智能陽臺遮陽遮雨裝置設(shè)計

孫雪蕾，陳金華，徐倆倆，尹悅悅

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著人們對生活品質(zhì)的要求不斷提升，在消費升級的大背景下，越來越多的智能產(chǎn)品進入人們的視線并逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞健Ａ罆袷遣豢扇鄙俚募彝ド顑?nèi)容。晾曬工具雖有所改善，但仍處于比較原始的層次，多為不能隨衣物狀態(tài)或天氣變化自動收縮的衣物架，對人的依賴性較高[1]。現(xiàn)有的遮陽遮雨篷大多需要使用者手動拉開和收縮。陽光過強可能會致使用戶家中花草缺水，雨水則會將衣物淋濕，若用戶不在家中，則無法及時拉下遮陽遮雨篷遮陽擋雨。因此，設(shè)計一種基于光照強度和空氣濕度的智能陽臺遮陽遮雨裝置能為使用者提供很大的便利，具有重要的意義。筆者設(shè)計的智能陽臺遮陽遮雨裝置，遇到下雨或光照過強的天氣，能夠自動放下遮陽遮雨篷遮陽擋雨。

1 硬件設(shè)計

智能陽臺遮陽遮雨裝置包括按鍵選擇單元、空氣濕度傳感器、光電傳感器、控制器芯片、顯示單元、驅(qū)動電機、具有伸縮結(jié)構(gòu)的遮陽遮雨篷、用于供電的電源模塊等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 陽臺智能遮陽遮雨裝置的原理框圖

按鍵選擇單元包括手動模式、自動模式、展開、收縮4個按鍵，與控制器芯片的輸入端相連，向控制器芯片發(fā)送模式選擇信號。選中“手動模式”時，配合“展開”和“收縮”按鍵控制遮陽遮雨篷的開合；選中“自動模式”時，配合空氣濕度傳感器和光電傳感器控制遮陽遮雨篷的開合。按鍵選用機械按鍵，在控制器(單片機)電路中，通過按鍵的接通與斷開，產(chǎn)生兩種相反的邏輯狀態(tài)：低電平“0”與高電平“1”。當(dāng)機械觸點的按鍵被按下與釋放時，因機械觸點的彈性作用，在閉合與斷開的瞬間均有一個抖動過程，如果沒有進行消抖，就有可能將1次按鍵誤認(rèn)為是多次，導(dǎo)致異常情況發(fā)生[2]76-77。消抖方法采用軟件去抖動法，第1次判斷按鍵被按下后延時5～10ms，然后，判斷按鍵狀態(tài)，如果狀態(tài)相同，則說明按鍵確實被按下。

空氣濕度傳感器和光電傳感器置于遮陽遮雨篷展開時外側(cè)邊緣處，分別將采集到的空氣濕度和室外光照強度信息傳送至控制器芯片。選用的HS1101電容式空氣濕度傳感器[3]在不同的濕度環(huán)境呈現(xiàn)不同的電容值，即0%～100%RH濕度范圍內(nèi)，電容從162 PF變化到200 PF，誤差為2%RH，精度非常高，足以滿足本裝置的需要。空氣濕度傳感器與單片機連接時，接在P1.6引腳。光電傳感器選用歐姆龍E32-DC200光電感應(yīng)開關(guān)。

