基于單片機(jī)的智能晾衣架設(shè)計(jì)

摘" 要：智能晾衣架作為智能家居的一部分，以其自動(dòng)化控制和智能化管理的特點(diǎn)，受到廣大用戶的關(guān)注。該文旨在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易智能晾衣架控制系統(tǒng)，以單片機(jī)STC89C51為控制核心，利用電阻應(yīng)變式傳感器感應(yīng)晾曬衣物的重量，并通過(guò)手動(dòng)控制的方式來(lái)對(duì)晾衣架的高度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，同時(shí)利用發(fā)光LCD屏來(lái)顯示此時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)然，晾衣架還可以根據(jù)戶外光線的亮與暗來(lái)控制此時(shí)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(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；光線濕度檢測(cè)；正反轉(zhuǎn)控制；顯示模塊；傳感器

中圖分類號(hào)：TP391" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(huì)發(fā)展的進(jìn)步，智能家居逐漸成為現(xiàn)代家庭生活的重要組成部分。本文通過(guò)引入單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)晾衣架功能的智能化和自動(dòng)化，從而提升用戶的生活質(zhì)量和便利性。具體而言，包括以下幾個(gè)方面。

實(shí)現(xiàn)晾衣架的智能伸縮功能：通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使晾衣架能夠根據(jù)外界環(huán)境或用戶設(shè)定，自動(dòng)進(jìn)行伸縮操作。這樣，用戶無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)晾衣架的長(zhǎng)度，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的操作或設(shè)定，即可實(shí)現(xiàn)晾衣架的智能調(diào)整。

提高晾衣效率：通過(guò)引入傳感器技術(shù)，如溫濕度傳感器和光敏傳感器，智能晾衣架能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境，如溫度、濕度和光照強(qiáng)度等。根據(jù)這些信息，晾衣架可以自動(dòng)調(diào)整晾曬時(shí)間和方式，以達(dá)到最佳的晾衣效果。

單片機(jī)的智能晾衣架的設(shè)計(jì)不僅是智能家居領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐，有助于推動(dòng)智能家居技術(shù)的發(fā)展，也體現(xiàn)了現(xiàn)代科技與日常生活的緊密結(jié)合，并且對(duì)于電子工程等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，還可以幫助他們深入了解單片機(jī)的原理和應(yīng)用，提高實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力，從而為教學(xué)和實(shí)踐提供有益的參考和啟示。

本文是一個(gè)結(jié)合了硬件和軟件技術(shù)的綜合性項(xiàng)目。以下是一個(gè)簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)控制器為核心部件，同時(shí)通過(guò)相關(guān)傳感器等設(shè)備協(xié)同檢測(cè)環(huán)境的變化，將自己搜集得到的信息發(fā)送至單片機(jī)，然后由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，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(jī)選型

STC89C51是一款帶4 K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）的低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，在單個(gè)芯片中可實(shí)現(xiàn)高效微控制功能，其性能比較穩(wěn)定、有很強(qiáng)的抗干擾能力；其編程簡(jiǎn)單，在許多工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)和嵌入式系統(tǒng)中其都是作為控制任務(wù)的核心部件。

而FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）則是一種可編程邏輯器件，允許用戶通過(guò)編程來(lái)定義其內(nèi)部邏輯電路的結(jié)構(gòu)和功能，可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行重新配置，使電路功能可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活修改和更新，無(wú)須更換硬件。FPGA具備了高靈活性、可重構(gòu)性、高性能并行計(jì)算能力和高速數(shù)據(jù)處理能力，但成本很高，編程也較為復(fù)雜。本次設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)主要是負(fù)責(zé)對(duì)電路的顯示以及對(duì)信號(hào)的采集和對(duì)電路的控制，將分析過(guò)后的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)的顯示電路實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示操作。所以不難看出，本次設(shè)計(jì)涉及的邏輯控制要求并不復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求也不會(huì)太高，另一方面從兩者的性價(jià)比考慮，選擇STC89C51單片機(jī)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(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境的溫度及濕度，以便根據(jù)需要調(diào)節(jié)晾衣架的工作狀態(tài)。在選擇智能晾衣架上的溫濕度傳感器時(shí)，需要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮，以確保傳感器能夠滿足晾衣架的實(shí)際需求和性能要求。

