晴雨天自動晾曬系統(tǒng)研究

李丹琪，張福鼎

（江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇南京，210013）

0 引言

太陽能有潔凈安全等特點，長期發(fā)電成本是21世紀最廉價，其大力開發(fā)和利用將成為未來能源利用的主流。基于太陽能驅動的智能晾衣架不僅解決了能源問題，有效規(guī)避了電動晾衣架的不足，做好時刻接收外部信號或操作指令的準備。本文設計智能晾衣架將實現(xiàn)晴雨天自動升降的功能，充分利用太陽能對衣物進行處理，即保證衣物有效曬干，又利用太陽光對衣物進行消毒殺菌，避免紫外線燈對人體健康的不利因素，同時具備遇阻即停，保留部分先行智能晾衣架的可取功能，實現(xiàn)人性化、安全化、智能化。通過檢測空氣濕度、周遭環(huán)境等參數(shù)來判決系統(tǒng)運行及操作程序處理，當判決狀態(tài)達標時，實現(xiàn)陰雨前或過于潮濕的情況及時收取衣物，太陽飽和狀態(tài)自動晾曬等主要功能。系統(tǒng)硬件組成包括太陽能集電板、中斷控制模塊、濕度傳感器、光照傳感器、電機驅動、外部機械轉軸等，軟件組成包括狀態(tài)判決，數(shù)據(jù)判決，歷史分析等等模塊。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，太陽能集電模塊充分利用太陽能來給系統(tǒng)的運行供電，為了彌補因長時間陰雨天氣造成的無法集能，室內(nèi)需要進行升降操作時，備用電源補充模塊，實現(xiàn)家居人性化。復位初始化模塊避免系統(tǒng)工作紊亂而設計，便利使用者面對無法處理的情境時進行初始化，也是開啟智能化自動晾曬的關鍵模塊。電機驅動模塊配合由Arduino單片機發(fā)出的各種指令，完成操作任務，并結合限位開關控制衣架伸出的最大距離，實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與內(nèi)部系統(tǒng)的信息交換。溫濕度傳感器模塊，自動檢測外部環(huán)境是否具備可繼續(xù)晾曬衣物的條件。太陽光檢測模塊，根據(jù)由濕度傳感器傳出的指令，當滿足空氣濕度達標時，自動檢測外部環(huán)境是否具備晾曬衣物的必要性，太陽飽和狀態(tài)才發(fā)送信號給單片機，完成晴雨天自動晾曬的功能，實現(xiàn)家居智能化；遇阻即停模塊，確保執(zhí)行過程的安全，實現(xiàn)家居安全化；手動/自動模式切換模塊，給予用戶更多的智能選擇。

圖1 整體框架

系統(tǒng)硬件模型如圖2所示，主要由以下構成太陽能集電模塊主要由太陽能發(fā)電板、穩(wěn)壓器共同組成；電源補充模塊主要由蓄電池、TELESKY切換模塊組成；溫濕度傳感器選型為DHT11測量的空氣濕度范圍為[20%，90%]RH，測量的溫度范圍為[0，50]℃；電機驅動模塊主要由42步進電機42BYGH34+TB6600驅動器組成；太陽能檢測模塊主要由光敏電路組成。

圖2 硬件模型

為了實現(xiàn)穩(wěn)定供電，需要將太陽能發(fā)電板發(fā)出的不穩(wěn)定的直流電通過穩(wěn)壓裝置充入到蓄電池組中，然后再通過直流逆變器轉換為50Hz的交流電，提供給不同電器使用。本模塊為使組件結構簡單，主要采用太陽能電池板與穩(wěn)壓器進行輸出電壓。太陽能電池是光能轉換為電能的裝置，太陽光照在半導體P-N結上，產(chǎn)生新的電子-空穴對，在P-N結電場的作用下，空穴由P區(qū)流向N區(qū)，電子由N區(qū)流向P區(qū)，接通電路就形成了電流。電源補充模塊主要由蓄電池應急切換模塊組成，當按電路連接好12V適配器和蓄電池后，12V適配器有電時優(yōu)先自動連接適配器供電（亮綠燈），當適配器停止供電后自動切換為蓄電池供電（亮紅燈），從而實現(xiàn)不間斷供電。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊主要包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因其傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，且校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，故傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)，該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。引腳接線也極為簡便：VDD接供電電壓為3V-3.5V，可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波；DATA為串行數(shù)據(jù)單總線，與Arduino之間進行數(shù)據(jù)傳輸；NC為空腳；GND接地或接電源負極。

靈敏型光敏電阻傳感器模塊輸出信號干凈，波形好，驅動能力強。搭配可調(diào)電位器可調(diào)節(jié)檢測光線強度，工作電壓3.3V-5V，光敏電阻模塊對環(huán)境光線最敏感，檢測周圍環(huán)境光線的亮度，可觸發(fā)單片機或繼電器模塊等。當周圍環(huán)境光線亮度達不到設定閾值時，輸出端輸出高電平，智能晾衣架系統(tǒng)會得出不能晾衣物的指令；當外界環(huán)境光線超過設定閾值時，輸出端輸出低電平，智能晾衣架系統(tǒng)會得出可晾出衣物的指令。輸出端可直接與單片機的IO口相連，通過檢測高低電平來反映環(huán)境情況，進而對單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。

42步進電機42BYGH34+TB6600驅動器構成智能晾衣架的機架運動模塊。步進電機的工作原理是基于將脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰疲葹椴竭M角的3%～5%，工作電壓為5V，通入電流使轉子不停地旋轉，帶動螺旋桿轉動，從而帶動機件的升降，進而通過連桿的上下運動推動或拉縮菱形結構架桿，達到晾衣架伸出或收回的目的。單片機連接TB6600步進電機驅動器，TB6600步進電機驅動器連接42BYGH34步進電機，實現(xiàn)對步進電機的轉向控制與PWM速度控制。并且在機架的移動范圍處裝有限位開關，限位開關連接著單片機，當步進電機在轉動的過程中，使機架移動觸碰到限位開關后，單片機能迅速檢測到限位開關的電平變化，立即停止步進電機的動作，以防止運動超程。

2 總結與展望

本論文結合機電一體化設計、傳感技術、電子電路、機械傳動技術，實現(xiàn)家居智能化、自動化、人性化、安全化。該系統(tǒng)的主要結構由Arduino單片機為核心實現(xiàn)智能化控制。外部傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來檢測氣象參數(shù)，濕度測量范圍20%～95%Rh，達到閾值后單片機控制步進電機轉動，進而帶動傳動裝置實現(xiàn)伸縮，通過位置傳感器來控制，伸出位置的最長距離，還附加了太陽能電池板，實現(xiàn)最大程度地利用太陽能。基于以上本論文設計的晾衣架最終將實現(xiàn)晴雨天自動升降的功能，踐行綠色生活的理念。