智能晾衣架的设计

IV智能晾衣架的设计摘要针对传统晾衣架存在通风效果差、光线不足、不能实时感知天气变化、智能化水平低等缺点，采用STC89C52单片机为主控芯片，结合DHT11温湿度传感器、PGM5539光敏传感器、雨滴传感器设计了一种能依据天气变化智能晾晒衣物的智能晾衣架。 本设计涉及到机械、材料、电子、计算机等等领域。本设计对晾衣架进行了智能化研究，并进行了初步的研发，设计了晾衣架的机械结构，智能晾衣架的结构进行分析计算；采用单片机控制，进行了控制电路的理论分析、计算与设计；通过编程实现晾衣架的智能控制；并对电机控制、电机驱动进行了计算、校核，该衣架实用性强，其具有一定的推广前景。关键词：智能晾衣架；机械结构；单片机控制；结构设计StructureandControlSystemDesignofElectromechanicalIntegratedClothesHangerAbstractInresponsetotheshortcomingsoftraditionalclotheslinessuchaspoorventilation,insufficientlight,inabilitytosenseweatherchangesinreal-time,andlowintelligencelevel,anoutdoorintelligentclotheslinethatcanintelligentlyairclothesbasedonweatherchangesisdesignedusingtheSTC89C52microcontrollerasthemaincontrolchip,combinedwithDHT11temperatureandhumiditysensor,PGM5539photosensitivesensor,andrainwatersensor.Thisdesigninvolvesfieldssuchasmachinery,materials,electronics,andcomputers.Thisarticleconductedintelligentresearchontheclotheshangerandconductedpreliminaryresearchanddevelopment.Themechanicalstructureoftheclotheshangerwasdesigned,andthestructureoftheintelligentclotheshangerwasanalyzedandcalculated;Adoptingmicrocontrollercontrol,theoreticalanalysis,calculation,anddesignofthecontrolcircuitwerecarriedout;Implementintelligentcontroloftheclotheshangerthroughprogramming;Andthecalculationandverificationofmotorcontrolandmotordrivehavebeencarriedout.Theclotheshangerhasstrongpracticalityandhascertainpromotionprospects.Keywords:Intelligentclotheshanger;Mechanicalstructure;Singlechipmicrocomputercontrol;Structuraldesign 目录TOC\o"1-2"\h\u19525摘要 I12815Abstract II58941前言 -1-108461.1课题研究的背景及意义 -1-191311.2智能晾衣架系统研究现状 -1-246111.3智能晾衣架系统发展趋势 -2-274882总体设计方案的选择 -2-67832.1总体设计方案 -2-166532.2机械结构设计方案选择 -3-323382.3智能晾衣架工作原理 -5-34972.4传动系统方案的选择 -6-154552.5控制系统的选择 -7-172763主要零件的设计和选型 -8-143663.1自动晾衣架的初始设置 -9-126063.2蜗轮蜗杆减速器设计参数要求 -9-86973.3轴的直径与长度的确定 -15-224983.4轴承选择及校核 -16-21843.5键联接的强度校核 -18-326153.6剪叉式衣架的计算与校核 -20-165163.7同步带传动计算 -23-29284控制系统硬件设计 -28-167824.1电器元件选型 -29-218864.2控制芯片 -32-179214.3控制面板设计 -32-168844.4步进电机及驱动电路 -32-118674.5I/O分配表 -34-118604.6单片机接线图 -34-279205控制系统软件设计及调试 -35-26485.1程序设计 -36-96595.2自动控制系统 -36-150565.3温湿度检测 -37-171595.4手动控制模式 -39-72756设计中考虑的安全与环保问题分析 -40-84017技术经济与成本分析 -40-281218总结 -41-5189参考文献 -42-25573致谢 -43-前言 课题研究的背景及意义随着科技快速发展，智能家具系统引起了人们广泛关注，晾衣架作为智能家居的重要组成部分REF_Ref25378\r\h[1]，其产品种类丰富，功能不尽相同。