李志遠(yuǎn) 汪華斌 曾 志 羅中良

（1.惠州市仲愷高新區(qū)項目管理運營有限公司 惠州 516009）

（2.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 惠州 516007）

引言

隨著社會的進(jìn)步，人民的生活水平不斷提高，人們對于很多家居產(chǎn)品要求升級到自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。智能晾衣架就是針對傳統(tǒng)曬衣桿固定在陽臺或者窗外可能遭遇風(fēng)吹雨淋而進(jìn)行升級的智能化產(chǎn)品。目前，國內(nèi)的智能型曬衣架主要是安裝在陽臺頂部，通過電路、開關(guān)等控制其收縮或是展開，主要目的還是為了美觀以及避免使用撐衣桿，只能說是利用了機電一體化的控制，智能程度還是比較低。本問設(shè)計的智能曬衣桿是能夠根據(jù)外界的天氣情況，檢測周圍環(huán)境的溫度、濕度以及光照等，自動調(diào)節(jié)其收縮或是展開狀態(tài)。當(dāng)住戶不在家的時候，還可以通過短信的方式實時監(jiān)測周圍環(huán)境，并能夠利用手機直接控制曬衣桿的收縮以及展開。

1 總體設(shè)計方案

結(jié)合光照、溫濕度、雨水等環(huán)境因素對晾衣的影響和對曬衣的要求，本文設(shè)計設(shè)計的智能曬衣架功能包括：

1）監(jiān)測下雨情況，確保接收到雨滴的時候能夠有足夠的時間將衣物收好；

2）檢測并根據(jù)環(huán)境光照好壞、濕度是否過大等情況能夠自動收起和自動伸出晾曬；

3）具有遠(yuǎn)程控制功能，滿足業(yè)主自己根據(jù)環(huán)境和需求控制曬衣桿的收起和伸出等。

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由單片機構(gòu)成，通過檢測外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)而實現(xiàn)曬衣架的工作與執(zhí)行，并能夠通過短信進(jìn)行控制系統(tǒng)的曬衣桿的收起和伸出，結(jié)合我國建筑的陽臺或窗戶的外觀形狀，設(shè)計了晾衣桿外部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于傳感器是需要實時檢測外部環(huán)境參數(shù)的，因此需要時刻放置于室外，同時設(shè)計中采用步進(jìn)電機與兩行程開關(guān)進(jìn)行位置控制，保證曬衣的安全，避免步進(jìn)電機開環(huán)控制導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，為系統(tǒng)擁有高的可靠性提供了有力保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中MCU采用51系列單片機，GSM采用串行通信口，溫濕度傳感器采用單總線方式。光照強度、伸展和收起位置采用行程開關(guān)、、伸縮桿電機控制等分別與MCU的I/O口連接，主要MCU電路設(shè)計圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案圖

圖2 曬衣桿外部結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 系統(tǒng)主控電路及接口

圖4 SIM800外部引腳接口圖

2.1 GSM通訊模塊與接口電路設(shè)計

設(shè)計中選用的GSM模塊為SIM800C，其引腳功能圖如圖4所示。模塊與MCU接口采用串口通訊方式，即TXD、RXD分別與MCU的RXD、TXD對應(yīng)連接。

2.2 溫濕度檢測與接口電路設(shè)計

考慮到實際曬衣對溫濕度測量精度要求不嚴(yán)格，故設(shè)計中采用選用性價比較好的溫濕度集成傳感器DHT-11作為溫濕度檢測模塊，其濕度檢測范圍為相對濕度20 %～95 %，溫度為0～50 ℃，傳感器與MCU連接方式如圖5所示。

2.3 環(huán)境光照強度檢測電路設(shè)計

光照強度檢測的方式有很多，如光敏二極管、光敏三極管以及光敏電阻等，這些器件都有一個共同的特性，那就是能夠根據(jù)外部光照強度進(jìn)行信號的輸出。設(shè)計中采用線性度較好的光敏電阻作為系統(tǒng)的光照強度傳感器，設(shè)計電路如圖6所示。

