一種全智能化的衣物晾曬系統的研究

陳曉芳 石錦豪 周 杰 王威杰

（安徽新華學院，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

隨著經濟的快速發展，人們對生活質量的要求越來越高。當前市場上晾衣架的品類豐富，包括手搖、外飄、懸掛、電動等，其功能也是具備自動升降、烘干、照明、凈化空氣等等。但晾衣系統在創新點上還不夠強，無法在外界條件變化的情況下進行智能化晾曬和收回。因此，研制一款全智能化的晾衣架有極大的市場前景。

本設計是通過AT89S51 單片機為最小控制系統進行運轉的，對晾衣架進行智能檢測，敏感元件直接接受環境變化，從而輸出被測環境因素的物理信號值，A/D 轉換元件將所測得的物理信號值轉變為電信號，R/F 變換電路對于轉換元件所傳輸出的電信號進行綜合處理以及放大，輸送給AT89S51 單片機進行運算和綜合處理，將處理后的數字信號輸送給步進電機驅動電路，從而控制機械桿件運作，以此達到自動對衣服的晾曬和收回，實現晾衣架的智能化操作。

2 設計方案

此智能晾衣架是以AT89S51 單片機作為其最小控制系統，通過預先設置實驗所得各類參數編譯程序導入AT89S51 單片機，實現對分系統的指令，與分系統共同協調工作，從而完成智能晾衣架的運作。包含單片機在內的系統一共有四大系統，分別是單片機控制系統、傳感器系統、步進電機系統、機械桿件系統。

在這四大主要系統里，傳感器系統又分為雨滴強度檢測系統、衣物濕度檢測系統、光照強度檢測系統、霧霾濃度檢測系統、風力強度檢測系統。傳感器系統功能比重占據較大，為實現智能化提供了基本條件，為晾衣架系統檢測并收集外界環境因素，導入中央控制系統，并對預先設置的外界環境參數比對，輸出的數字信號由AT89S51 單片機計算并綜合處理，然后數字信號由A/D 轉換元件轉換為電信號，轉換過的電信號控制步電機的運轉，步電機的運轉驅動特定的機械桿件實現對于衣物的收回以及晾曬工作。其中通過對雨滴強度、衣物濕度、光照強度、霧霾濃度、風力強度設定閥值，在當外界環境發生變化時，將由各類傳感器所獲取的這些參數與設定的閥值參數進行對比，從而驅動工作，讓晾衣架達到所預設的位置以及狀態。

經由AT89S51 單片機控制系統運用，具備在線更新程序的ISP，工作頻率更高，運作時能更高效地完成所設定的計算處理任務。對傳感器所傳輸的參數進行儲存以及綜合運算處理，參數經過處理后轉換為電信號，從而指令控制步電機的運作；利用C 語言編譯出實現晾衣架在外界因素影響下的衣物收放工作的程序，下載儲存于單片機；另一方面，通過對LCD1602 液晶顯示屏顯示的控制，實時展現外界環境參數，以及顯示出計算后的所預計的完成晾曬的時間以及所需具備的條件參數。

步進電機通過接受處理過后的電脈沖，驅動角位移，按照計算設定的方位進行旋轉運作，帶動機械桿件的機械運動。用戶也可通過設置在步進機的控制按鈕，設置出晾衣架所需要達到的狀態，對步進電機進行自主的控制。二者的搭配使其工作更加便捷，易操控。