智能家具是指在传统家具的基础上，将自动化技术和物联网技术融入其中，使人们的生活更加方便、智能。其中，智能晾衣架的发展就引人注目。传统的晾衣架主要靠人力来控制晾衣架的伸缩，并且什么时候晾衣什么时候收衣也主要靠人本身的经验，但是这样的模式伴随着很多的问题。比如天突然下雨时，使用者无法及时收起晾衣架就会导致衣物沾水，再比如没有阳光而人却忘记收衣。长久以来，这些情况一直困扰着人们，这也是传统晾衣架最大的弊端，于是，智能晾衣架就应运而生。本设计就传统晾衣架的问题进行改进，设计出一款智能晾衣架，该设计可以自主对周围的环境进行感知并且进行判断，用户在使用此系统时可以选择自动或手动操作晾衣架伸缩。这类智能晾衣架在满足人们对智能生活的需求的同时也顺应了智能化生活的潮流。智能晾衣架系统研究现状就目前来说，大量家庭仍然在使用传统晾衣架，大致分为手动和电动两种。手动晾衣架即最为传统的晾衣架，纯机械结构，并没有加入电力系统，而电动晾衣架则是加入电力系统，用户不再需要人力伸缩晾衣架，而是通过按键，控制电力系统，电机驱动晾衣架完成伸缩。虽然该类晾衣架解放了人力，但是并没有做到智能化，仍然需要使用者亲自决定伸缩晾衣架的时间。而且这类晾衣架需要使用者亲自操作，如果用户不在家中，晾衣架无法及时对突发状况进行自动反应，不能满足智能化的需求。目前智能晾衣架的研究已经趋于成熟，许多品牌都已经推出自己的产品。这些产品普遍具有自动伸缩功能，还有些高端产品带有APP控制、紫外杀菌以及烘干等功能。但是这类晾衣架往往价格高昂，所要求的空间也较大，而且功能虽然很多，但某些功能显得较为冗余，并不适合普通家庭使用。本设计的目的是设计一款智能晾衣架，在保证智能化的前提下动用最少的成本，并且考虑到用户家庭的阳台大小，设计理念主要是轻量化。在功能方面，既要满足自动伸缩晾衣架的设计目标，也要提供手动模式以供用户操作。此设计可以在下雨天黑的情况下自动收衣，并且尽量降低成本，提高可靠度，以满足大多数普通家庭的最低需求。智能晾衣架系统发展趋势随着社会的发展和人们生活水平的提升，人们对将科技融入生活这一趋势的接受程度也在不断提升，越来越多的家庭正在改变传统生活模式的束缚而投入智能化生活的。晾衣服这一家务是我们生活的日常活动，尽管我国的晾衣架普及率高，电动智能晾衣架的发展和扩展速度也十分可观。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REF_Ref26335\r\h[2~3]。传统晾衣架需要使用者随时改变伸缩状态，而智能晾衣架的出现则可以解决人们在晾有衣物同时外出的后顾之忧，给人们的生活带来便利的同时也提高了生活的质量。目前智能晾衣架的市场规模正在不断扩大，功能也在不断完善，发展的前景也较为良好。总体设计方案的选择总体设计方案该设计在功能实现上设有自动和手动两种模式REF_Ref32108\r\h[4]。在自动模式中，系统通过温湿传感器、光敏传感器等检测元件来感应外界环境天气中的空气湿度、光线强弱，再根据所设定的温度限定值和光线限定值系统，自动判定是否超过限定值然后由步进电机来控制衣架的伸张和缩回。具体过程为当天空中下雨或者将要下雨时，空气中的湿度值会急剧增长，此时系统自动判定湿度值超过限定值而收回衣架，反之则伸张，但当在下雨时无论光线如何变化衣架都不会伸张。在手动模式下，需要人为地控制使其自主地调节晾衣架的升降。晾衣架的总体结构分为以下几个部分，如图2.1。机械结构：机械部分为机架，中间机构，伸缩机构等组成，机架在晾衣架的支撑部分，剪叉臂是晾衣架的执行部分，文中第3节对伸缩机构进行计算，同步带轮的传动计算，蜗轮蜗杆的设计计算。检测机构：检测机构采用了三个传感器作为检测机构的元件，分别为光敏传感器，雨滴传感器，湿度传感器，检测机构的选用部分为下文第4节。控制系统：控制系统采用SCT89C52作为控制芯片，并设计了操作面板，方便用户的操作，控制系统为下文第5节。图2.1总体设计方案示意图机械结构设计方案选择我从网络搜集的数据中了解到，我发现目前市场上卖的伸缩晾衣架大部分是用几组杆铰接而成的，如图2.2晾衣架伸缩伸缩机构示意图。图2.2晾衣架伸缩伸缩机构示意图晾衣架的伸缩动作将设计成剪叉式，结构简单耐用，伸缩机构升降运动简图2.3-2.4所示：图2.3伸缩运动流程图图2.4伸缩机构示意图但是这个机构仅能达到伸展的需要，于是我想到将伸缩机构安装在一个立柱上，通过蜗杆驱动齿轮轴转动绳索，拖动滑轮上升从而使整体机械提升。