基于STM智能晾衣架的设计与实现
摘 要
随着智能家居近年来成为热门话题并迅速发展，智能晾衣架作为智能家居的一部分也受到了很多关注。目前，市场上的一些自动升降衣架只解决了传统遥控设备衣架劳动密集型的问题，而且由于价格高昂，实际使用它们的家庭相对较少。这种衣架对周围的环境数据没有智能感知。如果没有人在家，它就不能及时晾干和回收衣服，这给人们的生活带来了一定的问题。为了解决上述问题，本文以STM32微控制器为核心，设计了一种智能洗衣烘干系统。该系统可以检测环境变化，并根据实时天气状况自动控制晾衣架进行各种烘干动作，提高家庭生活的舒适性和便利性。

关键词：智能晾衣架；STM32；物联网；传感器

ABSTRACT
With the popularity and rapid development of smart homes in recent years, smart drying racks, as a part of smart homes, have also received a lot of attention. At present, some automatic lifting hangers on the market only solve the labor-intensive problem of traditional remote-controlled hangers, and due to their high price, there are relatively few households that actually use them. This type of hanger does not have intelligent perception of the surrounding environmental data. If no one is at home, it cannot dry and recycle clothes in a timely manner, which brings certain problems to people’s lives. In order to solve the above problems, this article designs an intelligent laundry and drying system with STM32 microcontroller as the core. This system can detect environmental changes and automatically control the drying rack to perform various drying actions based on real-time weather conditions, improving the comfort and convenience of family life.

Keywords: Intelligent drying rack; STM32； Internet of Things; sensor

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 3
1.1选题背景与意义 1
1.2国内外相关发展现状 1
1.3主要研究内容 2
2 系统整体方案设计 3
2.1 系统设计原理 3
2,2 主要器件选型 3
3 系统硬件设计 5
3.1核心控制器 5
3.2 显示模块 7
3.3 温湿度传感器模块 8
3.4 光敏传感器模块 9
3.5 驱动模块 10
3.6 蓝牙模块 10
3.7 雨滴检测模块 11
4.系统软件设计 13
4.1 主程序设计 13
4.2 DHT11数字温湿度传感器模块设计 14
4.3 显示子程序设计 15
4.4 蓝牙模块程序设计 15
5.系统测试 16
5.1 硬件电路调试 16
5.2 软件调试 17
5.3结果分析 18
结 语 19
致 谢 20
参 考 文 献 21

