李志遠(yuǎn) 汪華斌 曾 志 羅中良

（1.惠州市仲愷高新區(qū)項(xiàng)目管理運(yùn)營(yíng)有限公司 惠州 516009）

（2.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 惠州 516007）

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人民的生活水平不斷提高，人們對(duì)于很多家居產(chǎn)品要求升級(jí)到自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。智能晾衣架就是針對(duì)傳統(tǒng)曬衣桿固定在陽(yáng)臺(tái)或者窗外可能遭遇風(fēng)吹雨淋而進(jìn)行升級(jí)的智能化產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)的智能型曬衣架主要是安裝在陽(yáng)臺(tái)頂部，通過(guò)電路、開(kāi)關(guān)等控制其收縮或是展開(kāi)，主要目的還是為了美觀以及避免使用撐衣桿，只能說(shuō)是利用了機(jī)電一體化的控制，智能程度還是比較低。本問(wèn)設(shè)計(jì)的智能曬衣桿是能夠根據(jù)外界的天氣情況，檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度、濕度以及光照等，自動(dòng)調(diào)節(jié)其收縮或是展開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)住戶不在家的時(shí)候，還可以通過(guò)短信的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境，并能夠利用手機(jī)直接控制曬衣桿的收縮以及展開(kāi)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合光照、溫濕度、雨水等環(huán)境因素對(duì)晾衣的影響和對(duì)曬衣的要求，本文設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的智能曬衣架功能包括：

1）監(jiān)測(cè)下雨情況，確保接收到雨滴的時(shí)候能夠有足夠的時(shí)間將衣物收好；

2）檢測(cè)并根據(jù)環(huán)境光照好壞、濕度是否過(guò)大等情況能夠自動(dòng)收起和自動(dòng)伸出晾曬；

3）具有遠(yuǎn)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(shè)計(jì)方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)檢測(cè)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)曬衣架的工作與執(zhí)行，并能夠通過(guò)短信進(jìn)行控制系統(tǒng)的曬衣桿的收起和伸出，結(jié)合我國(guó)建筑的陽(yáng)臺(tái)或窗戶的外觀形狀，設(shè)計(jì)了晾衣桿外部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于傳感器是需要實(shí)時(shí)檢測(cè)外部環(huán)境參數(shù)的，因此需要時(shí)刻放置于室外，同時(shí)設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)與兩行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置控制，保證曬衣的安全，避免步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制導(dǎo)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)中MCU采用51系列單片機(jī)，GSM采用串行通信口，溫濕度傳感器采用單總線方式。光照強(qiáng)度、伸展和收起位置采用行程開(kāi)關(guān)、、伸縮桿電機(jī)控制等分別與MCU的I/O口連接，主要MCU電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

圖2 曬衣桿外部結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)連接。

2.2 溫濕度檢測(cè)與接口電路設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際曬衣對(duì)溫濕度測(cè)量精度要求不嚴(yán)格，故設(shè)計(jì)中采用選用性價(jià)比較好的溫濕度集成傳感器DHT-11作為溫濕度檢測(cè)模塊，其濕度檢測(cè)范圍為相對(duì)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(qiáng)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光照強(qiáng)度檢測(cè)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(gè)共同的特性，那就是能夠根據(jù)外部光照強(qiáng)度進(jìn)行信號(hào)的輸出。設(shè)計(jì)中采用線性度較好的光敏電阻作為系統(tǒng)的光照強(qiáng)度傳感器，設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

設(shè)計(jì)中考慮到實(shí)際環(huán)境光照的變化和電路系統(tǒng)內(nèi)部噪聲會(huì)導(dǎo)致光照強(qiáng)度檢測(cè)誤差較大。電路設(shè)計(jì)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(wú)源低通濾波；而軟件濾波采用中值濾波算法，經(jīng)測(cè)試檢測(cè)性能較好。

2.4 伸縮桿步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用MX1508驅(qū)動(dòng)芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，其為低壓的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)電路部集成了兩通道采用N溝和P溝功率MOSFET設(shè)計(jì)的H橋驅(qū)動(dòng)電路，該電路具備較寬的工作電壓范圍（2～9.6 V）。芯片內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)電路。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載電流遠(yuǎn)大于電路的最大持續(xù)電流時(shí)，受封裝散熱能力限制，電路內(nèi)部芯片的結(jié)溫將會(huì)迅速升高，一旦超過(guò)設(shè)定值 (典型值150 ℃)，內(nèi)部電路將立即關(guān)斷輸出功率管，切斷負(fù)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要為系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)，啟動(dòng)程序并根據(jù)傳感器和GSM控制進(jìn)入相應(yīng)的功能子程序，并輸出對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

3.1 GSM程序設(shè)計(jì)

GSM模塊在發(fā)送短信通過(guò)內(nèi)部AT指令，為此在發(fā)送短信的時(shí)候我們只需要往串口2依次寫(xiě)入發(fā)送的控制字符及內(nèi)容即可，通過(guò)查閱AT指令表可以知道，在進(jìn)行發(fā)送之前，我們需要往串口內(nèi)寫(xiě)入”AT+CMGS=”之后再發(fā)送需要發(fā)送的內(nèi)容即可GSM模塊發(fā)送短信C語(yǔ)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(huì)直接通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)，為此本設(shè)計(jì)中采用用串口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)識(shí)別到固定字母或者字符的時(shí)候會(huì)判斷接收成功，如本次設(shè)計(jì)中的判斷hello短信程序段如下，對(duì)應(yīng)流程如圖9所示。

圖5 DHT11與MCU接口圖

圖6 光照強(qiáng)度檢測(cè)與接口電路

圖7 MX1508與MCU接口圖

3.2 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)與控制軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)檢測(cè)的傳感器分為3個(gè)，其檢測(cè)包括ADC轉(zhuǎn)換、串口以及I/O口讀取與判斷，其中為溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、光照強(qiáng)度檢測(cè)，其流程設(shè)計(jì)如圖10所示。

整個(gè)檢測(cè)函數(shù)流程為順序執(zhí)行，不管檢測(cè)的結(jié)果是否超標(biāo)都會(huì)退出檢測(cè)函數(shù)，以保障實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，而不是停止在某一步上，其中報(bào)警函數(shù)內(nèi)容為短信模塊發(fā)送故障，提供報(bào)警，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及系統(tǒng)報(bào)警功能，報(bào)警函數(shù)只執(zhí)行一次，若系統(tǒng)檢測(cè)完參數(shù)合格則初始化報(bào)警函數(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(cè)程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款智能曬衣架，通過(guò)環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并可采用短信控制模塊控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)功能正常達(dá)到設(shè)計(jì)要求。