基于STC89C52的智能衣柜設(shè)計

朱 艷

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

隨著家庭中衣物不斷增多，衣物的保存存在著許多的不方便，大多數(shù)的人喜歡把衣物存放在衣柜中，而傳統(tǒng)的衣柜在防潮防霉等方面表現(xiàn)的并不盡如人意。在防潮方面，傳統(tǒng)的衣柜并沒有相應(yīng)有效的除濕措施，每當下雨或者是在空氣相對濕度過大時，衣柜中的衣物極易受潮，穿在身上容易引發(fā)感冒等疾病，給人們帶來許多的不便。潮濕的環(huán)境也更容易導(dǎo)致霉菌等各種細菌的生長，而傳統(tǒng)的衣柜并沒有消毒的功能。霉菌破壞衣物的結(jié)構(gòu)使纖維變得更加脆弱，會使纖維變色，穿著帶霉菌的衣物能引起人類的各種皮膚疾病。為了使衣柜的使用變得更方便，增加除濕和消毒的功能便很有必要。

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，智能家具的發(fā)展卻遠沒有跟上時代的步伐，智能衣柜還未能普及到大眾家庭，最大的障礙是昂貴的智能化設(shè)備，由于許多的設(shè)計缺少經(jīng)濟實用性,使得人們面對智能衣柜望而卻步。為了使更多的人們用上方便實用舒適快捷的智能化衣柜，加快對智能衣柜的研究變得迫在眉睫。

本設(shè)計以實用廉價舒適為設(shè)計原則，在除濕，紫外線消毒等能夠方便衣柜使用的方面，結(jié)合對衣柜的使用環(huán)境和研發(fā)成本上的考慮，在衣柜結(jié)構(gòu)和智能控制的設(shè)計上突出創(chuàng)新，用更簡便的實現(xiàn)方法完成對衣柜結(jié)構(gòu)和功能上的智能化設(shè)計。

1 設(shè)計目標

本設(shè)計以STC89C52作為中央微處理器，設(shè)計合理的機械機構(gòu)，選用合適的除濕消毒方案，并通過硬件選型，而實現(xiàn)衣柜的智能化功能，

1) 一鍵開門功能，由步進電機驅(qū)動衣柜機械結(jié)構(gòu)，用按鍵控制柜門的開關(guān)和衣架的旋轉(zhuǎn)，方便衣物拿取。

2) 自動除濕功能，在除濕方面設(shè)計出更加適合家庭使用的除濕方案，采用CaCl2作為除濕劑，使用步進電機控制除濕風(fēng)門的開關(guān)，使用風(fēng)扇在除濕時加快內(nèi)部空氣的循環(huán)加快CaCl2除濕劑的除濕效率。

3) 一鍵消毒功能，用帶光耦隔離的繼電器控制紫外線燈工作，當相對濕度高于50%時，主控制器控制紫外線燈工作，實現(xiàn)消毒的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

在確定完衣柜的功能后，為了更好地實現(xiàn)功能設(shè)計，需要制定衣柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，針對衣柜的功能設(shè)計出合適的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計采用按鍵旋轉(zhuǎn)(柜門和衣架)的方法，旋轉(zhuǎn)由步進電機驅(qū)動，按鍵為四個薄膜按鍵，相對應(yīng)的具有四種功能分別為衣架的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、開關(guān)門功能組成。以應(yīng)對具體環(huán)節(jié)中非除濕狀態(tài)的開門，非除濕狀態(tài)的關(guān)門，除濕狀態(tài)的開門，除濕狀態(tài)的關(guān)門，衣架的左轉(zhuǎn)，衣架的右轉(zhuǎn)這六種情況。

除濕的功能是采用DHT11濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)自動除濕的功能[1]。采用CaCl2作為除濕劑，使用步進電機控制除濕風(fēng)門的開關(guān)，使用風(fēng)扇在除濕時加快內(nèi)部空氣的循環(huán)加快CaCl2除濕劑的除濕效率。

傳統(tǒng)衣柜沒有具備紫外線消毒的功能，為了解決衣物受潮時靠太陽光晾曬費時費力的問題和防止霉菌生長，使用鎮(zhèn)流器和紫外線消毒燈配合實現(xiàn)消毒的功能。