如在图2.5-2.6中可以看到图2.5升降运动流程图图2.6上升机构示意图智能晾衣架工作原理晾衣架机械部分包括：机架，衣架连杆，丝杆滑行机构，电机及蜗轮蜗杆机构，同步带传动，横向晾衣杆等；该衣架连杆的中央销通过该衣架链的中央轴孔将两个衣架连杆连杆铰链相连，两个衣架联接在一起之后，由衣架链末端的联轴孔和横式晾衣杆彼此铰链，最终，衣架联杆的一端铰链联结到上导轨的固定底座上，而在另一端则铰链铰链连结在一起。在图2.7中给出了晾衣架结构示意图。在操作中，单片机指挥电机旋转一定的时间，蜗杆驱动齿轮轴转动绳索，绳索卷起，拖动滑轮上升/下降从而完成晾衣架的上升与下降。而后由安装在中间横梁上的电机通过蜗杆蜗杆减速器减速后，再经过带传动将动力传动道横梁两端的丝杠螺母机构上，丝杠旋转运行转化为螺母的直线运行。晾衣架的伸缩机构由多组剪叉式连杆组成，丝杠螺母机构与剪叉式连杆配合，实现了晾衣架的伸缩运动。图2.7晾衣架结构示意图传动系统方案的选择本设计提出了一种电机驱动蜗轮蜗杆传动装置，其驱动原理见图2.8。图2.8传动简图1—电动机2、4—联轴器3—级蜗轮蜗杆减速器5—传动滚筒6—输送带控制系统的选择以下图2.9是该系统的操作过程。以STC89C52为控制器，利用湿度传感器、光敏传感器和雨滴传感器对外界环境进行识别和探测，并向控制器发送信号，使其具有智能化的收起和回收作用。图2.9系统控制流程框图以STC89C52为核心控制核心，对所收集到的数据进行数据的加工。LCD602用于显示该信息。以ULN2003型四相步进电动机为挂架，以其为动力。该设备具有DHT11的湿度监测功能。光敏感应器可以探测到环境中的光线。雨点感应装置会侦测到有没有下雨。采用单独的按钮来进行马达和信号的选择。该装置位于露台，当湿度感应器感应到温度升高至某一值后，将讯号传送至控制器，由微处理器发出指令，进行机械机构的操控，回收衣物，同时，该装置会侦测到雨水，灯光强弱，依指定的值，回收衣物，以及目前侦测到的数字资讯，以及由使用者自己操控的人工方式。STC89C52是一款低功耗，高性能8比特CMOS8位单片机，采用8K的可编程Flash内存。STC89C52采用灵活的8比特CPU和可编程Flash，为多种嵌入式应用提供了高灵活、高效的解决方法。具备下列标准特性：8K字节Flash、512字节RAM、32比特输入/输出端口、看门狗定时器、4KBEEPROM、MAX810重置、3个16比特定时/计数、6个2阶中断、全双工串行接口。此外，STC89C52还能降低到0Hz的静态运行，并可提供2种可选的节能方式。在闲置状态，CPU会自动停机，允许内存，计数器，串口，中断继续工作。在停电模式下，RAM的存储和振荡器被冻住，MCU的所有工作都会在下一次故障或重新设置之前全部工作。工作频率为35MHz,6T/12T任选.此外，此微处理器具有体积小巧、与感测器的联接电路简便等优点，能够达到实际应用的需要。该系统的软体设计采用了结构和模块的方式，方便了程序的编译和调试。按照上述控制系统的设计需求，结合上述控制系统的软硬件设计，本系统的软件编程部分包括：初始化、手动控制、传感、控制等等，如图2.10.图2.10主程序示意框图主要零件的设计和选型在机械设计中，零件的校核是设计的重要部分，它关系到机器的安全性、可行性及合理性，本章设计自动晾衣架具可完成伸缩的作用，对晾衣架的构造要求简单、使用寿命长、使用简便，以完成收挂作业。本章设计自动晾衣架的机械系统，机械结构为剪叉式，主要设计自动晾衣架的蜗轮蜗杆，确定涡轮蜗杆的设计参数、涡轮蜗杆的传动设计、尺寸设计与强度校核，联轴器的尺寸设计，滚动轴承的设计与校核，本章节所有的计算公式均来自《机械设计基础》REF_Ref15699\r\h[4]和《机械课程设计手册》REF_Ref18273\r\h[5]。自动晾衣架的初始设置操作原则与操作流程：由电机带动的减速器带动机械将晾衣台从初始高度完成衣物放置，在晾衣架完成后升起，然后再伸展之至户外，最终将晾衣台伸缩横着放在户外晾晒。(1)晾衣台的起始高度：2.5米。(2)晾衣器的最低点：1.5米(3)移动速率：每分钟0.5米。(4)整体动态承重30斤，静态承重50斤。(5)升降及出料的运动要慢而顺，结构简单，具有自动锁定的作用。本设计的具体设计是：所选择的是将电机的轴与并行齿轮环面蜗轮减速器的输入轴连接起来，经减速器的减速后，通过法兰耦合器将减速机的输出轴与鼓轮的连接，把减速机的输出轴的旋转速度传递到轴上。蜗轮蜗杆减速器设计参数要求蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计蜗杆基本尺寸设计(1)蜗轮轴外伸节的粗细估算d=（0.8——10）=30.4——38mm(2)计算转矩Tc=KT=K×9550×=1.5×9550×5.5/960=82.1N.M由Tc、d选择了HL3型弹性柱销联轴器（38×83）。