張 斌，馬永斌，邱秀榮，赫書(shū)月

（商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，河南商丘476000）

1 引言

晾衣架是現(xiàn)代人常用的家居用品，如今已成為許多家庭的生活必需品。而傳統(tǒng)晾衣架不具備智能化的特點(diǎn)，不能根據(jù)環(huán)境變化改變工作狀態(tài)[1-2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種類(lèi)型的傳感器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，隨時(shí)隨地方便地對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集已成為可能。人們可對(duì)采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)分析，從而做出相應(yīng)的決策。所設(shè)計(jì)的智能晾衣架系統(tǒng)即是使用傳感器獲取環(huán)境信息[3]，然后對(duì)信息進(jìn)行分析，相應(yīng)地驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的伸縮功能。該系統(tǒng)對(duì)晾衣架的控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，可以隨時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)的天氣的狀況，極大地方便人們的生活。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電機(jī)控制模塊、狀態(tài)顯示模塊等組成。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，晾衣架的智能控制主要即是通過(guò)對(duì)其所獲取的各種環(huán)境信息分析實(shí)現(xiàn)的[4-5]；無(wú)線收發(fā)模塊由SC2262、SC2272編碼解碼芯片組成，用以控制系統(tǒng)的工作模式和工作狀態(tài)；STC89C51單片機(jī)主控芯片可對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，并發(fā)送相關(guān)控制指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和狀態(tài)指示燈的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變[6]；電機(jī)控制模塊可通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)晾衣架的伸縮功能，為防止晾衣架損壞，使用限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)晾衣架位置；狀態(tài)顯示模塊可提示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，模式一為手動(dòng)，模式二為自動(dòng)，默認(rèn)為自動(dòng)模式，可自由選擇。其中，手動(dòng)模式由無(wú)線收發(fā)模塊控制，遙控器發(fā)送控制信號(hào)，電路板信號(hào)接收端接收信號(hào)并響應(yīng)[7]。自動(dòng)模式依靠分析傳感器獲取的環(huán)境信息進(jìn)行自動(dòng)控制。流程如下：首先系統(tǒng)進(jìn)行模式判斷，如果是手動(dòng)模式，則晾衣架系統(tǒng)根據(jù)操作者的具體操作指令做出反應(yīng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，晾衣桿伸出，電機(jī)反轉(zhuǎn)，晾衣桿收回。

如果是自動(dòng)模式，則系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境狀況自動(dòng)控制晾衣架的工作狀態(tài)。若天氣晴朗，濕度較低，晾衣架自動(dòng)伸出；若是下雨天、光線很暗或者濕度較大時(shí)則晾衣架自動(dòng)收回。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以對(duì)光線、溫度和濕度的值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)做出相關(guān)的響應(yīng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片與晶振電路

選用STC89C51作為主控芯片，其有40個(gè)引腳，可提供32個(gè)可編程I/O口線，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，同時(shí)具有4kB的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該芯片功能較強(qiáng)，因此在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

晶振電路的功能是結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)正常工作所需要的時(shí)鐘頻率，保證單片機(jī)的指令能夠正常接收和發(fā)送。在晾衣架系統(tǒng)中，電路使用兩個(gè)30pF的瓷片電容來(lái)保證晶振能夠正常起振。在晶振電路的輸出端由電阻和負(fù)載電容構(gòu)成一個(gè)限流網(wǎng)絡(luò)。限流網(wǎng)絡(luò)的主要作用是限流，防止反相器出過(guò)大的電流而損壞晶振。晶振頻率為11.0592MHz。晶振電路連接STC89C51芯片的18和19號(hào)引腳。晶振電路如圖2所示。

3.2 射頻收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)晾衣架的遙控操作，利用無(wú)線信號(hào)進(jìn)行信息的發(fā)送和接收[8]。該功能通過(guò)SC2262/2272芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中SC2262用于發(fā)射裝置，SC2272用于接收裝置。編碼芯片SC2262出發(fā)的編碼信號(hào)通過(guò)同步碼、地址碼和數(shù)據(jù)碼組成完整的編碼數(shù)字，SC2262是否工作由電源是否接通決定。射頻發(fā)射模塊電路圖如圖3所示。

圖2 晶振電路

圖3 射頻發(fā)射模塊電路圖

SC2262在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)送當(dāng)前的地址編碼和數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)，當(dāng)SC2272的地址與SC2262的地址一致時(shí)，開(kāi)始接收SC2262送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。射頻接收模塊電路圖如圖4所示。

圖4 射頻接收模塊電路圖

3.3 電機(jī)控制模塊

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況是由繼電器來(lái)控制的。電機(jī)正轉(zhuǎn)表示晾衣架伸出；電機(jī)反轉(zhuǎn)代表示晾衣架收回。因晾衣桿有長(zhǎng)度限制，為了防止電機(jī)無(wú)限制地轉(zhuǎn)動(dòng)使晾衣桿持續(xù)伸出或者收回而使電機(jī)損壞，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)置了限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)晾衣桿碰觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將晾衣桿固定。電機(jī)控制模塊電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制模塊電路圖

3.4 狀態(tài)顯示模塊

自動(dòng)和手動(dòng)模式的狀態(tài)顯示模塊由三個(gè)LED燈表示。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)能夠通過(guò)各種傳感器主動(dòng)感知外界信息，并自動(dòng)做出晾衣桿的伸出和收回動(dòng)作；手動(dòng)模式下，可以通過(guò)遙控器來(lái)控制。其中，紅色燈亮起表示晾衣架是自動(dòng)工作模式，紅色燈熄滅表示晾衣架是手動(dòng)工作模式。另外，黃燈亮起，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，表示晾衣桿是伸出的狀態(tài)；綠燈亮起，電機(jī)反轉(zhuǎn)，表示晾衣桿是收回狀態(tài)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

系統(tǒng)各個(gè)模塊及整個(gè)電路圖設(shè)計(jì)完成并組裝后，將程序?qū)胂到y(tǒng)完成了整個(gè)晾衣架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

為了保證系統(tǒng)各個(gè)功能都能夠正常運(yùn)行，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試。首先將電源接通，打開(kāi)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式，同時(shí)紅燈亮起。在光照強(qiáng)度較高，濕度較低時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制晾衣桿伸出，在碰觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；然后控制光照強(qiáng)度，在光線較暗、有雨滴或濕度大于等于設(shè)定的最大閾值時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制晾衣桿收回，在碰觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)相應(yīng)指示燈亮起。在手動(dòng)模式下紅燈熄滅，按下控制器上的電機(jī)正轉(zhuǎn)按鈕，晾衣架伸出，按下反轉(zhuǎn)按鈕，晾衣架收回，相應(yīng)指示燈亮起。

5 結(jié)束語(yǔ)

此款智能晾衣架系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)，采用不同模式實(shí)現(xiàn)對(duì)晾衣架的控制，操作靈活；用限位開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)時(shí)刻，控制晾衣桿架伸縮距離；用LED燈顯示系統(tǒng)工作模式和工作狀態(tài)，以直觀展示當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)；同時(shí)由數(shù)碼管顯示當(dāng)前空氣的濕度情況。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單易用、成本低廉的特點(diǎn)，因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值。