一种新型智能伸缩晾晒衣架的设计

许冬雪，魏 芳，邢春晓，侯跃达，张议心，何士海

（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.白银矿冶职业技术学院；3.中国农业大学工学院）

0 引言

晾衣架作为家居必备产品，被广泛应用于日常生活中[1]，目前市面上常见的晾衣架都是安装在阳台上，但是室内阳台相对封闭，存在通风效果差，采光不足等问题[2,3]。为了避免这些问题，有部分厂家通过活动铰链的方式将晾衣架伸到户外[4,5]，但是这种晾衣方式遇刮风下雨需人工及时回收衣物。针对此问题，研究设计了一种新型智能伸缩晾衣装置，可以实时感知环境信息，遇天气突变可及时将衣物自动收回。

1 机械结构设计

1.1 智能晾衣架工作原理

智能晾衣架的整体结构如图1，主要由固定底座、收缩电动机、收卷辊、晾衣板、储电池、太阳能电池板和传感器等部件组成。挡雨板下方有晾衣板,上方有湿度、风力、光线检测传感器,当遇到刮风下雨时可以通过传感器及时察觉并输出信号给单片机，通过控制器启动收缩电机，收缩电机带动收卷辊转动，从而将牵引绳收卷，及时将晾衣板收纳至挡雨板下并开启报警器提醒人们及时收回衣物，同时可将传感器无线连接至手机端，当天气变化时，传感器第一时间将信号传输给手机。当天气晴朗时，晾衣板在系统控制下通过收缩杆伸到室外晾晒，系统所需的电能由太阳能电池板提供。

图1 整体结构示意

1.2 晾衣板设计

晾衣板安装在收缩杆的后方，晾衣板由板体、扣环、限位块、复位弹簧、磁铁块、固定块和移动拉环等部件组成，如图2。晾衣板板体加工出1个活动槽，如图2（a），活动槽的内部结构如图2（b），材质为Q235的限位块的内壁固定连接复位弹簧，复位弹簧的顶部固定连接伸缩柱，伸缩柱的顶部固定连接限位凸块，活动槽1的内壁加工出若干个卡位孔，限位凸块与卡位孔之间相互卡接。

晾衣板板体的一侧加工出长槽，长槽的内壁安装活动磁铁块，磁铁块的一侧固定连接拉环，如图2（c）。活动限位块对衣架起固定作用，通过滑动限位块将晾衣架进行挤压限位，随后移动拉环，拉环带着磁铁块移动，磁铁块吸引限位凸块进入卡位孔的内部，完成卡接，如图2（d），从而确保衣架不会摇摆，避免衣物掉落。

晾衣架活动槽的内壁安装固定块，扣环与板体和固定块卡接，可将衣架挂在两个活动槽之间，如图2（a），通过两侧的扣环将衣架进行前后限位，避免因刮风导致衣架晃动。

图2 晾衣板结构

2 系统硬件设计

智能伸缩晾衣架的系统原理如图3，控制系统主要由STC89C52单片机、DHT11湿度传感器、风力检测传感器、光线检测传感器和电动机等模块组成。以STC89C52单片机作为整个控制系统核心，传感器对环境进行感知，将检测到的外部环境湿度值、温度值和风力值实时传递给单片机，单片机根据此前的程序进行数据处理，做出相应的判断，如果能进行晾晒，会传递命令给电动机，由此电动机做出正反转运动，晾衣板自动伸出，达到良好的晾晒效果。当湿度、风力、光线达到系统预先设定的值时，控制系统执行操作命令，晾衣架做出相应的收缩动作，防止衣服被淋湿[6]。

图3 设计系统原理

2.1 主控芯片选择

晾衣架主控芯片选择的是低电压、高效率的STC89C52单片机（图4），该单片机具有耗能较低、性能较强的CMOS8位微控制器[7]，处理速度比其它单片机快，3个16位定时器和计数器可以实现多程序同时运行，MAX810复位电路，32位I/O线使它具有更大的功能拓展空间，看门狗定时器和512字节RAM可以编写更多、更复杂的程序[8]。

图4 STC89C52单片机

该单片机的主要任务是接收传感器发送来的数据和根据接受到的衣物检测情况来控制电机，从而控制晾衣板的伸缩[9]。

2.2 湿度传感器

DHT11温湿度传感器（图5）具有极高的可靠性与稳定性，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[10]。湿度测量范围为5~95%RH，湿度测量精度±5%RH，温度测量范围-20~60℃，温湿度测量精度±2℃。该数值能够满足本设计的温湿度传感器所需要的测量范围和误差，同时降低了设备成本，而且只用一个总线就能与主控芯片相连接并且传送出数字信号[9]。

图5 DHT11温湿度传感器

2.3 光线检测传感器

采用BH1750FVI光敏传感器，如图6，它是一种数字化光强传感器，BH1750FVI光敏传感器放在挡雨板上方，实时检测周围环境的光照情况，支持宽幅光强度变化，内部结构如图7。该传感器是一种采用两线串行总线接口的数字型光线检测传感器集成电路[11]。PD接受光线强度，在AMP作用下，将PD电流转化成电压，经ADC模数转化成16位数据，最后进行逻辑和IC界面，将数据传送给STC89C52单片机，在控制系统控制下向电动机发出驱动信号进行操作。

图6 BH1750FVI光敏传感器

图7 BH1750FVI内部结构

2.4 风力检测传感器

选用TCG-FS风速传感器，该传感器具有量程大、线性好、抗雷击能力强和观测方便等特点[12]，该传感器用来接收脉冲信号，能很好地与STC89C52单片机外接口相接。它主要由三杯风感应元件和精密导电塑料电位器组成。测量范围0～70m/s，测量精度：±（0.3+0.03V）m/s，测量分辨率0.1m/s，传感器启动速度≤0.3 m/s。

3 系统软件设计

主程序流程图如图8，当系统充电时，系统会进行初始化调整。

图8 主程序流程图

主程序主要控制智能晾晒衣架的模式转换，包含打开程序、收回程序和自动控制程序。自动控制程序是在用户没有对智能晾晒衣架进行操作的情况下由内部传感器进行的一系列环境量检测，系统基于传感器测试值做出判断，衣架会做出相应的打开与收回动作；手动模式是用户对智能晾晒衣架进行了手动操作，若无手动操作指令将自动进入自动控制程序。

4 结论

依据户外天气条件的不同，针对传统晾衣架通风效果差、采光不足、室外伸缩晾衣架不能应变复杂多变的气候等问题，以STC89C52单片机为主控元件，联合DHT11温湿度传感器、风力检测传感器、光线检测传感器设计了一种智能晾晒衣架装置。该装置当遇到下雨、刮风时，可以通过传感器及时察觉并输出信号给单片机，通过控制器启动电动机带动收卷辊转动，从而收卷牵引绳及时将晾衣板收纳至挡雨板下。当天气晴朗时，晒衣架在控制系统作用下，将晒衣架伸出进行晾晒。该装置结构简单、运行平稳、安全可靠、智能防雨、空间利用率高、晒取方便，满足了人们在不同地区、不同季节对智能化晾衣的特殊需求。