智能雨水晾衣監測裝置

楊詩涵 毛自娟 李勝 任海生 余怡濤 聶程志

摘要：智能雨水晾衣監測裝置采用單片機作為主要控制芯片，由溫濕度傳感器、風速傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器獲取外界的信息。傳感器所采集到空氣溫濕度、風力大小、光照強度以及是否正在下雨等信息，由單片機處理后對步進電機進行控制，實現防水布的伸出與收縮。裝置可以選擇自動避雨和手動避雨兩種模式。設計電路采用仿真軟件在電腦上進行仿真，極大地減小設計成本，直觀地發現裝置設計的缺點，也能更好地驗證該裝置的正確性。

關鍵詞：單片機? 溫濕度傳感器? 風速傳感器? 雨滴傳感器? 光敏傳感器? 步進電機仿真

中圖分類號：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

當今社會快速發展，智能化產品的質量不斷提高，極大地方便了人們的生活。晾衣架就是人們生活中不可或缺的一部分，而傳統晾衣架有很多弊端，已經不能滿足人們的快節奏生活。據我國晾衣架協會數據顯示，近年來我國智能晾衣架產品增速持續保持在50%以上，而智能化晾衣架的產品價格一般是手搖、外飄等傳統晾衣架產品的3倍以上。

智能雨水晾衣監測裝置是一種利用單片機處理多種傳感器，檢測外界信號而判斷是否有雨水的裝置。驅動電機控制遮雨布遮蓋衣物，避免衣物淋濕。該裝置適用于出門忘記關窗，曬在外面的衣物忘記收回以及門店門口防雨等多種場景[1]。

01 晾衣監測裝置的方案設計

0.11.1 系統組成

裝置由6個子系統組成：控制、檢測、外部卷簾、按鍵輸入、顯示以及蜂鳴器電路?？刂葡到y是使用51單片機作為主控芯片；檢測系統包括溫濕度傳感模塊、風速傳感器、光敏傳感器、雨滴傳感器；外部卷簾系統使用步進電機控制防水布的收縮與伸；按鍵輸入系統為3個獨立的機械按鍵；顯示系統模塊使用LCD1602液晶顯示屏；蜂鳴器電路采用一個NPN型三極管為驅動，而單片機IO只需要輸出較小的電流就可以使蜂鳴器發出聲響。電路設計的系統框圖如圖1所示。

0.21.2 工作原理

該裝置由檢測系統檢測到數據送到單片機中，再由單片機預先設計的程序進行運行讀取、判斷，將檢測到的溫度、濕度、風力大小、光照強度以及雨滴傳感器是否檢測到有水，判斷是否下雨，最后單片機驅動步進電機，實現對防水布的伸出與收縮操作[2]。當季節變更時，根據實際情況改變溫度、濕度、風力大小、光照強度的閾值來使單片機正常工作。

12 晾衣裝置的重要子系統電路設計

1.12.1 控制系統設計

以STC89C52為主控芯片[3]，該芯片具有價格低廉、性能穩定、操作簡單、超強抗干擾、高速、低功耗等特點。該系統主要由晶振電路與復位電路組成一個最小系統，外部晶振為12 MHz。復位按鍵S1可以使單片機復位重啟?？刂葡到y的設計如圖2所示。

1.22.2 檢測系統設計

（1）SHT11溫濕度數字式傳感模塊使用的是二線串行接口，內部有8～12位分辨率的A/D轉換器，可以CRC傳輸校驗，有著傳輸可靠性高、精確度高、適用范圍廣等特點，并且提供溫度補償的濕度測量值和較好質量的露點計算功能。將時鐘信號引腳與P10連接，數據信號引腳與P11連接，溫濕度傳感模塊如圖3所示。

（2）風速傳感器使用TCG-FS[3]，用來檢測風力大小。該裝置采用機械式風速傳感器，具有防雨水、耐腐蝕、抗老化等特點。驅動電路由ADC0832數模轉換器與風速傳感器組成，風速模擬量由AO輸出，然后進入ADC轉換器的CHO端口，最后將數字量傳輸給單片機。光照強度的檢測使用光敏電阻來實現，光照強度越大，其阻值越小。利用光敏電阻的電壓變化獲得模擬量，ADC0832進行模數轉換，將時鐘信號和數據輸出分別與P16和P17相連，可獲得較為精確的光照強度數字量。風速傳感器和光敏傳感器電路如圖4所示。

ADC0832是一個8位精度的模數轉換器，可以使用雙數據輸出來作為數據校驗，且數據誤差較小。在設計中，風速傳感器輸出的模擬量接入ADC0832的第一個通道（CH0通道），光敏傳感器輸出的模擬量接入第二個通道（CH1通道），只需要編寫一個通道的數模轉換程序，通過改變通道就可以實現兩路的轉換功能。

