特定的I/O端口和准双向端口。

P2端口用于从系统中扩充的高8比特的地址线。P2端口在不扩充外存的

情况下，亦可用作用户输入输出端口，同时也为准双向端口

P3端口是一个双功能端口，端口的每个位可以独立定义为第一个I/O功

能或第二个I/O功能。当用作第一个功能时，它的工作方式类似于P1端

口。

STC89C52RC单片机实物图：

图4STC89C52RC实物图图片

其工作原理与计算机CPU相同，其工作原理是利用单片机内部的半导体存

储器来存储用户的程序和数据，其核心微处理器CPU有指令寄存器、指令译码

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器、程序计数器等，通过程序计数器来寻找下一条要执行的指令，找到后，将

指令交给指令寄存器，再由译码器翻译来完成对指令函数的操作，最终形成一

个循环的工作结果。

图5单片机核心电路原理图

3.3按键电路设计

按键电路是一种常用的电子线路，主要用于控制开关、音量调节、频道切

换等。按键电路的工作原理就是在开关过程中，按下一个按钮，就会发生相应

的变化，从而达到各种功能的目的。产品选用电子开关按钮，实现开关联通只

需要按下按钮，切断连接只需要松下按钮。

在本产品设计中采用了四个按键：按键S1进行手动模式或者自动模式选择。

按键S2,S3,为按键+和按键-。按键S4为设置键。

以此来实现对外界检测到的湿度上限值和步进电机转动的圈数的设置。

其电路原理图如图6所示

7

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图6按键电路原理图

3.4光线检测电路

此次设计中光检测电路主要由光敏电阻组成。光阻基本上是由半导体的光

导效应得出的电阻，其电阻值随光强而变化，也称为光导检测器;光强，电阻

降低，光弱，电阻增加。这款产品是利用感光电阻器的感光性能来决定光线的

强弱，由感光电阻器的感光能力来判断白昼与夜晚，并且协助湿度感应器来判

断是否是阴晴天气。

其电路原理图如图7所示：

图7光线检测原理图

其基本原理是利用了感光电阻器在有光条件下的电阻器的电学性质，使感

光电阻器的电阻率比无光条件下低。在正常照明下，调整电位器的电阻，使

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LM393反向输入端的电位低于同向端的电位，则LM393的输出高，随着光线

的减弱，光敏电阻的电阻值增加，同轴端子的电压低于反相端子，比较器的

输出变弱，然后要求单片机从外面停止，控制电机拾取衣服。

3.5DHT11湿度传感器电路

DHT11数字湿温传感器是一种带有校正数字信号输出的复合型温湿传感

器，它使用了独特的数字模组采集技术和温湿测量技术，从而保证了高可靠性

和良好的长期稳定性。它采用了一种基于NTC的高精度测温技术，并与一台高

性能的8位微机相连。所以，这款产品的优势是：质量优良，响应速度极快，

抗干扰能力强，性价比极高。

单线路的串口使得系统的整合更加快捷和方便。它的体积非常小，功耗也

非常低，因此非常适合在这些需要高功率的场合使用。

其电路原理图如图8所示：

图8DHT11湿度传感器原理图

其工作原理是根据空气中的水分对电容的影响而设计的。在DHT11型传感

器中，有一种薄膜电容式传感器，其原理是由两种电极组成，一种是湿度感测

电极，另一种是温度感测电极。在设备内湿度变化时，湿度传感电极将吸水或

放水，使其电容发生变化。电容的电感原理也会随著温度的改变而改变。感应

器由感应器侦测到表面介电常数的改变，进而侦测到周围的温度与湿度。

3.6数码管显示电路

数码管是一种使用LED的显示装置，它们分别由对应的段构成，因为数字

只需要七个段，因此一些数码管里面只有七个段，被称为数码管的七段，数字

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管的额外段的八段都被用在了小数点上，构成了一个显示装置，它可以将小数

点数据显示出来。

根据数码管内部的连接方法，使数码管分为普通正极数码管（低电平照

明）和普通负极数码管（高层照明），普通正极数码管内部由将所有LED的正

极连接在一起，形成一个公共端接+5V电源，控制相应的LED负极就可以显

示数字。所以，普通正极低电平就可以点亮，共阴极和共阳极刚好相反，LED

负极内的共阴极数码管连接在一起，形成一个共端接地为0V，控制相应的

LED正极就可以显示数字，使共阴极数码管高电平亮起。

之所以选择数码管显示器是因为它相比较于LCD1602液晶显示器体积更

小、响应速度快、稳定性更好、结构更简单、不易被干扰。更适合本次产品的

设计。

其电路原理图如图9所示：

图9数码管显示电路原理图

其工作原理主要是利用电路来实现对亮灭的控制。进入数码管的控制电

路，按照不同的信号强度，控制不同的发光灯，从而得到所需的结果。

3.7步进电机驱动电路

步进电机是一种可以把电脉冲转换成角位移的驱动装置。步进驱动装置在

收到输入信号后，将电动机沿预定方向作一定角度（即“步距角”），使电动

机按照一定的角度逐步地进行自转。利用脉冲数目的大小，实现了角度位移的

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精确定位；同时，还可以通过对脉冲频率的控制，来实现对电动机旋转的转

