朱 艷

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

隨著家庭中衣物不斷增多，衣物的保存存在著許多的不方便，大多數(shù)的人喜歡把衣物存放在衣柜中，而傳統(tǒng)的衣柜在防潮防霉等方面表現(xiàn)的并不盡如人意。在防潮方面，傳統(tǒng)的衣柜并沒(méi)有相應(yīng)有效的除濕措施，每當(dāng)下雨或者是在空氣相對(duì)濕度過(guò)大時(shí)，衣柜中的衣物極易受潮，穿在身上容易引發(fā)感冒等疾病，給人們帶來(lái)許多的不便。潮濕的環(huán)境也更容易導(dǎo)致霉菌等各種細(xì)菌的生長(zhǎng)，而傳統(tǒng)的衣柜并沒(méi)有消毒的功能。霉菌破壞衣物的結(jié)構(gòu)使纖維變得更加脆弱，會(huì)使纖維變色，穿著帶霉菌的衣物能引起人類的各種皮膚疾病。為了使衣柜的使用變得更方便，增加除濕和消毒的功能便很有必要。

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，智能家具的發(fā)展卻遠(yuǎn)沒(méi)有跟上時(shí)代的步伐，智能衣柜還未能普及到大眾家庭，最大的障礙是昂貴的智能化設(shè)備，由于許多的設(shè)計(jì)缺少經(jīng)濟(jì)實(shí)用性,使得人們面對(duì)智能衣柜望而卻步。為了使更多的人們用上方便實(shí)用舒適快捷的智能化衣柜，加快對(duì)智能衣柜的研究變得迫在眉睫。

本設(shè)計(jì)以實(shí)用廉價(jià)舒適為設(shè)計(jì)原則，在除濕，紫外線消毒等能夠方便衣柜使用的方面，結(jié)合對(duì)衣柜的使用環(huán)境和研發(fā)成本上的考慮，在衣柜結(jié)構(gòu)和智能控制的設(shè)計(jì)上突出創(chuàng)新，用更簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)方法完成對(duì)衣柜結(jié)構(gòu)和功能上的智能化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)以STC89C52作為中央微處理器，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械機(jī)構(gòu)，選用合適的除濕消毒方案，并通過(guò)硬件選型，而實(shí)現(xiàn)衣柜的智能化功能，

1) 一鍵開(kāi)門(mén)功能，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)衣柜機(jī)械結(jié)構(gòu)，用按鍵控制柜門(mén)的開(kāi)關(guān)和衣架的旋轉(zhuǎn)，方便衣物拿取。

2) 自動(dòng)除濕功能，在除濕方面設(shè)計(jì)出更加適合家庭使用的除濕方案，采用CaCl2作為除濕劑，使用步進(jìn)電機(jī)控制除濕風(fēng)門(mén)的開(kāi)關(guān)，使用風(fēng)扇在除濕時(shí)加快內(nèi)部空氣的循環(huán)加快CaCl2除濕劑的除濕效率。

3) 一鍵消毒功能，用帶光耦隔離的繼電器控制紫外線燈工作，當(dāng)相對(duì)濕度高于50%時(shí)，主控制器控制紫外線燈工作，實(shí)現(xiàn)消毒的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

在確定完衣柜的功能后，為了更好地實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)，需要制定衣柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，針對(duì)衣柜的功能設(shè)計(jì)出合適的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)采用按鍵旋轉(zhuǎn)(柜門(mén)和衣架)的方法，旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按鍵為四個(gè)薄膜按鍵，相對(duì)應(yīng)的具有四種功能分別為衣架的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、開(kāi)關(guān)門(mén)功能組成。以應(yīng)對(duì)具體環(huán)節(jié)中非除濕狀態(tài)的開(kāi)門(mén)，非除濕狀態(tài)的關(guān)門(mén)，除濕狀態(tài)的開(kāi)門(mén)，除濕狀態(tài)的關(guān)門(mén)，衣架的左轉(zhuǎn)，衣架的右轉(zhuǎn)這六種情況。

除濕的功能是采用DHT11濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除濕的功能[1]。采用CaCl2作為除濕劑，使用步進(jìn)電機(jī)控制除濕風(fēng)門(mén)的開(kāi)關(guān)，使用風(fēng)扇在除濕時(shí)加快內(nèi)部空氣的循環(huán)加快CaCl2除濕劑的除濕效率。

傳統(tǒng)衣柜沒(méi)有具備紫外線消毒的功能，為了解決衣物受潮時(shí)靠太陽(yáng)光晾曬費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題和防止霉菌生長(zhǎng)，使用鎮(zhèn)流器和紫外線消毒燈配合實(shí)現(xiàn)消毒的功能。

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.2.1 衣柜門(mén)設(shè)計(jì)

