基于單片機的智能晾衣架設計

摘" 要：智能晾衣架作為智能家居的一部分，以其自動化控制和智能化管理的特點，受到廣大用戶的關注。該文旨在設計和實現一種基于單片機的簡易智能晾衣架控制系統，以單片機STC89C51為控制核心，利用電阻應變式傳感器感應晾曬衣物的重量，并通過手動控制的方式來對晾衣架的高度進行控制調節，同時利用發光LCD屏來顯示此時的工作狀態。當然，晾衣架還可以根據戶外光線的亮與暗來控制此時晾衣架的伸展與收縮，以提高晾衣架的效率和使用便捷性。

關鍵詞：單片機；光線濕度檢測；正反轉控制；顯示模塊；傳感器

中圖分類號：TP391" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0129-04

Abstract： As part of smart home， smart drying racks have attracted the attention of users due to their automated control and intelligent management characteristics. The purpose of this paper is to design and implement a simple intelligent drying rack control system based on a single chip microcomputer. This design uses a single chip microcomputer STC89C51 as the control core， uses a resistive strain sensor to sense the weight of the clothes to be dried， and uses manual control to control the height of the drying rack. At the same time， the light-emitting LCD screen is used to display the working status at this time. Of course， the drying rack can also control the expansion and contraction of the drying rack at this time according to the bright and dark outdoor light to improve the efficiency and convenience of use of the drying rack.

Keywords： MCU; light humidity detection; forward and reverse rotation control; display module; sensor

隨著人們生活水平的提高和社會發展的進步，智能家居逐漸成為現代家庭生活的重要組成部分。本文通過引入單片機技術，實現晾衣架功能的智能化和自動化，從而提升用戶的生活質量和便利性。具體而言，包括以下幾個方面。

實現晾衣架的智能伸縮功能：通過單片機控制電機的轉動，使晾衣架能夠根據外界環境或用戶設定，自動進行伸縮操作。這樣，用戶無需手動調節晾衣架的長度，只需通過簡單的操作或設定，即可實現晾衣架的智能調整。

提高晾衣效率：通過引入傳感器技術，如溫濕度傳感器和光敏傳感器，智能晾衣架能夠實時感知外界環境，如溫度、濕度和光照強度等。根據這些信息，晾衣架可以自動調整晾曬時間和方式，以達到最佳的晾衣效果。

單片機的智能晾衣架的設計不僅是智能家居領域的一個創新實踐，有助于推動智能家居技術的發展，也體現了現代科技與日常生活的緊密結合，并且對于電子工程等相關專業的學生來說，還可以幫助他們深入了解單片機的原理和應用，提高實踐能力和解決問題的能力，從而為教學和實踐提供有益的參考和啟示。

本文是一個結合了硬件和軟件技術的綜合性項目。以下是一個簡要的設計和實現方案。

1" 系統架構設計

本次設計以單片機控制器為核心部件，同時通過相關傳感器等設備協同檢測環境的變化，將自己搜集得到的信息發送至單片機，然后由單片機驅動電機旋轉，完成特定功能。如圖1所示。

2" 主要元器件的選型

2.1" 單片機選型

STC89C51是一款帶4 K字節可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）的低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，在單個芯片中可實現高效微控制功能，其性能比較穩定、有很強的抗干擾能力；其編程簡單，在許多工業控制現場和嵌入式系統中其都是作為控制任務的核心部件。

而FPGA（現場可編程門陣列）則是一種可編程邏輯器件，允許用戶通過編程來定義其內部邏輯電路的結構和功能，可以在運行時進行重新配置，使電路功能可以根據需要進行靈活修改和更新，無須更換硬件。FPGA具備了高靈活性、可重構性、高性能并行計算能力和高速數據處理能力，但成本很高，編程也較為復雜。本次設計使用的單片機主要是負責對電路的顯示以及對信號的采集和對電路的控制，將分析過后的數據發送給系統的顯示電路實現對數據的顯示操作。所以不難看出，本次設計涉及的邏輯控制要求并不復雜，對數據處理能力的要求也不會太高，另一方面從兩者的性價比考慮，選擇STC89C51單片機更合適些。

2.2" 傳感器模塊選型

2.2.1" 溫濕度傳感器

該傳感器用于實時檢測環境的溫度及濕度，以便根據需要調節晾衣架的工作狀態。在選擇智能晾衣架上的溫濕度傳感器時，需要從以下幾個方面來考慮，以確保傳感器能夠滿足晾衣架的實際需求和性能要求。

第一，溫濕度傳感器的測量范圍應覆蓋晾衣架所需監測的溫濕度范圍。例如對于大多數家庭應用，可能需要一個能夠測量室內常見溫濕度范圍的傳感器。第二，要根據智能晾衣架的控制系統和數據傳輸需求，選擇適合的輸出接口類型。第三，要確保所選傳感器的工作溫度范圍能夠適應晾衣架所在環境的溫度范圍。第四，要從測量精度、響應速度、穩定性和可靠性以及價格來綜合考量，其中，DHT11具備成本低、使用便捷、與單片機之間對接簡單等特點，其適合一些簡單的環境檢測。對于家庭晾衣架來說，DHT11的精度和測量范圍通常已經足夠。而HT30和AM2301則更適合于對精度和穩定性有高要求的商業或工業級晾衣架系統。因此，DHT11成為本次設計的首選。

