智能晾衣架设计

何永晟

(重庆人文科技学院 重庆 401524)

当前一些企业所生产的智能晾衣架大多数是装置于阳台里面，然后整个系统依据当时外界环境中天气状况的变化，促使主控芯片对其周边辅助电路的控制来驱动晾衣架完成垂直方向上的升降，从而实现晾衣架的智能化。但该设计主要是利用DHT11 温湿传感器来采集外界环境天气中的雨水、温度变化情况，以及利用5477 光敏电阻来感应光线的变化情况，继而用DHT11、5477光敏电阻、AT89S51单片机来驱使电机的转动实现晾衣架的伸出与收回功能，以此达到晾衣架能够智能化晾晒衣服和其他物件的目的。晾晒杆根据伸缩性可分伸缩杆和定杆，根据晾晒杆的数量又可分为单杆和双杆[1]。

1 智能晾衣架系统总体设计

1.1 系统组成简述

该设计的晾衣架可固定于阳台外，其一大大节省了空间，其二可避免衣物上的滴水落入房中。该晾衣架在系统功能实现上设有自动和手动两种模式[2]。第一，自动模式下，系统通过温湿传感器电路、光敏传感器电路等检测电路来感应外界环境天气中的空气湿度、光线强弱，再根据所设定的温度限定值和光线限定值系统，自动判定是否超过限定值以此来实现衣架的伸张和缩回。具体过程为当天空中下雨或者将要下雨时，空气中的湿度值会急剧增长，此时系统自动判定湿度值超过限定值而报警收回衣架，反之则伸张，但当在下雨时无论光线如何变化衣架都不会伸张。第二，手动模式下，需要人为地控制遥控器，可以自主地调节晾衣架的升降。遥控器通过射频发射电路与晾衣架的射频接收电路互通信号，从而实现晾衣架的收回与伸出。总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

该系统采用AT89S51 单片机作为控制核心，它通过DS18B20 温度传感器采集环境中的温度，并通过其内部的AD实现模数转换，通过其输出管脚将带有温度数据的数字信号传送给AT89S51 单片机，单片机得到数据后对数据进行解码，然后将得到的温度数值通过LCD1602液晶显示出来。与此同时，在AT89S51内部，单片机将采集温度与设定温度进行比较，当温度值低于设定温度值时，就要关闭蜂鸣器模块，并且打开加热模块的开关；否则将进行超温报警并且关闭加热系统开关。

1.2 系统硬件电路的选择

选用AT89S51 单片机作为主控制电路。AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS 8 位高速单片机，片内硬件包括4 kB的Flash的直接高速只读应用程序存储器、8位高速微处理器、4个8位可编程只读I/O口以及1个目前国际上广泛通用的全双工的异步收发串行口、2个可编程的16 位定时器和计数器、5 个中断向量等。AT89S51采用的是ATMEL公司高密度、非易失性存储的技术制造，兼容标准MCS51 指令系统和80C51 引脚结构，在很多嵌入式控制应用系统中得到大范围的应用，而此单片机的结构正好满足该系统的需求。

1.3 系统软件的设计

系统软件结构的设计主要采用的是模块化和结构化的设计，便于对系统程序的编译、调试，依据整个系统所要实现功能的要求应用的主要模块有初始化模块、中断处理模块、温湿度检测模块、光线检测模块、报警模块以及数码管显示模块、射频接收模块和射频发射模块等，具体如图2所示。

图2 软件控制框图

2 系统硬件电路设计

对系统总体设计之后，需要依据该设计在功能实现上的要求对其硬件电路进行分步的设计，因此该章主要是介绍硬件电路的具体设计，主要包括了主控芯片、温湿度检测电路、光线检测电路、驱动电路、遥控电路以及外围电路的设计。