(3)蜗轮轴的外伸端部的尺寸确定为38毫米。(4)根据HL3号弹性柱销联轴器的构造大小，决定了该螺旋轴的外伸端部的直径是38毫米，其长度是80毫米。(5)普通的平键GB1096-90A键10x70，在螺杆轴上有一个宽度10mm的凹槽，一个凹槽深度，一个连接槽深度，一个键槽长度L=70mm(6)初步估算d=64毫米。(7)参考文献[7]《机械零件设计课程设计》，附有图7-19的蜗杆轴承，挡油盘，轴承罩，密封圈等。蜗轮为组装型如图3.1所示，由六角螺钉连接（100毫米），轮心为HT200，边缘为锌锌合金ZcuSn10P1。图3.1蜗轮的基本尺寸结构示意图蜗轮轴的尺寸设计蜗杆采用45钢调质质钢，并配以滚动轴承、蜗轮、轴衬、密封圈、键，其基本构造见附图3.2蜗轮轴的基本尺寸结构示意图：图3.2蜗轮轴的基本尺寸结构示意图蜗杆轴的强度校核(1)绘轴的计算简图在测定支座的时候，对于30207型单列圆锥滚子轴承,a=16mm，所以，因此，用来支承简支梁的轴线的支承跨度。=（20+43.75+34）+（20+43.75+34） =97.75+97.75=195.5mm(2)算作用在轴上的力=6179.88N，=736.67N，(3)计算支点反力水平反力： 垂直反力： (3)计算弯矩，作弯矩图水平弯矩： 垂直弯矩： 合成弯矩: (4)扭矩图 (5)校核轴的强度，强度足够,见图3.3。图3.3轴的强度蜗轮轴的强度校核(1)绘轴的计算简图在测定支座的时候，30212列圆锥滚子轴的支承跨度a=22毫米=（20+43.75+34）+（20+43.75+34）=97.75+97.75=195.5mm(2)计算作用在轴上的力=6179.88N，=736.67N，(3)计算支点反力水平反力：垂直反力： (4)计算弯矩，作弯矩图水平弯矩： 垂直弯矩： 合成弯矩：(5)扭矩图(6)校核轴的强度，，强度足够。见图3.4。图3.4轴的强度轴的直径与长度的确定(1)最小的轴径（外延节的直径）D6=67毫米，D6=67毫米，因为轴心上有一个键槽，因此D6增加3%。计算转矩Tc=KT=K×9550×=1.5×9550×3.19/27.4=1667.76N.M<2000N.M因此，选择HL5弹簧柱销轴与蜗轮的连接方式65×14REF_Ref14886\r\h[7]，因此=65mm标准平键GB1096-90A键20x110，标准平键GB1096-90A键20x70，联轴器上键槽深度，蜗轮轴键槽深度，宽度为轴承选择及校核轴承的选择蜗杆轴的选用与检验(1)轴系轴心受力的计算(2)导出的轴向力的求解查手册得，圆锥滚子轴承30207型的α=14o02’10’’查表d=35mm时，e=0.37，y=1.6；故所以，轴承2受压则：(3)求当量动载荷所以，对于轴承1x=1，y=0对于轴承2x=0.4，y=1.6(4)校核轴承的寿命查手册得c=51.5KNε=10/3n=940r/min故此轴承的寿命满足要求。蜗轮轴上轴承的校核(1)求径向载荷(2)计算派生轴向力查手册得，圆锥滚子轴承30212型的，y=1.5故则：轴承2受压所以，(3)求当量动载荷所以，对于轴承1：x=1，y=0对于轴承2：x=1，y=0(4)校核轴承的寿命查手册c=97.8KN，ε=10/3，n=18.8r/min因此，该产品的使用要求达到了要求。键联接的强度校核(1)蜗杆轴上安装联轴器处的键联接选用标准平键8×7mm，取L＝45mm。键的工作长度:l＝L－b＝45－8＝37mm，键的工作高度：k＝＝3mm。键联接的许用压力：，所以，，所选平键合适。（2）蜗轮轴上装蜗轮处的键联接选用普通平键18×11mm，取L＝45mm键的工作长度：l＝L－b＝45—18=27mm键的工作高度：k＝＝5.5mm许用压力所以，，所选平键合适。（3）蜗轮轴上装联轴器处的键联接选用普通平键16×10mm，取L＝100mm。键的工作长度l＝L－b＝100—16=84mm键的工作高度k＝＝5mm键联接的许用压力所以，所选平键合适。剪叉式衣架的计算与校核剪叉式晾衣架强度校核（1）各个关节销钉的选取及检验根据整体布局的需要，根据装配图和摩擦副的特性，对其进行了设计，取。本文对任意铰链角度下每一个连接的结点进行了分析和计算，结果表明：H应力是最大的，当H处应力是最大的。由式（4-37）知，当时KNKN销由45钢进行了调质，其屈服强度[]=355MPa，所选择的安全系数是2，并且允许的剪切力[]=0.5[]=177.5MPa。为便于生产和节约生产时间，该机械连接的双头螺钉在材料允许范围内均为mm毫米。MPa因此，各个铰链连接的销钉均满足了其强度规范。剪叉臂的强度校核与外剪式机械手bec相比，内剪式机械手aed承受更大的压力，所以这里只对外机械手进行修正。