第一，溫濕度傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)覆蓋晾衣架所需監(jiān)測(cè)的溫濕度范圍。例如對(duì)于大多數(shù)家庭應(yīng)用，可能需要一個(gè)能夠測(cè)量室內(nèi)常見(jiàn)溫濕度范圍的傳感器。第二，要根據(jù)智能晾衣架的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)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(yīng)晾衣架所在環(huán)境的溫度范圍。第四，要從測(cè)量精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和可靠性以及價(jià)格來(lái)綜合考量，其中，DHT11具備成本低、使用便捷、與單片機(jī)之間對(duì)接簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其適合一些簡(jiǎn)單的環(huán)境檢測(cè)。對(duì)于家庭晾衣架來(lái)說(shuō)，DHT11的精度和測(cè)量范圍通常已經(jīng)足夠。而HT30和AM2301則更適合于對(duì)精度和穩(wěn)定性有高要求的商業(yè)或工業(yè)級(jí)晾衣架系統(tǒng)。因此，DHT11成為本次設(shè)計(jì)的首選。

2.2.2" 光線檢測(cè)傳感器

該傳感器用于檢測(cè)光照強(qiáng)度，根據(jù)光照的強(qiáng)弱情況實(shí)現(xiàn)對(duì)晾衣架的展開(kāi)及收縮操作。即當(dāng)光線比較強(qiáng)的時(shí)候，此時(shí)晾衣架會(huì)自動(dòng)打開(kāi)；當(dāng)光線比較暗的時(shí)候，晾衣架則會(huì)收回。在選擇光線檢測(cè)傳感器型號(hào)時(shí)，同樣也需要考慮多個(gè)因素，包括傳感器的性能、價(jià)格、易用性以及是否適合特定的應(yīng)用場(chǎng)景。其中，光敏電阻（如GL5528）是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易于購(gòu)買的傳感器，在使用時(shí)，其響應(yīng)非常簡(jiǎn)單直接，且易于與單片機(jī)進(jìn)行接口。而光照度傳感器BH1750FVI則能夠快速響應(yīng)光線的變化，提供高精度的光照度測(cè)量，但與前者相比，光照度傳感器的價(jià)格較高。綜合上述分析，結(jié)合實(shí)際，本次設(shè)計(jì)只要區(qū)分光的強(qiáng)弱，對(duì)采集的結(jié)果并不要做到很精確，因此采用光敏電阻即可。

2.3" 電機(jī)的選型

晾衣架的伸縮需要通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常智能晾衣架的電機(jī)選用有2種：一是步進(jìn)電機(jī)，二是直流電機(jī)。兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性，可以平滑地調(diào)節(jié)晾衣架的升降速度，提高用戶體驗(yàn)。而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，慣性較高，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度。雖然對(duì)于晾衣架來(lái)說(shuō)，不需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但震動(dòng)和噪音仍然可能會(huì)影響到用戶的體驗(yàn)。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較大，可以克服晾衣架在升降過(guò)程中遇到的較大阻力，其適用于長(zhǎng)時(shí)間向同一方向的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，輸出功率范圍廣，更節(jié)能環(huán)保，符合現(xiàn)代家居的環(huán)保理念。而步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有較高的扭矩輸出，適合晾衣架在升降過(guò)程中需要克服的重力和摩擦力。但步進(jìn)電機(jī)的工作原理是通過(guò)短時(shí)間的瞬間脈沖控制實(shí)現(xiàn)位置和速度的控制，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，甚至燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)是在不斷地停止和啟動(dòng)之間進(jìn)行控制，因此相比其他類型的電機(jī)效率相對(duì)較低，可能會(huì)進(jìn)一步增加晾衣架的能耗和運(yùn)行成本。