衣柜門(mén)的設(shè)計(jì)上采用旋轉(zhuǎn)切合的方式并且使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了原始的合頁(yè)連接衣柜門(mén)的方式，打破了傳統(tǒng)衣柜在安裝空間上的限制，方便了衣柜開(kāi)關(guān)門(mén)操作，旋轉(zhuǎn)切合式的開(kāi)門(mén)方式類似于現(xiàn)代酒店的旋轉(zhuǎn)門(mén)，與其不同的是這套旋轉(zhuǎn)切合門(mén)是由外筒和內(nèi)筒構(gòu)成。外筒和內(nèi)筒在相應(yīng)位置有預(yù)留的柜門(mén)口，當(dāng)兩筒的預(yù)留柜門(mén)通過(guò)旋轉(zhuǎn)重合時(shí)，柜門(mén)便形成一個(gè)通往內(nèi)部的通道。使用步進(jìn)電機(jī)組與旋轉(zhuǎn)切合門(mén)配合，避免了使用對(duì)開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，柜門(mén)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柜門(mén)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 掛衣架設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)衣柜采用橫置桿式衣架的設(shè)計(jì)，在衣柜內(nèi)放置掛衣架，挑選衣物時(shí)必須要左右擺動(dòng)衣物這樣才能找到衣物，在結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)往往要設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為了解決從衣架上拿取衣物不方便的問(wèn)題，使得用戶挑選衣物更加方便[2]。因而在衣架設(shè)計(jì)上采用旋轉(zhuǎn)掛衣架的設(shè)計(jì)，衣服掛在圓環(huán)狀的掛衣架上，當(dāng)需要挑選衣物時(shí)，衣服在掛衣架的帶動(dòng)下一起旋轉(zhuǎn)達(dá)到挑選衣物的目的。這樣就很大程度上節(jié)省了人力進(jìn)行翻找，使得衣架使用起來(lái)更方便，根據(jù)上文設(shè)計(jì)要求畫(huà)出衣架的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 衣架結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 衣柜外形的設(shè)計(jì)

由于智能衣柜在設(shè)計(jì)上依托電子設(shè)備進(jìn)行控制，所以衣柜在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上需要考慮控制設(shè)備安裝的問(wèn)題，為了在衣柜中的控制設(shè)備更好地控制衣柜，使衣柜運(yùn)行更加平穩(wěn)，在設(shè)計(jì)上將控制設(shè)備和除濕劑一同安置在衣架的底座中，使得衣柜的重心降低，這樣衣柜在運(yùn)行時(shí)就會(huì)更加平穩(wěn)。由于同時(shí)安裝步進(jìn)電機(jī)和放置除濕劑，因而在除濕劑與控制設(shè)備間安裝有隔板。同時(shí)為了讓衣柜的結(jié)構(gòu)可以更好地兼容旋轉(zhuǎn)切合門(mén)和電動(dòng)衣架以及旋轉(zhuǎn)風(fēng)門(mén)的設(shè)計(jì)，減少步進(jìn)電機(jī)的安裝數(shù)量以節(jié)省研發(fā)成本。在衣柜外形設(shè)計(jì)上使用了可旋轉(zhuǎn)的圓錐臺(tái)型設(shè)計(jì)，并且圓錐臺(tái)形的衣柜更適合安置在墻角等難以利用的角落，節(jié)省空間，綜合上述要求設(shè)計(jì)的衣柜外部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 衣柜外部結(jié)構(gòu)

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 消毒設(shè)備的設(shè)計(jì)

潮濕的空氣適合霉菌的生長(zhǎng)，每當(dāng)潮濕空氣滲入衣物之后，霉菌總會(huì)在衣物上生長(zhǎng)。在日常生活中，常采用太陽(yáng)光照射的方法來(lái)利用太陽(yáng)光照中的紫外線殺死衣物中的霉菌。日常生活中這種做法會(huì)比較麻煩，為方便用戶對(duì)衣柜中的衣物進(jìn)行消毒，改善消毒條件，因而在衣柜中設(shè)計(jì)相應(yīng)的紫外線消毒裝置。

而紫外線燈在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，為了防止紫外線對(duì)衣物的損傷，采取紫外線消毒燈隔熱的措施[3]。紫外線的外部安裝透明的聚丙烯塑料隔離罩，在隔離罩的內(nèi)側(cè)鋪設(shè)陶瓷纖維隔熱紙，防止紫外線燈灼燒隔離罩[4]。同時(shí)在消毒燈底部安裝降溫風(fēng)扇，隨著紫外一起啟動(dòng)。由于紫外線的波長(zhǎng)屬于短波，短波難以穿透塑料和玻璃，鑒于紫外線的這種光學(xué)特性在外筒與內(nèi)筒形成光路的部分不能產(chǎn)生阻礙。若是掏空筒體，則衣柜內(nèi)的空氣與外界形成空氣的交換，喪失衣柜保存衣物的功能。因而在光路上采用內(nèi)部掏空外筒安裝石英玻璃的設(shè)計(jì)。石英玻璃光學(xué)特性上對(duì)紫外線具有較強(qiáng)的透過(guò)性，在熱學(xué)性能上還具有低導(dǎo)熱的特性，所以石英玻璃在透光和隔熱兩方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，是設(shè)計(jì)上做透光孔的最佳材料[5]。

