陳曉芳 石錦豪 周 杰 王威杰

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高。當(dāng)前市場上晾衣架的品類豐富，包括手搖、外飄、懸掛、電動(dòng)等，其功能也是具備自動(dòng)升降、烘干、照明、凈化空氣等等。但晾衣系統(tǒng)在創(chuàng)新點(diǎn)上還不夠強(qiáng)，無法在外界條件變化的情況下進(jìn)行智能化晾曬和收回。因此，研制一款全智能化的晾衣架有極大的市場前景。

本設(shè)計(jì)是通過AT89S51 單片機(jī)為最小控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，對(duì)晾衣架進(jìn)行智能檢測，敏感元件直接接受環(huán)境變化，從而輸出被測環(huán)境因素的物理信號(hào)值，A/D 轉(zhuǎn)換元件將所測得的物理信號(hào)值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，R/F 變換電路對(duì)于轉(zhuǎn)換元件所傳輸出的電信號(hào)進(jìn)行綜合處理以及放大，輸送給AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和綜合處理，將處理后的數(shù)字信號(hào)輸送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而控制機(jī)械桿件運(yùn)作，以此達(dá)到自動(dòng)對(duì)衣服的晾曬和收回，實(shí)現(xiàn)晾衣架的智能化操作。

2 設(shè)計(jì)方案

此智能晾衣架是以AT89S51 單片機(jī)作為其最小控制系統(tǒng)，通過預(yù)先設(shè)置實(shí)驗(yàn)所得各類參數(shù)編譯程序?qū)階T89S51 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分系統(tǒng)的指令，與分系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)工作，從而完成智能晾衣架的運(yùn)作。包含單片機(jī)在內(nèi)的系統(tǒng)一共有四大系統(tǒng)，分別是單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械桿件系統(tǒng)。

在這四大主要系統(tǒng)里，傳感器系統(tǒng)又分為雨滴強(qiáng)度檢測系統(tǒng)、衣物濕度檢測系統(tǒng)、光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)、霧霾濃度檢測系統(tǒng)、風(fēng)力強(qiáng)度檢測系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)功能比重占據(jù)較大，為實(shí)現(xiàn)智能化提供了基本條件，為晾衣架系統(tǒng)檢測并收集外界環(huán)境因素，導(dǎo)入中央控制系統(tǒng)，并對(duì)預(yù)先設(shè)置的外界環(huán)境參數(shù)比對(duì)，輸出的數(shù)字信號(hào)由AT89S51 單片機(jī)計(jì)算并綜合處理，然后數(shù)字信號(hào)由A/D 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換過的電信號(hào)控制步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)特定的機(jī)械桿件實(shí)現(xiàn)對(duì)于衣物的收回以及晾曬工作。其中通過對(duì)雨滴強(qiáng)度、衣物濕度、光照強(qiáng)度、霧霾濃度、風(fēng)力強(qiáng)度設(shè)定閥值，在當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，將由各類傳感器所獲取的這些參數(shù)與設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而驅(qū)動(dòng)工作，讓晾衣架達(dá)到所預(yù)設(shè)的位置以及狀態(tài)。

經(jīng)由AT89S51 單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用，具備在線更新程序的ISP，工作頻率更高，運(yùn)作時(shí)能更高效地完成所設(shè)定的計(jì)算處理任務(wù)。對(duì)傳感器所傳輸?shù)膮?shù)進(jìn)行儲(chǔ)存以及綜合運(yùn)算處理，參數(shù)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而指令控制步電機(jī)的運(yùn)作；利用C 語言編譯出實(shí)現(xiàn)晾衣架在外界因素影響下的衣物收放工作的程序，下載儲(chǔ)存于單片機(jī)；另一方面，通過對(duì)LCD1602 液晶顯示屏顯示的控制，實(shí)時(shí)展現(xiàn)外界環(huán)境參數(shù)，以及顯示出計(jì)算后的所預(yù)計(jì)的完成晾曬的時(shí)間以及所需具備的條件參數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)通過接受處理過后的電脈沖，驅(qū)動(dòng)角位移，按照計(jì)算設(shè)定的方位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)作，帶動(dòng)機(jī)械桿件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。用戶也可通過設(shè)置在步進(jìn)機(jī)的控制按鈕，設(shè)置出晾衣架所需要達(dá)到的狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行自主的控制。二者的搭配使其工作更加便捷，易操控。