綜合以上分析，本次設(shè)計(jì)選用小功率的直流電機(jī)即可。

3" 部分硬件電路設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)

由圖2可知，系統(tǒng)電源部分是交流220 V電壓經(jīng)過(guò)變壓器，經(jīng)過(guò)橋式整流電容濾波電路，再分別經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器7805、7905，輸出±5 V的電壓。

3.2" 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路由12 MHz晶振和2個(gè)30 pF電容構(gòu)成并引至單片機(jī)18、19腳。電容用來(lái)抑制電路的干擾，目的是讓電路能夠穩(wěn)定工作。

3.3" 復(fù)位電路

單片機(jī)一般要實(shí)現(xiàn)復(fù)位的方式分為手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位2種，本次設(shè)計(jì)使用的上電復(fù)位是利用電容的充電來(lái)完成的，即當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)電容的充電讓復(fù)位引腳（單片機(jī)9腳RST）上的電平呈現(xiàn)的是高電平；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位的操作，即當(dāng)需要手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下S4復(fù)位按鈕，將單片機(jī)的9號(hào)引腳直接接在VCC電源上。

設(shè)計(jì)中常用的按鍵一般有3種，分別是觸點(diǎn)式的、導(dǎo)電橡膠和柔性的按鍵。其中，機(jī)械觸點(diǎn)式的按鍵可以讓你很好地體驗(yàn)到復(fù)位的感覺(jué)，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(gè)比較明顯的特點(diǎn)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(shè)計(jì)使用的是機(jī)械觸點(diǎn)式的按鍵形式。

3.4" 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是通過(guò)2個(gè)繼電器的接通和斷開(kāi)的狀態(tài)來(lái)帶動(dòng)直流電機(jī)，進(jìn)而控制整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)工作。本次設(shè)計(jì)使用到的是2個(gè)5 V電壓的繼電器，同時(shí)通過(guò)PNP型三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.5" 顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD顯示是本次設(shè)計(jì)的防盜安全系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)長(zhǎng)CD顯示器的厚度比較大，所以其發(fā)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(shè)計(jì)需要顯示很大的信息量，因此為了更好地達(dá)到預(yù)期的顯示效果，就需要將該部分和一個(gè)CMOS集成電路進(jìn)行匹配。本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)晾衣架系統(tǒng)的顯示模塊需要顯示的內(nèi)容比較多，其中就包括目前的時(shí)間天氣等基本信息?；谠O(shè)計(jì)成本的考慮，本次設(shè)計(jì)決定采用相對(duì)簡(jiǎn)單的顯示器驅(qū)動(dòng)電路，即直接利用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行書(shū)寫(xiě)代碼，從而對(duì)其實(shí)現(xiàn)基本的控制。

本次設(shè)計(jì)的該模塊電路主要是由一個(gè)二極管以及一個(gè)單片機(jī)組成，主要實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)溫度或者濕度達(dá)到了本次設(shè)計(jì)設(shè)置的額定數(shù)值的時(shí)候，發(fā)光二極管就會(huì)被點(diǎn)亮，此時(shí)就提示可以進(jìn)行晾曬的功能。

顯示的部分采取的就是一個(gè)液晶顯示的模塊。本次設(shè)計(jì)的電路采用的VSS來(lái)將電源進(jìn)行接地的處理，采用VL作為顯示器顯示不同結(jié)果時(shí)的一個(gè)對(duì)比度的調(diào)整端口。

4" 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

部分程序如下所示。

5" 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)取得了一定的成果，但還有很多不足之處，例如在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中可加入過(guò)載保護(hù)功能，以避免電機(jī)因過(guò)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(kuò)展語(yǔ)音控制功能，優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)和控制算法，進(jìn)行能耗優(yōu)化。綜上所述，基于單片機(jī)的智能晾衣架設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多個(gè)方面的綜合性項(xiàng)目。通過(guò)合理的硬件和軟件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)化和智能化操作，提高用戶的生活品質(zhì)。

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