智能化晾衣架電控系統設計

摘 要：對基于單片機的智能化晾衣架進行研究，設計了一種新型晾衣架電控系統。采用光敏電阻檢測光照強度，采用LY-69型雨滴傳感器檢測雨水信號。當光照充足且無雨水時，單片機驅動步進電機控制晾衣架伸出；當檢測到雨水或者光照強度較低時，則晾衣架會自動收回。同時輔以ESP8266型Wi-Fi模塊實現與智能手機的通信，通過手機APP可自由設置光照及雨水閾值，并監測智能晾衣架的工作狀態。最后通過測試，結果表明設計方案可行，對于家用產品的智能化有著較好的借鑒作用。

關鍵詞：晾衣架控制；單片機；雨水檢測；遠程通信

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0195-04

Design of Electric Control System for Intelligent Clothes-drying Rack

QIAN Li

（Suzhou Higher Vocational School， Suzhou 215009， China）

Abstract： This paper researches the intelligent clothes-drying rack based on single-chip microcomputer， and designs a new type of electrical control system for clothes-drying rack. The light intensity is detected by photoresistor and the rain signal is detected by LY-69 raindrop sensor. When there is enough light and no rain， the single-chip microcomputer drives the stepper motor to control the clothes-drying rack to extend. When the rain is detected or the light intensity is low， the clothes-drying rack will automatically withdraw. At the same time， ESP8266 Wi-Fi module is used to communicate with the smart mobile phone. The light and rain threshold can be set freely through the mobile phone APP， and the working state of the intelligent clothes-drying rack can be monitored. Finally， through the test， the results indicate that the design scheme is feasible， which has a good reference for the household products.

Keywords： clothes-drying rack control; single-chip microcomputer; rain detection; remote communication

0 引 言

由于城市化生活節奏的加快，大部分上班族都是早晨將洗好的衣物掛在晾衣架上，晚上下班回來再收回衣物[1]。然而，傳統晾衣架無法應對變化多端的天氣，不會隨著外界環境變化自動收縮，不僅嚴重影響晾衣效率，甚至會由于雨水打濕而造成反作用[2]。智能化家庭產品的出現，可有效解決這一問題，設計一款能夠識別陰雨天氣的智能化晾衣架，針對不同天氣狀況實現晾衣架的自動收縮[3]，能夠避免衣物被雨水打濕，同時提升晾曬效率，給人們生活提供方便。用戶只需要將衣服掛在衣架上，打開電源，就能獲得一種全新的晾曬體驗。因此，智能化晾衣架控制系統的設計具有重要意義。

1 智能晾衣架電控系統的總體方案

1.1 系統功能的需求

本系統需依據天氣變化，實現智能晾衣架的自動伸縮。在此基礎上，提出一種基于單片機與多傳感器的智能晾衣架控制系統，根據天氣情況及光照強弱進行自動伸縮的功能，并通過手機APP進行遠程控制。因此，本系統的主要需求如下：1）選擇靈敏度較高的光照、雨滴檢測傳感器。2）選擇合適的單片機型號編寫控制程序，可依據輸入信號控制晾衣架的伸縮。3）添加Wi-Fi芯片，實現的手機遠程控制。

1.2 系統的總體架構

根據系統的功能需求，設計的系統總體架構框圖如圖1所示。系統的總體架構主要包括：單片機組成的最小系統、雨滴傳感器、光照傳感器、Wi-Fi模塊、手機APP、電機驅動、限位開關。其中，手機APP和Wi-Fi模塊與單片機之間實現的是雙向通信，既可以進行信息上傳又可以實現命令下發。而電機驅動與限位開關組成晾衣架伸縮的控制系統。

1.3 系統工作原理

智能晾衣架電控系統主要有兩個模式，分別是就地模式與遠控模式：1）在遠控方式下，電控系統可通過無線網絡與移動終端（如手機）相連，通過APP可操控晾衣架的步進電機轉動，完成伸、縮晾衣架等動作。同時，可以在移動終端上任意轉換遠控和就地兩種工作模式。2）在就地方式下，光照和雨滴傳感器會自動偵測即時信息并進行數據處理。在天氣晴朗的時候，當陽光照射在光照傳感器上，單片機就會接收到光照強的信號，然后發出相應的命令，讓步進電機轉動把晾衣架伸出來晾曬衣服。反之，在天黑或者下雨時，單片機驅動電機收回衣架。

