基于单片机的智能晾衣架控制系统设计

张士伟

摘要：随着现代社会人们生活方式地不断改变与革新，目前越来越多的智能化生活用品出现在我们的日常生活中，针对目前大多数城市居民由于工作等其他方面的事情无法花费太多时间和精力来管理我们生活中合理晾晒与收衣服的问题，本设计详细的论述了晾衣架控制系统的设计步骤和设计产品的功能，设计完成了一种可以根据外界气候条件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏电阻检测外界环境光线从而实现天黑自动收衣服，采用DHT11传感器检测环境湿度，下雨的时候不用麻烦人力可以自动收衣服，将信号送到控制系统核心AT89C51单片机。本次设计有两个模式：自动模式和手动模式。自动模式下系统根据所采集的参数与设定值比较进而驱动步进电机的正反转来实现收回和打开衣架的功能，手动模式下用户可手动打开和收回衣架。

Abstract： With the continuous change and innovation of people's life style in modern society， more and more intelligent daily necessities are appearing in our daily life. It is impossible for most urban residents to spend too much time and energy managing the problem of picking up and hang out the clothes reasonably in our lives， because of other aspects of work. This paper introduces the design procedures and product function of the control system of clothes hanger in detail. This design achieves an intelligent clothes hanger which can automatically collect clothes on the basis of the outside weather environment， it applies the photoresistance to detect the ambient light in order to realize the automatic clothes collection. The DHT11 sensor is used to detect the ambient humidity， the clothes are automatically collected on rainy days， and the signal is sent to the core AT89C51 of the control system. This design has two modes： automatic mode and manual mode. Under the self-motion pattern， the system can drive the function of the clothes rack by driving the positive and reverse of the stepping motor to realize the function of the clothes rack， and the user can manually open and recover the clothes hanger under manual mode.

關键词：AT89C51；DHT11；智能晾衣架

Key words： AT89C51；DHT11；intelligent laundry rack

中图分类号：TH273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0125-03

0 引言

我们身处21世纪科技和信息大爆炸的时代，各个国家对人工智能深入研究的趋势势不可挡，人们对高新技术的追求也越来越热烈，人工智能被认为是近几年来最好的发展趋势之一， 目前在大多数的家庭中所使用的的还是原始的晾衣架，需要耗费人力去收衣服和晾衣服，造成人们在日常小事中许多不便并且花费一定精力去处理晾衣服和收衣服这件小事[1]。尽管目前在国内国外的厂商现在有许多关于这方面的研究，但是极大多数功能和技术并不成熟，仅仅达到简单的升降模式而已，并不能达到完全的智能或者说智能程度不够[2，3]。鉴于此种近况，本设计是根据外界环境湿度和光线情况，当超过设定值时（即当下雨湿度过大时）控制系统控制步进电机逆时针转动收回衣架，反之则打开衣架；采用光敏电阻，当环境光线过暗时（即天黑时）控制步进电机收回衣架，反之打开。并且可以设定步进电机转动的圈数从而达到掌控衣架收回与开启的大小[4]。本设计完成了一种可以根据外界气候条件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏电阻检测外界环境光线从而实现天黑自动收衣服，采用DHT11传感器检测环境湿度，下雨的时候不用麻烦人力可以自动收衣服，将信号送到控制系统核心AT89C51单片机，实现晾衣架自动收取凉晒的衣服的目的。

1 系统总体设计框图

本设计系统采用AT89C51单片机为系统的中央综合控制处理核心，加上以湿温度传感器DHT11为核心的湿度传感电路和光敏电阻组成的光敏电路，还有永磁式步进电机、按键电路和指示灯显示电路行成整个系统的基本组成机构。通过湿度传感器收集外界湿度信号，通过光敏电阻采集光信号，这两者再通过各自的组成电路将模拟信号送至单片机内部进行信号的综合运算处理，单片机经过内部的A/D转换器把模拟信号和数字信号两者进行转换，然后单片机根据所设计的程序运行，再将控制信号给步进电机，步进电机将控制作用于机械执行机构，系统总体框图如图1所示。

2 控制系統的硬件设计

本节将简单介绍一下AT89C51单片机的各种参数和性能，图2为AT89C51引脚图。

本系统采用的是DHT11湿度传感器，利用它来采集周围环境的湿度。由于它利用了专有的湿度传感技术和数字模块收集技术，故其具备非常好的稳定性和十分好的质量保证。它的内部由一个NTC测量温度的元件和一个利用电阻来感应湿度的元件构成，外部与8位单片机相连接。每个DHT11湿度传感器都在实验室中经过极为严格的数据校准，它的接口是单行制，因此该系统采集信号十分简易，相较于其他传感器对于本设计来说相当合理，而且它具有长达20米的信号传输距离，封装为4针单排封装，连接十分简单方便[5]。