1 绪论
1.1选题背景与意义
技术是第一生产力。技术的进步推动着人类生活的进步，人们在生活中不断追求智慧。这种形式促使各国对家具智能化进行深入研究。人工智能的出现和应用，进一步推动了人们对家电、照明、窗帘管控、防盗报警等智能方面的研究，使人们的生活更接近全面的人工智能。然而，在中国，对各种人工智能家具中的烘干工具的研究并没有得到太多的关注和研究，甚至可以说变化不大。因此，其市场研究价值非常高，非常有利于我们的开发和研究。
如今，在中国大多数普通用户的日常生活中，很少有智能晾衣架可以根据外部环境的变化改变硬件性能，从而实现晾衣架自动收缩或膨胀的目的。常见的普通晾衣架在实际生活中不太人性化，许多常见问题无法解决。例如，如果我们不在家工作，突然下雨，我们在外面晾干的衣服不能及时收集，导致衣物繁重；晚上加班不能回家，烘干的衣服不能及时取走，造成损失。此外，在炎热的夏天，我们通常会把洗过的衣服挂在户外一整天，因为我们工作繁忙，无法及时取用。假设我们不在家，但夏天中午不能把衣服回收到屋里，导致衣服暴露在阳光下，这种现象在我们的日常生活中最为常见，所以普通的衣架会对我们的衣服造成很大的损坏。
根据目前晾衣架的发展，这种设计方法可以将人们从洗衣烘干的原始操作中解放出来，实现智能生活。除了人工智能，这种智能晾衣架还有其他优点，例如与其他晾衣架相比占地面积相对较小，其操作方法特别简单：可以通过远程控制手动伸缩，外观也非常美观。与其他干燥架相比，这种设计大大避免了操作复杂的问题。其工作模式是，每个相应的检测模块在接收到当时的温度、湿度或光强度后，将接收到的信息发送给微控制器。微控制器发送适当的信号来转动电机，实现烘干衣物的功能。
1.2国内外相关发展现状
作为一个人口众多、技术先进的国家，住宅设计优先考虑满足基本需求。因此，与发达国家相比，智能家具的设计要晚得多。中南林业大学研究员钟吉祥在其发表的文章中表达了他对智能家具未来的展望。2006年，南京林业大学段教授提出了智能家具研究的完整理论基础，构建了智能家具设计的理论框架。2011年，毛毅结合前人的知识，加强了智能家具设计方法的建设，并运用自己的理论和实践水平，设计出具有防霉、防潮等相关警示措施的智能衣柜。这也是中国首次以智能家具的形式向公众展示研究成果，为后续智能家具的研究提供了参考意义。2019年，大量研究人员开始将微控制器集成到智能家具的设计中。2020年，湖南大学肖教授团队通过空间整合，将办公区和用餐区独特地结合在一起。随着智能手机的普及和中国多年的技术积累，出现了大量结合Android技术的智能家具系统。在接下来的几年里，越来越多的智能家具被设计出来，包括智能衣架、鞋柜、橱柜、储物柜、餐桌等等。相关的智能家具制造商和设计师也如雨后春笋般出现。
与国内市场相比，国外智能家具市场由于起步较早，已经在市场上得到了应用和普及。早在2011年，在一次关于电气和电子的国际会议上，金就提出了智能衣柜系统的设计思路和概念，以帮助色盲人士进行配色辅助和其他相关任务。设计理念是利用射频技术捕捉和获取衣柜中的服装数据，为用户提供相关决策，实现更好的服装组合。美国Foldimate公司开发了一种自动折叠装置，解决了人们折叠衣服不均匀导致皱纹的问题。最高效率可以在三分钟内完成24件衣服的折叠，并且可以自动去除皱纹。但是，这种设计不能用于内衣和袜子，也不能用于超大服装！。在后期设计阶段，WiFi物联网在国外市场也被广泛用于设计不同类型的智能家具，这不仅增加了功能和使用率，还为智能家具提供了更多的可玩性。
1.3主要研究内容
（1）设计目标
本毕业设计将围绕基于STM32单片机的智能晾衣架监控系统展开详细设计。主要内容包括以下几个方面：
（1）按键模块。用来输入信号，设置功能。通过按键设置光照强度和湿度阈值，实现按键切换功能。
（2）显示模块。通过光敏传感器采集当前的光照强度，到显示屏上面。
（3）温湿度传感器，通过DHT11传感器采集温湿度，显示到显示屏上面。
（4）如果湿度大于设置阈值，蜂鸣器提醒可能下雨。当湿度小于阈值并且光强大于阈值，也就是天晴，自动打开晾衣杆。

2 系统整体方案设计
2.1 系统设计原理
该设计使用STM32微控制器结合温度和湿度传感器、光敏电阻和其他设备来检测外部环境的变化。它们接收到的信息被发送到微控制器，然后微控制器驱动电机完成智能衣物烘干功能。