速、加速度的调节，实现对电动机转速、位置的调节。

图10步进电机驱动电路原理图

它的工作原理，是通过一种电子线路，把直流电源转换成分时电源，多相

时序控制电流，以此为基础，给步进电动机提供动力，从而保证步进电动机的

正常运行，而驱动装置，则是给步进电动机提供分时电源，是一种多相位的控

制器。

4产品软件设计

4.1主程序流程图

本次体系的软件设计使用了结构设计和模块设计这两种方法使编译和调试

程序变得容易。根据此内容设计的需要，以及前面描述的控制系统的硬件设计

的详细内容，单片机控制体系软件程序的流程图如图11所示：

11

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图11主程序流程图

4.2温湿度测验

温湿度测验使用了DHT11温湿度传感器，由于DHT11独特的单总线方式，

数据是在同一条线上读取的，因此所有类型的操作都必须严格按照程序的流程

进行。图12是测量湿度的（子程序）流程图。单片机首先发出一个重置脉

冲，接着对在信号线上的DHT11芯片进行重置，接着发出一个ROM操作指令，

并用对应的序号码来启动DHT11。DHT11一开始就进入了接受存储器存取指令

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的状态，该指令执行温度变换、恢复等工作（一条总线保存指令及控制指令，

直到ROM指令被发送，该指令及控制指令被保存，不起任何作用）。

程序流程图（子程序）如图12所示：

图12流程图（子程序）

4.3APP程序设计

对产品程序的编写成功后，需通过软件keil5对所编写的程序进行测试以

及编译，若编译不通过，则需要再程序进行相应的修改。当所有程序编译都成

功之后，搭配现有的环境因素对产品进行调试，实现智能晾晒衣物的效果。

软件体系设计设置包括的声明库函数如：#include<reg51.h>，#include

<absacc.h>等，接口定义系统应用如下：

13

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sbitsmg_we1=P2^7;//数码管位选定义

sbitsmg_we2=P2^6;

sbitGX=P2^2;//光敏

sbitdht11=P2^4;//湿度传感器IO口定义

sbitred=P2^5;//红色发光二极管定义

sbitgreen=P2^3;//绿色发光二极管定义

sbityellow=P2^0;//黄色发光二极管定义

程序编译图：

图13程序编译成功图

4.4产品程序清单

对产品的整个程序进行一个整合，可以清晰的看到整个程序那些部分组成

产品程序清单：

14

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图14产品程序清单图

5产品使用说明

5.1产品实物图各部分介绍

产品是由单片机，温度传感器模块，按键模块，电源模块,数码管显示模

块，光敏电阻模块和电机组成

实物图如下：

15

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图15产品实物图

5.2产品硬件调试

检查单片机所有的部件是否都成功的焊接到万能板之上，需要对每一个焊

点进行细致严格的检查，确保元器件没有虚焊漏焊，以及是否有瑕疵等，用万

能表进行测试板件，检查各个焊接点连接情况是否合格，检查各电源线与地线

是否有短路的现象。对产品进行上电检查。将编写的程序烧录到单片机之中。

程序烧录成功界面如图：

16

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图16程序烧录成功图

5.3产品使用说明

1、接上电源上电，再按下电源开关，温湿度传感器和光敏电阻自动监

测。

2、若是外界的湿度高于设置的上限值或者外界光线过暗，智能晾衣架关

闭，数码管显示当前的湿度。

3、若是外界的湿度低于设置的上限值或者外界正处于天亮状态，智能晾

衣架开启，数码管显示当前的湿度。

4、可以利用万能板上的按键模块对湿度上限值和电机转动圈数进行设

置，假如设置湿度上限值是65和电机的转动圈数为两圈，当外界湿度高于65

时智能晾衣架就自动进行关闭，电机转动两圈。

6产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

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参考资料

[1]郭天祥-新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社.2009.

[2]金发庆.传感器技术与应用[M].北京:机械工业出版社，2008年.

