摘 要：對基于單片機的智能化晾衣架進行研究，設(shè)計了一種新型晾衣架電控系統(tǒng)。采用光敏電阻檢測光照強度，采用LY-69型雨滴傳感器檢測雨水信號。當光照充足且無雨水時，單片機驅(qū)動步進電機控制晾衣架伸出；當檢測到雨水或者光照強度較低時，則晾衣架會自動收回。同時輔以ESP8266型Wi-Fi模塊實現(xiàn)與智能手機的通信，通過手機APP可自由設(shè)置光照及雨水閾值，并監(jiān)測智能晾衣架的工作狀態(tài)。最后通過測試，結(jié)果表明設(shè)計方案可行，對于家用產(chǎn)品的智能化有著較好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：晾衣架控制；單片機；雨水檢測；遠程通信

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0195-04

Design of Electric Control System for Intelligent Clothes-drying Rack

QIAN Li

（Suzhou Higher Vocational School， Suzhou 215009， China）

Abstract： This paper researches the intelligent clothes-drying rack based on single-chip microcomputer， and designs a new type of electrical control system for clothes-drying rack. The light intensity is detected by photoresistor and the rain signal is detected by LY-69 raindrop sensor. When there is enough light and no rain， the single-chip microcomputer drives the stepper motor to control the clothes-drying rack to extend. When the rain is detected or the light intensity is low， the clothes-drying rack will automatically withdraw. At the same time， ESP8266 Wi-Fi module is used to communicate with the smart mobile phone. The light and rain threshold can be set freely through the mobile phone APP， and the working state of the intelligent clothes-drying rack can be monitored. Finally， through the test， the results indicate that the design scheme is feasible， which has a good reference for the household products.

Keywords： clothes-drying rack control; single-chip microcomputer; rain detection; remote communication

0 引 言

由于城市化生活節(jié)奏的加快，大部分上班族都是早晨將洗好的衣物掛在晾衣架上，晚上下班回來再收回衣物[1]。然而，傳統(tǒng)晾衣架無法應(yīng)對變化多端的天氣，不會隨著外界環(huán)境變化自動收縮，不僅嚴重影響晾衣效率，甚至會由于雨水打濕而造成反作用[2]。智能化家庭產(chǎn)品的出現(xiàn)，可有效解決這一問題，設(shè)計一款能夠識別陰雨天氣的智能化晾衣架，針對不同天氣狀況實現(xiàn)晾衣架的自動收縮[3]，能夠避免衣物被雨水打濕，同時提升晾曬效率，給人們生活提供方便。用戶只需要將衣服掛在衣架上，打開電源，就能獲得一種全新的晾曬體驗。因此，智能化晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義。

1 智能晾衣架電控系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)功能的需求

本系統(tǒng)需依據(jù)天氣變化，實現(xiàn)智能晾衣架的自動伸縮。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于單片機與多傳感器的智能晾衣架控制系統(tǒng)，根據(jù)天氣情況及光照強弱進行自動伸縮的功能，并通過手機APP進行遠程控制。因此，本系統(tǒng)的主要需求如下：1）選擇靈敏度較高的光照、雨滴檢測傳感器。2）選擇合適的單片機型號編寫控制程序，可依據(jù)輸入信號控制晾衣架的伸縮。3）添加Wi-Fi芯片，實現(xiàn)的手機遠程控制。

1.2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計的系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要包括：單片機組成的最小系統(tǒng)、雨滴傳感器、光照傳感器、Wi-Fi模塊、手機APP、電機驅(qū)動、限位開關(guān)。其中，手機APP和Wi-Fi模塊與單片機之間實現(xiàn)的是雙向通信，既可以進行信息上傳又可以實現(xiàn)命令下發(fā)。而電機驅(qū)動與限位開關(guān)組成晾衣架伸縮的控制系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)工作原理

智能晾衣架電控系統(tǒng)主要有兩個模式，分別是就地模式與遠控模式：1）在遠控方式下，電控系統(tǒng)可通過無線網(wǎng)絡(luò)與移動終端（如手機）相連，通過APP可操控晾衣架的步進電機轉(zhuǎn)動，完成伸、縮晾衣架等動作。同時，可以在移動終端上任意轉(zhuǎn)換遠控和就地兩種工作模式。2）在就地方式下，光照和雨滴傳感器會自動偵測即時信息并進行數(shù)據(jù)處理。在天氣晴朗的時候，當陽光照射在光照傳感器上，單片機就會接收到光照強的信號，然后發(fā)出相應(yīng)的命令，讓步進電機轉(zhuǎn)動把晾衣架伸出來晾曬衣服。反之，在天黑或者下雨時，單片機驅(qū)動電機收回衣架。