图2.1 系统架构图
温湿度检测电路是本设计的重要组成部分。当温度和湿度在设定值范围内时，系统会向微控制器发送信号，微控制器会发出控制信号，使电机向前转动，完成烘干机的延伸。光检测电路和温湿度检测电路的功能类型是熟悉的，但它们使用不能改变设定值的特定光敏电阻。按钮电路模块主要用于手动和自动模式之间的切换，以及更改设定的温度和湿度值；电机驱动切换模块基于微控制器信号输出控制不同方向的旋转、膨胀或收缩；LCD显示电路可以显示当前系统模式和设定的温度和湿度值；可以改变系统模式，以不同的间隔控制干燥架的伸出或缩回。
2,2 主要器件选型
（1） 微处理器模块
系统主控制器的选择主要考虑Arduino和STM32。前者具有极高的代码封装优势，在开发过程中需要更少的指令，大大降低了开发难度。此外，芯片的大多数功能都有相应的库，易于访问。这正是复杂函数的可控性被削弱的原因。后者更侧重于实际工程应用，更适合具有控制或计算要求的系统。此外，在实际应用比较中，STM32系列芯片比Arduino更容易过热。虽然Arduino比STM32更容易使用，但底层操作的过度打包不可避免地会导致编程学习后获得的知识较弱。在成本方面，STM32系列的芯片也更低。综上所述，STM32更适合该系统的开发要求，因此首先选择STM32F103RET6微控制器作为控制器。它属于中低端32位ARM微控制器类别。
（2）显示方案的选择
LCD1602的液晶显示屏以其丰富的显示内容、清晰的可读性和合理的价格而著称。在众多的液晶显示设备中，液晶显示器以它独有的优点而得到了广泛地应用。该设备具备展示多行文字和数字数据的能力，能够满足各种不同的显示需求。在使用时只需将屏幕上的数据或图形通过数据线传送到计算机中去即可。其接口设计简洁，编程方便，在显示控制方面更为便捷。在综合权衡显示效果、成本以及应用需求等多个因素后，决定采用LCD1602显示屏作为本次设计的主要显示模块。
（3）传感器的选择
方案一:采用DHT11传感器采集湿度，该传感器集测温、测湿度为一体，输出为数字量信号，数字量信号以经内部校准。传感器采用专业的集成数字传感器技术，其具有极高的稳定性和极强的可靠性[4]。传感器内部设置了一个感温元件和一个感湿元件，输出为总线形式，可直接与单片机相连。该传感器不仅性能十分优越，价格也非常低廉，在很多低成本控制系统中被应用。
方案二:采用HR202电阻型湿度传感器，HR202湿敏电阻其核心感湿元件是一种新型的高分子材料，该材料具有很宽的感湿范围，并且常见稳定有效，可广泛的应用在仓库、大棚等需要检测、控制湿度的系统中，但该传感器不能直接通过直流驱动，采集信号要通过A/D转换，因此电路设计较为复杂。
综合考虑性能和读取方式，DHT11虽然编程较为复杂，但其外围电路简单，可通过单片机I/0口直接读取，所以选择方案一作为系统的湿度检测模块。

3 系统硬件设计
3.1核心控制器
3.1.1 单片机芯片
STM32系列是ARM的基础Cortex-M3内核的构建，不需要那么高的性能、STM32在72MHz的时间段内具有36mA的功率它具有功能强大、结构简单的优点，广泛应用于各种嵌入式系统中。根据其性能特点，该产品可分为两大系列：STM32F103增强型系列和STM32F101基本型系列。增强型芯片具有更高的性能管理能力，可以在确保硬件可靠性的同时有效降低系统功耗，从而提高整个处理器系统的整体性能。扩展串行时钟的频率高达72MHz，使其在同类产品中表现出色；与16位产品的定价相比，36MHz基时钟频率显著提高了其性能，使其成为16位产品用户的首选。此外，它还提供了一个可用于存储数据的内置存储器。这两个系列都配备了32K到128K的闪存，但它们之间的主要区别在于SRAM的最大存储容量和外部接口的组合。通过使用双缓存结构，芯片具有更高的读写效率。STM32的时钟频率为72MHz，在执行闪存代码时消耗36mA，使其成为32位市场上最强大的设备，功耗约为0.5mA/MHz。

图3.1 STM32最小系统电路
3.1.2 电源电路
电源是整个PCB的电源，支持MCU和各种其他外围设备的运行。电路如图3.1所示。由于终端需要为传感器和LoRa模块供电，因此系统需要两个电源，5V和3.3V。这里，AMS117-3.3（输出电压为3.3V的前向低压降稳压器）用于将输入电压从5V稳定到3.3V。其中，输出滤波电容器C26和C27的功能是抑制自激振动并稳定线性控制器的输出；C28和C29是用于防止电源故障后电压反转的输入电容器。此外，为了便于调试，增加了电源开关K1。该设计的电路如图3.2所示：

