陳子晗，陳東毅

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116）

0 引 言

隨著智能控制概念的不斷普及，智能家居的生活理念不斷深入人心，同時伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電子技術(shù)以及通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，自動晾衣架已逐漸成為智能家居乃至智能生活中不可或缺的生活必需品[1-4]。

本文設(shè)計了一個自動晾衣架控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制核心器件采用MSP430F5529LP口袋板，充分利用雨滴、光照、重力等傳感器，能夠在下雨、陰天時協(xié)同自動控制衣架收回，天晴后自動伸展衣架，同時具有自動與手動自主切換控制、自動檢測衣架有效載荷的功能。

1 整體系統(tǒng)電路設(shè)計

本文設(shè)計中，利用單片機MSP430F5529LP作為主控芯片來控制晾衣架的智能伸縮與升降。其工作原理為：首先，通過雨滴傳感器、光敏傳感器分別讀取降雨與光照強度的變化值，根據(jù)微處理器的內(nèi)部算法控制步進電機的運行，并結(jié)合位置傳感器的輸出從而實現(xiàn)晾衣架的自動伸縮功能；其次，根據(jù)重力傳感器實時檢測晾衣架的有效載荷，對晾衣架的升降進行有效控制并給出適當?shù)闹亓啃盘柼崾?。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，所設(shè)計的電路系統(tǒng)主要以MSP430F5529LP單片機口袋板為核心處理芯片，由Micro USB2.0供電，當電源接通掛上衣物后，通過重力傳感器智能判斷是否超重，若超重，由蜂鳴器發(fā)出警告信號；通過雨滴傳感器、光敏傳感器協(xié)同作用來智能控制步進電機的運行，從而實現(xiàn)晾衣架的全自動控制。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選擇TI公司的MSP430F5529LP作為控制芯片，該MCU為超低功耗微處理器，主要體現(xiàn)在：內(nèi)置一個12 bit ADC，省去外置ADC的功耗；內(nèi)置3個DMA通道，使得數(shù)據(jù)不需經(jīng)過CPU即可在各外設(shè)之間傳輸，降低了CPU的運行時間系統(tǒng)與功耗。該MCU不但具有功能強大的外設(shè)接口，而且從低功耗模式到工作模式只需3.5 μs。

根據(jù)系統(tǒng)的各項功能要求，可以將硬件部分細分為5個模塊，分別是按鍵控制電路、雨滴檢測電路、光強檢測電路、重力檢測電路、位置檢測電路等。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 按鍵控制電路

該系統(tǒng)設(shè)計了手動、自動兩種切換控制模式對晾衣架進行智能控制，只需通過外部的一個按鍵控制開關(guān)即可對兩種控制模式進行自由切換，即通過外部按鍵來使能MCU的外部中斷響應(yīng)標記位，從而控制晾衣架的工作狀態(tài)，同時在按鍵響應(yīng)的軟件設(shè)計中考慮了按鍵消抖與外部抗干擾問題。按鍵電路的信號輸出端與MCU的P1.7腳相接，如圖2所示。

圖2 按鍵電路

2.2 雨滴檢測電路

該系統(tǒng)選用STSM-002型雨滴傳感器，該器件采用日本進口的特殊電子漿料和先進的厚膜技術(shù)制作而成，是專門用于檢測雨滴的一種新型傳感元件。該元件廣泛用于需要檢測雨滴的各種場所，如無人職守的機房、賓館高樓的門窗，高級轎車、客車的門窗，以及各種貨場等的自動控制，以防止雨水的浸蝕。

該元件的技術(shù)指標：導(dǎo)通電阻≤1 kΩ；工作電壓為5 V（DC）；工作電流≤10 mA（DC）；響應(yīng)時間≤10 s；恢復(fù)時間≤30 s（需擦拭）。

該元件的實物封裝如圖3所示。

圖3 雨滴傳感器實物封裝圖

由該元件的技術(shù)指標可知，當雨滴傳感器導(dǎo)通后其電阻阻值變化較明顯，為使其工作電流≤10 mA（DC），故根據(jù)電阻分壓限流的原理設(shè)計了簡單的電路，其中，R2取1.2 kΩ，ui為5 V （DC），由式（1）可知其工作電流i為2.27 mA≤10 mA（DC）。

