現代智能家居的機械裝置

王曉將 趙凡樂 曹晉福 張晟碩 張蓉 岑強

摘 要：隨著經濟和科技的快速發(fā)展以及物質生活的豐富，人們越來越重視生活質量，對智能化的生活提出了新的要求。智能家居的出現使人們感覺到了科技帶來的便利與舒適，它減輕了人民對人身財產安全以及生活環(huán)境越來越多的擔憂。近幾年以人工智能技術為代表的智能家居相關技術有了跨越式的發(fā)展，使智能家居服務開始從研發(fā)的實驗階段轉化為商品，逐漸走入人們的生活之中。人們的需求刺激著科技的進步，同時也給傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)提供了更多的創(chuàng)新思路和解決方案。

關鍵詞：智能曬衣架 機械結構部分 電動控制部分

引 言

曬衣服是我們日常生活中每個家庭會遇到的事情。以前晾衣架最簡單的一種就是一根竹竿固定或懸掛在屋檐下、窗外等地方;而現在市場上出現了一些可伸縮的多節(jié)曬衣架。晾衣服時，將衣服一件一件地掛上衣架，是將衣服晾在曬衣架，刮風下雨時，如果家里有人，還可及時收回，但在目前生活節(jié)奏越來越快的都市生活，白天一般都在工作，無法應對天氣突變的情況。

如果能設計一款能感知天氣變化，自動實現伸出和縮回支架和伸出遮雨罩的智能曬衣架，將徹底解決目前曬衣上遇到的現實困難，提高家居的智能化水平和生活品質，能給大家庭帶來極大的方便。

一、工作原理

智能曬衣架主要由可折疊式曬衣架、衣架伸縮驅動機構、天氣感知傳感系統(tǒng)和微控制器組成。天氣感知傳感器包括雨水傳感器和光線傳感器，感知天氣的變化;伸縮驅動機構由步進電動機和同步帶組成，實現衣架的伸縮運動;微控制器根據傳感器反饋的信息來控制驅動機構是否將衣架折疊收回或伸出，使衣服免遭淋雨。微控制器也具有定時收回功能，并預留有通過TCP/IP協(xié)議實現遠程控制的物聯(lián)網通信接口，為后續(xù)功能擴展做準備。

（一）機械結構部分。通過上網查資料，發(fā)現目前市場上賣的伸縮晾衣架大部分是用幾組桿鉸接而成的。這種鉸接的機構只能滿足手動伸縮的要求，所以本項目想到電動機與同步帶輪配合，把伸縮機構裝置固定在同步帶上面，通過傳感器的反饋與電動機的驅動實現自動化伸縮。

衣架整體：多功能衣架是在普通戶外晾衣架的基礎上，在衣架伸縮桿轉動部分添加動力源、傳感器和控制電路，整體上構成一種可實現整體自動化控制的晾衣架，由電動機驅動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力推拉，溫度和光感傳感器進行對室外環(huán)境的控制，從而實現衣架自動化控制，方便人們在遇到雨天和晚上來不及收同衣服的煩惱。

傳動機構：采取步進電動機驅動的帶輪傳動形式。通過傳感器接收到的信號控制步進電動機的轉動方向從而控制衣架的伸縮。電動機與傳感器固定在外側，方便接收環(huán)境變化的信號：電動機與皮帶輪相連接，皮帶輪與皮帶緊密嚙合，并將皮帶上的一點與一處衣架轉動副連接，從而控制整個衣架的伸縮。

衣架機構：伸縮晾衣架是用多組桿鉸接而成的，通過平行動力作用在衣架上，使鉸接部分旋轉帶動連桿的移動，從而實現衣架的伸縮。

（二）電動控制部分。電動控制部分主要由微型單片機系統(tǒng)、天氣傳感器、步進電動機和電源等部分組成。天氣傳感器由濕度、溫度傳感器和光敏傳感器組成，使控制器及時反饋天氣變化情況;步進電動機用于接收控制器的信號，通過同步帶驅動衣架的伸縮;采用51單片機組成的控制系統(tǒng)，根據傳感器反饋的信號給步進電動機發(fā)送指令，從而控制衣架的伸出和縮回。各組成部分介紹如下。