2.2 機械設(shè)計

2.2.1 衣柜門設(shè)計

衣柜門的設(shè)計上采用旋轉(zhuǎn)切合的方式并且使用步進電機驅(qū)動，取代了原始的合頁連接衣柜門的方式，打破了傳統(tǒng)衣柜在安裝空間上的限制，方便了衣柜開關(guān)門操作，旋轉(zhuǎn)切合式的開門方式類似于現(xiàn)代酒店的旋轉(zhuǎn)門，與其不同的是這套旋轉(zhuǎn)切合門是由外筒和內(nèi)筒構(gòu)成。外筒和內(nèi)筒在相應(yīng)位置有預(yù)留的柜門口，當兩筒的預(yù)留柜門通過旋轉(zhuǎn)重合時，柜門便形成一個通往內(nèi)部的通道。使用步進電機組與旋轉(zhuǎn)切合門配合，避免了使用對開門設(shè)計與電機驅(qū)動設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，柜門結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柜門結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 掛衣架設(shè)計

傳統(tǒng)衣柜采用橫置桿式衣架的設(shè)計，在衣柜內(nèi)放置掛衣架，挑選衣物時必須要左右擺動衣物這樣才能找到衣物，在結(jié)合電機驅(qū)動時往往要設(shè)計相對復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，為了解決從衣架上拿取衣物不方便的問題，使得用戶挑選衣物更加方便[2]。因而在衣架設(shè)計上采用旋轉(zhuǎn)掛衣架的設(shè)計，衣服掛在圓環(huán)狀的掛衣架上，當需要挑選衣物時，衣服在掛衣架的帶動下一起旋轉(zhuǎn)達到挑選衣物的目的。這樣就很大程度上節(jié)省了人力進行翻找，使得衣架使用起來更方便，根據(jù)上文設(shè)計要求畫出衣架的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 衣架結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 衣柜外形的設(shè)計

由于智能衣柜在設(shè)計上依托電子設(shè)備進行控制，所以衣柜在設(shè)計結(jié)構(gòu)上需要考慮控制設(shè)備安裝的問題，為了在衣柜中的控制設(shè)備更好地控制衣柜，使衣柜運行更加平穩(wěn)，在設(shè)計上將控制設(shè)備和除濕劑一同安置在衣架的底座中，使得衣柜的重心降低，這樣衣柜在運行時就會更加平穩(wěn)。由于同時安裝步進電機和放置除濕劑，因而在除濕劑與控制設(shè)備間安裝有隔板。同時為了讓衣柜的結(jié)構(gòu)可以更好地兼容旋轉(zhuǎn)切合門和電動衣架以及旋轉(zhuǎn)風(fēng)門的設(shè)計，減少步進電機的安裝數(shù)量以節(jié)省研發(fā)成本。在衣柜外形設(shè)計上使用了可旋轉(zhuǎn)的圓錐臺型設(shè)計，并且圓錐臺形的衣柜更適合安置在墻角等難以利用的角落，節(jié)省空間，綜合上述要求設(shè)計的衣柜外部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 衣柜外部結(jié)構(gòu)

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 消毒設(shè)備的設(shè)計

潮濕的空氣適合霉菌的生長，每當潮濕空氣滲入衣物之后，霉菌總會在衣物上生長。在日常生活中，常采用太陽光照射的方法來利用太陽光照中的紫外線殺死衣物中的霉菌。日常生活中這種做法會比較麻煩，為方便用戶對衣柜中的衣物進行消毒，改善消毒條件，因而在衣柜中設(shè)計相應(yīng)的紫外線消毒裝置。

而紫外線燈在使用時會產(chǎn)生一定的熱量，為了防止紫外線對衣物的損傷，采取紫外線消毒燈隔熱的措施[3]。紫外線的外部安裝透明的聚丙烯塑料隔離罩，在隔離罩的內(nèi)側(cè)鋪設(shè)陶瓷纖維隔熱紙，防止紫外線燈灼燒隔離罩[4]。同時在消毒燈底部安裝降溫風(fēng)扇，隨著紫外一起啟動。由于紫外線的波長屬于短波，短波難以穿透塑料和玻璃，鑒于紫外線的這種光學(xué)特性在外筒與內(nèi)筒形成光路的部分不能產(chǎn)生阻礙。若是掏空筒體，則衣柜內(nèi)的空氣與外界形成空氣的交換，喪失衣柜保存衣物的功能。因而在光路上采用內(nèi)部掏空外筒安裝石英玻璃的設(shè)計。石英玻璃光學(xué)特性上對紫外線具有較強的透過性，在熱學(xué)性能上還具有低導(dǎo)熱的特性，所以石英玻璃在透光和隔熱兩方面具有很大的優(yōu)勢，是設(shè)計上做透光孔的最佳材料[5]。

