家用智能防雨晾衣架的设计

段明忠

(武汉铁路职业技术学院 湖北 武汉：430205)

晾衣架作为都市家庭必备之物，早已遍布千家万户。目前传统晾衣架大多有两种，一种是固定在阳台内的衣架，这种衣架晾晒衣物时无论刮风下雨，对衣物都没有影响，但阳光照射不是很好，特别是潮湿的季节，衣物往往很久都无法晾干。若晾晒的衣物能被阳光直接照射，可以起到很好的消毒杀菌作用。另一种是固定在阳台外的衣架，这种衣架阳光照射条件较好，衣物可以进行充分的晾晒，美中不足是遇到刮风下雨，若没能及时发现，或者由于家中人员上班无法及时回来收取衣物，造成衣物被雨水淋湿，直接影响衣物正常使用。

鉴于这样的情况，我们想利用现有的机电技术和智能控制技术设计一款智能防雨晾衣架，这种晾衣架安装在阳台外侧，衣物可以进行充分地晾晒，一旦遇到下雨天气，衣物可随衣架自动收回躲避雨水。如果雨停了，衣架就自行伸开，衣物又可以进行晾晒。

1 智能晾衣架的设计思路

设计的这款智能防雨晾衣架，采用单片机作为核心控制单元，以步进电机作为驱动原件，滚珠丝杠螺母装置作为传动部件，四杆剪刀机构作为执行装置，使用雨滴传感器接受外部的信号来实现衣架和雨篷的自动伸缩[1]，其三维模型见图1。阳光明媚的天气，智能晾衣架自动伸出，使衣物得到充分的晾晒；而遇到下雨，家中又没人，晾衣架能够及时缩回，同时雨篷立马撑开，有效的避免了衣物被雨水淋湿，从而实现衣物的智能晾晒功能。

图1 智能晾衣架三维模型

2 机械结构设计

2.1 机构工作原理

智能防雨晾衣架使用时，如遇下雨，装置上部的雨滴传感器会将收集的信号传递给单片机，单片机根据事先编制好的程序进行运算，输出控制信号，信号经过功率放大后驱动步进电机旋转，步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，进一步使丝杠上的螺母向上移动，带动衣架缩回，与此同时通过连杆推动上方的雨篷撑开。若雨停，单片机通过运算后输出信号，使步进电机反转，在丝杠的带动，螺母向下移动，晾衣架撑出，同时雨篷缩回[2]。本机构运动原理图见图2。

图2 装置机构运动原理图

2.2 总体尺寸设计

根据装置的机构运动原理图，设计绘制装置的总装图(见图3和图4)，具体包含滚珠丝杠螺母机构、四杆剪刀机构、传动连杆和雨篷滑道及滑块等[3]。此外，用于固定和连接用的螺栓、销钉等标准件通过查阅机械设计手册选取。

图3 装置总体主视图

图4 装置总体俯视图

本设计中滚珠丝杠是主要传动机构，采用丝杠滑块与四杆剪刀机构的连杆相连，丝杠的有效行程为300mm，能满足衣物晾晒时完全展开的需求。这里选择SGX1204型滚珠丝杠[4]，具体结构参数如表1所示。

表1 滚珠丝杠结构参数

3 控制部分设计

智能防雨晾衣架主要由外部环境感知单元，控制系统和机械装置等几部分组成[5]，系统框图见图5所示。

图5 智能防雨晾衣架系统框图

3.1 控制系统的工作原理

控制系统主要包括STC89C52RC型单片机，对接收到的传感器信号进行判别比较，运算处理后发出信号给步进电机驱动装置。环境感知单元由雨滴传感器组成，收集外界雨量的大小，再将信号发送给单片机，单片机通过数据的分析计算，驱动相应的装置运动。

3.2 控制系统的硬件电路

控制系统的硬件电路模块连接如图6所示，主要由单片机、继电器、电源线、雨滴传感器等硬件组成[5]。系统工作时，雨滴传感器实时采集雨量数据，将采集的模拟信号传送给单片机，单片机对采集到的信号数据与设定值进行比较，根据判断逻辑电路控制继电器的开闭，进而驱动步进电机的正反转，带动滚珠丝杠装置的运动[6]。

图6 硬件电路实物图

3.3 功率驱动装置

单片机输出信号功率太小，必须使用功率驱动器将脉冲信号进行功率放大才能驱动步进电机。为了使控制系统和驱动器能够正常通信，避免相互干扰，在驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离[7]。

驱动器的常用接线方式有以下几种：(1)共阳方式，即把PUL+、DIR+和ENA+接在一起作为共阳端接外部系统+5V，脉冲信号接入PUL-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入ENA-端；(2)共阴方式，即把PUL-、DIR-和ENA-接在一起作为共阳端接外部系统+5V，脉冲信号接入PUL+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入ENA+端；(3)差动方式，即直接连接。在智能防雨晾衣架的控制系统中，采用的是共阳方式来控制步进电机的，见图7。

图7 驱动器接口电路

3.4 控制系统的程序设计

控制系统程序设计共分5个基本模块：端口设置模块、系统初始化模块、显示模块、定时/计数模块和方向判别模块[8]。具体工作流程图如图8所示。

图8 智能晾衣架工作流程图

4 结束语

根据以上设计制作出家用智能防雨晾衣架的实物样品，安装于家庭阳台外侧，实现了衣物的智能晾晒，能有效的防止室外衣物被雨水淋湿等问题，该装置采用模块化设计，结构简单，运行平稳，安全可靠，智能防雨，空间利用率高，晒取便捷，适合低层住宅户外使用，具有一定的市场应用价值。