控制器芯片為STC15F2K60S2單片機，增強型8051 CPU，1T型，即每個機器周期只有1個系統(tǒng)時鐘；ISP/IAP功能，即在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程；內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級可選復(fù)位門檻電壓，可省掉外圍復(fù)位電路；60 KB Flash程序存儲器，2018字節(jié)SRAM；1 KB數(shù)據(jù)Flash(EEPROM)，擦寫10萬次以上；6個定時器：2個16位可重裝載初始值的定時器T0/T1，T2定時器，3路CCP可再實現(xiàn)3個定時器；2個全雙工異步串行口(UART)；8通道高速10位電壓輸入型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每秒可達30萬次[4]14-15，可將連續(xù)變化的模擬電壓轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號，可應(yīng)用于溫度檢測、電池電壓檢測、距離檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。STC15F2K60S2單片機ADC通道與P1口復(fù)用，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O端口，用戶可以通過程序設(shè)置P1ASF特殊功能寄存器將8路中的任何一路設(shè)置為ADC功能，不作為ADC功能的仍可作為普通I/O端口使用。空氣濕度和光照強度數(shù)據(jù)采集后需要進行AD轉(zhuǎn)換，所用的STC15F2K60S2單片機集成的ADC是逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由1個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序?qū)γ恳惠斎腚妷耗M量與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，將最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同時置位ADC控制器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位ADC_FLAG，供程序查詢或發(fā)出中斷請求。

驅(qū)動電機的控制端與控制器芯片的輸出端相連，其輸出軸與遮陽遮雨篷相連，帶動遮陽遮雨篷的開合。驅(qū)動電機置于遮陽遮雨篷展開時的內(nèi)側(cè)上沿，用于展開或收縮遮陽遮雨篷。驅(qū)動電機選用60KTYZ齒輪減速同步電動機[5]，電壓220 V，頻率50 Hz，功率14 W，轉(zhuǎn)速15 r/min。

顯示單元用LCD顯示，采用TG12864液晶顯示屏，屬于點陣式液晶，可以顯示字符、數(shù)字、圖形、曲線、漢字。該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器、小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域，用來顯示系統(tǒng)的工作情況。TG12864液晶顯示屏是數(shù)字式接口，采用并行接口與單片機系統(tǒng)連接。液晶顯示器和控制器芯片連接時，顯示器的數(shù)據(jù)線DB0(7)-7(14)與控制器芯片的P0.0-P0.7相連接，且需要10 kΩ的上拉電阻。V0端口接一個103的電位器，通過改變電位器的阻值來調(diào)整液晶顯示器的亮度。PSB引腳在高電平時選擇并口，低電平時選擇串口的接法，引腳NC不需要接任何管腳[6]。

2 軟件設(shè)計

陽臺智能遮陽遮雨裝置工作原理流程圖如圖2所示。用戶首先通過按鍵選擇單元選擇工作模式，若選擇手動模式，則類似傳統(tǒng)遮陽遮雨篷；若選擇自動模式，則由空氣濕度傳感器采集空氣濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入控制器芯片。當(dāng)空氣濕度超過設(shè)定閾值S1(一般設(shè)置為85%RH)，則判定為陰雨天氣，并自動放下遮陽遮雨篷。光電傳感器采集室外光照強度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入控制器芯片。光照強度范圍為0～100，當(dāng)光照強度超過給定閾值G2(一般設(shè)置為90)，則自動放下遮陽遮雨篷。空氣濕度超過閾值S1或光照強度超過閾值G2，遮陽遮雨篷就會展開。當(dāng)空氣濕度小于閾值S1且光照強度小于閾值G2，兩個條件同時滿足時，5 min后再次返回，若這兩個傳感器的數(shù)據(jù)仍然滿足條件，則將遮陽遮雨篷收縮。

陽臺智能遮陽遮雨裝置工作時顯示主界面如圖3所示，第1行顯示工作模式，手動或者自動，通過按鍵來切換選擇。第2行顯示當(dāng)前空氣濕度，當(dāng)前空氣濕度超過85%RH，則自動放下遮陽遮雨篷。第3行顯示當(dāng)前光照強度，當(dāng)前光照強度大于90，則自動放下遮陽遮雨篷。第4行顯示遮陽遮雨篷的狀態(tài)——收縮或者展開。

圖3 顯示主界面

3 結(jié)束語

基于單片機控制的智能陽臺遮陽遮雨裝置可以根據(jù)天氣變化自動打開或者收縮遮陽遮雨，即使家中無人，也可安心晾曬。該裝置安裝簡單，使用方便，可靠性高，性價比高，具有良好的推廣價值。