基于MSP430F5529LP的晾衣架自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳子晗，陳東毅

（福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116）

0 引 言

隨著智能控制概念的不斷普及，智能家居的生活理念不斷深入人心，同時(shí)伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電子技術(shù)以及通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，自動(dòng)晾衣架已逐漸成為智能家居乃至智能生活中不可或缺的生活必需品[1-4]。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制核心器件采用MSP430F5529LP口袋板，充分利用雨滴、光照、重力等傳感器，能夠在下雨、陰天時(shí)協(xié)同自動(dòng)控制衣架收回，天晴后自動(dòng)伸展衣架，同時(shí)具有自動(dòng)與手動(dòng)自主切換控制、自動(dòng)檢測衣架有效載荷的功能。

1 整體系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)MSP430F5529LP作為主控芯片來控制晾衣架的智能伸縮與升降。其工作原理為：首先，通過雨滴傳感器、光敏傳感器分別讀取降雨與光照強(qiáng)度的變化值，根據(jù)微處理器的內(nèi)部算法控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，并結(jié)合位置傳感器的輸出從而實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)伸縮功能；其次，根據(jù)重力傳感器實(shí)時(shí)檢測晾衣架的有效載荷，對晾衣架的升降進(jìn)行有效控制并給出適當(dāng)?shù)闹亓啃盘柼崾尽Ｏ到y(tǒng)原理框圖如圖1所示，所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)主要以MSP430F5529LP單片機(jī)口袋板為核心處理芯片，由Micro USB2.0供電，當(dāng)電源接通掛上衣物后，通過重力傳感器智能判斷是否超重，若超重，由蜂鳴器發(fā)出警告信號；通過雨滴傳感器、光敏傳感器協(xié)同作用來智能控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)晾衣架的全自動(dòng)控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇TI公司的MSP430F5529LP作為控制芯片，該MCU為超低功耗微處理器，主要體現(xiàn)在：內(nèi)置一個(gè)12 bit ADC，省去外置ADC的功耗；內(nèi)置3個(gè)DMA通道，使得數(shù)據(jù)不需經(jīng)過CPU即可在各外設(shè)之間傳輸，降低了CPU的運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)與功耗。該MCU不但具有功能強(qiáng)大的外設(shè)接口，而且從低功耗模式到工作模式只需3.5 μs。

根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求，可以將硬件部分細(xì)分為5個(gè)模塊，分別是按鍵控制電路、雨滴檢測電路、光強(qiáng)檢測電路、重力檢測電路、位置檢測電路等。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 按鍵控制電路

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)兩種切換控制模式對晾衣架進(jìn)行智能控制，只需通過外部的一個(gè)按鍵控制開關(guān)即可對兩種控制模式進(jìn)行自由切換，即通過外部按鍵來使能MCU的外部中斷響應(yīng)標(biāo)記位，從而控制晾衣架的工作狀態(tài)，同時(shí)在按鍵響應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)中考慮了按鍵消抖與外部抗干擾問題。按鍵電路的信號輸出端與MCU的P1.7腳相接，如圖2所示。

圖2 按鍵電路

2.2 雨滴檢測電路

該系統(tǒng)選用STSM-002型雨滴傳感器，該器件采用日本進(jìn)口的特殊電子漿料和先進(jìn)的厚膜技術(shù)制作而成，是專門用于檢測雨滴的一種新型傳感元件。該元件廣泛用于需要檢測雨滴的各種場所，如無人職守的機(jī)房、賓館高樓的門窗，高級轎車、客車的門窗，以及各種貨場等的自動(dòng)控制，以防止雨水的浸蝕。

該元件的技術(shù)指標(biāo)：導(dǎo)通電阻≤1 kΩ；工作電壓為5 V（DC）；工作電流≤10 mA（DC）；響應(yīng)時(shí)間≤10 s；恢復(fù)時(shí)間≤30 s（需擦拭）。

該元件的實(shí)物封裝如圖3所示。

圖3 雨滴傳感器實(shí)物封裝圖

由該元件的技術(shù)指標(biāo)可知，當(dāng)雨滴傳感器導(dǎo)通后其電阻阻值變化較明顯，為使其工作電流≤10 mA（DC），故根據(jù)電阻分壓限流的原理設(shè)計(jì)了簡單的電路，其中，R2取1.2 kΩ，ui為5 V （DC），由式（1）可知其工作電流i為2.27 mA≤10 mA（DC）。