2 智能晾衣架電控系統的硬件設計

2.1 系統的硬件組成

系統的硬件組成主要包括：1）單片機。智能化晾衣架控制系統設計中，采用了國產STC系列STC89C51單片機，具有成本低、功能強大等優點[4]，能夠滿足晾衣架電控系統的需求。2）雨滴傳感器。采用電極型雨滴傳感器LY-69，當有雨水滴落在傳感器上，會使傳感器表面的導電性發生變化，從而傳遞雨滴信號[5]。其優點是反應靈敏、具有較好的防水性能[6]。不會因為外界環境變化而導致測量誤差。3）光照傳感器。采用光敏電阻，光敏電阻體積較小，可靠性高、響應速度快、測試時間短、可重復性好適用于多種嚴酷條件[7]。4）Wi-Fi模塊。采用ESP8266，通過Wi-Fi網關把被控制設備連接到局域網上，再通過已連接到互聯網上的設備向指定的IP地址發送指令，實現無地域限制的遠程控制[8]。5）電機驅動與限位。步進電機采用ULN2003進行驅動控制，其主要目的在于放大輸出電流及功率，單片機并不具備直接驅動電機的能力[9]。而采用YBLX-111限位開關的目的是當晾衣架伸縮到達預定位置后，給單片機一個的停止信號。

2.2 系統的電路設計

如圖2所示，為系統的電路原理圖。

系統通過光敏檢測電路、雨滴傳感器進行光照、雨滴等參數采集。其次，分別將參數輸入到單片機P1.1口、P1.0口，單片機與晶振電路、復位電路組成單片機最小系統，并讀取環境參數，根據設定值進行對比。然后，采集光照強度超出設定光照值，采集雨滴信息小于設定值，則證明光照充足且無雨水時，單片機驅動步進電機控制晾衣架伸出；當采集雨滴值超出設定值或者光照值小于設定值，證明檢測到雨水或者光照強度較低時，則晾衣架會自動收回。步進電機控制電路主要由ULN2003進行驅動控制，電機停止信號由限位開關給出，當晾衣架伸出或者收回到達預定點時，限位開關閉合發出停止信號。串口Wi-Fi電路是通過單片機串口與芯片ESP8266相連，實現單片機與移動終端在同一局域網下的信息發送雨接收。

3 智能晾衣架電控系統的軟件設計

利用最簡單高效的C語言，對智能晾衣架電控系統進行編程，從而達到整體的控制。首先是初始化系統，包括串口、Wi-Fi模塊、單片機等初始化。然后，接收串口數據，當檢測到串口標志位為1時，此時為遠程控制模式，APP對系統進行控制。如果串口標志位不為1，則當前為就地模式。串口發送程序如下：

void fasongshuju（uchar *str）

{

while（*str！='＼0'）

{

SBUF=*str;

while（！TI）;//等待發送完成信號（TI=1）出現

TI=0;

str++;

}

}

圖3為系統的軟件程序流程圖。

在就地模式下，需要檢測光強，若光線較弱，電機反轉，晾衣架收回；若光線較強，則繼續檢測雨滴，當檢測到雨滴時電機反轉，收回衣架；當檢測到無雨滴時，電機正傳伸出晾衣架，此時程序結束。步進電機轉動程序代碼如下：

void zz（）

{

unsigned char i;

for （i=0; i<8; i++） //一個周期轉3.75*8=30度

{

P2 = RUN1[i]&0x1f; //取數據

delay（2）; //調節轉速

zsd1=0;

zsd2=1;