推进器的大小随着的减小而增大。当达到最大强度时，剪切杆的强度就达到了。若该机制处于最低点，则其数值为最大。剪叉臂处的作用力均与剪叉臂部成一个角度，为了便于进行受力计算，将全部作用力分为以下部分：外剪式分叉所承受的压力如下所示。推进器的尺寸随角度的减小而增加。在最大的受力条件下，得到了最大的受力能力。如果这个机构处于最低高度，那么它的数值是最高的。剪切臂上的所有的力都与剪叉臂的角度相同，整个力被分成两个方向，以便进行应力的分析。图3.5内剪叉臂aed受力图各力分解后的受力图如图3.5(a)所示，弯矩图见图3.6(c)。3.6(c、d)内剪叉臂aed的轴向及径向分解受力图在剪叉臂部g上，因为存在一个肋力板，所以可以认为是受力的均匀分布。从图3.6（c）可以看出，最大的扭矩是在k点出现的，但是需要对e和k点的强度进行校核，并且在该图中有，，。还知道，剪切杆的剖面宽度和高度是，，，并且在e点时的剖视图，而附图3.5（b）是k点剖视图。e点处的抗弯截面系数为：k点处的抗弯截面系数为：因为当时，此时e、k两点的弯矩最大得：则选择材料为，参照参考文献REF_Ref18273\r\h[5]，，所以是安全的。同步带传动计算（1）同步带计算选型设计功率由名义功率、负载性质、原动机类型以及每日持续工作的持续时长等综合决定，其公式为：式中 ——需要传递的名义功率 ——工作情况系数工作情况系数选取=1.7；决定皮带的类型和间距：所需要使用的皮带的类型和间距可以从同步皮带选择图表中确定，这取决于所述同步皮带的设计动力Pd'和小滑轮旋转速度n1。其中P，n1=61rpm。选同步带的型号为H：，节距为：Pb=8.00mm按所述同步皮带的最小许齿的数目来决定所述小滑轮齿Z1和Z2。找出最少的齿数14。实际的齿数目应当比此数字更多初步取值z1=34故大带轮齿数为：z2=i×z1=1×z1=34。故z1=34，z2=34。确定带轮的节圆直径d1，d2小带轮节圆直径d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm大带轮节圆直径d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm验证带速v由公式v=πd1n1/60000计算得，s﹤vmax=40m/s，确定带长和中心矩根据参考文献得所以有：现在选取轴间间距为取224mm（2）同步带带长及其齿数确定=()==719.7mm（3）带轮啮合齿数计算在此方案中有齿轮的比率是1，因此齿轮的齿轮数目是皮带齿轮的二分之一，即=17。（4）基本额定功率的计算检查标准同步器的允许工作压力和每小时的质量表格3-9得=2100.85N，m=0.448kg/m。因此，参考标准的额定功率是==0.21KW表3.7参带宽同步皮带允许工作压力及每节带长的品质表3.7基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量带型Ta/NM/（kg/m）MXL270.007XXL310.01XL50.170.022L244.460.095H2100.901.484XH4048.901.484XXH6398.032.473计算作用在轴上力==71.6N在工作状态下，节线的中的周长必须不改变，故将该中段的节线叫做“节线”。在正时皮带驱动中，节段的长短是很关键的参量由于齿轮的轴向间距是固定的，如果皮带的节段太大或太短，就会对齿轮和齿轮的正常配合造成不利的后果，所以在同步皮带规范中，对不同类型的台阶齿轮进行了一定的测量，并提出了相应的允许误差。（见表3.8）。表3.8带节线长度表带长代号节线长LP/mm节线长上的齿数基本尺寸极限偏差MXLXXLXLLHXH345876.3±0.6692--360914.4±0.66--72367933.45±0.6698--390990.6±0.66104784201066.8±0.76112844501143.00±0.7612090--4801219.2±0.7612896--5071289.05±0.81585101259.4±0.81144108--5401371.6±0.81645701447.8±0.81--114--6001524.00±0.81160120--2）带的节距Pb由两对应点沿节线测量的同步皮带的间距叫做同步皮带间距。节距的大小直接影响到皮带和皮带齿轮的各个部件的尺寸，随着节距的增大，皮带的各个部件的尺寸也相应地增大。所以，在节距系统中，节距是最重要的参量。在生产过程中，用浇铸模来控制皮带节距。梯形齿轮的标准齿轮传动机构的齿型，如图3-5所示。3）带的齿根宽度一条轮齿的两边齿形与基部廓线相交的间隔叫做齿根面的长度，用s来表达。皮带的齿根宽越大，抗剪切能力越大，抗弯曲能力越大，越能承受更大的剪切载荷。