基于單片機的智能晾衣架控制系統設計

張士偉

摘要：隨著現代社會人們生活方式地不斷改變與革新，目前越來越多的智能化生活用品出現在我們的日常生活中，針對目前大多數城市居民由于工作等其他方面的事情無法花費太多時間和精力來管理我們生活中合理晾曬與收衣服的問題，本設計詳細的論述了晾衣架控制系統的設計步驟和設計產品的功能，設計完成了一種可以根據外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測外界環境光線從而實現天黑自動收衣服，采用DHT11傳感器檢測環境濕度，下雨的時候不用麻煩人力可以自動收衣服，將信號送到控制系統核心AT89C51單片機。本次設計有兩個模式：自動模式和手動模式。自動模式下系統根據所采集的參數與設定值比較進而驅動步進電機的正反轉來實現收回和打開衣架的功能，手動模式下用戶可手動打開和收回衣架。

Abstract： With the continuous change and innovation of people's life style in modern society， more and more intelligent daily necessities are appearing in our daily life. It is impossible for most urban residents to spend too much time and energy managing the problem of picking up and hang out the clothes reasonably in our lives， because of other aspects of work. This paper introduces the design procedures and product function of the control system of clothes hanger in detail. This design achieves an intelligent clothes hanger which can automatically collect clothes on the basis of the outside weather environment， it applies the photoresistance to detect the ambient light in order to realize the automatic clothes collection. The DHT11 sensor is used to detect the ambient humidity， the clothes are automatically collected on rainy days， and the signal is sent to the core AT89C51 of the control system. This design has two modes： automatic mode and manual mode. Under the self-motion pattern， the system can drive the function of the clothes rack by driving the positive and reverse of the stepping motor to realize the function of the clothes rack， and the user can manually open and recover the clothes hanger under manual mode.

關鍵詞：AT89C51；DHT11；智能晾衣架

Key words： AT89C51；DHT11；intelligent laundry rack

中圖分類號：TH273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0125-03

0 引言

我們身處21世紀科技和信息大爆炸的時代，各個國家對人工智能深入研究的趨勢勢不可擋，人們對高新技術的追求也越來越熱烈，人工智能被認為是近幾年來最好的發展趨勢之一， 目前在大多數的家庭中所使用的的還是原始的晾衣架，需要耗費人力去收衣服和晾衣服，造成人們在日常小事中許多不便并且花費一定精力去處理晾衣服和收衣服這件小事[1]。盡管目前在國內國外的廠商現在有許多關于這方面的研究，但是極大多數功能和技術并不成熟，僅僅達到簡單的升降模式而已，并不能達到完全的智能或者說智能程度不夠[2，3]。鑒于此種近況，本設計是根據外界環境濕度和光線情況，當超過設定值時（即當下雨濕度過大時）控制系統控制步進電機逆時針轉動收回衣架，反之則打開衣架；采用光敏電阻，當環境光線過暗時（即天黑時）控制步進電機收回衣架，反之打開。并且可以設定步進電機轉動的圈數從而達到掌控衣架收回與開啟的大小[4]。本設計完成了一種可以根據外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測外界環境光線從而實現天黑自動收衣服，采用DHT11傳感器檢測環境濕度，下雨的時候不用麻煩人力可以自動收衣服，將信號送到控制系統核心AT89C51單片機，實現晾衣架自動收取涼曬的衣服的目的。

1 系統總體設計框圖

本設計系統采用AT89C51單片機為系統的中央綜合控制處理核心，加上以濕溫度傳感器DHT11為核心的濕度傳感電路和光敏電阻組成的光敏電路，還有永磁式步進電機、按鍵電路和指示燈顯示電路行成整個系統的基本組成機構。通過濕度傳感器收集外界濕度信號，通過光敏電阻采集光信號，這兩者再通過各自的組成電路將模擬信號送至單片機內部進行信號的綜合運算處理，單片機經過內部的A/D轉換器把模擬信號和數字信號兩者進行轉換，然后單片機根據所設計的程序運行，再將控制信號給步進電機，步進電機將控制作用于機械執行機構，系統總體框圖如圖1所示。

2 控制系統的硬件設計

本節將簡單介紹一下AT89C51單片機的各種參數和性能，圖2為AT89C51引腳圖。

本系統采用的是DHT11濕度傳感器，利用它來采集周圍環境的濕度。由于它利用了專有的濕度傳感技術和數字模塊收集技術，故其具備非常好的穩定性和十分好的質量保證。它的內部由一個NTC測量溫度的元件和一個利用電阻來感應濕度的元件構成，外部與8位單片機相連接。每個DHT11濕度傳感器都在實驗室中經過極為嚴格的數據校準，它的接口是單行制，因此該系統采集信號十分簡易，相較于其他傳感器對于本設計來說相當合理，而且它具有長達20米的信號傳輸距離，封裝為4針單排封裝，連接十分簡單方便[5]。