2.1 主控芯片

该系统采用AT89S51为主控芯片。

单片机系统基础电路主要包括晶振电路、电源电路和复位电路这3 个部分[3]。然后在外围加上适宜的扩展部分所组成的工作系统称为最小系统。最小系统包括了时钟电路和复位电路。时钟电路中一般是在AT89S51 的18 脚和19 脚中间连接一个石英晶体和连接两个C30 的电容从而组成自激振荡的工作电路；复位电路主要是依靠上电自动复位和手动按键复位两种方式来完成系统的复位功能，其中在主控芯片工作的过程中，上电复位与手动复位的区别主要在于上电复位是自动完成复位功能，而手动复位是需要依靠按键的按动来控制系统的复位。图3是单片机最小系统工作电路图。

图3 单片机最小系统工作电路图

2.2 温湿度检测电路

DHT11 作为智能晾衣架的主要数据采集处理模块[3]，它是一个利用较为简单的单总线进行收发的传感器，也就是利用模块的2 号引脚端口来完成数据的输入与输出的一个双向数据传输。由于DHT11 的引脚比较简单，因而有DHT11 传感器与AT89S51 单片机的连接也比较简单。其中AT89S51 的21 引脚连接传感器的2 引脚即它的串行数据接口，则21 脚主要作用是发和收串行数据也就是数据端口。通常会在其2脚与1脚（电源端）之间串接上一个5 K的上拉电阻，这是因为DHT11的数据收集范围电路小于20 m。它的1脚和4脚分别是电源端和接地端则直接接上电源和地便可，而DHT11传感器的3脚一般是处于悬空状态即可。

2.3 驱动电路

因为该设计是利用电机的正转与反转来模拟晾衣架的伸出与收回，所以驱动部分采用两个5 V 继电器的吸合状态变化来操纵电机的正转与反转方向，以此来间接呈现实现晾衣架伸出与收回功能的过程，其中两个5 V 的继电器都是通过三极管9012 型[3]三个极的导通与截止状态的变化来驱动继电器的吸与合，以此达到电机的正转或是反转。驱动电路的电路图如图4所示。

图4 驱动电路原理图

2.4 光线检测电路

当该系统在自动模式下，依据此设计对其功能上的要求，则光线检测电路需要实现的功能具体有：当外界环境光线强度超过系统的设定值时，晾衣架也就是实物中电机将正转来模拟说明此时晾衣架为伸出状态；当外界环境光线强度低于设定值时，晾衣架即实物中的电机将反转以此模拟说明此时晾衣架为收回状态，最为关键的设计是当天气情况处于下雨时，那么无论光线是否强晾衣架都不会伸出。而系统对于光线强弱的判定是依据光敏电阻的特性来完成的，具体工作过程为：如果此时当地光线较为暗时，那么5477 光敏电阻的电阻值增大，三极管（9013 型）的基极电压降低，这时三极管工作于截止区，发射极电平被上拉电阻拉低，故输出信号为低电平；反之，如果外界环境天气光线较亮时，故而输出信号为高电平。光线检测电路的原理图如图5所示。

图5 光线检测电路原理图

2.5 遥控电路

由于此设计需实现手动模式和自动模式两种模式下的功能，因此在硬件电路设计中设有遥控电路，且遥控电路部分主要是由发射电路和接收电路这两部分电路所组成，在该设计中采用的是SC2262芯片和SC2272芯片来完成发射和接收功能。

遥控电路设计部分采用23 A、12 V 的蓄电池来为整个遥控电路供电，当控制系统为手动模式还是自动模式的切换按键按下之后，这时12 V的蓄电池才会开始工作，然后电池开始为SC2262模块和发射模块提供电源，与此同时发射模块将发射出信号，而之所以会选择如此的设计方式是为了保障电池能够用得较为长久。

无线解码电路由SC2272 芯片作为解码器[4]，主要作用是接收红外无线信号，将光信号解析成电信号，并传送给单片机。SC2272模块的连接方式比较简单，直接与单片机相连接便可以了，并且它对信号的传输距离也很理想能够到达600 m，但是由于AT89S51单片机的电磁干扰比较大，因此工作过程中接收模块会受到单片机的时钟干扰，导致信号传输的距离下降，范围会缩到200 m 以内，由于家中距离是完全在这个范围之内的，所以在接收模块上选择了SC2272模块。

