一种新型智能晾衣架系统设计

2023-03-16李广政王佳兵

船电技术 2023年2期

关键词：晾衣架侧板温湿度

朱磊，李辉，李广政，罗聪，彭旺，谢科，王佳兵

应用研究

一种新型智能晾衣架系统设计

朱磊，李辉，李广政，罗聪，彭旺，谢科，王佳兵

（邵阳学院电气工程学院，湖南邵阳 422000）

为解决南方地区梅雨季节晾晒的烦扰，实现绿色节能、智能化的目的，提出一种自动遮蔽、风干、灭菌的智能晾衣系统设计：由晾衣架、自动遮蔽、风干和灭菌、环境监测、太阳能储能和人机交互等模块部分组成。通过太阳能为整个系统供电，然后根据不同环境条件下或者手机上控制晾衣架的伸缩、防雨布的展开与复原、侧板开合以及风机、紫外线灯的工作，可以实现衣物自动晾晒、回收，不用担心衣物被雨滴淋湿及不干、细菌滋生等情况出现，其工作较为理想的结果，具有较好的推广价值。

晾衣架自动遮蔽太阳能人机交互

0 引言

随着科技快速发展，智能家具系统引起了人们广泛关注，晾衣架作为智能家居的重要组成部分[1]，其产品种类丰富，功能不尽相同。当前市面上有很多不同的晾衣架设计，总的分以下几种：第1种是手动伸缩晾衣架，其主要特点是比传统晾衣架更加容易实现方便了衣物晾晒与回收，其缺点是不能根据天气的状态自动回收，可能不能及时收取，会被雨滴打湿；第2种是电动伸缩晾衣架。主要特点是比第1种晾衣架更加省时省力，其缺点是一般这种晾衣架都很大型，不适合居民小区这种密集的地方，且用户要承当的价格也要更高，更没有自动遮蔽系统，不能有效的防止雨滴打湿衣物﹔所以针对南方地区的梅雨季节、“老弱病残幼”的家庭、人口密集的宿舍区等，市面上现有晾衣架已经不能满足，这些地区存在阴雨连绵，或晾晒衣物集中，或室外晾晒区不够用等问题。不仅如此，如果晾晒的衣物不及时被收取，不仅会占用有限的晾晒区，还有可能会因天气原因而被雨淋、暴晒、发霉，细菌滋生等给生活带来极大的不便。因此，研究设计一种可遮蔽、风干、灭菌智能晾衣架具有十分重要意义。本文中设计智能晾衣架，可以有效的解决人们对现有市场上的晾衣架存在不足之处的痛点，晾衣架通过太阳板进行光合发电，将电量储存在蓄电池中，为晾衣架工作提供绿色能源。

1 系统总体设计介绍

以STM32F103C8T6为主控制芯片，用温湿度传感器、光照强度传感器、雨滴传感器等环境监测模块收集环境参数[2]，单片机采集这些环境参数，再编写相应程序以控制驱动电路，进而控制步进运行，使实现晾衣架的伸缩和自动遮蔽部分的运行，防止衣服被雨滴淋湿和长时间暴晒。传感器将环境参数传入单片机，单片机自动分析，当温湿度达到设定参数和光照强度达到预设定参数时，装置自动运行，步进电机控制晾衣架伸展、侧板展开和防雨布的收回。当空气湿度或光强不符合晾晒条件时，步进电机控制侧板合上，同时风机和紫外灯打开，帮助衣服快速风干和除菌。本晾衣架也可直接使用手机端APP 进行人工调节，方便了用户控制晾衣架，具有良好的交互体验。其系统框图和三维模型图1和图2所示。

图1 系统框图

图2 晾衣架三维模型图

（1-紫外线灯；2-晾衣架；3-防雨布；4-排风口；5-风机；6-太阳能板；7-步进电机以及传动齿轮；8-侧板）

2 系统硬件设计

2.1 主控制芯片

主控制芯片采用STM32F103C8T6控制芯片。STM32F103C8T6是一款基于Cortex-M3内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是128KB，是一款中容量的芯片。其内部资源十分丰富，包括电源电路、时钟电路、复位电路及下载电路等[3]。本系统采用这款芯片作为主控制芯片，能够快速执行相应操作。