機(jī)械桿件系統(tǒng)是為晾衣架完成工作的最后一步，機(jī)械桿件接收到步進(jìn)電機(jī)位移的變化，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方位，改變自身原有的物理狀態(tài)，在不同的外界條件下改變不同的物理狀態(tài)。

此物理狀態(tài)有三種：

1.保持原有狀態(tài)（晾曬狀態(tài)或收回狀態(tài)），當(dāng)外界條件適宜情況下，并且衣物正在晾曬狀態(tài)繼續(xù)保持，衣物正在收回狀態(tài)繼續(xù)保持，當(dāng)外界條件不適宜，衣物繼續(xù)保持收回狀態(tài)。

2.非晾曬狀態(tài)（非晾曬狀態(tài)：正在收回或已經(jīng)收回），該狀態(tài)在于外界條件超出預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閥值，不利于衣物的晾曬，使衣物處于非晾曬狀態(tài)。

3.非收回狀態(tài)（非收回狀態(tài)：正在晾曬或已經(jīng)晾曬），當(dāng)衣物處于潮濕狀態(tài)，并且外界條件適宜晾曬，則使衣物處于非收回狀態(tài)。

3 軟件系統(tǒng)分析

通過最小系統(tǒng)AT89S51 單片機(jī)對(duì)該軟件系統(tǒng)的控制，外部所置的各類傳感器檢測環(huán)境并且收集參數(shù)，處理后輸入到中央控制系統(tǒng)，對(duì)傳感器所傳輸各類參數(shù)與設(shè)置的事先實(shí)驗(yàn)所得環(huán)境參數(shù)閥值進(jìn)行比對(duì)，并進(jìn)行儲(chǔ)存以及綜合運(yùn)算處理；將處理過后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而指令控制步電機(jī)的運(yùn)作；利用C 語言編譯出目的程序，載入并儲(chǔ)存于單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)晾衣架在外界因素影響下的衣物收晾工作；另一方面控制LCD1602 液晶屏的顯示，實(shí)時(shí)顯示出外界環(huán)境參數(shù)，以及顯示出計(jì)算后的所預(yù)計(jì)的完成晾曬的時(shí)間以及所需具備的條件參數(shù)。從而判斷晾衣架在此種環(huán)境下符合收回狀態(tài)還是晾曬狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的收回和晾曬狀態(tài)的智能控制。

各類傳感器在由中央控制系統(tǒng)的指令下，獲取實(shí)時(shí)的環(huán)境狀況因素，并通過LCD1602 液晶顯示屏對(duì)數(shù)據(jù)的顯示，由單片機(jī)分析處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，判斷其晾衣架該處于收回狀態(tài)還是晾曬狀態(tài)，從而由中央控制系統(tǒng)指令步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。若單片機(jī)所接收的參數(shù)值高于設(shè)定閥值，則為收回狀態(tài)，若單片機(jī)所接收的參數(shù)值低于設(shè)定閥值，則為晾曬狀態(tài)（衣物濕度這一參數(shù)值的判斷與之相反），每個(gè)條件都滿足的情況下才完成上述任務(wù)，相互限制。

4 硬件系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)是用AT89S51 為主控芯片，通過采用各類傳感器監(jiān)測分系統(tǒng)收集外界環(huán)境的與衣物晾曬相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過 LCD1602 液晶顯示屏呈現(xiàn)數(shù)據(jù)；可通過人工智能對(duì)衣物實(shí)現(xiàn)全智能化收晾工作或者通過自主操作控制衣物的收晾工作；由單片機(jī)綜合分析外界條件是否適宜的情況下指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制晾衣架工作。該硬件系統(tǒng)的組成分為單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械桿件系統(tǒng)四大部分，共同協(xié)調(diào)控制著晾衣架的運(yùn)作。