图3.2 电源电路图
3.1.3 晶振电路
如图 3.3 所示为该系统的时钟电路,由其为本系统提供运行时钟。在该电路中，由 11.0592MHz 晶振产生外部高速时钟信号。电路如图3.3所示。

图3.3 晶振电路图
3.1.4 复位电路
为了在启动或重置过程中控制MCU的重置状态，为最小系统电路配备了重置电路，以防止MCU发出不正确的指令或执行不正确的操作。图3.2所示的复位电路实现了低电平复位。当接通时，RESET端子处于低电平，然后VCC3.3电源通过电阻器R6对电容器C2充电。充电完成后，RESET端子保持高电平并完成复位；当按下重置按钮时，电容器C2开始放电。RESET端子保持低电平。松开按钮后，电容器C2开始充电。此时，RESET端子在一段时间内保持低电平。电容器C2充满电后，RESET端子返回高电平并完成复位过程。

图3.4 复位电路图。
3.2 显示模块
LCD1602字符LCD显示模块有16个引脚，但在实际编程过程中，核心操作主要集中在三个关键引脚上：RS（数据命令选择端）、R/W（读/写选择端）和E（激活信号）。这些引脚在LCD1602初始化、命令和数据写入过程中起着至关重要的作用。
具体来说，RS引脚负责选择操作的目标寄存器。当应用高电平时，它选择数据寄存器，这意味着下一个操作的目标是LCD1602上显示的字符数据；当应用低级别时，它会选择命令选项卡，此时的操作包括LCD1602的控制指令，如初始化设置或光标移动。R/W引脚决定所执行的操作是读取还是写入。当R/W处于高电平时，LCD1602执行从内部读取数据或状态信息的读取操作；当R/W值较低时，执行写入操作以向LCD1602写入数据或发送控制指令。作为使能端子的E引脚与定时操作密切相关。执行读写操作时，需要在一定时间后操作E-Pin，以确保正确的数据传输和指令的准确执行。
除了这三个关键引脚外，LCD1602还配备了8位双向D0~D7数据线，用于在读写操作期间传输数据或指令。此外，LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图使我们能够直观地对应字符位置。通过将相应的ASCII码写入特定地址（例如00-0F和40-4F），所需的字符可以显示在LCD1602的顶部和底部。如图3.5所示：

图3.5 LCD1602电路图
3.3 温湿度传感器模块
DHT11温湿度传感器是由数字数据采集模块和温湿度感测模块两大部分构成的，得益于其当前的稳定结构和先进的数字信号校准技术，它展现出了卓越的稳定性。该温湿度传感器是在传统的温湿度测量基础上加入了数字采集芯片及相应的接口电路后构成的新型产品。传感器部分由一个感湿元件和一个测温器件组成，并与单片机连接，具有很强的抗干扰能力和快速的响应速度，综合来看，性价比极高。另外，在实际应用中还可以通过调节湿度来实现衣物干燥程度的控制。dht11使用了4针单排的封装方式，其外部电路设计简洁，连接也十分便捷。但由于其小巧的体积和低功耗，它更符合现代智能晾衣架乐的需求，不会占据太多空间，并且长时间使用也不会导致过高的能耗。DHT11电路图如图3.6所示：

