基于TMS320F28027的智能晾衣架系统

一、系统概述与核心功能

1. 系统架构

传感器层 → TMS320F28027主控 → 执行层 → 用户交互层
   ↑           ↑                ↑          ↑
温湿度      电机控制         升降电机    手机APP
光照度      PWM生成         照明LED     语音控制
雨滴检测    ADC采样         消毒UV灯    本地按键
重量检测    通信接口        风干风扇    显示屏

2. 核心功能特点

• 智能升降控制：根据天气、时间、用户指令自动控制晾衣架升降
• 环境感知：实时监测温湿度、光照强度、雨滴状态
• 多重保护：过载保护、防撞保护、遇阻即停
• 节能模式：根据光照自动调节照明，低功耗待机
• 远程控制：通过Wi-Fi/蓝牙连接手机APP，支持定时、场景模式
• 消毒烘干：UV消毒+热风烘干，智能杀菌除湿

二、硬件设计方案

1. 核心元器件选型

2. TMS320F28027引脚分配

// 电机控制引脚
#define MOTOR_STEP_PIN    GPIO0    // PWM1A - 步进脉冲
#define MOTOR_DIR_PIN     GPIO1    // GPIO - 方向控制
#define MOTOR_EN_PIN      GPIO2    // GPIO - 使能控制

// 传感器接口
#define DHT22_PIN         GPIO3    // 单总线温湿度
#define RAIN_ADC_CH       ADCINA0  // 雨滴传感器模拟输入
#define WEIGHT_DOUT_PIN   GPIO4    // HX711数据线
#define WEIGHT_SCK_PIN    GPIO5    // HX711时钟线

// 外设接口
#define I2C_SCL_PIN       GPIO6    // I2C时钟（BH1750、OLED）
#define I2C_SDA_PIN       GPIO7    // I2C数据
#define UART_TX_PIN       GPIO8    // UART发送（ESP8266）
#define UART_RX_PIN       GPIO9    // UART接收

// 功能控制
#define UV_LED_PIN        GPIO10   // UV消毒灯控制
#define HEATER_PIN        GPIO11   // 加热器控制
#define FAN_PIN           GPIO12   // 风扇控制
#define LIGHT_PIN         GPIO13   // 照明LED控制
#define BUZZER_PIN        GPIO14   // 蜂鸣器报警

3. 电机驱动电路设计

// TB6600步进电机驱动器连接
TMS320F28027 → TB6600 → 42步进电机
GPIO0(PWM1A) → PUL+     → 步进脉冲
GPIO1        → DIR+     → 方向控制  
GPIO2        → ENA+     → 使能控制
           GND → PUL-,DIR-,ENA- (共地)

// 电源配置
12V/2A电源 → TB6600(VCC) → 电机
5V/1A电源 → TMS320F28027

三、软件设计与核心代码

1. 系统主程序框架

#include "DSP28x_Project.h"
#include "motor_control.h"
#include "sensors.h"
#include "wifi_comm.h"
#include "display.h"

// 系统状态定义
typedef enum {
   
    STATE_IDLE,          // 空闲状态
    STATE_RAISING,       // 上升中
    STATE_LOWERING,      // 下降中
    STATE_DRYING,        // 烘干中
    STATE_UV_CLEAN,      // 消毒中
    STATE_FAULT          // 故障状态
} SystemState_t;

// 全局变量
SystemState_t sys_state = STATE_IDLE;
float temperature = 0.0, humidity = 0.0;
float light_level = 0.0;
uint16_t rain_level = 0;
float weight = 0.0;

void main(void) {
   
    // 系统初始化
    InitSysCtrl();                      // 系统控制初始化
    InitPieCtrl();                      // 中断控制初始化
    InitPieVectTable();                 // 中断向量表初始化

