晴雨天自動晾曬系統研究

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，長期發電成本是21世紀最廉價，其大力開發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，實現人性化、安全化、智能化。通過檢測空氣濕度、周遭環境等參數來判決系統運行及操作程序處理，當判決狀態達標時，實現陰雨前或過于潮濕的情況及時收取衣物，太陽飽和狀態自動晾曬等主要功能。系統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，軟件組成包括狀態判決，數據判決，歷史分析等等模塊。

1 系統設計

系統整體框架如圖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，室內需要進行升降操作時，備用電源補充模塊，實現家居人性化。復位初始化模塊避免系統工作紊亂而設計，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，實現外部數據與內部系統的信息交換。溫濕度傳感器模塊，自動檢測外部環境是否具備可繼續晾曬衣物的條件。太陽光檢測模塊，根據由濕度傳感器傳出的指令，當滿足空氣濕度達標時，自動檢測外部環境是否具備晾曬衣物的必要性，太陽飽和狀態才發送信號給單片機，完成晴雨天自動晾曬的功能，實現家居智能化；遇阻即停模塊，確保執行過程的安全，實現家居安全化；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電板、穩壓器共同組成；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

為了實現穩定供電，需要將太陽能發電板發出的不穩定的直流電通過穩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，產生新的電子-空穴對，在P-N結電場的作用下，空穴由P區流向N區，電子由N區流向P區，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），從而實現不間斷供電。

DHT11數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，且校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，故傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數，該傳感器是一款含有已校準數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為串行數據單總線，與Arduino之間進行數據傳輸；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。搭配可調電位器可調節檢測光線強度，工作電壓3.3V-5V，光敏電阻模塊對環境光線最敏感，檢測周圍環境光線的亮度，可觸發單片機或繼電器模塊等。當周圍環境光線亮度達不到設定閾值時，輸出端輸出高電平，智能晾衣架系統會得出不能晾衣物的指令；當外界環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境情況，進而對單片機發送數據。

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為角位移，精度為步進角的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，實現家居智能化、自動化、人性化、安全化。該系統的主要結構由Arduino單片機為核心實現智能化控制。外部傳感器采用DHT11數字溫濕度傳感器來檢測氣象參數，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晴雨天自動升降的功能，踐行綠色生活的理念。