图3.6 DHT11电路图
在DHT11的通信过程中，当总线处于高电平时，它会发出等待接收信号的指令，降低电平，等待DHT11的响应。当低电平持续时间超过18us时，满足DHT11接收到信号的时间长度。DHT11开始接收主机的信号，并在接收到主机开始信号后，发送80us的低电平响应信号。主机发送开始信号后，等待大约30us，然后读取DHT1反馈回来的信号。主机发送开始信号后，就可以切换到输入模式，也就是输出高电平。总线再由外界上拉电阻拉高电平。
3.4 光敏传感器模块
系统温室环境的光照强度检测电路图如图3.7所示，摒弃传统温室大棚使用的感光光敏电阻，光敏电阻的特性非线性特点。为了提高系统的运作效率，提高检测的精度，系统采用BH1750光照强度传感器检测光线范围，该器件使用I2C串行总线模式与微控器通信，由数字型感光器件组成，可以根据所收到太阳光照面积或者是强度数据，调整内部液晶或者是背景灯亮度，其可以支持的分辨率范围是1~65535Lx,可以检测的光照强度变化范围比较大。其实物图如图3-15所示，数据采集板使用单片机的P3.5的I/O链接BH1750的数字信号输出口，读取SDA数据输出引脚信号，该类型光照强度传感器测量光照强度范围广，精度高，工作性能稳定性好，所以系统选着该类型的传感器。

图3.7 BH1750光照强度采集电路
3.5 驱动模块
如图3.8所示，驱动电路由四个PNP晶体管Q1…Q4和一个连续电流二极管D1…D4组成。每个驱动晶体管都有两个输入端，用作电压传感器来检测电流信号，用作变压器来输出波信号以调制脉冲宽度。四个线圈ABCD用于表示步进电机的四相绕组，而连续电流二极管的作用是确保四个驱动晶体管在闭合时不会在步进电机绕组上产生瞬时高压反力矩，以避免晶体管损坏。四个电流检测单元测量每个驱动晶体管的电流值，并将其返回给单片机进行处理。微控制器的PO端口连接到四个PNP插座，并由相应的软件控制。

图3.8 步进电机驱动电路图
3.6 蓝牙模块
HC-05蓝牙模块是一款功能丰富的通信模块，基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议，提供稳定的无线数传功能。其特点包括高稳定性、低功耗和广泛的兼容性，使得它成为智能家居、物联网等领域的理想选择。
在功能引脚方面，HC-05蓝牙模块通常包含VCC（电源正极）、GND（电源负极）、TXD（串口发送引脚）和RXD（串口接收引脚）等基本引脚。此外，一些模块还具备EN（使能引脚）和STATE（状态引脚），用于控制模块的启用和禁用，以及指示模块的工作状态。这些引脚使得模块能够与其他设备或主控制器进行灵活的连接和数据传输。VCC引脚用于连接模块的电源正极，提供工作所需的电压；GND引脚用于连接电源的负极和地，确保电路的稳定性。TXD引脚连接单片机P3.1口用于将数据从HC-05模块发送到单片机，而连接单片机P3.0口的RXD引脚则用于接收来自单片机的数据。通过这些引脚的配合使用，HC-05蓝牙模块能够实现高效、稳定的无线通信功能。其电路图如图3.9所示：

图3.9 HC-05蓝牙模块电路图
3.7 雨滴检测模块
电容式雨滴传感器利用电介质的变化来检测雨滴。检测原理如图3.10所示。检测装置由玻璃和电路板制成，点A和B是电介质的检测点。如果没有雨滴，测量玻璃和空气之间的介电常数，如果有雨滴，测量水滴和玻璃之间的介电阻。由于水的介电常数比空气大得多，当存在雨滴时，A和B之间的电容值会显著增加。因此，可以间接检测A和B之间的雨滴。
YL-83雨滴传感器的工作电压为3.3-5V，通过调节电位器Q可以控制阈值。它有两种输出模式：数字输出（0和1）和模拟AO输出。连接5V电源，电源指示灯亮起。如果传感器板上没有水滴，D0输出高，开关指示灯熄灭；滴一滴水，DO输出低，开关指示灯亮起。刷掉顶部的水滴，恢复原状。A0模拟输出，可以连接到微控制器的AD端口，以检测落在其上的降水量。DO TTL数字输出也可以连接到微控制器，以检测是否下雨。

3.10 雨滴传感器YL-83电路图

4.系统软件设计
4.1 主程序设计