    // 外设初始化
    GPIO_Init();                        // GPIO初始化
    PWM_Init();                         // PWM初始化（电机控制）
    ADC_Init();                         // ADC初始化（雨滴检测）
    I2C_Init();                         // I2C初始化（光照、OLED）
    UART_Init();                        // UART初始化（Wi-Fi通信）
    Timer_Init();                       // 定时器初始化

    // 模块初始化
    Motor_Init();                       // 电机初始化
    Sensors_Init();                     // 传感器初始化
    WiFi_Init();                        // Wi-Fi模块初始化
    OLED_Init();                        // 显示初始化

    // 使能中断
    EnableInterrupts();

    // 主循环
    while(1) {
   
        // 1. 传感器数据采集
        Read_Sensors();

        // 2. 状态机处理
        State_Machine_Handler();

        // 3. 通信处理
        WiFi_Data_Process();
        Local_Control_Process();

        // 4. 显示更新
        Update_Display();

        // 5. 低功耗处理（空闲时进入IDLE模式）
        if(sys_state == STATE_IDLE) {
   
            asm(" IDLE");
        }
    }
}

// 传感器读取函数
void Read_Sensors(void) {
   
    // 温湿度读取（DHT22）
    DHT22_Read(&temperature, &humidity);

    // 光照强度读取（BH1750）
    light_level = BH1750_ReadLight();

    // 雨滴检测（ADC采样）
    rain_level = ADC_Read(RAIN_ADC_CH);

    // 重量检测（HX711）
    weight = HX711_ReadWeight();
}

// 状态机处理
void State_Machine_Handler(void) {
   
    static uint32_t state_timer = 0;

    switch(sys_state) {
   
        case STATE_IDLE:
            // 检查是否需要自动升降
            if(Check_Auto_Mode()) {
   
                if(rain_level > RAIN_THRESHOLD) {
   
                    sys_state = STATE_RAISING;  // 下雨自动上升
                    Motor_Raise();
                } else if(light_level > LIGHT_THRESHOLD && 
                         humidity < HUMIDITY_THRESHOLD) {
   
                    sys_state = STATE_LOWERING;  // 晴天自动下降
                    Motor_Lower();
                }
            }
            break;

        case STATE_RAISING:
            if(Motor_IsTop() || Check_Obstacle()) {
   
                Motor_Stop();
                sys_state = STATE_IDLE;
            }
            break;

        case STATE_LOWERING:
            if(Motor_IsBottom() || Check_Obstacle()) {
   
                Motor_Stop();
                sys_state = STATE_IDLE;
            }
            break;

        case STATE_DRYING:
            if(Check_Drying_Complete()) {
   
                Heater_Off();
                Fan_Off();
                sys_state = STATE_IDLE;
            }
            break;

        case STATE_UV_CLEAN:
            if(Check_UV_Complete()) {
   
                UV_LED_Off();
                sys_state = STATE_IDLE;
            }
            break;

        case STATE_FAULT:
            Fault_Handler();
            break;
    }
}

2. 步进电机控制（PWM生成）

// PWM配置（用于步进电机脉冲）
void PWM_Init_Motor(void) {
   
    // 使用ePWM1模块生成步进脉冲
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;  // 增减计数模式
    EPwm1Regs.TBPRD = 1500;                         // 周期值（决定脉冲频率）
    EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0;                 // 相位寄存器清零
    EPwm1Regs.TBCTR = 0;                            // 计数器清零

    // 设置比较值（占空比50%）
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPwm1Regs.TBPRD / 2;

    // 动作限定器配置
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_SET;              // 计数等于CMPA时置高
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_CLEAR;            // 计数等于CMPA时清零

    // 时基时钟配置
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = TB_DIV1;        // 高速时钟分频
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = TB_DIV1;           // 时钟分频

    // 使能PWM输出
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE;         // 禁止相位加载
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = TB_SYNC_DISABLE; // 同步选择
}

// 电机速度控制
void Motor_SetSpeed(uint16_t speed_rpm) {
   
    uint32_t period;