接收模块SC2272 在处于工作过程时输出脉冲的通常上均为高电平脉冲，所以在接收电路的设计中于输出端都接上了NPN（9013）型的三极管，以便把输出端所输出的高电平转换为低电平，如此方便单片机在工作过程中可以最大程度地、更好地去识别电平的变化。

3 系统软件设计

对于硬件方面的设计基本利用的都是模块，因而在该系统软件设计方面主要利用的是将系统编程划分成为若干小模块的方式和顺序、循环、选择结构的方式来进行设计的，一是便于程序的编写和编译，二是方便对系统的测试和检查。在程序中设定了1 ms的中断，并且在程序中设置了一个用于各模块切换的标志位flag，将中断设置成了1个5 ms的循环[5]。

当线路接通电源后系统自动进入自动模式，则此时DHT11 自动检测空气中的湿度与温度以及光敏自动检测光线强度，而后通过单片机来驱动晾衣架的伸出与缩回；当遥控电路上自动与手动模式切换按键按下后，系统便转换为手动控制晾衣架伸缩模式下，此时通过遥控电路的伸出与缩回控制按键来实现晾衣架伸缩；这两种模式下当限位开关闭合时，则表明晾衣架已经到达所设定位置，此时晾衣便不再继续转动。

3.1 湿度检测

适合晾晒衣物的相对湿度为40%～0%，DHT11 湿度传感器的相对湿度的测量范围是20%～80%，非常适合对晾晒衣物湿度的测量[6]。该系统采用的是DHT11传感器，是一款对湿度和温度极为敏感的传感器，在设计过程中希望当前空气湿度超过80%时，晾衣架能自动收回，若未达80%时则伸出，为此它能自动感受当前湿度值进而于数码管上显示出与之相对应的湿度值。

3.2 系统程序设计

当线路接通电源后系统自动进入自动模式，则此时DHT11 自动检测空气中的湿度与温度以及光敏自动检测光线强度，而后通过单片机来驱动晾衣架的伸出与缩回；当遥控电路上自动与手动模式切换按键按下后，系统便转换为手动控制晾衣架伸缩模式下，此时通过遥控电路的伸出与缩回控制按键来实现晾衣架伸缩，这两种模式下当限位开关闭合时，则表明晾衣架已经到达所设定位置，此时晾衣架便不再继续转动。

4 结语

此次设计所利用的系统能够成功地实现设计要求，即衣架在手动模式下需要人为地控制衣架的伸缩，在自动模式下，系统中单片机通过温湿传感器和光敏传感器自动采集空气湿度与光线亮度值，进而输出相应脉冲，来驱动电机的正反转来实现对晾衣架的智能伸缩，避免衣物的淋湿并进行及时的晾晒。

随着研究的深入，笔者发现该设计利用无线遥控方式还存在着一定的不足，需要不断地完善和改进，这样可以让它的功能得到更大的强化。例如：在主控制芯片硬件电路中加入语音控制电路可以实现语音对晾衣架的控制，还可在遥控电路中加入蓝牙控制系统等周边各辅助电路可实现蓝牙控制衣架伸缩。而在此次设计中由于笔者知识有限，因此仅仅设计了利用遥控方式来控制衣架，具体实现过程为：在外界环境天气处于下雨状态时，居民按下收回晾衣架按钮，则收回信号发射至接收模块上，系统将脉冲信号传至电机从而驱动电机的收回；那么当外界环境天气处于晴天时，居民按下伸出晾衣架按钮，则伸出信号发射至接收模块上，系统将脉冲信号传至电机从而驱动电机伸出，且缩回或是伸出到达系统所设定的限位处则电机停止转动，从而达到晾衣架的手动控制功能。