段明忠

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430205)

晾衣架作為都市家庭必備之物，早已遍布千家萬(wàn)戶。目前傳統(tǒng)晾衣架大多有兩種，一種是固定在陽(yáng)臺(tái)內(nèi)的衣架，這種衣架晾曬衣物時(shí)無(wú)論刮風(fēng)下雨，對(duì)衣物都沒(méi)有影響，但陽(yáng)光照射不是很好，特別是潮濕的季節(jié)，衣物往往很久都無(wú)法晾干。若晾曬的衣物能被陽(yáng)光直接照射，可以起到很好的消毒殺菌作用。另一種是固定在陽(yáng)臺(tái)外的衣架，這種衣架陽(yáng)光照射條件較好，衣物可以進(jìn)行充分的晾曬，美中不足是遇到刮風(fēng)下雨，若沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，或者由于家中人員上班無(wú)法及時(shí)回來(lái)收取衣物，造成衣物被雨水淋濕，直接影響衣物正常使用。

鑒于這樣的情況，我們想利用現(xiàn)有的機(jī)電技術(shù)和智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能防雨晾衣架，這種晾衣架安裝在陽(yáng)臺(tái)外側(cè)，衣物可以進(jìn)行充分地晾曬，一旦遇到下雨天氣，衣物可隨衣架自動(dòng)收回躲避雨水。如果雨停了，衣架就自行伸開(kāi)，衣物又可以進(jìn)行晾曬。

1 智能晾衣架的設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的這款智能防雨晾衣架，采用單片機(jī)作為核心控制單元，以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)原件，滾珠絲杠螺母裝置作為傳動(dòng)部件，四桿剪刀機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行裝置，使用雨滴傳感器接受外部的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)衣架和雨篷的自動(dòng)伸縮[1]，其三維模型見(jiàn)圖1。陽(yáng)光明媚的天氣，智能晾衣架自動(dòng)伸出，使衣物得到充分的晾曬；而遇到下雨，家中又沒(méi)人，晾衣架能夠及時(shí)縮回，同時(shí)雨篷立馬撐開(kāi)，有效的避免了衣物被雨水淋濕，從而實(shí)現(xiàn)衣物的智能晾曬功能。

圖1 智能晾衣架三維模型

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)工作原理

智能防雨晾衣架使用時(shí)，如遇下雨，裝置上部的雨滴傳感器會(huì)將收集的信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)事先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步使絲杠上的螺母向上移動(dòng)，帶動(dòng)衣架縮回，與此同時(shí)通過(guò)連桿推動(dòng)上方的雨篷撐開(kāi)。若雨停，單片機(jī)通過(guò)運(yùn)算后輸出信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，在絲杠的帶動(dòng)，螺母向下移動(dòng)，晾衣架撐出，同時(shí)雨篷縮回[2]。本機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖

2.2 總體尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖，設(shè)計(jì)繪制裝置的總裝圖(見(jiàn)圖3和圖4)，具體包含滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)、四桿剪刀機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)連桿和雨篷滑道及滑塊等[3]。此外，用于固定和連接用的螺栓、銷釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。

圖3 裝置總體主視圖

圖4 裝置總體俯視圖

本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠是主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用絲杠滑塊與四桿剪刀機(jī)構(gòu)的連桿相連，絲杠的有效行程為300mm，能滿足衣物晾曬時(shí)完全展開(kāi)的需求。這里選擇SGX1204型滾珠絲杠[4]，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 控制部分設(shè)計(jì)

智能防雨晾衣架主要由外部環(huán)境感知單元，控制系統(tǒng)和機(jī)械裝置等幾部分組成[5]，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖5所示。

圖5 智能防雨晾衣架系統(tǒng)框圖

3.1 控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)主要包括STC89C52RC型單片機(jī)，對(duì)接收到的傳感器信號(hào)進(jìn)行判別比較，運(yùn)算處理后發(fā)出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。環(huán)境感知單元由雨滴傳感器組成，收集外界雨量的大小，再將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的裝置運(yùn)動(dòng)。

3.2 控制系統(tǒng)的硬件電路

控制系統(tǒng)的硬件電路模塊連接如圖6所示，主要由單片機(jī)、繼電器、電源線、雨滴傳感器等硬件組成[5]。系統(tǒng)工作時(shí)，雨滴傳感器實(shí)時(shí)采集雨量數(shù)據(jù)，將采集的模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)判斷邏輯電路控制繼電器的開(kāi)閉，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾珠絲杠裝置的運(yùn)動(dòng)[6]。

圖6 硬件電路實(shí)物圖

3.3 功率驅(qū)動(dòng)裝置

單片機(jī)輸出信號(hào)功率太小，必須使用功率驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器能夠正常通信，避免相互干擾，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用光耦器件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離[7]。

驅(qū)動(dòng)器的常用接線方式有以下幾種：(1)共陽(yáng)方式，即把PUL+、DIR+和ENA+接在一起作為共陽(yáng)端接外部系統(tǒng)+5V，脈沖信號(hào)接入PUL-端，方向信號(hào)接入DIR-端，使能信號(hào)接入ENA-端；(2)共陰方式，即把PUL-、DIR-和ENA-接在一起作為共陽(yáng)端接外部系統(tǒng)+5V，脈沖信號(hào)接入PUL+端，方向信號(hào)接入DIR+端，使能信號(hào)接入ENA+端；(3)差動(dòng)方式，即直接連接。在智能防雨晾衣架的控制系統(tǒng)中，采用的是共陽(yáng)方式來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的，見(jiàn)圖7。

圖7 驅(qū)動(dòng)器接口電路

3.4 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)共分5個(gè)基本模塊：端口設(shè)置模塊、系統(tǒng)初始化模塊、顯示模塊、定時(shí)/計(jì)數(shù)模塊和方向判別模塊[8]。具體工作流程圖如圖8所示。

圖8 智能晾衣架工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)制作出家用智能防雨晾衣架的實(shí)物樣品，安裝于家庭陽(yáng)臺(tái)外側(cè)，實(shí)現(xiàn)了衣物的智能晾曬，能有效的防止室外衣物被雨水淋濕等問(wèn)題，該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，智能防雨，空間利用率高，曬取便捷，適合低層住宅戶外使用，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。