    // 计算PWM周期值（公式：Period = (CPU_Freq / (2 * 分频 * 步数/转 * RPM / 60))）
    // 假设：CPU=60MHz，分频=1，步数/转=200（1.8度/步）
    period = (uint32_t)(60000000 / (2 * 1 * 200 * speed_rpm / 60));

    if(period > 65535) period = 65535;  // 限制最大值
    if(period < 100) period = 100;      // 限制最小值

    EPwm1Regs.TBPRD = period;
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = period / 2;
}

// 电机位置控制（精确升降）
void Motor_MoveToPosition(uint32_t target_steps, uint8_t direction) {
   
    static uint32_t current_steps = 0;
    uint32_t steps_to_move;

    // 设置方向
    GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO1 = direction;  // GPIO1控制方向

    // 计算需要移动的步数
    if(direction == DIR_UP) {
   
        steps_to_move = target_steps - current_steps;
    } else {
   
        steps_to_move = current_steps - target_steps;
    }

    // 使能电机
    GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO2 = 1;  // 使能电机（低电平有效）

    // 发送脉冲
    for(uint32_t i = 0; i < steps_to_move; i++) {
   
        // 每个脉冲移动一步
        EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;  // 重新使能计数
        DELAY_US(100);  // 脉冲间隔

        // 检查障碍物
        if(Check_Obstacle()) {
   
            Motor_Stop();
            break;
        }
    }

    // 更新当前位置
    if(direction == DIR_UP) {
   
        current_steps += steps_to_move;
    } else {
   
        current_steps -= steps_to_move;
    }

    // 关闭电机（保持扭矩）
    GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO2 = 1;  // 禁用电机
}

3. 智能控制算法

// 自动模式决策函数
uint8_t Check_Auto_Mode(void) {
   
    uint8_t auto_flag = 0;

    // 条件1：检测到下雨
    if(rain_level > RAIN_THRESHOLD) {
   
        auto_flag |= AUTO_RAISE;
    }

    // 条件2：夜间自动升起（避免露水）
    if(light_level < NIGHT_LIGHT_THRESHOLD) {
   
        auto_flag |= AUTO_RAISE;
    }

    // 条件3：晴天且湿度适宜自动下降
    if(light_level > SUNNY_LIGHT_THRESHOLD && 
       humidity < DRY_HUMIDITY_THRESHOLD &&
       rain_level < RAIN_THRESHOLD) {
   
        auto_flag |= AUTO_LOWER;
    }

    // 条件4：衣物重量超过阈值（已晾晒）
    if(weight > WEIGHT_THRESHOLD) {
   
        auto_flag |= AUTO_DRYING;  // 启动烘干
    }

    return auto_flag;
}

// PID控制器（用于温度控制）
typedef struct {
   
    float Kp, Ki, Kd;      // PID参数
    float integral;         // 积分项
    float prev_error;       // 上次误差
    float output;           // 输出值
    float output_max;       // 输出上限
    float output_min;       // 输出下限
} PID_Controller;

void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float max, float min) {
   
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->integral = 0.0;
    pid->prev_error = 0.0;
    pid->output = 0.0;
    pid->output_max = max;
    pid->output_min = min;
}

float PID_Calculate(PID_Controller *pid, float setpoint, float measured, float dt) {
   
    float error = setpoint - measured;
    float derivative;

    // 比例项
    float proportional = pid->Kp * error;

    // 积分项（抗积分饱和）
    pid->integral += error * dt;
    if(pid->integral > pid->output_max) pid->integral = pid->output_max;
    if(pid->integral < pid->output_min) pid->integral = pid->output_min;
    float integral = pid->Ki * pid->integral;

    // 微分项
    derivative = pid->Kd * (error - pid->prev_error) / dt;
    pid->prev_error = error;

    // 计算输出
    pid->output = proportional + integral + derivative;