2.2 步进驱动模块

因为步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动[4]，所以本系统选用的步进电机驱动为TB6600。TB6600是一款专业的两相步进电机驱动器，兼容多种单片机，可实现步进电机正反转控制，旋转角度控制等功能。TB6600步进电机驱动器采用H桥双极恒相流驱动，可直接用9～42 V直流供电，可选择7档细分控制，8档电流控制。最高支持4 A电流输出，信号端都有配有高速光电隔离，防止信号干扰，并且支持共阴、共阳两种信号输入方式。本系统采用共阳级接法如图3所示。

图3 共阳极接线图

2.3 温湿度传感器

温湿度传感器采用的是DHT11数字式温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。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位单片机相连接。其具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，所以满足本系统中对温湿度的检测要求。DHT11采用单总线通信，即只有一根数据线来传输数据，单总线通常需要外接一个上拉电阻，这样在总线空闲的时候，状态为高电平。单片机一根引脚与数据通信引脚接口DATA相连，进行通信。

2.4 雨滴传感器

雨滴传感器采用高品质FR-04双面材料，超大面积5.0×4.0 cm，并用镀镍处理表面，具有对抗氧化，导电性，及寿命方面更优越的性能。该传感器可用于各种天气状况的监测[5]，检测是否下雨及雨量的大小，转成数字信号(DO)和模拟信号(AO)输出。所以可以根据输出高低电平判断是否有雨情况，也可以连接到模拟量接口，就可以检测雨量大小。

2.5 光照强度传感器

光照强度传感器采用光敏电阻模块检测光照强度。光敏电阻模块里面光敏电阻是由半导体材料制作而成的。光敏电阻利用半导体的光电效应，其阻值和光照强度成反比。光敏电阻对环境光线十分敏感，光照越强阻值就越低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低[6]。光敏电阻模块模拟量输出AO可以和AD模块相连，通过AD转换，单片机进行AD采集就可以获得环境光强精准的数值，然后根据数值大小判断光照强度。

2.6 风力强度传感器

风力强度传感器采用三杯式风速传感器[7]，此类风速传感器重量轻,便于携带，整体结构采用聚碳酸酯材料，防腐蚀且不易老化。产品内置有强抗射频、抗电磁干扰及防雷浪涌保护电路，输出与环境风速成线性关系的电信号，同样单片机可以通过AD采集，来获得电信号的数值大小，从而风速强度。

2.7 无线通信模块

无线通信模块采用HC-05模块，一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机等智能终端配对[8]。该模块优点是灵敏、易开发、性价比高。当我们手机APP与蓝牙模块进行配对后，就可以单片机与手机进行相互通信。

2.8 电源模块

电源模块采用太阳能供电板和太阳能蓄电池两部分组成。太阳能供电板的光伏发电效应，对太阳能进行利用，实现绿色能源利用。太阳能蓄电池可以储存电能，从而时晾衣架系统能够在没有阳光下的条件下也能正常工作。当侧板打开时，夹角成180度能够使太阳能板充分吸收太阳能，利用太阳能发电供给整个晾衣架系统运行工作，剩余的电能将自动储存在太阳能蓄电池中。当因为遇到下雨天等恶劣天气时，侧板需要关闭，此时蓄电池储存的电能也能供给整个晾衣架工作。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

主控制芯片采用STM32F103C8T6，可采用C语言和Keil软件进行编程。首先在单片机编写对应初始化程序，然后外界的数据先经过各个模块的采集，然后经A/D转换，再将信号交由单片机进行数据分析处理，然后发出相应控制信号，进而实现相应的功能。此外，本系统设计还带无线通信模块，用户可以随时在手机端操控整个晾衣架的运行方式。整个晾衣架系统主程序设计流程图如图4所示。

图4 主程序设计流程图

3.2 手机端程序设计

晾晒端的工作方式分模式 “自动晾晒”和“定时晾晒”模式，其工作方式切换是通过单片机与蓝牙模块接收到手机端的控制指令决定，本系统选用型号为HC-05的蓝牙模块与手机APP端进行通信。当工作方式切换到“自动晾晒”模式时，雨滴传感器、温湿度传感器、风速强度传感器、光照强度传感器等开始工作，实时监测晾衣架周围环境因素，如光照强度、温湿度、风力大小，各个模块将采集好的数据，传输给单片机，单片机可以处理这些数据，然后控制驱动电路自动实现晾衣架相应功能。当工作方式切换到“定时晾晒”模式时，在手机APP端可以点击对应按钮设置晾晒时间，当时间到达时晾衣架自动收缩，方便了用户随时进行对整个晾衣架工作控制。其设计流程如图5所示。