现代智能家居的机械装置

王晓将 赵凡乐 曹晋福 张晟硕 张蓉 岑强

摘 要：随着经济和科技的快速发展以及物质生活的丰富，人们越来越重视生活质量，对智能化的生活提出了新的要求。智能家居的出现使人们感觉到了科技带来的便利与舒适，它减轻了人民对人身财产安全以及生活环境越来越多的担忧。近几年以人工智能技术为代表的智能家居相关技术有了跨越式的发展，使智能家居服务开始从研发的实验阶段转化为商品，逐渐走入人们的生活之中。人们的需求刺激着科技的进步，同时也给传统的智能家居系统提供了更多的创新思路和解决方案。

关键词：智能晒衣架 机械结构部分 电动控制部分

引 言

晒衣服是我们日常生活中每个家庭会遇到的事情。以前晾衣架最简单的一种就是一根竹竿固定或悬挂在屋檐下、窗外等地方;而现在市场上出现了一些可伸缩的多节晒衣架。晾衣服时，将衣服一件一件地挂上衣架，是将衣服晾在晒衣架，刮风下雨时，如果家里有人，还可及时收回，但在目前生活节奏越来越快的都市生活，白天一般都在工作，无法应对天气突变的情况。

如果能设计一款能感知天气变化，自动实现伸出和缩回支架和伸出遮雨罩的智能晒衣架，将彻底解决目前晒衣上遇到的现实困难，提高家居的智能化水平和生活品质，能给大家庭带来极大的方便。

一、工作原理

智能晒衣架主要由可折叠式晒衣架、衣架伸缩驱动机构、天气感知传感系统和微控制器组成。天气感知传感器包括雨水传感器和光线传感器，感知天气的变化;伸缩驱动机构由步进电动机和同步带组成，实现衣架的伸缩运动;微控制器根据传感器反馈的信息来控制驱动机构是否将衣架折叠收回或伸出，使衣服免遭淋雨。微控制器也具有定时收回功能，并预留有通过TCP/IP协议实现远程控制的物联网通信接口，为后续功能扩展做准备。

（一）机械结构部分。通过上网查资料，发现目前市场上卖的伸缩晾衣架大部分是用几组杆铰接而成的。这种铰接的机构只能满足手动伸缩的要求，所以本项目想到电动机与同步带轮配合，把伸缩机构装置固定在同步带上面，通过传感器的反馈与电动机的驱动实现自动化伸缩。

衣架整体：多功能衣架是在普通户外晾衣架的基础上，在衣架伸缩杆转动部分添加动力源、传感器和控制电路，整体上构成一种可实现整体自动化控制的晾衣架，由电动机驱动代替传统的人力推拉，温度和光感传感器进行对室外环境的控制，从而实现衣架自动化控制，方便人们在遇到雨天和晚上来不及收同衣服的烦恼。

传动机构：采取步进电动机驱动的带轮传动形式。通过传感器接收到的信号控制步进电动机的转动方向从而控制衣架的伸缩。电动机与传感器固定在外侧，方便接收环境變化的信号：电动机与皮带轮相连接，皮带轮与皮带紧密啮合，并将皮带上的一点与一处衣架转动副连接，从而控制整个衣架的伸缩。

衣架机构：伸缩晾衣架是用多组杆铰接而成的，通过平行动力作用在衣架上，使铰接部分旋转带动连杆的移动，从而实现衣架的伸缩。

（二）电动控制部分。电动控制部分主要由微型单片机系统、天气传感器、步进电动机和电源等部分组成。天气传感器由湿度、温度传感器和光敏传感器组成，使控制器及时反馈天气变化情况;步进电动机用于接收控制器的信号，通过同步带驱动衣架的伸缩;采用51单片机组成的控制系统，根据传感器反馈的信号给步进电动机发送指令，从而控制衣架的伸出和缩回。各组成部分介绍如下。

（三）步进电动机。步进电动机又称脉冲电动机。它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的输出轴转动一次。因此当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等量的转角响应该输入序列，输出的步数等于输入脉冲个数。转速与输入脉冲频率成正比。本项目采42BYG行星减速步进电动机。

（四）单片机控制系统。系统采用STC89C52系列单片机、LCD1602、光敏传感器模块、湿敏传感器模块。STC89052是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS—51内核。但做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上拥有灵巧的8位cpu和系统可编程的Flash。具有天气感知功能的智能晒衣架使得STC89C52能为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

本项目设汁中，键盘采用非编码键盘系统中的独立式按键结构。键盘工作方式采用定时扫描方式。采用定时器TO定时，通过输出数据，识别按键的工作状态。键盘主要用来提供人机接口，采用独立式按键电路，各按键开关均采用了上拉电阻，保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。步进电动机的启动、停止和反转都是通过已经定义的按键来实现的。

（五）传感系统。传感器主要包括湿度、温度传感器和光敏传感器，其可以灵敏地感知天气的变化，其中湿度、温度传感器感知是否下雨，光敏传感器感知是否天黑或天气的剧烈变化。传感器将感知的信号实时反馈给控制器。

①光敏传感器模块。光敏电阻对环境光强度最敏感，一般用来检测周同环境的光强。模块在环境光强达不到设定阈值时。DO口输出高电平（1）。当环境光强超过设定阈值时，模块I/O输出低电平（o）;输出口DO可以与单片机任意I/O口相匹配并进行数字信号传输，通过单片机来检测高、低电平变化，由此来检测环境的亮度变化。

②温度湿度传感器模块。DHT11数字温度、湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温度、湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温度、湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连。

二、主要创新点及优点

（一）能自动感知天气的变化，自动收同衣架。能在下雨或天黑时自动收回晒衣架，使衣服免遭淋雨，彻底解决晒衣服后家里无人的后顾之忧。具有较高的智能性和很好的市场前景。

（二）改造简单、价格便宜。本设计是在现有晒衣架的基础上进行改进的，因此既能用于新衣架，也能对家庭已有衣架进行改造，不影响衣架的使用功能和美观。其驱动装置采用步进电动机和同步带的结构，具有价格低、运行可靠的特点。

三、结语

智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。 本项目设计开发了具有天气感知功能的智能晒衣架，能根据天气是否下雨或天黑自动收回晒衣架，使衣服免遭淋雨。本作品能彻底解决晒衣服后家中无人的后顾之忧，具有很好的实用性和市场前景。

【参考文献】

[1] 方键;机械结构设计[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 王新华;机械设计基础[[M].北京：化学下业出版社，2011.

[3] 杨友平;基于89C51实现智能晾衣架控制系统设计[J].机械下程与自动化，2011.

[4] 周静红;基于单片机控制的智能晾衣架控制系统的设计[J].电子技术，2014.