    // 输出限幅
    if(pid->output > pid->output_max) pid->output = pid->output_max;
    if(pid->output < pid->output_min) pid->output = pid->output_min;

    return pid->output;
}

// 烘干温度控制
void Drying_Temperature_Control(float target_temp) {
   
    static PID_Controller temp_pid;
    static uint8_t pid_initialized = 0;
    float heater_pwm;

    if(!pid_initialized) {
   
        PID_Init(&temp_pid, 2.5, 0.1, 0.05, 100.0, 0.0);  // PID参数
        pid_initialized = 1;
    }

    // 计算PID输出（控制周期100ms）
    heater_pwm = PID_Calculate(&temp_pid, target_temp, temperature, 0.1);

    // 设置加热器PWM占空比
    Set_Heater_PWM(heater_pwm);
}

4. Wi-Fi通信与APP控制

// ESP8266 AT指令通信
void WiFi_SendATCommand(char *cmd, char *expected, uint16_t timeout) {
   
    char response[256];

    UART_SendString(cmd);
    DELAY_MS(100);

    // 等待响应
    uint32_t start_time = GetSysTickCount();
    while((GetSysTickCount() - start_time) < timeout) {
   
        if(UART_ReceiveString(response, sizeof(response))) {
   
            if(strstr(response, expected) != NULL) {
   
                return;  // 收到期望响应
            }
        }
    }
}

// 连接Wi-Fi
void WiFi_ConnectAP(char *ssid, char *password) {
   
    WiFi_SendATCommand("AT+CWMODE=1\r\n", "OK", 1000);      // 设置为STA模式
    DELAY_MS(100);

    char cmd[64];
    sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", ssid, password);
    WiFi_SendATCommand(cmd, "OK", 5000);                    // 连接AP
    DELAY_MS(100);

    WiFi_SendATCommand("AT+CIPMUX=1\r\n", "OK", 1000);      // 开启多连接
    DELAY_MS(100);

    WiFi_SendATCommand("AT+CIPSERVER=1,8080\r\n", "OK", 1000); // 开启TCP服务器
}

// 处理APP控制指令
void Process_App_Command(char *cmd) {
   
    // 指令格式：{"cmd":"raise", "value":"100"}
    // 支持指令：raise/lower/stop/light/uv/dry/timer

    if(strstr(cmd, "\"cmd\":\"raise\"")) {
   
        // 上升指令
        uint16_t height;
        sscanf(cmd, "\"value\":\"%hu\"", &height);
        Motor_MoveToPosition(height * STEPS_PER_CM, DIR_UP);

        // 回复确认
        WiFi_SendResponse("{\"status\":\"raising\", \"height\":%hu}", height);
    }
    else if(strstr(cmd, "\"cmd\":\"lower\"")) {
   
        // 下降指令
        uint16_t height;
        sscanf(cmd, "\"value\":\"%hu\"", &height);
        Motor_MoveToPosition(height * STEPS_PER_CM, DIR_DOWN);

        WiFi_SendResponse("{\"status\":\"lowering\", \"height\":%hu}", height);
    }
    else if(strstr(cmd, "\"cmd\":\"dry\"")) {
   
        // 烘干指令
        uint16_t duration;
        sscanf(cmd, "\"value\":\"%hu\"", &duration);
        Start_Drying(duration);

        WiFi_SendResponse("{\"status\":\"drying\", \"duration\":%hu}", duration);
    }
    else if(strstr(cmd, "\"cmd\":\"status\"")) {
   
        // 状态查询
        char status_json[256];
        sprintf(status_json, 
                "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%.0f,\"rain\":%hu,\"weight\":%.2f,\"state\":%d}",
                temperature, humidity, light_level, rain_level, weight, sys_state);
        WiFi_SendResponse(status_json);
    }
}