機械桿件系統是為晾衣架完成工作的最后一步，機械桿件接收到步進電機位移的變化，根據其運動方位，改變自身原有的物理狀態，在不同的外界條件下改變不同的物理狀態。

此物理狀態有三種：

1.保持原有狀態（晾曬狀態或收回狀態），當外界條件適宜情況下，并且衣物正在晾曬狀態繼續保持，衣物正在收回狀態繼續保持，當外界條件不適宜，衣物繼續保持收回狀態。

2.非晾曬狀態（非晾曬狀態：正在收回或已經收回），該狀態在于外界條件超出預先設定的環境參數閥值，不利于衣物的晾曬，使衣物處于非晾曬狀態。

3.非收回狀態（非收回狀態：正在晾曬或已經晾曬），當衣物處于潮濕狀態，并且外界條件適宜晾曬，則使衣物處于非收回狀態。

3 軟件系統分析

通過最小系統AT89S51 單片機對該軟件系統的控制，外部所置的各類傳感器檢測環境并且收集參數，處理后輸入到中央控制系統，對傳感器所傳輸各類參數與設置的事先實驗所得環境參數閥值進行比對，并進行儲存以及綜合運算處理；將處理過后的信號轉換為電信號，從而指令控制步電機的運作；利用C 語言編譯出目的程序，載入并儲存于單片機，從而實現晾衣架在外界因素影響下的衣物收晾工作；另一方面控制LCD1602 液晶屏的顯示，實時顯示出外界環境參數，以及顯示出計算后的所預計的完成晾曬的時間以及所需具備的條件參數。從而判斷晾衣架在此種環境下符合收回狀態還是晾曬狀態，實現對衣物的收回和晾曬狀態的智能控制。

各類傳感器在由中央控制系統的指令下，獲取實時的環境狀況因素，并通過LCD1602 液晶顯示屏對數據的顯示，由單片機分析處理傳感器采集的數據，與預先設定的數值進行比對，判斷其晾衣架該處于收回狀態還是晾曬狀態，從而由中央控制系統指令步進電機的驅動。若單片機所接收的參數值高于設定閥值，則為收回狀態，若單片機所接收的參數值低于設定閥值，則為晾曬狀態（衣物濕度這一參數值的判斷與之相反），每個條件都滿足的情況下才完成上述任務，相互限制。

4 硬件系統分析

本系統是用AT89S51 為主控芯片，通過采用各類傳感器監測分系統收集外界環境的與衣物晾曬相關數據，并通過 LCD1602 液晶顯示屏呈現數據；可通過人工智能對衣物實現全智能化收晾工作或者通過自主操作控制衣物的收晾工作；由單片機綜合分析外界條件是否適宜的情況下指令驅動步進電機控制晾衣架工作。該硬件系統的組成分為單片機控制系統、傳感器系統、步進電機系統、機械桿件系統四大部分，共同協調控制著晾衣架的運作。

4.1 AT89S51 單片機系統

此單片機系統由復位電路系統、電源電路系統、下載電路系統、晶振電路系統所組成。在工作電壓為0.0-9.9V 的供電條件下，由8M 晶振電路，又叫做時鐘電路，配合20-30pF 的電容，為單片機系統提供基本的時鐘信號。程序下載電路通過ISP 下載模式使用工具USB/TTL 將用戶編寫好的程序燒寫到單片機的ROM 里。復位電路為高電平復位，當兩個周期以上的復位電平出現于復位引腳上時，單片機復位，程序從頭開始執行。

4.2 傳感器系統

4.2.1 雨滴檢測系統

該雨滴檢測系統以光感雨滴傳感器為基礎，系統由一個發光二極管和三個光強傳感器組成。三個光強傳感器分別為測量雨滴光強傳感器、測量近光雨滴傳感器和測量遠光傳感器，通過與發光二極管一同協同配合測量晾衣架上安裝的玻璃的雨滴密度。根據雨滴的量，分為以下兩種情況：當玻璃上雨滴多量時，二極管發出的光由于玻璃上雨滴的反射，雨滴光強傳感器所接收的光強增強，從而傳感器上的參數發生變化；當玻璃上的雨滴很少或者沒有時，由二極管發出的光基本上被折射出去，反射回來的所接收的光強很少[1]。

4.2.2 衣物濕度檢測系統

衣物濕度檢測系統由電容式濕度傳感器組成，由極板與其間的高分子薄膜構成，此裝置安裝在可觸及衣物的附近，可以根據衣物的相對位置進行貼附衣物，從而檢測衣物濕度變化，當衣物濕度發生改變時，由于高分子薄膜中的含水量發生了變化，改變了電容的介電常數，從而使得傳感電容器發生改變，通過測量容值便能計算出此時衣物濕度，在衣物干燥時進行及時的回收，防止不必要的暴曬。

