一种智能晾衣架的创新设计

(合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 宣城 242000)

1 概述

市场上的晾衣架大多为手动装置，无法根据实时的天气情况自主伸缩，造成了一定的不便：如下雨时无法及时收回，导致衣物淋湿；或晴朗时无法伸出，效率低下；手动控制升降费时费力。我们设计的智能晾衣架可以较为圆满地解决上述问题:基于单片机的智能晾衣架系统能够自动分析环境的温度与湿度，进而控制装置的伸缩，对衣服进行收回或晾出，与此同时该装置配备手机移动客户端APP，从而实现手动操纵。创新点如下。

1)依靠传感器检测外界气象参数，以单片机控制步进电机运行，自动调节晾衣架位置，实现智能化家居。

2)优化气象参数，提高工作效率。

3)通过手机客户端控制，可以较远距离操控，弥补了大多数相近的智能晾衣架不便实行远距离人工控制，只能当场手动操作的不足。

4)节省室内空间，目前大多数晾衣架安装于室内阳台并且采用垂直升降，此装置将衣架伸出窗外从而节省大量室内空间，并且非常稳定可靠。

2 系统设计

用温湿度传感器和光敏传感器收集外界气象参数。通过编辑相应程序，以单片机逻辑电路控制步进电机的运行，依靠机械传动装置调整晾衣架的伸缩。传感器将环境参数传入单片机，单片机自动分析，当温湿度达到设定参数和光强达到设定参数时，装置自动运行，步进电机控制晾衣架伸展。当空气湿度或光强不符合晾晒条件时，步进电机反转，控制晾衣架收回。本晾衣架也可直接使用APP进行人工调节，省时省力。智能晾衣架结构三视图如图 1所示。

图1 智能晾衣架结构三视图

3 工作流程

3.1 自动化工作流程

1)外部传感器检测气象参数。

2)达到阈值单片机控制步进电机(405步/分)转动。

3)电机带动传动装置实现伸缩。

3.2 人工控制工作流程

1)APP中选择伸缩开关。

2)收到信号，单片机控制步进电机转动。

3)电机带动传动装置实现伸缩。

4 工作原理

4.1 传感器

4.1.1 DHT11数字温湿度传感器[1]

工作电压2.7-5.5 V，湿度测量范围20%～95%Rh，测量精度为±5%Rh。温度测量范围0°～50°。内部包括1个电阻式感湿原件和NTC测温元件。通过逻辑电路控制信号输出。DHT11采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。产品为4针单排引脚封装，其引脚说明如表1所示。

表1 引脚说明

DHT11数字式温度传感器串行单线双向接口，其典型应用电路如图2所示。DATA用于单片机与DHT11之间的通信与同步，采用单总线数据格式[2]，一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。

图2 DHT11典型应用电路

4.1.2 光敏电阻传感器

工作电压3.3～5 V，使用LM393比较器，DO数字开关量输出(0和1)。该模块对光线敏感，通常用于检测环境亮度和光强度。当没有光线或光强度不能达到该值时，DO输出为高电平。当光强度超过阈值时，模块DO输出为低电平。模块数字输出DO直接与单片机连接，使用单片机检测高低电平，可以检测环境光强度的变化。

4.2 单片机

For-arduino UNO R3控制开发板通过计算机语言编辑程序，设计接收传感器信号，当达到阈值时运行程序[3]，控制步进电机工作。温度6 ℃

图3 简要程序框图

4.3 机械传动装置

4.3.1 步进电机

使用的步进电机[5]的电源线有五条，其中一条为共接点，其余四条分别为A相、A+相、B相、B+四相的输入点。中间转子由永久磁铁所构成，左边为N极，另一边为S极。定子有四组线圈，分别为L1、L2、L3及L4，各线圈的C端共接电源正极，另一端经由开关接在电源的负极单片机输出电信号，线圈A通入电流，产生N极磁场，因为磁场同性相斥、异性相吸，使转子的S极被A极吸引过来。其次，放掉开关S1，并且立刻按下开关S2，则A极的磁场消失，B极产生磁场，把转子的S极吸引过来，转子随着顺时针方向90°。像这样依次让定子的4个极通入电流，使转子不停的旋转。步进电机将脉冲信号转变为角位移，精度为步进角的3%～5%，工作电压为5 V。在装置中，电机正转使连杆上升，菱形结构衣架伸展，电机反转则相反。

4.3.2 机械升降杆

晾衣架上方固定。通过电机的转动，及螺旋杆转动，带动机件的升降，进而通过连杆上下运动推动或拉缩菱形结构架杆，从而达到晾衣架深出或缩回。具体模型见图4。

4.4 无线装置

本晾衣架实现了手机操控。通过登录APP以蓝牙信号进行控制调整。手机端可以随时根据数据，切换模式。

图4 机械升降杆

手机配对，配对成功后手机发送指令给蓝牙模块，单片机通过判断接收到的指令控制系统运行。单片机与蓝牙之间通过串口连接通信。和外部中断接收数据时，根据手机发出的不同指令信号，控制电机正反转或停转。其中正转对应伸出，反转对应收缩，停转对应停止。操作界面如下(见图5)。

图5 操作界面

5 结语

本文设计的系统可以根据温度和湿度的变化自动收放晾衣架，使衣物得到高程度的晾晒与保护。其结构简单，设备维护方便。在现场试验中，各项性能指标稳定可靠。系统投用后，实际运行效果良好，通过单片机程序与传感器的工作，很好地完成了各项工作。简单、方便、高效。