参考代码 基于TMS320F28027的智能晾衣架 www.youwenfan.com/contentali/134539.html

四、手机APP设计（Android简易版）

1. APP界面布局

<!-- 主控制界面 -->
<LinearLayout>
    <!-- 状态显示区 -->
    <TextView android:id="@+id/tv_status" android:text="状态：空闲"/>
    <TextView android:id="@+id/tv_temp" android:text="温度：--℃"/>
    <TextView android:id="@+id/tv_humi" android:text="湿度：--%"/>

    <!-- 高度控制 -->
    <SeekBar android:id="@+id/sb_height" android:max="200"/>
    <Button android:id="@+id/btn_raise" android:text="上升"/>
    <Button android:id="@+id/btn_lower" android:text="下降"/>
    <Button android:id="@+id/btn_stop" android:text="停止"/>

    <!-- 功能控制 -->
    <Switch android:id="@+id/sw_light" android:text="照明"/>
    <Switch android:id="@+id/sw_uv" android:text="UV消毒"/>
    <Button android:id="@+id/btn_dry" android:text="烘干"/>

    <!-- 定时设置 -->
    <TimePicker android:id="@+id/tp_raise"/>
    <TimePicker android:id="@+id/tp_lower"/>
    <Button android:id="@+id/btn_set_timer" android:text="设置定时"/>
</LinearLayout>

2. 网络通信核心

public class WiFiControlService {
   
    private Socket socket;
    private OutputStream outputStream;
    private InputStream inputStream;

    // 连接晾衣架
    public boolean connect(String ip, int port) {
   
        try {
   
            socket = new Socket(ip, port);
            outputStream = socket.getOutputStream();
            inputStream = socket.getInputStream();
            return true;
        } catch (IOException e) {
   
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
    }

    // 发送控制指令
    public void sendCommand(String cmd, String value) {
   
        try {
   
            String jsonCmd = String.format("{\"cmd\":\"%s\", \"value\":\"%s\"}", cmd, value);
            outputStream.write(jsonCmd.getBytes());
            outputStream.flush();
        } catch (IOException e) {
   
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 接收状态数据
    public void startReceiving() {
   
        new Thread(() -> {
   
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytes;

            try {
   
                while ((bytes = inputStream.read(buffer)) != -1) {
   
                    String response = new String(buffer, 0, bytes);
                    // 解析JSON并更新UI
                    updateUI(response);
                }
            } catch (IOException e) {
   
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

五、系统调试与优化

1. 调试步骤

1. 硬件调试：

   • 检查电源：12V电机电源、5V/3.3V控制电源
   • 测试电机：单独测试TB6600+步进电机
   • 验证传感器：逐个测试DHT22、BH1750等传感器

2. 软件调试：

   • 使用CCS的实时调试功能
   • 通过串口打印调试信息
   • 使用JTAG仿真器单步调试

3. 系统联调：

   • 测试自动升降逻辑
   • 验证Wi-Fi通信稳定性
   • 测试故障保护机制

2. 常见问题解决

六、扩展功能建议

1. 高级功能

1. 语音控制：集成LD3320，支持"上升"、"下降"等语音指令
2. 手势识别：添加APDS-9960手势传感器，支持挥手控制
3. 太阳能供电：增加太阳能板+MPPT充电控制器
4. 云端数据：连接阿里云/腾讯云IoT平台，实现数据统计

2. 安全增强

• 双重限位：机械限位开关+软件限位保护
• 电流检测：ACS712检测电机电流，实现过流保护
• 备用电源：超级电容，防止突然断电

3. 节能优化

• 智能休眠：无人操作30分钟后进入深度睡眠
• 光照调节：根据环境光自动调节LED亮度
• 功率管理：分时控制各模块供电

七、开发资源与成本

1. 开发工具

• IDE：Code Composer Studio v10+（TI官方）
• 仿真器：XDS100v3或LAUNCHXL-F28027
• 库文件：C2000ware、ControlSUITE
• 调试工具：串口助手、逻辑分析仪

2. 成本估算（单套）