4.1 AT89S51 單片機(jī)系統(tǒng)

此單片機(jī)系統(tǒng)由復(fù)位電路系統(tǒng)、電源電路系統(tǒng)、下載電路系統(tǒng)、晶振電路系統(tǒng)所組成。在工作電壓為0.0-9.9V 的供電條件下，由8M 晶振電路，又叫做時(shí)鐘電路，配合20-30pF 的電容，為單片機(jī)系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。程序下載電路通過ISP 下載模式使用工具USB/TTL 將用戶編寫好的程序燒寫到單片機(jī)的ROM 里。復(fù)位電路為高電平復(fù)位，當(dāng)兩個(gè)周期以上的復(fù)位電平出現(xiàn)于復(fù)位引腳上時(shí)，單片機(jī)復(fù)位，程序從頭開始執(zhí)行。

4.2 傳感器系統(tǒng)

4.2.1 雨滴檢測系統(tǒng)

該雨滴檢測系統(tǒng)以光感雨滴傳感器為基礎(chǔ)，系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)光二極管和三個(gè)光強(qiáng)傳感器組成。三個(gè)光強(qiáng)傳感器分別為測量雨滴光強(qiáng)傳感器、測量近光雨滴傳感器和測量遠(yuǎn)光傳感器，通過與發(fā)光二極管一同協(xié)同配合測量晾衣架上安裝的玻璃的雨滴密度。根據(jù)雨滴的量，分為以下兩種情況：當(dāng)玻璃上雨滴多量時(shí)，二極管發(fā)出的光由于玻璃上雨滴的反射，雨滴光強(qiáng)傳感器所接收的光強(qiáng)增強(qiáng)，從而傳感器上的參數(shù)發(fā)生變化；當(dāng)玻璃上的雨滴很少或者沒有時(shí)，由二極管發(fā)出的光基本上被折射出去，反射回來的所接收的光強(qiáng)很少[1]。

4.2.2 衣物濕度檢測系統(tǒng)

衣物濕度檢測系統(tǒng)由電容式濕度傳感器組成，由極板與其間的高分子薄膜構(gòu)成，此裝置安裝在可觸及衣物的附近，可以根據(jù)衣物的相對(duì)位置進(jìn)行貼附衣物，從而檢測衣物濕度變化，當(dāng)衣物濕度發(fā)生改變時(shí)，由于高分子薄膜中的含水量發(fā)生了變化，改變了電容的介電常數(shù)，從而使得傳感電容器發(fā)生改變，通過測量容值便能計(jì)算出此時(shí)衣物濕度，在衣物干燥時(shí)進(jìn)行及時(shí)的回收，防止不必要的暴曬。

4.2.3 光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)

采用HA2003 光照傳感器，在電壓為DC5～24V的工作下（電壓型），透過余弦修正器的光照傳感器的不同角度光線由感光器所收集，藍(lán)色和黃色的進(jìn)口濾光片會(huì)濾掉收集的太陽光中可見光以外的光線；可見光透過濾光片照射到光敏二極管，光敏二極管通過光照強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，再由調(diào)理電路把該電壓值處理為0～2V，處理后的電信號(hào)輸入單片機(jī)系統(tǒng)，收集到的光電信號(hào)通過單片機(jī)系統(tǒng)由溫度感應(yīng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而輸出精準(zhǔn)的線性電信號(hào)，最后控制晾衣架在合適的光照下進(jìn)行晾曬[2]。

4.2.4 霧霾濃度檢測系統(tǒng)