（3）雨滴傳感器是用來檢測是否有雨水的裝置。它的原理是利用水的導電性，當水聚集在模塊上時，鎳線會并聯連接，降低了電阻，從而降低了兩端的電壓。有雨水出現時，它的電阻值較小，沒有雨水時，它會增大電阻值，使用LM393電壓比較器將模擬量轉換為0和1兩種狀態。將雨滴傳感器的兩個引腳與J3端口連接，若檢測到雨水，DO輸出低電平，未檢測到雨水，DO輸出高電平[4]。單片機直接獲取雨滴傳感器的狀態，進而判斷是否有雨水。同樣可以使用AO引腳輸出的模擬量來獲取具體的雨量大小。雨滴傳感器電路如5所示。

1.32.3 外部卷簾系統

該系統是以步進電機作為主要的動力來源。步進電機由單片機決定正轉或者反轉，再由齒輪組合將力傳輸到旋轉軸上，由旋轉軸的作用實現的防水布伸出與收縮。這個系統結構簡單，安裝方便[5]。步進電機用ULN2003A芯片驅動，主要功能是給步進電機提供電流電壓，因為單片機的IO口輸出有限，所以必須要外部提供電流，同時也需要隔離的作用來保護單片機。步進電機驅動電路如圖6所示。

1.42.4 蜂鳴器電路設計

使用NPN型三極管為蜂鳴器的驅動，單片機IO口輸出方波就可以讓蜂鳴器發聲，改變占空比和輸出頻率可以讓蜂鳴器發出不同的音色和音調。

23 晾衣裝置電路的仿真

使用Proteus8軟件，根據原理圖繪制仿真電路圖。仿真總電路圖如圖7所示。

未按下按鍵時，液晶屏顯示初始界面，只顯示溫度值、濕度值和是否下雨。Rain下方顯示No，表示未檢測到雨水；若顯示Yes，則檢測到雨水，調節RV5可以調節雨水傳感器的靈敏度。第一次按下S2設置鍵，液晶屏顯示設置溫度的最小值，此時可以通過使用S3和S4改變溫度的最小值。第二次按下S2設置鍵，液晶屏顯示設置濕度的最大值，此時可以通過使用S3和S4改變濕度的最大值。第三次按下S2設置鍵，液晶屏顯示設置風力的最大值，此時可以通過按下S3和S4改變風力大小的最大值。第四次按下S2設置鍵，液晶屏顯示設置風力的最大值，此時可以通過按下S3和S4改變光照強度的最小值。第五次按下S2設置鍵，回到初始界面。第一次按下S3加鍵或切換界面按鍵，顯示屏顯示風力大小、光照強度和電機狀態，再次按下S3則與顯示初始界面相互交換。

默認狀態下溫度最小值為20 ℃，濕度最大值為 65%，風力最大值為10 N/m，光照強度最小值為35 lx。更改SHT11的數值可將其超過最大濕度值和低于最小溫度值，向上調節RV2和向下調節RV3改變風力值和光照強度，向下調節RV4模擬水滴在水滴傳感器上，則單片機會知道此時為下雨狀態，便會啟動步進電機正轉將防水布伸出，同時蜂鳴器發出聲響。雨停，各個參數恢復正常值，即開始設置的初始值或者默認值。

34 晾衣裝置的程序設計

首先，將溫濕度傳感器、LCD顯示屏、步進電機的初始位置進行初始化，由計數值控制獲取溫濕度，每500 ms獲取一次風力值和光照強度值，通過顯示標志位顯示相應的界面，其初始值和切換顯示位為0，切換顯示標志位最大為1，所以只有兩個界面可以顯示。顯示標志位最大為4，可以顯示5個不同的設置界面，通過按鍵S2切換。其次，判斷當前值是否處于設置的閾值中，如果超過或低于閾值，則系統伸出防水布；若未超過閾值，則可以自動控制防水布或者手動控制收回和伸出防水布[6]。主程序流程框圖如圖8所示。

45 結語

智能雨水晾衣監測裝置的設計通過仿真結果表明：基本滿足用戶需要達到的功能需求。該產品滿足了晾曬衣物時用防水布來避免衣物淋濕和被風刮走的需求，能夠給人們的生活帶來便利。這種裝置的設計和操作相對簡單，改善了傳統晾收衣物的方式，同時也成為智能家居的重要組成部分。

5參考文獻

[1]朱夢喬.智能伸縮防雨裝置的實用性[J].中文信息，2020（2）：273.

林關成.基于STC89C52單片機的智能晾衣架控制系統設計[J].計算機與數字工程，2021，49（1）：55-58，147.

[3]許冬雪，魏芳，邢春曉等.一種新型智能伸縮晾曬衣架的設計[J].新疆農機化，2022（4）：17-19.

[4]黃曉斌.一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統[D]. 西安：西安電子科技大學，2022.

[5]周世凡.防雨防暴曬智能晾衣裝置的研究[J].機電工程技術，2019（3）：12-15.

[6]史記征，梁晶.基于51單片機的智能晾衣架系統設計[J].電子測試，2019（11）：37-38.