2 智能晾衣架電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成主要包括：1）單片機。智能化晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用了國產(chǎn)STC系列STC89C51單片機，具有成本低、功能強大等優(yōu)點[4]，能夠滿足晾衣架電控系統(tǒng)的需求。2）雨滴傳感器。采用電極型雨滴傳感器LY-69，當有雨水滴落在傳感器上，會使傳感器表面的導(dǎo)電性發(fā)生變化，從而傳遞雨滴信號[5]。其優(yōu)點是反應(yīng)靈敏、具有較好的防水性能[6]。不會因為外界環(huán)境變化而導(dǎo)致測量誤差。3）光照傳感器。采用光敏電阻，光敏電阻體積較小，可靠性高、響應(yīng)速度快、測試時間短、可重復(fù)性好適用于多種嚴酷條件[7]。4）Wi-Fi模塊。采用ESP8266，通過Wi-Fi網(wǎng)關(guān)把被控制設(shè)備連接到局域網(wǎng)上，再通過已連接到互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備向指定的IP地址發(fā)送指令，實現(xiàn)無地域限制的遠程控制[8]。5）電機驅(qū)動與限位。步進電機采用ULN2003進行驅(qū)動控制，其主要目的在于放大輸出電流及功率，單片機并不具備直接驅(qū)動電機的能力[9]。而采用YBLX-111限位開關(guān)的目的是當晾衣架伸縮到達預(yù)定位置后，給單片機一個的停止信號。

2.2 系統(tǒng)的電路設(shè)計

如圖2所示，為系統(tǒng)的電路原理圖。

系統(tǒng)通過光敏檢測電路、雨滴傳感器進行光照、雨滴等參數(shù)采集。其次，分別將參數(shù)輸入到單片機P1.1口、P1.0口，單片機與晶振電路、復(fù)位電路組成單片機最小系統(tǒng)，并讀取環(huán)境參數(shù)，根據(jù)設(shè)定值進行對比。然后，采集光照強度超出設(shè)定光照值，采集雨滴信息小于設(shè)定值，則證明光照充足且無雨水時，單片機驅(qū)動步進電機控制晾衣架伸出；當采集雨滴值超出設(shè)定值或者光照值小于設(shè)定值，證明檢測到雨水或者光照強度較低時，則晾衣架會自動收回。步進電機控制電路主要由ULN2003進行驅(qū)動控制，電機停止信號由限位開關(guān)給出，當晾衣架伸出或者收回到達預(yù)定點時，限位開關(guān)閉合發(fā)出停止信號。串口Wi-Fi電路是通過單片機串口與芯片ESP8266相連，實現(xiàn)單片機與移動終端在同一局域網(wǎng)下的信息發(fā)送雨接收。

3 智能晾衣架電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

利用最簡單高效的C語言，對智能晾衣架電控系統(tǒng)進行編程，從而達到整體的控制。首先是初始化系統(tǒng)，包括串口、Wi-Fi模塊、單片機等初始化。然后，接收串口數(shù)據(jù)，當檢測到串口標志位為1時，此時為遠程控制模式，APP對系統(tǒng)進行控制。如果串口標志位不為1，則當前為就地模式。串口發(fā)送程序如下：

void fasongshuju（uchar *str）

{

while（*str！='＼0'）

{

SBUF=*str;

while（！TI）;//等待發(fā)送完成信號（TI=1）出現(xiàn)

TI=0;

str++;

}

}

圖3為系統(tǒng)的軟件程序流程圖。

在就地模式下，需要檢測光強，若光線較弱，電機反轉(zhuǎn)，晾衣架收回；若光線較強，則繼續(xù)檢測雨滴，當檢測到雨滴時電機反轉(zhuǎn)，收回衣架；當檢測到無雨滴時，電機正傳伸出晾衣架，此時程序結(jié)束。步進電機轉(zhuǎn)動程序代碼如下：

void zz（）

{

unsigned char i;

for （i=0; i<8; i++） //一個周期轉(zhuǎn)3.75*8=30度

{

P2 = RUN1[i]&0x1f; //取數(shù)據(jù)

delay（2）; //調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

zsd1=0;

zsd2=1;

}

}

在遠程控制模式下，ESP8266 熱點使得單片機以及手機能夠順利進行通信，借助手機APP還能對TCP的連接狀態(tài)進行設(shè)置，從而實現(xiàn)智能晾衣架的控制。

利用E4A開發(fā)了手機APP，并利用Java程序設(shè)計了智能Config技術(shù)。在將手機與Wi-Fi芯片相連接后，由于ESP8266本身支持Smart Config功能[10]，可以利用手機所連接的路由器的名字和密碼，使其可以快速地與路由器相連并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。利用WLAN的鏈接，可以開啟APP，接收TA的命令，對數(shù)據(jù)進行分析，把BCD二進制代碼轉(zhuǎn)換成大家熟悉的十進制代碼，并將其顯示在系統(tǒng)框體內(nèi)，以實現(xiàn)對交換的實時信息的顯示，如圖4所示。