霧霾檢測系統(tǒng)配置了PM2.5 粉塵儀，運(yùn)用了強(qiáng)力抽氣泵，內(nèi)置的激光粉塵儀為40mm 濾膜采樣器，可同時(shí)監(jiān)測收集顆粒物和粉塵濃度，對(duì)其成份進(jìn)行分析，從而求出質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K 值[3]。通過選擇粒子切割器PM1.0、PM2.5、PM5、PM10 和TSP 進(jìn)行性能評(píng)估，從而提高在線監(jiān)測中的環(huán)境空氣質(zhì)量PM2.5 和離線分析數(shù)據(jù)的可比性和準(zhǔn)確性。將霧霾濃度檢測系統(tǒng)所檢測的霧霾參數(shù)反饋給單片機(jī)處理，判斷在霧霾濃度超過閥值時(shí)對(duì)衣物進(jìn)行回收，降低霧霾對(duì)衣物的污染，提高健康系數(shù)。

4.2.5 風(fēng)力檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用壓力式風(fēng)速儀來檢測風(fēng)速大小，通過差壓計(jì)測量兩個(gè)不同點(diǎn)處壓力之差，當(dāng)風(fēng)流流過管道內(nèi)置的節(jié)流器件時(shí)，風(fēng)的流速會(huì)改變節(jié)流件的狀態(tài)，導(dǎo)致局部收縮，使得流速增加，于是節(jié)流器件前后便產(chǎn)生了壓力差。風(fēng)流的流體量越大，形成的壓力差就會(huì)越大，從而就可以根據(jù)壓力差算出風(fēng)流量的大小。運(yùn)用基礎(chǔ)為流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程等公式計(jì)算出風(fēng)速的大小，再將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理分析，判斷在風(fēng)速過大的時(shí)候進(jìn)行衣物的收回，防止衣物丟失。

4.3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移，等同于給一個(gè)一定數(shù)值的脈沖信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在驅(qū)使下改變一個(gè)角位移。步電機(jī)的角位移數(shù)值與脈沖數(shù)值成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)速率與脈沖頻率也成正比[4]。在限載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率和其停止的位置由脈沖信號(hào)數(shù)值和頻率所決定，不受外在負(fù)載大小影響[5]。

本系統(tǒng)采用的是混合式步電機(jī)，有永磁式和反應(yīng)式的雙重優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)子附有永久磁體，為軟磁材料提供其工作點(diǎn)，然而定子激磁僅僅需要提供變化的磁場即可，而不用為磁材料的工作點(diǎn)提供耗能。步進(jìn)電機(jī)為機(jī)械桿件提供動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)桿件的收縮。

4.4 機(jī)械桿件系統(tǒng)

機(jī)械桿件分為兩個(gè)主體部分：前后伸縮結(jié)構(gòu)和上下升降結(jié)構(gòu)。前后伸縮結(jié)構(gòu)主要控制衣物的收回和晾曬，在外界環(huán)境適宜時(shí)機(jī)械桿件伸出去，在外界條件不適宜時(shí)收回來，每個(gè)晾衣的桿件都是單獨(dú)的，在干燥時(shí)便可獨(dú)立收回，單獨(dú)的桿件是晾曬著相似類型的衣物，防止不同的衣物由于干燥快慢時(shí)間不均等而造成的過度晾曬卻還在晾曬或者尚處于潮濕卻已經(jīng)收回的情況出現(xiàn)。上下升降結(jié)構(gòu)主要是為了節(jié)省空間以及方便用戶對(duì)衣物進(jìn)行懸掛于衣架上。機(jī)械桿件系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)智能控制或者由用戶自主控制工作。

5 結(jié)語

智能晾衣架通過運(yùn)用與環(huán)境檢測相關(guān)的傳感器，識(shí)別外界環(huán)境狀況，反饋給基于AT89S51 單片機(jī)的中央控制系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作來達(dá)到在外界環(huán)境適宜的情況下對(duì)衣物智能化的收晾工作。

智能化為現(xiàn)代快節(jié)奏生活提供了便利，減輕了人們的生活壓力，改善了生活質(zhì)量，是時(shí)代的趨勢潮流，會(huì)在未來獲得更多的發(fā)展前景。