[3]谭浩强.C语言设计.北京：清华大学出版社[M]2005.

[4]潘清明，丁左武，蒋伟，郑孙伟.防雨、防暴晒、夜晚能自动收缩的智能晾衣架设计[J].机电产品开

发与创新，2007.

[5]寿宏晓，林利栋，毛晓捷，毛晓靖.自动伸缩式防雨晾衣架的研究[J].机械工程师，2010.

[6]杨友平.基于89C5.1实现智能晾衣架控制系统设计[[J].机械工程与自动化，2011.

[7]林若波，李锡丰，郑烁.晴雨智能晾衣架的设计[J].电子技术,2006.

[8]杨友平.基于89C5.1实现智能晾衣架控制系统设计[[J].机械工程与自动化，2011.

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附录

附录1元器件清单

基于51单片机的智能晾衣架的设计与制作20移动互联1班杨芝

序号元件标号元件名称规格数量

1C1电容10uF1

2C2,C3电容20pf2

3D1发光二极管红1

4D2发光二极管绿1

5D3发光二极管黄1

6D4发光二极管D1

7GR1光敏电阻光敏电阻1

8P1步进电机moto1

9P2电源接口电源输入1

10R1,R8电阻10K2

R2,R3,R4,

11电阻2K5

R6,R9

12R5排阻2001

13R7可调电位器RESKB1

S1,S2,S3,

14按键SW-PB4

S4

15S5按键SW-PB1

16SW1电源开关电源开关1

17U1湿度传感器DHT111

18U2步进电机ULN20031

19U3数码管SMG_2共阴1

20U4单片机STC89C521

21U5比较器LM3931

22Y1晶振12M1

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附录2电路原理图

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附录3PCB设计图

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附录4产品实物图

1、作品实物图正面

2、作品实物图反面

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附录5主程序代码

#include<reg52.h>

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

uchar

smg_du[]={0xFC,0x30,0xD4,0xB5,0x79,0xAD,0xE8,0x34,0xF1,0xBD};

uchardis_smg[2]={0};

sbitsmg_we1=P2^7;

sbitsmg_we2=P2^6;

unsignedcharcodezheng[4]={0xf8,0xf4,0xf2,0xf1};

unsignedcharcodefan[4]={0xf1,0xf2,0xf4,0xf8};

ucharflag_z_f;

intflag_300ms;

sbitGX=P2^2;

sbitdht11=P2^4;

uchartable_dht11[5]={0};

ucharmenu_1;

sbitred=P2^5;

sbitgreen=P2^3;

sbityellow=P2^0;

bitflag_moshi=0;

uintquanshu;

uchars_high=80;

longbjdj_value;

sbitkey1=P1^4;

sbitkey2=P1^5;

sbitkey3=P1^6;

sbitkey4=P1^7;

voiddelay_1ms(uintq)

{

uinti,j;

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for(i=0;i<q;i++)

for(j=0;j<120;j++);

}

voiddelay_uint(uintq)

{

while(q--);

}

voidsmg_we_switch(uchari)

{

switch(i)

{

case0:smg_we1=0;smg_we2=1;break;

case1:smg_we1=1;smg_we2=0;break;

}

}

voiddisplay()

{

staticuchari;

i++;

if(i>=2)

i=0;

P0=0x00;

smg_we_switch(i);

P0=dis_smg[i];

}

voiddst11()

{

uchari,j;

dht11=0;

delay_1ms(5);

dht11=1;

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delay_uint(4);

if(dht11==0)

{

while(dht11==0);

while(dht11==1);

for(i=0;i<5;i++)

{

for(j=0;j<8;j++)

{

table_dht11[i]<<=1;

while(dht11==1);

delay_uint(3);

if(dht11==1)

{

table_dht11[i]|=0x01;

while(dht11==1);

}

}

}

}

dht11=1;

}

ucharkey_can;

voidkey()

{

if(key1==0||key2==0||key3==0||key4==0)

{

delay_1ms(1);

if(key1==0)

key_can=1;

if(key2==0)

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key_can=2;

if(key3==0)

key_can=3;

if(key4==0)

key_can=4;

}

}

voidkey_with()

{

if(key_can==1)

{

menu_1++;

if(menu_1>=3)

{

menu_1=0;

}

}

if(menu_1==0)

{

if(key_can==4)

{

flag_moshi=~flag_moshi;

red=~red;

}

if(flag_moshi==1)

{

if(key_can==2)

{

flag_z_f=1;

}

if(key_can==3)

{

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flag_z_f=2;

}

}

}

if(menu_1==1)

{

if(key_can==2)

{

s_high++;