智能雨水晾衣监测装置

杨诗涵 毛自娟 李胜 任海生 余怡涛 聂程志

摘要：智能雨水晾衣监测装置采用单片机作为主要控制芯片，由温湿度传感器、风速传感器、雨滴传感器、光敏传感器获取外界的信息。传感器所采集到空气温湿度、风力大小、光照强度以及是否正在下雨等信息，由单片机处理后对步进电机进行控制，实现防水布的伸出与收缩。装置可以选择自动避雨和手动避雨两种模式。设计电路采用仿真软件在电脑上进行仿真，极大地减小设计成本，直观地发现装置设计的缺点，也能更好地验证该装置的正确性。

关键词：单片机  温湿度传感器  风速传感器  雨滴传感器  光敏传感器  步进电机仿真

中图分类号：TP368.1;TP212;TU855

Intelligent Rainwater Monitoring Devices of Drying Clothes

YANG Shihan  MAO Zijuan*  Li Sheng  REN Haisheng  YU Yitao  NIE Chengzhi

（Minzu Normal University of Xingyi， Xingyi， Guizhou Province，  5624000 China）

Abstract：The intelligent rainwater monitoring device of drying clothes uses a single-chip microcomputer as the main control chip， and obtains external information by the temperature and humidity sensor， wind speed sensor， rain sensor and photosensitive sensor. The single-chip microcomputer processes the information collected by sensors such as air humidity and temperature， wind strength， light intensity and whether it is raining and then controls the stepper motor to realize the extension and contraction of the tarpaulin. The device can choose the automatic rain sheltering mode and the manual rain sheltering mode. The designed circuit is simulated on the computer by simulation software， which greatly reduces design costs， intuitively finds the shortcomings of device design and better verifies the correctness of the device.

Key Words：Single-chip microcomputer; Temperature and humidity sensor; Air speed sensor; Rain sensor; Photosensitive sensor; Stepping motor simulation

當今社会快速发展，智能化产品的质量不断提高，极大地方便了人们的生活。晾衣架就是人们生活中不可或缺的一部分，而传统晾衣架有很多弊端，已经不能满足人们的快节奏生活。据我国晾衣架协会数据显示，近年来我国智能晾衣架产品增速持续保持在50%以上，而智能化晾衣架的产品价格一般是手摇、外飘等传统晾衣架产品的3倍以上。

智能雨水晾衣监测装置是一种利用单片机处理多种传感器，检测外界信号而判断是否有雨水的装置。驱动电机控制遮雨布遮盖衣物，避免衣物淋湿。该装置适用于出门忘记关窗，晒在外面的衣物忘记收回以及门店门口防雨等多种场景[1]。

01 晾衣监测装置的方案设计

0.11.1 系统组成

装置由6个子系统组成：控制、检测、外部卷帘、按键输入、显示以及蜂鸣器电路。控制系统是使用51单片机作为主控芯片；检测系统包括温湿度传感模块、风速传感器、光敏传感器、雨滴传感器；外部卷帘系统使用步进电机控制防水布的收缩与伸；按键输入系统为3个独立的机械按键；显示系统模块使用LCD1602液晶显示屏；蜂鸣器电路采用一个NPN型三极管为驱动，而单片机IO只需要输出较小的电流就可以使蜂鸣器发出声响。电路设计的系统框图如图1所示。

0.21.2 工作原理

该装置由检测系统检测到数据送到单片机中，再由单片机预先设计的程序进行运行读取、判断，将检测到的温度、湿度、风力大小、光照强度以及雨滴传感器是否检测到有水，判断是否下雨，最后单片机驱动步进电机，实现对防水布的伸出与收缩操作[2]。当季节变更时，根据实际情况改变温度、湿度、风力大小、光照强度的阈值来使单片机正常工作。

12 晾衣装置的重要子系统电路设计

1.12.1 控制系统设计

以STC89C52为主控芯片[3]，该芯片具有价格低廉、性能稳定、操作简单、超强抗干扰、高速、低功耗等特点。该系统主要由晶振电路与复位电路组成一个最小系统，外部晶振为12 MHz。复位按键S1可以使单片机复位重启。控制系统的设计如图2所示。

1.22.2 检测系统设计

（1）SHT11温湿度数字式传感模块使用的是二线串行接口，内部有8～12位分辨率的A/D转换器，可以CRC传输校验，有着传输可靠性高、精确度高、适用范围广等特点，并且提供温度补偿的湿度测量值和较好质量的露点计算功能。将时钟信号引脚与P10连接，数据信号引脚与P11连接，温湿度传感模块如图3所示。

（2）风速传感器使用TCG-FS[3]，用来检测风力大小。该装置采用机械式风速传感器，具有防雨水、耐腐蚀、抗老化等特点。驱动电路由ADC0832数模转换器与风速传感器组成，风速模拟量由AO输出，然后进入ADC转换器的CHO端口，最后将数字量传输给单片机。光照强度的检测使用光敏电阻来实现，光照强度越大，其阻值越小。利用光敏电阻的电压变化获得模拟量，ADC0832进行模数转换，将时钟信号和数据输出分别与P16和P17相连，可获得较为精确的光照强度数字量。风速传感器和光敏传感器电路如图4所示。

