基于STC89C52 单片机的智能晾衣架控制系统设计*

林关成

（渭南师范学院网络安全与信息化学院 渭南 714099）

关键字 晾衣架；STC89C52单片机；光敏电阻；雨滴传感器；智能控制

1 引言

随着生活水平的提高，人们对智能家居的需求越来越高［1］。统计数据显示，目前国内晾衣架的普及率约40%，其市场销售规模约50 亿元，预计未来将达到300亿元［2～3］。然而，大多数家庭所使用的晾衣架还是较为原始的传统晾衣架。传统的晾衣架需要手动控制，不能根据外界环境湿度和光线等天气情况自动控制，需要耗费人力去收晾衣服，造成人们在日常生活中诸多不便，无法满足现代人们的生活需求［4～5］。目前，晾衣架产业逐渐完善，质量和机械结构形式丰富多样，行业设计主要集中在机械结构设计与材料选择方面。虽然国内外厂商现在有众多晾衣架设计方面的实践与应用，但大多数晾衣架的功能不够完善，其技术也不够成熟，所实现的产品主要处于半自动化状态［6～7］，仅仅通过按键电路等方式调节晾衣架的收回和打开等操作，达到简单的高度升降功能，并不能根据环境湿度和光照情况自动调节，合理保护衣物，没有实现完全的智能化［8～10］。因此，现有的传统晾衣架智能化程度不够，需要进一步开发设计，提高其智能化水平。

针对传统晾衣架存在的弊端，本设计选用单片机STC89C52 为主控制器，利用湿度传感器和雨滴检测模块收集外界环境的湿度信号，借助光敏电阻检测光照强度信号，通过传感器监测电路将采集的多路模拟信号输入至主控芯片进行运算和综合处理。模拟信号经过主控制器内置的A/D 转换器转换为数字信号。系统运行所设计的控制程序，将处理后的数字信号输出至步进电机驱动电路，进而控制衣架的机械执行机构，实现晾衣架的智能控制，提高其智能化程度，满足人们对智能家居的需求。

2 智能晾衣架控制系统的总体方案设计

智能晾衣架控制系统要求根据外界环境湿度或雨量大小，若湿度或雨量超过系统设定的阈值，则输出控制信号驱动步进电机转动，收回晾衣架，反之则打开；根据环境光线的明暗情况，当环境光线的光照强度小于设定值时，系统输出控制信号，步进电机转动收回晾衣架，反之则打开；同时，为了控制晾衣架收回和开启的升降幅度，需要设置步进电机的转动圈数。根据功能需求分析，系统以单片机为主控制器，选用光敏电阻，采用湿度传感电路和雨滴检测模块实时检测环境中的湿度光照条件，控制芯片通过读取传感器检测的外界数据信息，综合比对处理，输出控制信号，驱动电机转动，电机带动执行机构，使晾衣架打开或收回到预设的位置，实现对晾衣架的智能控制。同时，考虑操作简便和设计合理，采用遥控方式，通过按键切换手动模式或自动模式，输入信息通过无线收发模块传送到单片机芯片。

为了便于功能扩展，系统采用模块化设计为单片机模块、信息显示模块、雨滴检测模块、湿度检测模块、光照检测模块、遥控电路模块、电机驱动模块和电源供电模块等八个独立的模块。单片机模块根据遥控指令处理传感器监测信号，输出运算结果控制电机驱动电路完成晾衣架的打开或收回，同时驱动信息显示模块；信息显示模块将当前空气湿度情况及雨量信息以及光照强度等状态对外显示；雨滴检测、湿度检测和光照检测等传感器模块用于采集外界环境的雨量、湿度及光照强度等信息，并传递给单片机进行处理；遥控电路模块用于设置切换晾衣架处于自动模式或手动模式；电机驱动模块根据单片机的指令控制步进电机等机械执行机构，实现晾衣架的打开或收回；电源供电模块主要为系统提供稳定可靠的电源。控制系统的框图如图1 所示。

图1 智能晾衣架控制系统框图

3 智能晾衣架控制系统的硬件电路设计

本设计选用单片机STC89C52 为主控芯片，利用传感器监测电路采集外界环境的温湿度和光照强度等信息，并通过LCD 液晶屏显示；采用红外遥控电路控制切换手动和智能工作模式，并运用LED数码管指示工作模式状态；通过单片机指令驱动步进电机正反转控制晾衣架的打开或收回，安装限位开关控制电机停止。整个系统的硬件电路主要由单片机系统基础电路、外界环境监测的传感器电路、遥控模式电路、电源供电电路、电机驱动电路和信息显示电路六个部分组成。

3.1 单片机系统基础电路

单片机系统基础电路主要包括晶振电路、电源电路和复位电路三个部分。设计所选用单片机的晶振电路可为控制系统提供基准时钟信号，由外接晶振、片内振荡器和微调电容构成。电源电路采用+5V 供电，其间跨接电容，过滤干扰信号，防止电压波动。复位电路采用上电自动复位，配合手动按键，实现单片机的复原或校准。

3.2 传感器监测电路

1）雨滴检测模块

雨滴传感器采用FR-04 材料，表面镀镍处理，使用+5V 电源供电［11］。在传感器干燥情况下，输出高电压5V，感应指示灯熄灭；当传感器检测到雨滴时，输出低电压0V，感应指示灯熄灭；然后刷干雨滴，系统恢复到没有雨滴的输出信号。同时输出模拟量，其输出的电压和滴到感应板的雨水量成正比例关系。