4 系統(tǒng)的測試

4.1 測試結(jié)果

4.1.1 軟件測試

首先對智能晾衣架軟件程序進行測試，測試如圖5所示。給出了Keil 4.0軟件環(huán)境下的測試結(jié)果，測試結(jié)果顯示程序代碼編譯成功。

4.1.2 光照強度測試

系統(tǒng)處于光照下，觀察光敏電阻測到的光照強度變化，如圖6所示。同時，利用光照強度測光儀進行同步測量。將兩者光照進行比較，測試記錄如表1所示。

通過上述五組測試數(shù)據(jù)并經(jīng)過對比后可以發(fā)現(xiàn)，在不同的環(huán)境光照下，兩種光照測量方式得到的光照強度數(shù)值一致，誤差為0。測試結(jié)果說明本設(shè)計的光照檢測效果與常規(guī)的測光儀幾乎沒有任何差別。同時，在光照強度小于15 lx時，晾衣架因為光照強度偏低而收回。高于25 lx光照強度時才會展開。試驗結(jié)果顯示系統(tǒng)的步進電機可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，工況正常。

4.1.3 雨滴檢測

將系統(tǒng)處于25 lx以上光照條件下，并對電路進行通電，觀察雨滴傳感器測到的雨滴變化變化。同時，利用濕度監(jiān)測儀進行同步雨滴及環(huán)境濕度的測量。將兩者測量信息進行比較，測試記錄如表2所示。

通過上述五組測試數(shù)據(jù)并經(jīng)過對比后可以發(fā)現(xiàn)，在不同的雨滴或者濕度條件下，兩種雨滴或者濕度測量方式得到數(shù)據(jù)是不一樣的。濕度環(huán)境與雨滴并不存在一定的相關(guān)性。而采用雨滴傳感器進行檢測，則更加能夠針對下雨環(huán)境進行判斷，有效防止衣物被打濕。

4.1.4 其他情況

光照強且有雨滴：該情況下雖然光照強度大，但是檢測到雨滴，步進電機應(yīng)該反轉(zhuǎn)并收回晾衣架。通過系統(tǒng)測試，步進電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)工作正常。

光照低：此種情況下，由于光敏電阻信號一直處于關(guān)閉狀態(tài)，步進電機反轉(zhuǎn)收回晾衣架，或者不動作。試驗表明，該情況下步進電機誤動作，晾衣架處于收回狀態(tài)

4.1.5 遠控模式

通過手機將系統(tǒng)置于遠控模式下，可根據(jù)APP自由設(shè)置光照強度限值、雨滴限值，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測與控制。

4.2 測試結(jié)果分析

通過實物的測試，其結(jié)果表明：1）系統(tǒng)可利用光敏電阻和雨滴傳感器兩種數(shù)據(jù)檢測元件實現(xiàn)輸入端數(shù)據(jù)的采集，利用手機APP實現(xiàn)對光照數(shù)據(jù)、雨滴等數(shù)據(jù)的顯示。2）系統(tǒng)自動應(yīng)對光照弱、天晴下雨等一系列環(huán)境情況，運用電機驅(qū)動實現(xiàn)具有自動晾曬功能。在光線較弱時，步進電機反轉(zhuǎn)自動收回晾衣架；光線較強時，通過檢測雨滴情況，判斷收回或者伸出晾衣架，若有雨滴仍然收回晾衣架。

5 結(jié) 論

本文主要是利用傳感器進行環(huán)境監(jiān)測，以單片機為核心，將雨滴檢測、光照檢測、Wi-Fi模塊、步進電機驅(qū)動控制等諸多模塊組合在一起，從而實現(xiàn)對衣物的智能晾曬功能。該智能化晾衣架不僅實現(xiàn)了雨滴探測和光照探測的采集功能，還實現(xiàn)了遠程手機終端的顯示與控制功能。在保證工作穩(wěn)定可靠的前提下，系統(tǒng)設(shè)計方案不僅減少了單片機IO的占用，而且使整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到了簡化，并為以后的擴充留出了一定的余地。智能的晾衣架意味著更方便的晾曬衣物，可以根據(jù)天氣狀況進行自動晾曬和回收。智能晾衣架可依據(jù)就地、遠程模式進行切換，具有很強的調(diào)節(jié)功能，可靈活應(yīng)對各種氣候變化，既方便了人們的生活，又提高了人們的生活質(zhì)量，具有較強的實際應(yīng)用價值。

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作者簡介：錢麗（1976—），女，漢族，安徽宿州人，講師，碩士，研究方向：物理電子技術(shù)。