一種智能晾衣架的創新設計

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 宣城 242000)

1 概述

市場上的晾衣架大多為手動裝置，無法根據實時的天氣情況自主伸縮，造成了一定的不便：如下雨時無法及時收回，導致衣物淋濕；或晴朗時無法伸出，效率低下；手動控制升降費時費力。我們設計的智能晾衣架可以較為圓滿地解決上述問題:基于單片機的智能晾衣架系統能夠自動分析環境的溫度與濕度，進而控制裝置的伸縮，對衣服進行收回或晾出，與此同時該裝置配備手機移動客戶端APP，從而實現手動操縱。創新點如下。

1)依靠傳感器檢測外界氣象參數，以單片機控制步進電機運行，自動調節晾衣架位置，實現智能化家居。

2)優化氣象參數，提高工作效率。

3)通過手機客戶端控制，可以較遠距離操控，彌補了大多數相近的智能晾衣架不便實行遠距離人工控制，只能當場手動操作的不足。

4)節省室內空間，目前大多數晾衣架安裝于室內陽臺并且采用垂直升降，此裝置將衣架伸出窗外從而節省大量室內空間，并且非常穩定可靠。

2 系統設計

用溫濕度傳感器和光敏傳感器收集外界氣象參數。通過編輯相應程序，以單片機邏輯電路控制步進電機的運行，依靠機械傳動裝置調整晾衣架的伸縮。傳感器將環境參數傳入單片機，單片機自動分析，當溫濕度達到設定參數和光強達到設定參數時，裝置自動運行，步進電機控制晾衣架伸展。當空氣濕度或光強不符合晾曬條件時，步進電機反轉，控制晾衣架收回。本晾衣架也可直接使用APP進行人工調節，省時省力。智能晾衣架結構三視圖如圖 1所示。

圖1 智能晾衣架結構三視圖

3 工作流程

3.1 自動化工作流程

1)外部傳感器檢測氣象參數。

2)達到閾值單片機控制步進電機(405步/分)轉動。

3)電機帶動傳動裝置實現伸縮。

3.2 人工控制工作流程

1)APP中選擇伸縮開關。

2)收到信號，單片機控制步進電機轉動。

3)電機帶動傳動裝置實現伸縮。

4 工作原理

4.1 傳感器

4.1.1 DHT11數字溫濕度傳感器[1]

工作電壓2.7-5.5 V，濕度測量范圍20%～95%Rh，測量精度為±5%Rh。溫度測量范圍0°～50°。內部包括1個電阻式感濕原件和NTC測溫元件。通過邏輯電路控制信號輸出。DHT11采用單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。產品為4針單排引腳封裝，其引腳說明如表1所示。

表1 引腳說明

DHT11數字式溫度傳感器串行單線雙向接口，其典型應用電路如圖2所示。DATA用于單片機與DHT11之間的通信與同步，采用單總線數據格式[2]，一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。

圖2 DHT11典型應用電路

4.1.2 光敏電阻傳感器

工作電壓3.3～5 V，使用LM393比較器，DO數字開關量輸出(0和1)。該模塊對光線敏感，通常用于檢測環境亮度和光強度。當沒有光線或光強度不能達到該值時，DO輸出為高電平。當光強度超過閾值時，模塊DO輸出為低電平。模塊數字輸出DO直接與單片機連接，使用單片機檢測高低電平，可以檢測環境光強度的變化。

4.2 單片機

For-arduino UNO R3控制開發板通過計算機語言編輯程序，設計接收傳感器信號，當達到閾值時運行程序[3]，控制步進電機工作。溫度6 ℃

圖3 簡要程序框圖

4.3 機械傳動裝置

4.3.1 步進電機

使用的步進電機[5]的電源線有五條，其中一條為共接點，其余四條分別為A相、A+相、B相、B+四相的輸入點。中間轉子由永久磁鐵所構成，左邊為N極，另一邊為S極。定子有四組線圈，分別為L1、L2、L3及L4，各線圈的C端共接電源正極，另一端經由開關接在電源的負極單片機輸出電信號，線圈A通入電流，產生N極磁場，因為磁場同性相斥、異性相吸，使轉子的S極被A極吸引過來。其次，放掉開關S1，并且立刻按下開關S2，則A極的磁場消失，B極產生磁場，把轉子的S極吸引過來，轉子隨著順時針方向90°。像這樣依次讓定子的4個極通入電流，使轉子不停的旋轉。步進電機將脈沖信號轉變為角位移，精度為步進角的3%～5%，工作電壓為5 V。在裝置中，電機正轉使連桿上升，菱形結構衣架伸展，電機反轉則相反。

4.3.2 機械升降桿

晾衣架上方固定。通過電機的轉動，及螺旋桿轉動，帶動機件的升降，進而通過連桿上下運動推動或拉縮菱形結構架桿，從而達到晾衣架深出或縮回。具體模型見圖4。

4.4 無線裝置

本晾衣架實現了手機操控。通過登錄APP以藍牙信號進行控制調整。手機端可以隨時根據數據，切換模式。

圖4 機械升降桿

手機配對，配對成功后手機發送指令給藍牙模塊，單片機通過判斷接收到的指令控制系統運行。單片機與藍牙之間通過串口連接通信。和外部中斷接收數據時，根據手機發出的不同指令信號，控制電機正反轉或停轉。其中正轉對應伸出，反轉對應收縮，停轉對應停止。操作界面如下(見圖5)。

圖5 操作界面

5 結語

本文設計的系統可以根據溫度和濕度的變化自動收放晾衣架，使衣物得到高程度的晾曬與保護。其結構簡單，設備維護方便。在現場試驗中，各項性能指標穩定可靠。系統投用后，實際運行效果良好，通過單片機程序與傳感器的工作，很好地完成了各項工作。簡單、方便、高效。