設(shè)計中考慮到實際環(huán)境光照的變化和電路系統(tǒng)內(nèi)部噪聲會導(dǎo)致光照強度檢測誤差較大。電路設(shè)計中特別采用硬件+軟件濾波的方法，其中硬件濾波電路采用一階無源低通濾波；而軟件濾波采用中值濾波算法，經(jīng)測試檢測性能較好。

2.4 伸縮桿步進(jìn)電機驅(qū)動設(shè)計

設(shè)計中采用MX1508驅(qū)動芯片作為步進(jìn)電機驅(qū)動控制，其為低壓的運動控制應(yīng)用的直流電機驅(qū)動解決方案。驅(qū)動芯片內(nèi)電路部集成了兩通道采用N溝和P溝功率MOSFET設(shè)計的H橋驅(qū)動電路，該電路具備較寬的工作電壓范圍（2～9.6 V）。芯片內(nèi)置過熱保護(hù)電路。通過驅(qū)動電路的負(fù)載電流遠(yuǎn)大于電路的最大持續(xù)電流時，受封裝散熱能力限制，電路內(nèi)部芯片的結(jié)溫將會迅速升高，一旦超過設(shè)定值 (典型值150 ℃)，內(nèi)部電路將立即關(guān)斷輸出功率管，切斷負(fù)載電流，避免溫度持續(xù)造成的安全隱患。MX1508與MCU接口連線圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要為系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括引腳定義、GSM引腳的定義等，系統(tǒng)判斷系統(tǒng)是否啟動，啟動程序并根據(jù)傳感器和GSM控制進(jìn)入相應(yīng)的功能子程序，并輸出對步進(jìn)電機進(jìn)行控制。

3.1 GSM程序設(shè)計

GSM模塊在發(fā)送短信通過內(nèi)部AT指令，為此在發(fā)送短信的時候我們只需要往串口2依次寫入發(fā)送的控制字符及內(nèi)容即可，通過查閱AT指令表可以知道，在進(jìn)行發(fā)送之前，我們需要往串口內(nèi)寫入”AT+CMGS=”之后再發(fā)送需要發(fā)送的內(nèi)容即可GSM模塊發(fā)送短信C語言函數(shù)如下，流程圖如圖8所示。

GSM模塊在接收到短信后會直接通過串口將數(shù)據(jù)傳輸出來，為此本設(shè)計中采用用串口進(jìn)行實時檢測，檢測過程中，當(dāng)識別到固定字母或者字符的時候會判斷接收成功，如本次設(shè)計中的判斷hello短信程序段如下，對應(yīng)流程如圖9所示。

圖5 DHT11與MCU接口圖

圖6 光照強度檢測與接口電路

圖7 MX1508與MCU接口圖

3.2 環(huán)境參數(shù)檢測與控制軟件設(shè)計

本次設(shè)計檢測的傳感器分為3個，其檢測包括ADC轉(zhuǎn)換、串口以及I/O口讀取與判斷，其中為溫度檢測、濕度檢測、光照強度檢測，其流程設(shè)計如圖10所示。

整個檢測函數(shù)流程為順序執(zhí)行，不管檢測的結(jié)果是否超標(biāo)都會退出檢測函數(shù)，以保障實時實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的檢測，而不是停止在某一步上，其中報警函數(shù)內(nèi)容為短信模塊發(fā)送故障，提供報警，并且實現(xiàn)自動控制以及系統(tǒng)報警功能，報警函數(shù)只執(zhí)行一次，若系統(tǒng)檢測完參數(shù)合格則初始化報警函數(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控功能。

圖8 串口發(fā)送短信流程圖

圖9 串口接收短信流程圖

圖10 傳感器檢測程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款智能曬衣架，通過環(huán)境傳感器實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，并可采用短信控制模塊控制系統(tǒng)的啟動與停止，經(jīng)測試系統(tǒng)功能正常達(dá)到設(shè)計要求。