智能曬衣桿系統(tǒng)設計

李志遠 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.惠州學院 電子信息與電氣工程學院 惠州 516007）

引言

隨著社會的進步，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吹雨淋而進行升級的智能化產(chǎn)品。目前，國內的智能型曬衣架主要是安裝在陽臺頂部，通過電路、開關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，自動調節(jié)其收縮或是展開狀態(tài)。當住戶不在家的時候，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 總體設計方案

結合光照、溫濕度、雨水等環(huán)境因素對晾衣的影響和對曬衣的要求，本文設計設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)總體設計方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由單片機構成，通過檢測外部環(huán)境參數(shù)進而實現(xiàn)曬衣架的工作與執(zhí)行，并能夠通過短信進行控制系統(tǒng)的曬衣桿的收起和伸出，結合我國建筑的陽臺或窗戶的外觀形狀，設計了晾衣桿外部結構如圖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，同時設計中采用步進電機與兩行程開關進行位置控制，保證曬衣的安全，避免步進電機開環(huán)控制導致的系統(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、、伸縮桿電機控制等分別與MCU的I/O口連接，主要MCU電路設計圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)設計方案圖

圖2 曬衣桿外部結構原理圖

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計

設計中選用的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對應連接。

2.2 溫濕度檢測與接口電路設計

考慮到實際曬衣對溫濕度測量精度要求不嚴格，故設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)外部光照強度進行信號的輸出。設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，設計電路如圖6所示。

設計中考慮到實際環(huán)境光照的變化和電路系統(tǒng)內部噪聲會導致光照強度檢測誤差較大。電路設計中特別采用硬件+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 伸縮桿步進電機驅動設計

設計中采用MX1508驅動芯片作為步進電機驅動控制，其為低壓的運動控制應用的直流電機驅動解決方案。驅動芯片內電路部集成了兩通道采用N溝和P溝功率MOSFET設計的H橋驅動電路，該電路具備較寬的工作電壓范圍（2～9.6 V）。芯片內置過熱保護電路。通過驅動電路的負載電流遠大于電路的最大持續(xù)電流時，受封裝散熱能力限制，電路內部芯片的結溫將會迅速升高，一旦超過設定值 (典型值150 ℃)，內部電路將立即關斷輸出功率管，切斷負載電流，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)軟件設計

系統(tǒng)程序主要為系統(tǒng)進行初始化，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控制進入相應的功能子程序，并輸出對步進電機進行控制。

3.1 GSM程序設計

GSM模塊在發(fā)送短信通過內部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)送的控制字符及內容即可，通過查閱AT指令表可以知道，在進行發(fā)送之前，我們需要往串口內寫入”AT+CMGS=”之后再發(fā)送需要發(fā)送的內容即可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，為此本設計中采用用串口進行實時檢測，檢測過程中，當識別到固定字母或者字符的時候會判斷接收成功，如本次設計中的判斷hello短信程序段如下，對應流程如圖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)檢測與控制軟件設計

本次設計檢測的傳感器分為3個，其檢測包括ADC轉換、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，不管檢測的結果是否超標都會退出檢測函數(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 結論

本文設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)功能正常達到設計要求。