4.2.3 光照強度檢測系統

采用HA2003 光照傳感器，在電壓為DC5～24V的工作下（電壓型），透過余弦修正器的光照傳感器的不同角度光線由感光器所收集，藍色和黃色的進口濾光片會濾掉收集的太陽光中可見光以外的光線；可見光透過濾光片照射到光敏二極管，光敏二極管通過光照強度的大小轉換成對應的電壓值，再由調理電路把該電壓值處理為0～2V，處理后的電信號輸入單片機系統，收集到的光電信號通過單片機系統由溫度感應電路進行溫度補償，從而輸出精準的線性電信號，最后控制晾衣架在合適的光照下進行晾曬[2]。

4.2.4 霧霾濃度檢測系統

霧霾檢測系統配置了PM2.5 粉塵儀，運用了強力抽氣泵，內置的激光粉塵儀為40mm 濾膜采樣器，可同時監測收集顆粒物和粉塵濃度，對其成份進行分析，從而求出質量濃度轉換系數K 值[3]。通過選擇粒子切割器PM1.0、PM2.5、PM5、PM10 和TSP 進行性能評估，從而提高在線監測中的環境空氣質量PM2.5 和離線分析數據的可比性和準確性。將霧霾濃度檢測系統所檢測的霧霾參數反饋給單片機處理，判斷在霧霾濃度超過閥值時對衣物進行回收，降低霧霾對衣物的污染，提高健康系數。

4.2.5 風力檢測系統

該系統采用壓力式風速儀來檢測風速大小，通過差壓計測量兩個不同點處壓力之差，當風流流過管道內置的節流器件時，風的流速會改變節流件的狀態，導致局部收縮，使得流速增加，于是節流器件前后便產生了壓力差。風流的流體量越大，形成的壓力差就會越大，從而就可以根據壓力差算出風流量的大小。運用基礎為流動連續性方程和伯努利方程等公式計算出風速的大小，再將數據反饋給單片機，經過單片機的處理分析，判斷在風速過大的時候進行衣物的收回，防止衣物丟失。

4.3 步進電機系統

步進電機工作時步進轉動，將脈沖電信號變換為相應的角位移，等同于給一個一定數值的脈沖信號時，電動機在驅使下改變一個角位移。步電機的角位移數值與脈沖數值成正比，轉動速率與脈沖頻率也成正比[4]。在限載的情況下，步進電機的轉動速率和其停止的位置由脈沖信號數值和頻率所決定，不受外在負載大小影響[5]。

本系統采用的是混合式步電機，有永磁式和反應式的雙重優點。在結構上，轉子附有永久磁體，為軟磁材料提供其工作點，然而定子激磁僅僅需要提供變化的磁場即可，而不用為磁材料的工作點提供耗能。步進電機為機械桿件提供動能，驅動桿件的收縮。

4.4 機械桿件系統

機械桿件分為兩個主體部分：前后伸縮結構和上下升降結構。前后伸縮結構主要控制衣物的收回和晾曬，在外界環境適宜時機械桿件伸出去，在外界條件不適宜時收回來，每個晾衣的桿件都是單獨的，在干燥時便可獨立收回，單獨的桿件是晾曬著相似類型的衣物，防止不同的衣物由于干燥快慢時間不均等而造成的過度晾曬卻還在晾曬或者尚處于潮濕卻已經收回的情況出現。上下升降結構主要是為了節省空間以及方便用戶對衣物進行懸掛于衣架上。機械桿件系統由中央控制系統智能控制或者由用戶自主控制工作。

5 結語

智能晾衣架通過運用與環境檢測相關的傳感器，識別外界環境狀況，反饋給基于AT89S51 單片機的中央控制系統進行分析計算，從而控制步進電機的運作來達到在外界環境適宜的情況下對衣物智能化的收晾工作。

智能化為現代快節奏生活提供了便利，減輕了人們的生活壓力，改善了生活質量，是時代的趨勢潮流，會在未來獲得更多的發展前景。