雨滴檢測電路采用多點布置方式，如圖4所示。其中，R1為雨滴傳感器，將其與三個定值電阻構(gòu)成橋式檢測電路，R2取1.2 kΩ，R3，R4各取10 kΩ。當天氣晴朗時，該橋式電路輸出的電壓為正電壓；當雨滴傳感器被雨水淋濕其阻值發(fā)生明顯變化時，導(dǎo)通電阻降低至1 kΩ以下。由式（2）可知該橋式電路輸出的電壓極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)樨撾妷骸Ｓ甑螜z測電路的信號輸出端與MCU的P1.1腳相接，MCU以雨滴檢測電路輸出電壓極性的翻轉(zhuǎn)作為控制信號實現(xiàn)晾衣架的自動伸縮[5]。

式中：導(dǎo)通前R1接近無窮大，Δu為正；導(dǎo)通后R1＜1 kΩ，Δu為負。

圖4 雨滴檢測電路

2.3 光強檢測電路

本系統(tǒng)設(shè)計的光強檢測電路由光敏電阻、三個定值電阻構(gòu)成，如圖5所示。當白天光照強度較大時，光敏電阻R5阻值變小，比較器6端電壓高于5端電壓，運放輸出高電平，此時MCU程序控制晾衣架伸出；當光照強度較小時，光敏電阻R5阻值變大，比較器6端電壓低于5端電壓，運放輸出低電平，若MCU的P1.2腳采集到相應(yīng)的電平信號，則通過MCU的程序控制晾衣架回收[6]。

圖5 光強檢測電路

2.4 重力檢測電路

在晾衣架的機械支撐結(jié)構(gòu)位置上設(shè)計一個壓力傳感器，MCU可實時檢測晾衣架的有效載荷，從而控制晾衣架的升降并給出適當?shù)闹亓啃盘柼崾?，重力傳感器的信號線與MCU的P2.0腳相接。

2.5 位置檢測電路

位置控制電路主要由安裝在晾衣架支撐桿垂直方向的最上端、最下端以及水平方向的近端、遠端的四個限位開關(guān)組成，對晾衣架的垂直升降與水平伸縮運動進行定位，防止其超距離運行，限位開關(guān)的信號線分別與MCU的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4腳相接，MCU實時讀取四個引腳的狀態(tài)值，對衣架的位置進行判斷。

3 軟件設(shè)計流程

本系統(tǒng)設(shè)計使用CCS5.0作為代碼調(diào)試器，CCS是TI公司出品的為用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU軟件程序的集成開發(fā)軟件環(huán)境。本系統(tǒng)設(shè)計的主要軟件流程如圖6所示。

圖6 主要的軟件流程

4 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用鋰電池供電，由于鋰電池具有綠色環(huán)保、重量輕、無記憶效應(yīng)、自放電率低、高低溫適應(yīng)性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。利用低功耗的MSP430F5529LP口袋板作為控制器，通過雨滴、光強度檢測電路來協(xié)同控制電機正反轉(zhuǎn)，從而控制衣架伸縮，并結(jié)合重力傳感器來判斷衣架的有效載荷。該系統(tǒng)具備以下功能。

（1）具有協(xié)同控制衣架回收功能。當室外有雨水降落時，雨滴檢測電路工作，衣架不僅能自動回收，而且還能做出相應(yīng)提示；在光強檢測電路的協(xié)同控制下，當室外的光照強度突然降低即陰天或夜幕降臨時，衣架也可自動收回，避免衣物被水汽浸濕。

（2）具有自動檢測衣架載荷功能。當實際重量超出衣架的載荷極限時，重力檢測電路會提示超重信息；若平時晾曬過程中突發(fā)意外也能發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

（3）具有自動、手動自主切換控制功能。只需一鍵操作即可實現(xiàn)自動與手動控制之間的自由切換，滿足人們的個性化衣架控制需求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的晾衣架雨滴檢測電路采用多點布置方式，靈敏度高，可靠性強，運用鋰電池作為電源為電路供電，綠色環(huán)保、重量輕、高低溫適應(yīng)性強，提供了簡易的自動、手動切換控制等功能，實現(xiàn)了下雨、陰天自動收衣，同時自動檢測衣架載荷的功能，達到了保護衣物的目的，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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