2.2.2" 光線檢測傳感器

該傳感器用于檢測光照強度，根據光照的強弱情況實現對晾衣架的展開及收縮操作。即當光線比較強的時候，此時晾衣架會自動打開；當光線比較暗的時候，晾衣架則會收回。在選擇光線檢測傳感器型號時，同樣也需要考慮多個因素，包括傳感器的性能、價格、易用性以及是否適合特定的應用場景。其中，光敏電阻（如GL5528）是一種經濟實惠、易于購買的傳感器，在使用時，其響應非常簡單直接，且易于與單片機進行接口。而光照度傳感器BH1750FVI則能夠快速響應光線的變化，提供高精度的光照度測量，但與前者相比，光照度傳感器的價格較高。綜合上述分析，結合實際，本次設計只要區分光的強弱，對采集的結果并不要做到很精確，因此采用光敏電阻即可。

2.3" 電機的選型

晾衣架的伸縮需要通過控制電機的正反轉來實現。通常智能晾衣架的電機選用有2種：一是步進電機，二是直流電機。兩者的區別主要體現在以下幾個方面。

直流電機具有良好的啟動特性和調速特性，可以平滑地調節晾衣架的升降速度，提高用戶體驗。而步進電機的轉子質量大，慣性較高，在高速運轉時容易產生震動和噪音，影響運動的平穩性和精度。雖然對于晾衣架來說，不需要高速運轉，但震動和噪音仍然可能會影響到用戶的體驗。

直流電機的轉矩比較大，可以克服晾衣架在升降過程中遇到的較大阻力，其適用于長時間向同一方向的持續旋轉，輸出功率范圍廣，更節能環保，符合現代家居的環保理念。而步進電機在低速時具有較高的扭矩輸出，適合晾衣架在升降過程中需要克服的重力和摩擦力。但步進電機的工作原理是通過短時間的瞬間脈沖控制實現位置和速度的控制，長時間運轉容易導致電機發熱，甚至燒壞。由于步進電機是在不斷地停止和啟動之間進行控制，因此相比其他類型的電機效率相對較低，可能會進一步增加晾衣架的能耗和運行成本。

綜合以上分析，本次設計選用小功率的直流電機即可。

3" 部分硬件電路設計

3.1" 系統電源電路的設計

由圖2可知，系統電源部分是交流220 V電壓經過變壓器，經過橋式整流電容濾波電路，再分別經過三端穩壓器7805、7905，輸出±5 V的電壓。

3.2" 時鐘電路

時鐘電路由12 MHz晶振和2個30 pF電容構成并引至單片機18、19腳。電容用來抑制電路的干擾，目的是讓電路能夠穩定工作。

3.3" 復位電路

單片機一般要實現復位的方式分為手動復位和自動復位2種，本次設計使用的上電復位是利用電容的充電來完成的，即當系統上電時，通過電容的充電讓復位引腳（單片機9腳RST）上的電平呈現的是高電平；同時還可以實現手動復位的操作，即當需要手動復位時，按下S4復位按鈕，將單片機的9號引腳直接接在VCC電源上。

設計中常用的按鍵一般有3種，分別是觸點式的、導電橡膠和柔性的按鍵。其中，機械觸點式的按鍵可以讓你很好地體驗到復位的感覺，因此手感是很好的，但是其體積一般要比另外2種做得更大些。

如今常用的柔性按鍵雖然是一種比較新的按鍵形式，柔性按鍵有一個比較明顯的特點就是比較美觀并且占用的體積也是比較小的，但從客觀的角度考慮本次設計使用的是機械觸點式的按鍵形式。

3.4" 電機正反轉控制電路

本次設計的系統是通過2個繼電器的接通和斷開的狀態來帶動直流電機，進而控制整個機械結構旋轉工作。本次設計使用到的是2個5 V電壓的繼電器，同時通過PNP型三極管進行驅動。

3.5" 顯示模塊設計

LCD顯示是本次設計的防盜安全系統的重要組成部分，因為LCD顯示器的厚度比較大，所以其發熱量是比較小的，另外其所需要的工作電壓不用太高。由于本次設計需要顯示很大的信息量，因此為了更好地達到預期的顯示效果，就需要將該部分和一個CMOS集成電路進行匹配。本次設計的自動晾衣架系統的顯示模塊需要顯示的內容比較多，其中就包括目前的時間天氣等基本信息。基于設計成本的考慮，本次設計決定采用相對簡單的顯示器驅動電路，即直接利用單片機來進行書寫代碼，從而對其實現基本的控制。

本次設計的該模塊電路主要是由一個二極管以及一個單片機組成，主要實現的是當溫度或者濕度達到了本次設計設置的額定數值的時候，發光二極管就會被點亮，此時就提示可以進行晾曬的功能。

顯示的部分采取的就是一個液晶顯示的模塊。本次設計的電路采用的VSS來將電源進行接地的處理，采用VL作為顯示器顯示不同結果時的一個對比度的調整端口。

4" 軟件設計

軟件設計流程如圖3所示。

部分程序如下所示。

5" 結論

本次設計取得了一定的成果，但還有很多不足之處，例如在電機驅動模塊中可加入過載保護功能，以避免電機因過載而損壞；在控制邏輯中可加入防誤操作功能。除了基本控制功能，還可以擴展語音控制功能，優化硬件設計和控制算法，進行能耗優化。綜上所述，基于單片機的智能晾衣架設計是一個涉及多個方面的綜合性項目。通過合理的硬件和軟件設計，可以實現晾衣架的自動化和智能化操作，提高用戶的生活品質。

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