ADC0832是一个8位精度的模数转换器，可以使用双数据输出来作为数据校验，且数据误差较小。在设计中，风速传感器输出的模拟量接入ADC0832的第一个通道（CH0通道），光敏传感器输出的模拟量接入第二个通道（CH1通道），只需要编写一个通道的数模转换程序，通过改变通道就可以实现两路的转换功能。

（3）雨滴传感器是用来检测是否有雨水的装置。它的原理是利用水的导电性，当水聚集在模块上时，镍线会并联连接，降低了电阻，从而降低了两端的电压。有雨水出现时，它的电阻值较小，没有雨水时，它会增大电阻值，使用LM393电压比较器将模拟量转换为0和1两种状态。将雨滴传感器的两个引脚与J3端口连接，若检测到雨水，DO输出低电平，未检测到雨水，DO输出高电平[4]。单片机直接获取雨滴传感器的状态，进而判断是否有雨水。同样可以使用AO引脚输出的模拟量来获取具体的雨量大小。雨滴传感器电路如5所示。

1.32.3 外部卷帘系统

该系统是以步进电机作为主要的动力来源。步进电机由单片机决定正转或者反转，再由齿轮组合将力传输到旋转轴上，由旋转轴的作用实现的防水布伸出与收缩。这个系统结构简单，安装方便[5]。步进电机用ULN2003A芯片驱动，主要功能是给步进电机提供电流电压，因为单片机的IO口输出有限，所以必须要外部提供电流，同时也需要隔离的作用来保护单片机。步进电机驱动电路如图6所示。

1.42.4 蜂鸣器电路设计

使用NPN型三极管为蜂鸣器的驱动，单片机IO口输出方波就可以让蜂鸣器发声，改变占空比和输出频率可以让蜂鸣器发出不同的音色和音调。

23 晾衣装置电路的仿真

使用Proteus8软件，根据原理图绘制仿真电路图。仿真总电路图如图7所示。

未按下按键时，液晶屏显示初始界面，只显示温度值、湿度值和是否下雨。Rain下方显示No，表示未检测到雨水；若显示Yes，则检测到雨水，调节RV5可以调节雨水传感器的灵敏度。第一次按下S2设置键，液晶屏显示设置温度的最小值，此时可以通过使用S3和S4改变温度的最小值。第二次按下S2设置键，液晶屏显示设置湿度的最大值，此时可以通过使用S3和S4改变湿度的最大值。第三次按下S2设置键，液晶屏显示设置风力的最大值，此时可以通过按下S3和S4改变风力大小的最大值。第四次按下S2设置键，液晶屏显示设置风力的最大值，此时可以通过按下S3和S4改变光照强度的最小值。第五次按下S2设置键，回到初始界面。第一次按下S3加鍵或切换界面按键，显示屏显示风力大小、光照强度和电机状态，再次按下S3则与显示初始界面相互交换。

默认状态下温度最小值为20 ℃，湿度最大值为 65%，风力最大值为10 N/m，光照强度最小值为35 lx。更改SHT11的数值可将其超过最大湿度值和低于最小温度值，向上调节RV2和向下调节RV3改变风力值和光照强度，向下调节RV4模拟水滴在水滴传感器上，则单片机会知道此时为下雨状态，便会启动步进电机正转将防水布伸出，同时蜂鸣器发出声响。雨停，各个参数恢复正常值，即开始设置的初始值或者默认值。

34 晾衣装置的程序设计

首先，将温湿度传感器、LCD显示屏、步进电机的初始位置进行初始化，由计数值控制获取温湿度，每500 ms获取一次风力值和光照强度值，通过显示标志位显示相应的界面，其初始值和切换显示位为0，切换显示标志位最大为1，所以只有两个界面可以显示。显示标志位最大为4，可以显示5个不同的设置界面，通过按键S2切换。其次，判断当前值是否处于设置的阈值中，如果超过或低于阈值，则系统伸出防水布；若未超过阈值，则可以自动控制防水布或者手动控制收回和伸出防水布[6]。主程序流程框图如图8所示。

45 结语

智能雨水晾衣监测装置的设计通过仿真结果表明：基本满足用户需要达到的功能需求。该产品满足了晾晒衣物时用防水布来避免衣物淋湿和被风刮走的需求，能够给人们的生活带来便利。这种装置的设计和操作相对简单，改善了传统晾收衣物的方式，同时也成为智能家居的重要组成部分。

5参考文献

[1]朱梦乔.智能伸缩防雨装置的实用性[J].中文信息，2020（2）：273.

林关成.基于STC89C52单片机的智能晾衣架控制系统设计[J].计算机与数字工程，2021，49（1）：55-58，147.

[3]许冬雪，魏芳，邢春晓等.一种新型智能伸缩晾晒衣架的设计[J].新疆农机化，2022（4）：17-19.

[4]黄晓斌.一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统[D]. 西安：西安电子科技大学，2022.

[5]周世凡.防雨防暴晒智能晾衣装置的研究[J].机电工程技术，2019（3）：12-15.

[6]史记征，梁晶.基于51单片机的智能晾衣架系统设计[J].电子测试，2019（11）：37-38.