图3.9带的标准尺寸表3.10梯形齿标准同步带的齿形尺寸带型①节距pb齿形角2β齿根厚S齿高ht带高②hs齿根圆半径rr齿顶圆半径raMXL2.032401.140.53XXL3.175501.730.761.520.200.30XL5.080502.571.272.30.380.38L9.525404.651.913.60.510.51H12.700406.122.294.31.021.02XH22.2254012.576.3511.21.571.19XXH31.7504019.059.5315.72.291.524）带的齿根圆角牙根回角半径rr值与工作状态下牙根处的应力分布情况密切相关，齿根的圆弧形半径越大，越有利于减小齿面的应力分布，从而改善皮带的承载性能。而齿根回角的直径也不能太大，否则会造成皮带的磨损。齿轮与齿轮的啮合有效接触区较少，因此在进行合理的选择时要选用合适的值。5）带齿齿顶圆角半径八齿轮与齿轮的啮合是否会在砂砾中出现，有齿的牙项的圆角直径为八。在正时皮带驱动中，常采用带齿和带轮齿轮的齿形配合作为一种新型的非共扼型齿轮。所以当齿轮进出时，有齿的顶角和齿轮的顶角一定会超过交迭，发生干扰，造成齿轮的磨耗。为了保证齿轮的正常进出，减小齿轮上的磨耗，应选用大的齿轮顶圆弧度。但是，与齿根的圆弧度相同，顶部的圆弧度也不能太大，这样也会减小齿轮和齿轮的有效接触区域。6）齿形角梯形齿轮齿面形状的变化对齿轮与齿轮的啮合关系也有很大的影响。如果齿轮的齿型角度太小，且其纵断面呈长方形，那么在驱动过程中，齿轮就无法顺畅地插入到带轮的凹槽中，从而造成干扰。但是，如果齿轮的齿面角度太大，则容易造成齿轮的锯齿从凹槽中脱落，造成齿轮在齿轮的顶端跳动。7）同步带的设计在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表3.11。带的图形如图3.12。表3.11同步带尺寸型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径H840021.02图3.12同步带同步带轮的设计同步滑轮的设计要点A确保齿轮的咬合和啮合因为齿轮和齿轮的啮合是与非共形的齿形，所以在较小的齿尖和齿尖上的转角发生干扰，有利于齿槽间的滑动和滑动。B齿轮的齿形轮廓应该能够减小啮合的变形，得到大的接触区域，增加齿轮的承载能力，也就是说，选择齿轮的齿形时，要尽量减小啮合和啮合时的变形，减小摩擦损失，确保齿轮与齿轮的啮合具有良好的接触区域，从而使得齿轮能够承受更大的负荷。C具有良好的切削工艺性能的齿轮齿型可以减少切削工具和切削人员，提高生产效率，降低生产费用。D具有齿轮的适当角度齿轮的齿面角度是影响齿轮齿形性能的一个关键因素，较大的齿面角度有助于齿轮的啮合，但容易造成攀缘、跳齿；如果齿轮的齿面角度太低，就会产生齿轮和齿轮之间的啮合干扰，所以要选择合适的齿轮齿轮。同步带轮的设计结果同步带轮用梯形齿，其图形如图3.13。图3.13同步带轮控制系统硬件设计在完成了结构设计之后，本章对传感器的选择、控制器的硬件、以及针对实际应用中的应用进行了分析。根据现有的设计方案，选用了DT80BL160-313型直流无刷电动机REF_Ref11226\r\h[8]。4.1 硬件组装图湿度感应器：使用DHT11进行湿度、温度的采集，DHT11的插针与P3^6相接口，将接收到的信息以LCD1602进行显示。光敏电阻式感应器：管脚与P1^5相连，在暗处发出高信号，反之则在低压处用P1^5进行探测。雨点感应器：管针与P1^6相连，在某些情况下，输出的是低电平，反之则是高电平，然后用P1^6来探测。步进马达：由A、B、C、D按顺序与P2^0、P2^1、P2^2、P2^3相联接，然后进行电动机的控制。电器元件选型（1）湿度传感器DHT11型数码温度湿度感测器是包含经标定的数码讯号输出，采用特殊的数码模组资料及温度感应技术，保证了其高可靠性及长久之稳定REF_Ref11320\r\h[11]。该传感器由电阻感应和NTC温度测量组成，并与8位的高性能微处理器相连。从而使其品质优良，响应速度超快，抗干扰能力强，性价比高。DHT11的每一个感应器都是在非常精密的测湿间进行标定。校正因子是以OTP记忆体的方式存储的，并且在对模型进行处理时，需要通过传感器来实现。采用单线制串行界面，简化了系统的整合。极小的体积和极低的功率消耗使得它在这种类型的应用中，即使是在最严格的应用中也是最好的REF_Ref10811\r\h[13]。本品采用四线单行插头包装，便于联接。实际的图见4.2。4.2 DHT11实物图工艺指标：电源：3.3-5.5V直流电源输出：单排Digital测试环境：20-90%RH,0-50C测量准确度：RH+5%，±2°C解析力：1%RH,1摄氏度交换：可以完全交换，长期稳定：每年RH值小于1%。（2）光敏检测传感器光敏电阻器是由光敏电阻器制作而成，其感光强度与感光强度有关。