智能晾衣架控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

張 斌，馬永斌，邱秀榮，赫書月

（商丘工學院信息與電子工程學院，河南商丘476000）

1 引言

晾衣架是現(xiàn)代人常用的家居用品，如今已成為許多家庭的生活必需品。而傳統(tǒng)晾衣架不具備智能化的特點，不能根據(jù)環(huán)境變化改變工作狀態(tài)[1-2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，各種類型的傳感器設備不斷涌現(xiàn)，隨時隨地方便地對環(huán)境信息進行采集已成為可能。人們可對采集的信息進行存儲分析，從而做出相應的決策。所設計的智能晾衣架系統(tǒng)即是使用傳感器獲取環(huán)境信息[3]，然后對信息進行分析，相應地驅(qū)動直流電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)晾衣架的伸縮功能。該系統(tǒng)對晾衣架的控制有自動和手動兩種模式，可以隨時應對突發(fā)的天氣的狀況，極大地方便人們的生活。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要由STC89C51單片機系統(tǒng)、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊、電機控制模塊、狀態(tài)顯示模塊等組成。其中，傳感器模塊負責對環(huán)境信息進行采集，晾衣架的智能控制主要即是通過對其所獲取的各種環(huán)境信息分析實現(xiàn)的[4-5]；無線收發(fā)模塊由SC2262、SC2272編碼解碼芯片組成，用以控制系統(tǒng)的工作模式和工作狀態(tài)；STC89C51單片機主控芯片可對環(huán)境數(shù)據(jù)信息進行分析處理，并發(fā)送相關控制指令，實現(xiàn)電機和狀態(tài)指示燈的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變[6]；電機控制模塊可通過電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)晾衣架的伸縮功能，為防止晾衣架損壞，使用限位開關檢測晾衣架位置；狀態(tài)顯示模塊可提示當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)分為手動和自動兩種模式，模式一為手動，模式二為自動，默認為自動模式，可自由選擇。其中，手動模式由無線收發(fā)模塊控制，遙控器發(fā)送控制信號，電路板信號接收端接收信號并響應[7]。自動模式依靠分析傳感器獲取的環(huán)境信息進行自動控制。流程如下：首先系統(tǒng)進行模式判斷，如果是手動模式，則晾衣架系統(tǒng)根據(jù)操作者的具體操作指令做出反應，電機正轉(zhuǎn)，晾衣桿伸出，電機反轉(zhuǎn)，晾衣桿收回。

如果是自動模式，則系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境狀況自動控制晾衣架的工作狀態(tài)。若天氣晴朗，濕度較低，晾衣架自動伸出；若是下雨天、光線很暗或者濕度較大時則晾衣架自動收回。在具體實現(xiàn)時，可以對光線、溫度和濕度的值進行設置，當達到設定的閾值時，系統(tǒng)才會做出相關的響應。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 主控芯片與晶振電路

選用STC89C51作為主控芯片，其有40個引腳，可提供32個可編程I/O口線，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，同時具有4kB的內(nèi)部程序存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。該芯片功能較強，因此在嵌入式領域得到了廣泛的應用。

晶振電路的功能是結合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機正常工作所需要的時鐘頻率，保證單片機的指令能夠正常接收和發(fā)送。在晾衣架系統(tǒng)中，電路使用兩個30pF的瓷片電容來保證晶振能夠正常起振。在晶振電路的輸出端由電阻和負載電容構成一個限流網(wǎng)絡。限流網(wǎng)絡的主要作用是限流，防止反相器出過大的電流而損壞晶振。晶振頻率為11.0592MHz。晶振電路連接STC89C51芯片的18和19號引腳。晶振電路如圖2所示。

3.2 射頻收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊可以實現(xiàn)晾衣架的遙控操作，利用無線信號進行信息的發(fā)送和接收[8]。該功能通過SC2262/2272芯片來實現(xiàn)，其中SC2262用于發(fā)射裝置，SC2272用于接收裝置。編碼芯片SC2262出發(fā)的編碼信號通過同步碼、地址碼和數(shù)據(jù)碼組成完整的編碼數(shù)字，SC2262是否工作由電源是否接通決定。射頻發(fā)射模塊電路圖如圖3所示。

圖2 晶振電路

圖3 射頻發(fā)射模塊電路圖

SC2262在工作過程中會發(fā)送當前的地址編碼和數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)，當SC2272的地址與SC2262的地址一致時，開始接收SC2262送來的數(shù)據(jù)并進行電平信號的轉(zhuǎn)換。射頻接收模塊電路圖如圖4所示。

圖4 射頻接收模塊電路圖

3.3 電機控制模塊

直流電動機的轉(zhuǎn)動情況是由繼電器來控制的。電機正轉(zhuǎn)表示晾衣架伸出；電機反轉(zhuǎn)代表示晾衣架收回。因晾衣桿有長度限制，為了防止電機無限制地轉(zhuǎn)動使晾衣桿持續(xù)伸出或者收回而使電機損壞，在系統(tǒng)實現(xiàn)時，設置了限位開關。當晾衣桿碰觸到限位開關時，電機就停止轉(zhuǎn)動，從而將晾衣桿固定。電機控制模塊電路如圖5所示。

圖5 電機控制模塊電路圖

3.4 狀態(tài)顯示模塊

自動和手動模式的狀態(tài)顯示模塊由三個LED燈表示。自動模式下，系統(tǒng)能夠通過各種傳感器主動感知外界信息，并自動做出晾衣桿的伸出和收回動作；手動模式下，可以通過遙控器來控制。其中，紅色燈亮起表示晾衣架是自動工作模式，紅色燈熄滅表示晾衣架是手動工作模式。另外，黃燈亮起，直流電機正轉(zhuǎn)，表示晾衣桿是伸出的狀態(tài)；綠燈亮起，電機反轉(zhuǎn)，表示晾衣桿是收回狀態(tài)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

系統(tǒng)各個模塊及整個電路圖設計完成并組裝后，將程序?qū)胂到y(tǒng)完成了整個晾衣架系統(tǒng)的設計工作。系統(tǒng)實物如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實物圖

為了保證系統(tǒng)各個功能都能夠正常運行，在系統(tǒng)設計完成后進行了系統(tǒng)的測試。首先將電源接通，打開系統(tǒng)開關，系統(tǒng)進入自動模式，同時紅燈亮起。在光照強度較高，濕度較低時，電機正轉(zhuǎn)，控制晾衣桿伸出，在碰觸到限位開關時，電機停轉(zhuǎn)；然后控制光照強度，在光線較暗、有雨滴或濕度大于等于設定的最大閾值時，直流電機反轉(zhuǎn)，控制晾衣桿收回，在碰觸到限位開關時電機停轉(zhuǎn)，同時相應指示燈亮起。在手動模式下紅燈熄滅，按下控制器上的電機正轉(zhuǎn)按鈕，晾衣架伸出，按下反轉(zhuǎn)按鈕，晾衣架收回，相應指示燈亮起。

5 結束語

此款智能晾衣架系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)相關技術設計，采用不同模式實現(xiàn)對晾衣架的控制，操作靈活；用限位開關控制電機的停轉(zhuǎn)時刻，控制晾衣桿架伸縮距離；用LED燈顯示系統(tǒng)工作模式和工作狀態(tài)，以直觀展示當前系統(tǒng)的狀態(tài)；同時由數(shù)碼管顯示當前空氣的濕度情況。該系統(tǒng)具有簡單易用、成本低廉的特點，因此具有一定的應用價值。