2）湿度检测模块

设计中湿度检测使用具有湿度传感技术和数字模块收集技术的DHT11 数字湿度检测传感器［12］，其内部采用电阻式材料，利用电阻感应湿度，可校准输出的信号量。输出数据使用单总线串行模式，输出内容为5 个字节，包括湿度的整数和小数位。模块外接3.3V～5V 电源，采用4 针单排封装，通过开关数字量输出接口和单片机IO 口相连，读取数据信息，其信号传输距离达20m。

3）光照检测模块

设计中光照强度检测使用的是光敏电阻。光敏电阻是由半导体材料制作而成的［13］，利用半导体的光电效应，其阻值和光照强度成反比。通过使用光敏电阻，利用其光照特性和三极管以及电阻构成附属电路，在光敏电阻处于不同阻值时，三极管处于导通或截止的状态，输出高低不同电平，然后向单片机申请中断，实现晾衣架的打开和收回。

3.3 遥控模式电路

系统中使用SC2262 和SC2272 芯片分别作为遥控和接收电路［14］，遥控端供电使用12V 的电池，在按建按下后，才开始供电，可降低电池的使用时间，降低遥控端的功耗。在接收电路中，使用了9013 三极管，通过三极管特性把高电压转换为低电压，输入到单片机。数据的最大传输速率是9.6KBS，使用中控制在2.5KBS。

3.4 电源供电电路

选用集成稳压直流电源供电［15］，主要包含整流电路、稳压电路、滤波电路和电源变压器四个部分，其中整流电路采用整流二极管1N4007 构成整流桥，稳压电路使用三端集成稳压器LM7805。其输入电压为7V～35V，输出直流电压为+5V，输出电流最大达1A，电源内部含有过载过流保护电路。

3.5 电机驱动电路

控制电机选用两个永磁式步进电机28BYJ-48，用来打开或收回晾衣架［16］。步进电机为4 相5 线制，其驱动电压为+5V，步进角5.625/64°，减速比1：64，启动频率 ≥ 550PPS。同时，在设计实现过程中，使用继电器来控制电机的转向。对于继电器驱动电路，则使用9012 三极管来实现。当电机正转时表示晾衣架打开，蓝色LED 灯点亮；当电机反转时表示晾衣架收回，黄色LED 灯点亮；通过行程开关检测是否达到位置，达到行程开关位置时，对应LED指示灯闪烁然后熄灭。

3.6 信息显示电路

信息显示电路中外界环境参数信息采用带字库的LCD12864 液晶屏显示，系统运行模式状态使用两位式八段共阳极数码管显示，其公共端利用74HC573八位三态锁存器通过独立I/O端口进行驱动控制。数码管的工作电压2V，工作电流15mA。

4 智能晾衣架控制系统的软件程序设计

系统中晾衣架的控制方式设计为智能工作模式和手动工作模式，利用红外遥控进行切换，根据红外遥控模块输入的数据决定工作状态。智能工作模式中，各传感器检测并采集当前环境的温湿度值以及光照强度值，并在LCD 屏上显示相应的数值；同时通过红外遥控器预先设定温湿度和光照强度的比较阈值，单片机根据程序设计判定当前的天气情况，驱动电机实现晾衣架的智能控制。手动工作模式中，利用红外遥控器直接控制步进电机的正反转，实现晾衣架的打开或收回。系统的具体工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程图

系统上电后，启动定时器，打开中断，初始化LCD 液晶显示屏。控制系统主程序定时读取湿度传感器、雨滴传感器和光敏电阻检测的数据并显示。当按下红外无线遥控器的智能/手动按键时，系统进行工作模式切换。若系统处于智能工作状态，单片机将传感器采集的温湿度和光照强度与预先设定的阈值进行比较，当湿度传感器超标，或雨滴传感器有水，或光照强度较低时，单片机通过指令驱动步进电机反转，自动收回晾衣架；否则自动打开晾衣架，智能工作状态流程如图3 所示。若系统处于手动工作状态，则利用红外无线遥控器的打开或收回按键直接控制步进电机的正反转，实现晾衣架的打开或者收回。

图3 智能工作状态流程图

5 智能晾衣架控制系统的功能测试及分析调试

根据系统设计方案，按照功能模块布局线路，放置各电路所用元器件并焊接，目测检查系统多功能板各元器件引脚的焊接状态，借助仪器分别测试传感器部分、电源部分和显示驱动等电路的电气性能和功能参数。经多次校验无电气错误后，系统通电加载调试程序。系统智能控制程序通过keil μVision4 软件平台开发编译，利用STC-ICP 软件将程序下载至单片机芯片，加电后，观察LCD 液晶屏显示温湿度值和光照强度值以及预先设置的比较阈值，初始化正常后即可开始系统调试分析。重点测试单片机系统对湿度传感器、雨滴传感器和光敏电阻所输入的温湿度和光照强度数据的延时去抖能力、环境参数实时刷新性能以及对步进电机和机械执行机构的驱动控制功能。

多次试验测试结果表明，系统借助红外遥控切换工作模式，单片机根据程序运算，比较判断设定阈值，利用指令驱动电机实现了晾衣架的自动打开或收回功能，同时显示工作状态信息和外界环境参数。系统整体智能化程度较高，实时性能较好，可扩展性较强，达到了预期设计目的。

6 结语

本文提出了智能晾衣架控制系统的总体设计方案，阐述了系统的硬件电路设计步骤和软件程序设计流程。通过性能测试分析，智能晾衣架控制系统利用红外遥控方式能够根据采集监测的温湿度和光照强度等环境参数，驱动电机及机械执行机构自动打开或收回晾衣架，并实时采集和显示更新环境参数和系统工作状态信息，具有实时性能好、智能化程度高、可扩展性强等优点，具有较好的社会应用价值。