（三）步進電動機。步進電動機又稱脈沖電動機。它采用變磁阻原理產生電磁轉矩，將數字的電脈沖輸入轉換為模擬的輸出軸運動。每輸入一個脈沖，旋轉式步進電動機的輸出軸轉動一次。因此當輸入一串脈沖序列時，輸出軸就以等量的轉角響應該輸入序列，輸出的步數等于輸入脈沖個數。轉速與輸入脈沖頻率成正比。本項目采42BYG行星減速步進電動機。

（四）單片機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC89C52系列單片機、LCD1602、光敏傳感器模塊、濕敏傳感器模塊。STC89052是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS—51內核。但做了很多的改進，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上擁有靈巧的8位cpu和系統(tǒng)可編程的Flash。具有天氣感知功能的智能曬衣架使得STC89C52能為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

本項目設汁中，鍵盤采用非編碼鍵盤系統(tǒng)中的獨立式按鍵結構。鍵盤工作方式采用定時掃描方式。采用定時器TO定時，通過輸出數據，識別按鍵的工作狀態(tài)。鍵盤主要用來提供人機接口，采用獨立式按鍵電路，各按鍵開關均采用了上拉電阻，保證在按鍵斷開時，各I/O有確定的高電平。步進電動機的啟動、停止和反轉都是通過已經定義的按鍵來實現的。

（五）傳感系統(tǒng)。傳感器主要包括濕度、溫度傳感器和光敏傳感器，其可以靈敏地感知天氣的變化，其中濕度、溫度傳感器感知是否下雨，光敏傳感器感知是否天黑或天氣的劇烈變化。傳感器將感知的信號實時反饋給控制器。

①光敏傳感器模塊。光敏電阻對環(huán)境光強度最敏感，一般用來檢測周同環(huán)境的光強。模塊在環(huán)境光強達不到設定閾值時。DO口輸出高電平（1）。當環(huán)境光強超過設定閾值時，模塊I/O輸出低電平（o）;輸出口DO可以與單片機任意I/O口相匹配并進行數字信號傳輸，通過單片機來檢測高、低電平變化，由此來檢測環(huán)境的亮度變化。

②溫度濕度傳感器模塊。DHT11數字溫度、濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫度、濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫度、濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。

二、主要創(chuàng)新點及優(yōu)點

（一）能自動感知天氣的變化，自動收同衣架。能在下雨或天黑時自動收回曬衣架，使衣服免遭淋雨，徹底解決曬衣服后家里無人的后顧之憂。具有較高的智能性和很好的市場前景。

（二）改造簡單、價格便宜。本設計是在現有曬衣架的基礎上進行改進的，因此既能用于新衣架，也能對家庭已有衣架進行改造，不影響衣架的使用功能和美觀。其驅動裝置采用步進電動機和同步帶的結構，具有價格低、運行可靠的特點。

三、結語

智能家居作為一個新生產業(yè)，處于一個導入期與成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用習慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產業(yè)前景光明。 本項目設計開發(fā)了具有天氣感知功能的智能曬衣架，能根據天氣是否下雨或天黑自動收回曬衣架，使衣服免遭淋雨。本作品能徹底解決曬衣服后家中無人的后顧之憂，具有很好的實用性和市場前景。

【參考文獻】

[1] 方鍵;機械結構設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2] 王新華;機械設計基礎[[M].北京：化學下業(yè)出版社，2011.

[3] 楊友平;基于89C51實現智能晾衣架控制系統(tǒng)設計[J].機械下程與自動化，2011.

[4] 周靜紅;基于單片機控制的智能晾衣架控制系統(tǒng)的設計[J].電子技術，2014.