在较高的光照射下，感光电阻器的阻抗就越低；在光线较暗时，感光电阻器会受到很大的阻碍。光敏电阻器的构造是将一片光导导线外加一条电极，粘附于硬质玻璃、云母、高频瓷或其它隔热材质的衬底，并将导线连接于一根导线，并将其密封于一层金属或塑料壳中，并具有窗。感光平面呈蛇型，电极呈梳状，可以减少电极间距，减少电极间的电子渡越次数，增加敏感度。在实际中，可以采用直流偏置或交流偏置，其电流与电压成直线关系。在此设计中，采用了感光电阻器的感光性能对光照强度进行探测，并能根据光照强度来判别昼夜，并能协助湿度感应器探测到阳光明媚的天气，其线路构成见下图。PGM5539是一种新型的感光电阻器，它的主要功能是通过光敏电阻器的电学性质，在感光电阻器被照射的时候，感应器的阻抗器比没有照明的时候要低。在该线路工作之前（在普通灯光下），调整该电位计的阻值，使得该比较器LM393的倒置输入的电势小于该同方向的电势，此时该比较器的输出是高的，当光线变暗时，该感光电阻的阻值增加，当该灯的同向端子的电压小于该倒相端的时候，该比较器的输出变成了一个低的信号，该信号由一个微处理器来完成。（3）雨滴传感器雨滴传感器，是一个模拟（数码）的输入组件，也称为雨水和雨量传感器.该系统可对各类气象条件进行实时监控，侦测有无降雨及降水量，将其转换为DO或AO，并在车辆的自动刮水系统、智能灯光系统、智能天窗系统中得到了广泛的使用。见附有附图4-3。AO模拟输出，可以通过单片机的仿真IO端口来探测雨水的滴落，DO的数字输出，可以通过微处理器的IO端口来探测雨水。该感应器选用优质FR-04双面材质，面积达5.0*4.0CM，并经电镀镍处理，使其耐氧化性、导电、使用寿命更佳；小板印刷电路板：3.2厘米×1.4厘米采用紧固螺钉，便于装配工作伏特：3.3伏至5伏采用LM393的高电压比较电路，具有良好的信号、良好的波形和良好的功率，在15mA以上；其输出方式有：数字转换器（0及1）和模拟器AO电压。图4.3雨滴传感器结构图（4）LCD1602显示器LCD1602LCD模组利用电压来调节两个平行平板中的液晶物质中分子在不同位置上的位置，从而实现对光线的遮挡和透射，从而呈现出不同层次、不同层次、不同层次的图像。另外，在两片面板之间加入三种颜色的滤波器，就可以达到这种效果。见图4.4。图4.4LCD1602实物图控制芯片本设计主控制器是以STC89C52为主要控制单元，对所收集到的数据进行分析和分析。LCD1602用于显示资讯。以四相五线步进电动机为挂件，以ULN2003型电动机为动力。该设备具有DHT11的湿度监测功能。光敏感应器可以探测到环境中的光线。雨点感应装置会侦测到有没有下雨。采用单独的按钮来进行马达和信号的选择。控制面板设计该设备具有5个单独的按钮，其作用是：在人工方式下对电动机进行收放式的调节，对湿度进行加减量，对方式进行转换，对电动机的转动进行开关。五个键分别与P1^3、P1^2、P1^1、P1^0、P1^4相关联。步进电机及驱动电路本设计使用了北京斯达微步科技股份有限公司57BYG二相型步进电动机及其配套的MS-2H090M型。步进电机是利用电脉冲信号来实现对电机的驱动，把电脉冲信号转化为对应的角度和直线的位移，适用于CNC的伺服器件。由于混合步进电机的出现和使用，使其输出功率、转矩都在提高，但其成本和价格却在持续下降，这为步进电机的广泛使用奠定了坚实的基础。步进电动机的驱动部分，选用SH-2H057驱动，并与步进电动机配套。该驱动器使用8根14A--30A的独立、高容量的电源（与一般1A的整流型电源设备截然不同），并且在控制器上使用了专门的细分驱动晶片。该驱动电路由两个部分组成：步进式脉冲信号CP，方向电平信号DIR。这些元件包括270Q的电流限制和光耦合装置，并且具有同样的结构，参见下面的图4.5。图4.5驱动器内部接线图外接为共阳法（CP+和DIR+连接，与外电Vcc相连接，从负CP-、DIR-访问）或共阴法（CP-和DIR-连接，连接到外部系统GND)，从正CP+和DIR+分别访问的脉冲和方位，二通道的预设振幅为5V，若不是5V，必须在外面附加一个限流电阻器R，以确保驱动电路中的光耦合8~15mA的驱动电压。在装置中，电机正转使丝杆上升,剪叉式结构衣架伸展,电机反转则相反。采用步进脉冲信号CP来对步进马达的位置及速度进行控制，即，在每个CP脉冲被驱动的情况下，该驱动器带动步进马达转动一个距离角度（在细分期间为一个细分步进角）,CP脉冲的频率变化，步进马达的旋转速度被同步地变化，CP的数量被调节，能够准确地实现3的步进电动机的定位。从而使步进电动机实现了对速度和位置的控制。该驱动器的CP讯号是低电平，需要8~15mA的CP讯号，并需要CP的脉宽，通常不低于5uS，参考图4.6。图4.6CP的脉冲宽度及高低电平方式采用方位电平的DIR对步进马达的转动进行了控制。在这个末端是高电压的时候，马达会有一个转向；这一末端处于低压状态，马达是另外一种方向。