}

}

在遠程控制模式下，ESP8266 熱點使得單片機以及手機能夠順利進行通信，借助手機APP還能對TCP的連接狀態進行設置，從而實現智能晾衣架的控制。

利用E4A開發了手機APP，并利用Java程序設計了智能Config技術。在將手機與Wi-Fi芯片相連接后，由于ESP8266本身支持Smart Config功能[10]，可以利用手機所連接的路由器的名字和密碼，使其可以快速地與路由器相連并實現網絡。利用WLAN的鏈接，可以開啟APP，接收TA的命令，對數據進行分析，把BCD二進制代碼轉換成大家熟悉的十進制代碼，并將其顯示在系統框體內，以實現對交換的實時信息的顯示，如圖4所示。

4 系統的測試

4.1 測試結果

4.1.1 軟件測試

首先對智能晾衣架軟件程序進行測試，測試如圖5所示。給出了Keil 4.0軟件環境下的測試結果，測試結果顯示程序代碼編譯成功。

4.1.2 光照強度測試

系統處于光照下，觀察光敏電阻測到的光照強度變化，如圖6所示。同時，利用光照強度測光儀進行同步測量。將兩者光照進行比較，測試記錄如表1所示。

通過上述五組測試數據并經過對比后可以發現，在不同的環境光照下，兩種光照測量方式得到的光照強度數值一致，誤差為0。測試結果說明本設計的光照檢測效果與常規的測光儀幾乎沒有任何差別。同時，在光照強度小于15 lx時，晾衣架因為光照強度偏低而收回。高于25 lx光照強度時才會展開。試驗結果顯示系統的步進電機可實現正反轉，工況正常。

4.1.3 雨滴檢測

將系統處于25 lx以上光照條件下，并對電路進行通電，觀察雨滴傳感器測到的雨滴變化變化。同時，利用濕度監測儀進行同步雨滴及環境濕度的測量。將兩者測量信息進行比較，測試記錄如表2所示。

通過上述五組測試數據并經過對比后可以發現，在不同的雨滴或者濕度條件下，兩種雨滴或者濕度測量方式得到數據是不一樣的。濕度環境與雨滴并不存在一定的相關性。而采用雨滴傳感器進行檢測，則更加能夠針對下雨環境進行判斷，有效防止衣物被打濕。

4.1.4 其他情況

光照強且有雨滴：該情況下雖然光照強度大，但是檢測到雨滴，步進電機應該反轉并收回晾衣架。通過系統測試，步進電機實現反轉，系統工作正常。

光照低：此種情況下，由于光敏電阻信號一直處于關閉狀態，步進電機反轉收回晾衣架，或者不動作。試驗表明，該情況下步進電機誤動作，晾衣架處于收回狀態

4.1.5 遠控模式

通過手機將系統置于遠控模式下，可根據APP自由設置光照強度限值、雨滴限值，可實現數據的遠程監測與控制。

4.2 測試結果分析

通過實物的測試，其結果表明：1）系統可利用光敏電阻和雨滴傳感器兩種數據檢測元件實現輸入端數據的采集，利用手機APP實現對光照數據、雨滴等數據的顯示。2）系統自動應對光照弱、天晴下雨等一系列環境情況，運用電機驅動實現具有自動晾曬功能。在光線較弱時，步進電機反轉自動收回晾衣架；光線較強時，通過檢測雨滴情況，判斷收回或者伸出晾衣架，若有雨滴仍然收回晾衣架。

5 結 論

本文主要是利用傳感器進行環境監測，以單片機為核心，將雨滴檢測、光照檢測、Wi-Fi模塊、步進電機驅動控制等諸多模塊組合在一起，從而實現對衣物的智能晾曬功能。該智能化晾衣架不僅實現了雨滴探測和光照探測的采集功能，還實現了遠程手機終端的顯示與控制功能。在保證工作穩定可靠的前提下，系統設計方案不僅減少了單片機IO的占用，而且使整個系統的硬件結構得到了簡化，并為以后的擴充留出了一定的余地。智能的晾衣架意味著更方便的晾曬衣物，可以根據天氣狀況進行自動晾曬和回收。智能晾衣架可依據就地、遠程模式進行切換，具有很強的調節功能，可靈活應對各種氣候變化，既方便了人們的生活，又提高了人們的生活質量，具有較強的實際應用價值。

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作者簡介：錢麗（1976—），女，漢族，安徽宿州人，講師，碩士，研究方向：物理電子技術。