系統天黑自動收衣服功能又光敏電阻采集光了信號來實現，光敏電阻是一種使用半導體的光電效應所制成的一種電阻器。它隨入射光強的大小變化而變化，當外界光線增大時，電阻值減小，當外界光線減小時，電阻值增大。當光敏電阻接受到光照時，當半導體材料的禁帶寬度低于光子的能量時，處于價帶中的電子會吸取一個光子的能量產生躍遷，這個時候由于電子的脫離則在價帶中就會留出一個帶正電荷的空穴。這種因為光照的原因而產生的電子與空穴的相對數量的改變導致減少了半導體材料中載流子的數目，從而讓其電阻率變小，最后造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。

本系統采用光敏電阻來檢測是否天黑，通關光敏電阻來實現天黑自動收衣服，天亮自動晾衣服功能，電路圖如圖3。當外界光線照射到光敏電阻GR1時，光敏電阻阻值下降，LM393反向輸出端電壓大于同向輸入端電壓，這時會向單片機申請中斷。當外界光線變暗時，D4就會亮起，在自動模式下晾衣架收回。

步進電機產生的角位移和線位移是通過電脈沖信號來轉換的。它的原理是：當步進電機接受到來自系統的電脈沖信號后，它就會根據所設定的參數轉動一定角度，這個角度也稱步進角。我們可以通過控制電機接受到的電脈沖信號數目來控制角位移的大小，因此能夠準確定位。另外電機的轉動速度和加速度可以通過脈沖頻率來控制，繼而達到我們想要的功能。

一般步進電機分為三種：永磁式步進電機、混合步進電機、反應式步進電機。每種電機各有特點，它們適用于不同的場合。永磁式步進電機的步距和力矩較大而且動態性能也較好，混合步進電機相比永磁式步進電機步距較小，反應式步進電機的力矩和動態性能較差，故此在本設計中采用CZ-2801型步進電機。 采用永磁式步進電機，圖4為CZ-2801 型永磁式步進電機外型圖。

3 控制系統軟件設計及系統調試

單片機開始運行主程序執行程序，按鍵選擇功能是否為自動模式，按下最左側按鍵選擇為自動模式，此時紅燈亮起，表示自動模式開啟，此時系統根據外界濕度和光線自動執行收衣和晾衣功能；反之按下右側第二個鍵則將功能轉換為手動模式，此時紅燈熄滅綠燈亮起，這時我們就可以自己選擇什么時候收衣服。圖5為程序設計的流程圖。

PROTEUS是一款各方面功能都比較完善的仿真軟件，它是可以用來電路仿真設計分析以及實物仿真的軟件仿真系統。經過許多年的發展和完善它的仿真結果跟實際相差無幾，故采用它來反正特別接近實際。它強大的功能使得它成為高校的廣大師生進行單片機教學與學習的必備仿真軟件。如圖6為仿真軟件界面。

對設計產品進行一個非常詳細地調正和測試。首先我們需要對焊接的各個元件有一個十分清楚的認識，充分了解每個器件的特點及其性能，才能無誤的將整個產品焊接成功。

硬件不同，則對每個硬件的焊接也有所不同。就焊接方法來講，主要由激光焊接和手工焊接，其中激光焊接的精確度更高，不會浪費材料，但是這種焊接的成本也相當高；手工焊接相對于激光焊接來說精確度較低，可能會造成一些失誤，但是它的成本相對來說不高，在有熟練的焊接技巧下失誤率不高，而且就本次設計來說對產品的精確度要求并不是特別高，所以本次設計選擇手工焊接的方式。此外對于不同物理性質的硬件焊接時需要多加注意，尤其是對于一些易損的元器件焊接時需要做好充分的準備工作，例如在焊接前將易損的器件清潔干凈，焊接時把握好烙鐵頭與焊接器件的距離，保證好兩者之間的溫度，不易過高，可以使用酒精棉球來減少溫度的升高。

經過多次的焊接和調整，在指導老師的教導下，終于將實物如期完成，實物圖如圖7和圖8所示。

4 結論

針對目前大多數城市居民由于工作等其他方面的事情無法花費太多時間和精力來管理我們生活中合理晾曬與收衣服的問題，本設計詳細的論述了晾衣架控制系統的設計步驟和設計產品的功能，設計完成了一種可以根據外界氣候條件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏電阻檢測外界環境光線從而實現天黑自動收衣服，采用DHT11傳感器檢測環境濕度，下雨的時候不用麻煩人力可以自動收衣服，將信號送到控制系統核心AT89C51單片機。本次設計有兩個模式，自動模式和手動模式。自動模式下系統根據所采集的參數與設定值比較進而驅動步進電機的正反轉來實現收回和打開衣架的功能，手動模式下用戶可手動打開和收回衣架。所以針對目前的情況本次設計詳細地進行了研究和討論，設計出既滿足各種功能又特別經濟的產品。

參考文獻：

[1]Lang，Walter.Reflextions on the future of microsystem[J].Sensors and Actuators，A，physical，1999：77-78.

[2]胡峰，吳觀茂.一種基于AT89C52單片機的智能晾衣架設計[J].微型機與應用，2013，3（2）：90-91.

[3]張強，鄭昊.電子設計工程[M].三版.北京：機械工業出版社，2017：10-11.

[4]鐘衛連.基于單片機的智能晾衣控制系統的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2018，8（1）：115-116.

[5]Katsuhiko Ogata.Modern Control Engineering[M].New York：Electronics industry，2000：33-34.