為了實現(xiàn)衣柜消毒的目的，在設(shè)計中需要采用消毒燈作為紫外線光源。目前市面上常見的有直管型、四電極和單電極直管、H管這三種消毒燈，功率上最大145 W最小4 W。額定功率4 W，可產(chǎn)生200 nm～300 nm的紫外線，輻射能量集中在253.7 nm。目前證明紫外線對大部分的細菌、霉菌、病毒、單胞藻等都有效果，考慮到衣柜空間較小的問題，采用功率最小的4 W直管型的消毒燈最為合適[6]。

2.3.2 除濕模塊設(shè)計

為了使衣物保持干爽，防止霉菌生長，實現(xiàn)衣柜對濕度檢測的功能需要使用濕度傳感器，濕度傳感器主要有濕敏電阻型和濕敏電容型兩種類型，由于濕敏電阻型傳感器價格較低，成本較小，實用性好所以采用濕敏電阻型濕度傳感器。

由于采用DHT11濕度傳感器模塊，而模塊化后的DHT11濕度傳感器將空腳懸空，實際連接中只用到三個引腳，所以該模塊在與單片機的連接時，只需要連接三個引腳即可，根據(jù)引腳的連接情況繪制出該模塊的連接圖，如圖4所示。

圖4 DHT11濕度傳感器模塊的連接

2.3.3 電源模塊設(shè)計

為了使整個系統(tǒng)更加適合家庭使用，設(shè)計中采用由220V交流家庭用電直接經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?2V直流供電的設(shè)計方案。在電源模塊工作時，首先220V交流電經(jīng)電容和并聯(lián)泄放電阻進行降壓，由于電網(wǎng)中可能存在影響系統(tǒng)正常工作的雜波，需要經(jīng)過電容進行濾波，另外由于控制系統(tǒng)中使用的為直流電，需要進行橋式電路進行整流，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。為了得到穩(wěn)定的12V電壓,需要在輸出前加入12V穩(wěn)壓管,最后為了限制電流過大會燒毀器件，需要在出口接限流電阻、進行限流，最終得到穩(wěn)定的12V1A電源供系統(tǒng)使用。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路圖

2.4 軟件設(shè)計

智能衣柜的設(shè)計采用C語言實現(xiàn)。設(shè)計中采用了總分的設(shè)計思想，這樣可以使函數(shù)更加清晰，采用分塊函數(shù)在調(diào)試程序上也具有組織方便、尋找出錯位置快的優(yōu)點。主函數(shù)是由初始化程序、按鍵旋轉(zhuǎn)程序、自動除濕程序和消毒程序這四段程序組成共同完成對衣柜的控制。

濕度監(jiān)測程序采用if內(nèi)嵌套判斷的編寫方式，首先由濕度傳感器采回濕度數(shù)據(jù)作為參值用作比較，開風(fēng)門的程序需要以濕度超過50%作為第一判斷。而后需要判斷風(fēng)門的開關(guān)狀態(tài)，如果風(fēng)門已開則應(yīng)避免重復(fù)開啟，這里使用一個風(fēng)門位置變量，變量0為關(guān)，1為開，參照變量作為第三判斷條件從而避免了風(fēng)門重復(fù)開的問題。

由于消毒模塊需要以按鍵為判斷條件，所以需要判斷是否有消毒按鍵按下，而門在開啟時為避免傷害不能進行消毒，所以需要判斷門的開關(guān)位置，若門為關(guān)閉狀態(tài)則開始執(zhí)行消毒。進入消毒后若檢測到有關(guān)閉按鍵按下時或者延時時間到達時或開門按鍵時應(yīng)當停止消毒操作，以保護衣物和防止紫外線對人身造成傷害

3 總結(jié)

本設(shè)計通過分析傳統(tǒng)衣柜存在的缺點，針對各項缺點對智能衣柜提出了相應(yīng)的功能方案，并按照提出的功能設(shè)計對智能衣柜的控制方案、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件、以及軟件程序等進行設(shè)計，完成一個具有消毒、除濕和按鍵旋轉(zhuǎn)功能的智能衣柜系統(tǒng)，使得衣柜在使用上相較于傳統(tǒng)衣柜更加的方便快捷，經(jīng)濟實用；增強了衣柜在防潮，防霉，舒適性等方面的效果，提高了其存儲衣物的能力，具有一定的實用價值。