為了實(shí)現(xiàn)衣柜消毒的目的，在設(shè)計(jì)中需要采用消毒燈作為紫外線光源。目前市面上常見(jiàn)的有直管型、四電極和單電極直管、H管這三種消毒燈，功率上最大145 W最小4 W。額定功率4 W，可產(chǎn)生200 nm～300 nm的紫外線，輻射能量集中在253.7 nm。目前證明紫外線對(duì)大部分的細(xì)菌、霉菌、病毒、單胞藻等都有效果，考慮到衣柜空間較小的問(wèn)題，采用功率最小的4 W直管型的消毒燈最為合適[6]。

2.3.2 除濕模塊設(shè)計(jì)

為了使衣物保持干爽，防止霉菌生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)衣柜對(duì)濕度檢測(cè)的功能需要使用濕度傳感器，濕度傳感器主要有濕敏電阻型和濕敏電容型兩種類型，由于濕敏電阻型傳感器價(jià)格較低，成本較小，實(shí)用性好所以采用濕敏電阻型濕度傳感器。

由于采用DHT11濕度傳感器模塊，而模塊化后的DHT11濕度傳感器將空腳懸空，實(shí)際連接中只用到三個(gè)引腳，所以該模塊在與單片機(jī)的連接時(shí)，只需要連接三個(gè)引腳即可，根據(jù)引腳的連接情況繪制出該模塊的連接圖，如圖4所示。

圖4 DHT11濕度傳感器模塊的連接

2.3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

為了使整個(gè)系統(tǒng)更加適合家庭使用，設(shè)計(jì)中采用由220V交流家庭用電直接經(jīng)過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?2V直流供電的設(shè)計(jì)方案。在電源模塊工作時(shí)，首先220V交流電經(jīng)電容和并聯(lián)泄放電阻進(jìn)行降壓，由于電網(wǎng)中可能存在影響系統(tǒng)正常工作的雜波，需要經(jīng)過(guò)電容進(jìn)行濾波，另外由于控制系統(tǒng)中使用的為直流電，需要進(jìn)行橋式電路進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。為了得到穩(wěn)定的12V電壓,需要在輸出前加入12V穩(wěn)壓管,最后為了限制電流過(guò)大會(huì)燒毀器件，需要在出口接限流電阻、進(jìn)行限流，最終得到穩(wěn)定的12V1A電源供系統(tǒng)使用。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

智能衣柜的設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中采用了總分的設(shè)計(jì)思想，這樣可以使函數(shù)更加清晰，采用分塊函數(shù)在調(diào)試程序上也具有組織方便、尋找出錯(cuò)位置快的優(yōu)點(diǎn)。主函數(shù)是由初始化程序、按鍵旋轉(zhuǎn)程序、自動(dòng)除濕程序和消毒程序這四段程序組成共同完成對(duì)衣柜的控制。

濕度監(jiān)測(cè)程序采用if內(nèi)嵌套判斷的編寫(xiě)方式，首先由濕度傳感器采回濕度數(shù)據(jù)作為參值用作比較，開(kāi)風(fēng)門(mén)的程序需要以濕度超過(guò)50%作為第一判斷。而后需要判斷風(fēng)門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如果風(fēng)門(mén)已開(kāi)則應(yīng)避免重復(fù)開(kāi)啟，這里使用一個(gè)風(fēng)門(mén)位置變量，變量0為關(guān)，1為開(kāi)，參照變量作為第三判斷條件從而避免了風(fēng)門(mén)重復(fù)開(kāi)的問(wèn)題。

由于消毒模塊需要以按鍵為判斷條件，所以需要判斷是否有消毒按鍵按下，而門(mén)在開(kāi)啟時(shí)為避免傷害不能進(jìn)行消毒，所以需要判斷門(mén)的開(kāi)關(guān)位置，若門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)則開(kāi)始執(zhí)行消毒。進(jìn)入消毒后若檢測(cè)到有關(guān)閉按鍵按下時(shí)或者延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)或開(kāi)門(mén)按鍵時(shí)應(yīng)當(dāng)停止消毒操作，以保護(hù)衣物和防止紫外線對(duì)人身造成傷害

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過(guò)分析傳統(tǒng)衣柜存在的缺點(diǎn)，針對(duì)各項(xiàng)缺點(diǎn)對(duì)智能衣柜提出了相應(yīng)的功能方案，并按照提出的功能設(shè)計(jì)對(duì)智能衣柜的控制方案、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件、以及軟件程序等進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成一個(gè)具有消毒、除濕和按鍵旋轉(zhuǎn)功能的智能衣柜系統(tǒng)，使得衣柜在使用上相較于傳統(tǒng)衣柜更加的方便快捷，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；增強(qiáng)了衣柜在防潮，防霉，舒適性等方面的效果，提高了其存儲(chǔ)衣物的能力，具有一定的實(shí)用價(jià)值。