雨滴檢測電路采用多點(diǎn)布置方式，如圖4所示。其中，R1為雨滴傳感器，將其與三個(gè)定值電阻構(gòu)成橋式檢測電路，R2取1.2 kΩ，R3，R4各取10 kΩ。當(dāng)天氣晴朗時(shí)，該橋式電路輸出的電壓為正電壓；當(dāng)雨滴傳感器被雨水淋濕其阻值發(fā)生明顯變化時(shí)，導(dǎo)通電阻降低至1 kΩ以下。由式（2）可知該橋式電路輸出的電壓極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)樨?fù)電壓。雨滴檢測電路的信號輸出端與MCU的P1.1腳相接，MCU以雨滴檢測電路輸出電壓極性的翻轉(zhuǎn)作為控制信號實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)伸縮[5]。

式中：導(dǎo)通前R1接近無窮大，Δu為正；導(dǎo)通后R1＜1 kΩ，Δu為負(fù)。

圖4 雨滴檢測電路

2.3 光強(qiáng)檢測電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光強(qiáng)檢測電路由光敏電阻、三個(gè)定值電阻構(gòu)成，如圖5所示。當(dāng)白天光照強(qiáng)度較大時(shí)，光敏電阻R5阻值變小，比較器6端電壓高于5端電壓，運(yùn)放輸出高電平，此時(shí)MCU程序控制晾衣架伸出；當(dāng)光照強(qiáng)度較小時(shí)，光敏電阻R5阻值變大，比較器6端電壓低于5端電壓，運(yùn)放輸出低電平，若MCU的P1.2腳采集到相應(yīng)的電平信號，則通過MCU的程序控制晾衣架回收[6]。

圖5 光強(qiáng)檢測電路

2.4 重力檢測電路

在晾衣架的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)位置上設(shè)計(jì)一個(gè)壓力傳感器，MCU可實(shí)時(shí)檢測晾衣架的有效載荷，從而控制晾衣架的升降并給出適當(dāng)?shù)闹亓啃盘柼崾荆亓鞲衅鞯男盘柧€與MCU的P2.0腳相接。

2.5 位置檢測電路

位置控制電路主要由安裝在晾衣架支撐桿垂直方向的最上端、最下端以及水平方向的近端、遠(yuǎn)端的四個(gè)限位開關(guān)組成，對晾衣架的垂直升降與水平伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定位，防止其超距離運(yùn)行，限位開關(guān)的信號線分別與MCU的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4腳相接，MCU實(shí)時(shí)讀取四個(gè)引腳的狀態(tài)值，對衣架的位置進(jìn)行判斷。

3 軟件設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用CCS5.0作為代碼調(diào)試器，CCS是TI公司出品的為用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU軟件程序的集成開發(fā)軟件環(huán)境。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要軟件流程如圖6所示。

圖6 主要的軟件流程

4 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用鋰電池供電，由于鋰電池具有綠色環(huán)保、重量輕、無記憶效應(yīng)、自放電率低、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。利用低功耗的MSP430F5529LP口袋板作為控制器，通過雨滴、光強(qiáng)度檢測電路來協(xié)同控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而控制衣架伸縮，并結(jié)合重力傳感器來判斷衣架的有效載荷。該系統(tǒng)具備以下功能。

（1）具有協(xié)同控制衣架回收功能。當(dāng)室外有雨水降落時(shí)，雨滴檢測電路工作，衣架不僅能自動(dòng)回收，而且還能做出相應(yīng)提示；在光強(qiáng)檢測電路的協(xié)同控制下，當(dāng)室外的光照強(qiáng)度突然降低即陰天或夜幕降臨時(shí)，衣架也可自動(dòng)收回，避免衣物被水汽浸濕。

（2）具有自動(dòng)檢測衣架載荷功能。當(dāng)實(shí)際重量超出衣架的載荷極限時(shí)，重力檢測電路會提示超重信息；若平時(shí)晾曬過程中突發(fā)意外也能發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

（3）具有自動(dòng)、手動(dòng)自主切換控制功能。只需一鍵操作即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制之間的自由切換，滿足人們的個(gè)性化衣架控制需求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的晾衣架雨滴檢測電路采用多點(diǎn)布置方式，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，運(yùn)用鋰電池作為電源為電路供電，綠色環(huán)保、重量輕、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，提供了簡易的自動(dòng)、手動(dòng)切換控制等功能，實(shí)現(xiàn)了下雨、陰天自動(dòng)收衣，同時(shí)自動(dòng)檢測衣架載荷的功能，達(dá)到了保護(hù)衣物的目的，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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