系统天黑自动收衣服功能又光敏电阻采集光了信号来实现，光敏电阻是一种使用半导体的光电效应所制成的一种电阻器。它随入射光强的大小变化而变化，当外界光线增大时，电阻值减小，当外界光线减小时，电阻值增大。当光敏电阻接受到光照时，当半导体材料的禁带宽度低于光子的能量时，处于价带中的电子会吸取一个光子的能量产生跃迁，这个时候由于电子的脱离则在价带中就会留出一个带正电荷的空穴。这种因为光照的原因而产生的电子与空穴的相对数量的改变导致减少了半导体材料中载流子的数目，从而让其电阻率变小，最后造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。

本系统采用光敏电阻来检测是否天黑，通关光敏电阻来实现天黑自动收衣服，天亮自动晾衣服功能，电路图如图3。当外界光线照射到光敏电阻GR1时，光敏电阻阻值下降，LM393反向输出端电压大于同向输入端电压，这时会向单片机申请中断。当外界光线变暗时，D4就会亮起，在自动模式下晾衣架收回。

步进电机产生的角位移和线位移是通过电脉冲信号来转换的。它的原理是：当步进电机接受到来自系统的电脉冲信号后，它就会根据所设定的参数转动一定角度，这个角度也称步进角。我们可以通过控制电机接受到的电脉冲信号数目来控制角位移的大小，因此能够准确定位。另外电机的转动速度和加速度可以通过脉冲频率来控制，继而达到我们想要的功能。

一般步进电机分为三种：永磁式步进电机、混合步进电机、反应式步进电机。每种电机各有特点，它们适用于不同的场合。永磁式步进电机的步距和力矩较大而且动态性能也较好，混合步进电机相比永磁式步进电机步距较小，反应式步进电机的力矩和动态性能较差，故此在本设计中采用CZ-2801型步进电机。 采用永磁式步进电机，图4为CZ-2801 型永磁式步进电机外型图。

3 控制系统软件设计及系统调试

单片机开始运行主程序执行程序，按键选择功能是否为自动模式，按下最左侧按键选择为自动模式，此时红灯亮起，表示自动模式开启，此时系统根据外界湿度和光线自动执行收衣和晾衣功能；反之按下右侧第二个键则将功能转换为手动模式，此时红灯熄灭绿灯亮起，这时我们就可以自己选择什么时候收衣服。图5为程序设计的流程图。

PROTEUS是一款各方面功能都比较完善的仿真软件，它是可以用来电路仿真设计分析以及实物仿真的软件仿真系统。经过许多年的发展和完善它的仿真结果跟实际相差无几，故采用它来反正特别接近实际。它强大的功能使得它成为高校的广大师生进行单片机教学与学习的必备仿真软件。如图6为仿真软件界面。

对设计产品进行一个非常详细地调正和测试。首先我们需要对焊接的各个元件有一个十分清楚的认识，充分了解每个器件的特点及其性能，才能无误的将整个产品焊接成功。

硬件不同，则对每个硬件的焊接也有所不同。就焊接方法来讲，主要由激光焊接和手工焊接，其中激光焊接的精确度更高，不会浪费材料，但是这种焊接的成本也相当高；手工焊接相对于激光焊接来说精确度较低，可能会造成一些失误，但是它的成本相对来说不高，在有熟练的焊接技巧下失误率不高，而且就本次设计来说对产品的精确度要求并不是特别高，所以本次设计选择手工焊接的方式。此外对于不同物理性质的硬件焊接时需要多加注意，尤其是对于一些易损的元器件焊接时需要做好充分的准备工作，例如在焊接前将易损的器件清洁干净，焊接时把握好烙铁头与焊接器件的距离，保证好两者之间的温度，不易过高，可以使用酒精棉球来减少温度的升高。

经过多次的焊接和调整，在指导老师的教导下，终于将实物如期完成，实物图如图7和图8所示。

4 结论

针对目前大多数城市居民由于工作等其他方面的事情无法花费太多时间和精力来管理我们生活中合理晾晒与收衣服的问题，本设计详细的论述了晾衣架控制系统的设计步骤和设计产品的功能，设计完成了一种可以根据外界气候条件并不用人工收晾衣服的智能衣架，采用光敏电阻检测外界环境光线从而实现天黑自动收衣服，采用DHT11传感器检测环境湿度，下雨的时候不用麻烦人力可以自动收衣服，将信号送到控制系统核心AT89C51单片机。本次设计有两个模式，自动模式和手动模式。自动模式下系统根据所采集的参数与设定值比较进而驱动步进电机的正反转来实现收回和打开衣架的功能，手动模式下用户可手动打开和收回衣架。所以针对目前的情况本次设计详细地进行了研究和讨论，设计出既满足各种功能又特别经济的产品。

参考文献：

[1]Lang，Walter.Reflextions on the future of microsystem[J].Sensors and Actuators，A，physical，1999：77-78.

[2]胡峰，吴观茂.一种基于AT89C52单片机的智能晾衣架设计[J].微型机与应用，2013，3（2）：90-91.

[3]张强，郑昊.电子设计工程[M].三版.北京：机械工业出版社，2017：10-11.

[4]钟卫连.基于单片机的智能晾衣控制系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2018，8（1）：115-116.

[5]Katsuhiko Ogata.Modern Control Engineering[M].New York：Electronics industry，2000：33-34.