电动机的换相应在电动机停转之后进行，而换相信号应在上一次CP脉冲之后和下一次CP脉冲之前发送，参见附图4.7。图4.77407驱动电路I/O分配表单片机I/O分配表如表4.2表4.2单片机I/O分配表P0.0LCD.DB0P2.4LCD.EP0.1LCD.DB1P2.5K0P0.2LCD.DB2P2.6K1P0.3LCD.DB3P2.7K2P0.4LCD.DB4P3.0DHT11、DATAP0.5LCD.DB5P1.0电机正转P0.6LCD.DB6P1.1电机反转P0.7LCD.DB7P1.5白天/黑夜P2.0LCD.CS1P1.6晴天/雨天P2.1LCD.CS2P1.7手动/自动P2.2LCD.RSP2.3LCD.RW单片机接线图单片机接线如图4.9图4.9单片机接线图控制系统软件设计及调试本设计软件设计采用结构化和系模块化设计方法，便于程序的编译、调试。根据设计的要求和前面描述的控制系统硬件设计的具体情况，将各个模块进行连接，分为自动模式和手动模式，自动模式实现在湿度温度和光照设置条件下进行的自动晾晒和收回，手动模式实现用户手动对晾衣架进行动作。单片机控制系统软件程序流程图如下图5.1所示。图5.1程序流程图程序设计C是电脑编程的一种。其特征是：既具备了高级语言的特征，也具备了汇编的特征。本软件既能用作软件开发的语言，又能用于开发工作的系统，又能用于开发与计算机无关的软件。C在操作系统和系统应用中，在需要对硬件进行操作的情况下，C比其他解释类先进的编程工具要好得多。因此，这一次的开发利用C语言进行了开发[11]。自动控制系统自动控制系统主要实现的功能有，显示温度湿度及光照条件。当传感器感应到温度湿度超过阈值或没有达到条件会自动进行晾晒或收回，系统会显示当前环境的湿度光照及是否下雨的数据，同时系统采用优先级的设计思路，当下雨时，无论其他条件是否达到，晾衣架不伸出，当湿度超过设定值60晾衣架收回，小于60晾衣架伸出，温度高于25摄氏度晾衣架伸出，低于25摄氏度晾衣架收回，白天执行以上条件，黑夜不执行晾衣架处于收回状态，程序见附录。系统显示界面如图5.2。图5.2系统显示界面温湿度检测DHT11温度、湿度感应器用于温、湿度的测量，因为DHT11是一条单总线，所有的数据读取和写入都在同一线路上，因此每个动作都要严格遵循时间顺序。图5.3是温度测量的流程。单片机先发出重置脉冲，将DHT11的所有芯片全部重置，然后再发出ROM动作指令，以启动与序号代码相一致的DHT11。DHT11启动后，会进入接受记忆存取指令，完成温度转换、读取等工作（在ROM指令发出前，单总线储存指令与控制指令无效）。图5.3温度检测流程图本论文使用555型变送器进行了湿度检测，该方法先由一个外定时器检测555变送器的输出频率，再由该变送器进行检测，再由上述DHT11进行的测温，在此进行测温，并在此查阅下的表格5.4，得出目前的湿度数值。表5.4湿度阻抗特性数据表15℃25℃35℃40℃55℃30%518.8352.8256.7241.313735%347.6261.814313780.3340%277.2166.693.681.535045%172.892.860.352.733.3850%96.360.641.4334.322.0555%70.840.429.1224.2515.8860%56.229.520.817.7112.1765%43.321.115.6113.129.0270%31.215.4411.5110.096.5875%22.611.848.747.354.6480%25.463.3885%10.486.554.523.892.4890%51.807手动控制模式手动调试系统主要功能有，当按下手动/自动控制按钮，系统会切换手动自动模式，用户可按下伸出即晾衣架伸出，按下暂停晾衣架停止动作，按下缩回，晾衣架收回，同时在切换手自动模式时，显示界面会有相应的显示如图5.5,5.6。图5.5手自动切换示意图图5.6手自动显示图

设计中考虑的安全与环保问题分析科学的发展带来了技术的发展，它既有好的一面也有坏的一面，一、人类借助它实现了现今的高度发展的社会；二、人类对自然社会的破坏逐渐增加，对它的过度开发导致严重的生态危机，但同时反过来造成人类社会的退步，这严重影响着人类的生活。本课题研究的是一款智能晾衣架对环境影响很小，在如今家庭智能化设备的应用越来越普及，通过智能化管理系统对家庭内各种设备进行监管与远程控制，也是未来智能家居的发展方向。智能晾衣架通过小型步进电机提供驱动力，通过单片机与网站智能管理系统控制，其本身功率较小，对环境不会造成危害，不会对安全及环保带来负面影响。因此，本设计不仅符合环境绿色要求的能源和机构设计，而且在功能上也符合绿色环保的理念。技术经济与成本分析如今高档大型的建筑物越来越多，对智能家居设备的要求也越来越高，从市场来看，目前需要智能化的晾衣架满足智能化管理