智能晾衣架控制系统的设计与实现*

2020-06-01马永斌邱秀荣赫书月

微处理机 2020年3期

张斌，马永斌，邱秀荣，赫书月

（商丘工学院信息与电子工程学院，河南商丘476000）

1 引言

晾衣架是现代人常用的家居用品，如今已成为许多家庭的生活必需品。而传统晾衣架不具备智能化的特点，不能根据环境变化改变工作状态[1-2]。随着物联网技术的发展，各种类型的传感器设备不断涌现，随时随地方便地对环境信息进行采集已成为可能。人们可对采集的信息进行存储分析，从而做出相应的决策。所设计的智能晾衣架系统即是使用传感器获取环境信息[3]，然后对信息进行分析，相应地驱动直流电机正转和反转，实现晾衣架的伸缩功能。该系统对晾衣架的控制有自动和手动两种模式，可以随时应对突发的天气的状况，极大地方便人们的生活。

2 系统总体设计

2.1 系统总体框架

系统主要由STC89C51单片机系统、传感器模块、无线收发模块、电机控制模块、状态显示模块等组成。其中，传感器模块负责对环境信息进行采集，晾衣架的智能控制主要即是通过对其所获取的各种环境信息分析实现的[4-5]；无线收发模块由SC2262、SC2272编码解码芯片组成，用以控制系统的工作模式和工作状态；STC89C51单片机主控芯片可对环境数据信息进行分析处理，并发送相关控制指令，实现电机和状态指示灯的工作状态转变[6]；电机控制模块可通过电机的正转和反转实现晾衣架的伸缩功能，为防止晾衣架损坏，使用限位开关检测晾衣架位置；状态显示模块可提示当前系统的工作状态。系统框架如图1所示。

2.2 系统工作流程

系统分为手动和自动两种模式，模式一为手动，模式二为自动，默认为自动模式，可自由选择。其中，手动模式由无线收发模块控制，遥控器发送控制信号，电路板信号接收端接收信号并响应[7]。自动模式依靠分析传感器获取的环境信息进行自动控制。流程如下：首先系统进行模式判断，如果是手动模式，则晾衣架系统根据操作者的具体操作指令做出反应，电机正转，晾衣杆伸出，电机反转，晾衣杆收回。

如果是自动模式，则系统根据环境状况自动控制晾衣架的工作状态。若天气晴朗，湿度较低，晾衣架自动伸出；若是下雨天、光线很暗或者湿度较大时则晾衣架自动收回。在具体实现时，可以对光线、温度和湿度的值进行设置，当达到设定的阈值时，系统才会做出相关的响应。

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片与晶振电路

选用STC89C51作为主控芯片，其有40个引脚，可提供32个可编程I/O口线，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，同时具有4kB的内部程序存储器和256字节的内部数据存储器。该芯片功能较强，因此在嵌入式领域得到了广泛的应用。

晶振电路的功能是结合单片机内部电路产生单片机正常工作所需要的时钟频率，保证单片机的指令能够正常接收和发送。在晾衣架系统中，电路使用两个30pF的瓷片电容来保证晶振能够正常起振。在晶振电路的输出端由电阻和负载电容构成一个限流网络。限流网络的主要作用是限流，防止反相器出过大的电流而损坏晶振。晶振频率为11.0592MHz。晶振电路连接STC89C51芯片的18和19号引脚。晶振电路如图2所示。

3.2 射频收发模块

射频收发模块可以实现晾衣架的遥控操作，利用无线信号进行信息的发送和接收[8]。该功能通过SC2262/2272芯片来实现，其中SC2262用于发射装置，SC2272用于接收装置。编码芯片SC2262出发的编码信号通过同步码、地址码和数据码组成完整的编码数字，SC2262是否工作由电源是否接通决定。射频发射模块电路图如图3所示。

图2 晶振电路

图3 射频发射模块电路图

SC2262在工作过程中会发送当前的地址编码和数据位数据，当SC2272的地址与SC2262的地址一致时，开始接收SC2262送来的数据并进行电平信号的转换。射频接收模块电路图如图4所示。

图4 射频接收模块电路图

3.3 电机控制模块

直流电动机的转动情况是由继电器来控制的。电机正转表示晾衣架伸出；电机反转代表示晾衣架收回。因晾衣杆有长度限制，为了防止电机无限制地转动使晾衣杆持续伸出或者收回而使电机损坏，在系统实现时，设置了限位开关。当晾衣杆碰触到限位开关时，电机就停止转动，从而将晾衣杆固定。电机控制模块电路如图5所示。

图5 电机控制模块电路图

3.4 状态显示模块

自动和手动模式的状态显示模块由三个LED灯表示。自动模式下，系统能够通过各种传感器主动感知外界信息，并自动做出晾衣杆的伸出和收回动作；手动模式下，可以通过遥控器来控制。其中，红色灯亮起表示晾衣架是自动工作模式，红色灯熄灭表示晾衣架是手动工作模式。另外，黄灯亮起，直流电机正转，表示晾衣杆是伸出的状态；绿灯亮起，电机反转，表示晾衣杆是收回状态。

4 系统实现及测试

系统各个模块及整个电路图设计完成并组装后，将程序导入系统完成了整个晾衣架系统的设计工作。系统实物如图6所示。

图6 系统实物图

为了保证系统各个功能都能够正常运行，在系统设计完成后进行了系统的测试。首先将电源接通，打开系统开关，系统进入自动模式，同时红灯亮起。在光照强度较高，湿度较低时，电机正转，控制晾衣杆伸出，在碰触到限位开关时，电机停转；然后控制光照强度，在光线较暗、有雨滴或湿度大于等于设定的最大阈值时，直流电机反转，控制晾衣杆收回，在碰触到限位开关时电机停转，同时相应指示灯亮起。在手动模式下红灯熄灭，按下控制器上的电机正转按钮，晾衣架伸出，按下反转按钮，晾衣架收回，相应指示灯亮起。