DIY你的趣味生活：太陽能智能晾衣架的軟硬件和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1 緒言

1.1 太陽能智能晾衣架簡介

晾衣架作為每天使用的家居用品，如今已經(jīng)成為許多家庭的生活必需品。作為消費(fèi)者來說，選擇品牌關(guān)鍵是貨真價(jià)實(shí)。其結(jié)構(gòu)、用料、做工等均是不可或缺的商品組成部分，質(zhì)量和售后服務(wù)更是該行業(yè)生產(chǎn)商生存與發(fā)展的永恒構(gòu)成自動(dòng)晾衣架是升降晾衣架的另一種稱謂，早在2000年前出現(xiàn)的一種晾曬衣服的用具，現(xiàn)時(shí)有手搖的和遙控的兩大類，這種產(chǎn)品剛出來時(shí)晾桿是用不銹鋼圓管做的，款式單一，只是作為一種方便晾曬衣服的工具，但隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)晾衣架的廠家越來越多，競爭越來越大，廠家各出奇謀，晾衣架的款式越來越多，越來越漂亮，晾衣架如今已不僅僅是一種晾曬的工具了，更演變成一種裝飾品，成為陽臺一道風(fēng)景線。晾衣架的各種配件也層出不窮，每一件配件都可以作為裝飾品，點(diǎn)綴現(xiàn)代家庭的陽臺。而太陽能智能衣架是在普通衣架的設(shè)計(jì)上增添了綠色環(huán)保的供電系統(tǒng)，太陽能板發(fā)電，給18650蓄電池組充電，再經(jīng)過穩(wěn)壓模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電，而且能判斷衣服干濕，使其具備當(dāng)衣服干了馬上停止工作的能力。而且用電機(jī)帶動(dòng)衣架上升下降并跟蹤陽光移動(dòng)，使衣服最大限度的暴露在陽光當(dāng)中，如果空氣濕度過高，能自動(dòng)開啟風(fēng)扇對衣服進(jìn)行風(fēng)干。這幾種功能主要是其智能化的體現(xiàn)。

1.2 太陽能智能晾衣架國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

基于現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，自動(dòng)晾衣架已經(jīng)開始普及，但僅僅這樣的功能是不夠的，著社會(huì)信息化的加快，人們的工作、生活和通訊、信息的關(guān)系日益緊密。信息化社會(huì)在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習(xí)慣的同時(shí)，也對傳統(tǒng)的住宅提出了挑戰(zhàn)，社會(huì)、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步更使人們的觀念隨之巨變。人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)安全、方便、舒適的居家環(huán)境。所以基本上家居都已經(jīng)朝著智能化的方向發(fā)展。衣架也不例外。而現(xiàn)在的自動(dòng)晾衣架是以手動(dòng)或者是電動(dòng)升降，方便衣服的晾曬，大多采用了手搖器這機(jī)構(gòu)，手搖器是實(shí)現(xiàn)晾衣架升降、自鎖（任意高度自動(dòng)鎖定）功能的主要部件。由此可見，晾衣架的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)是手搖器。手搖器猶如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，或者人的心臟。手搖器作為晾衣架的核心部件，其質(zhì)量直接關(guān)系產(chǎn)品主要功能的實(shí)現(xiàn)及壽命。手搖器的自鎖原理：停止時(shí)，是靠彈簧的張力產(chǎn)生的巨大摩擦阻力，產(chǎn)生“自鎖”，上升或者下降時(shí)，則彈簧收緊，與彈簧杯減少摩擦，故能順利升降。而太陽能智能晾衣架用渦輪減速電機(jī)可以很好地取代手搖器，在他原基礎(chǔ)上還增加了電動(dòng)上升下降這個(gè)功能，暫時(shí)國內(nèi)還沒有這種晾衣架，都是機(jī)械式?jīng)]有帶有系統(tǒng)的。

1.3 太陽能智能晾衣架的發(fā)展趨勢

智能化家居這個(gè)概念，已經(jīng)融入了千家萬戶，但是其具體涵義都有不解，加其 發(fā)展?fàn)顩r和市場前景均是一系列的問號？就以上闡述兩個(gè)問題以下將做簡要介紹及淺析。提到智能化家居，人們立刻會(huì)聯(lián)想到網(wǎng)絡(luò)。冰箱上網(wǎng)、洗衣機(jī)上網(wǎng)、電視機(jī)上網(wǎng)、微波爐上網(wǎng)…… 開發(fā)者高舉智能家居大旗，宣稱網(wǎng)絡(luò)家電可以使生活達(dá)到全數(shù)字化，讓人們感到輕松方便。智能家居當(dāng)然不止是這些。

在國內(nèi)，智能家居不是一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品，也不是傳統(tǒng)意義上的“智能小區(qū)”概念，而是基于小區(qū)的多層次家居智能化解決方案。它綜合利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、家電控制、綜合布線等技術(shù)，將家庭智能控制、信息交流及消費(fèi)服務(wù)、小區(qū)安防監(jiān)控等家居生活有效地結(jié)合來，在傳統(tǒng)“智能小區(qū)”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了向家的延伸，創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便捷的個(gè)性化住宅空間，而且現(xiàn)在的產(chǎn)品都向著綠色低碳的方向發(fā)展，例如太陽能熱水器，風(fēng)能水能發(fā)電，電動(dòng)汽車等等。所以，晾衣架作為一個(gè)日常的生活家居用品有必要智能化并且和綠色低碳掛鉤。其目標(biāo)應(yīng)該是節(jié)能，自動(dòng)化。但是　智能家居畢竟在硬件和軟件方面都具有一定的難度，在數(shù)個(gè)月或一年的時(shí)間里是不可能研究開發(fā)成功的能家居是住宅智能化的核心部分，目前我國的智能家居市場有三個(gè)特點(diǎn)：一是市場潛力大，我們知道現(xiàn)在的房地產(chǎn)業(yè)在全國的發(fā)展都很火爆，作為其下游產(chǎn)業(yè)，智能家居市場前景還是非常樂觀的。第二點(diǎn)就是產(chǎn)品多，廠家多，大部分集中在上海、北京、深圳、廣州等地。但到目前為止還沒有一家形成規(guī)?；Ｔ儆芯褪窃谥悄芗揖有袠I(yè)國家還沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得很多中小企業(yè)各自為政，按自己對市場的理解來開發(fā)產(chǎn)品，相互間的產(chǎn)品不具兼容性，這種局面有點(diǎn)春秋戰(zhàn)國時(shí)代諸侯爭霸的感覺。因此，今后幾年智能家居市場會(huì)進(jìn)入一個(gè)行業(yè)整合階段，最終可能會(huì)出現(xiàn)幾家規(guī)模比較大，品牌影響力好的廠家。從產(chǎn)品角度來講，以后的智能家居產(chǎn)品會(huì)朝著實(shí)用化、

傻瓜化（操作簡單）、模塊化的方向發(fā)展，所謂模塊化就是產(chǎn)品開發(fā)商把智能家居產(chǎn)品做成模塊化的，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求任意搭配。這樣不僅可滿足不同層次用戶的需要,而且可以節(jié)約成本，也可以節(jié)約不必要的端口模塊的浪費(fèi)。

隨著高科技和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，安全、舒適、便利的生活環(huán)境已經(jīng)不再是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想。由于智能家居系統(tǒng)能夠?yàn)槿藗兲峁└虞p松、有序、高效的現(xiàn)代生活環(huán)境，因此已經(jīng)成為房地產(chǎn)商追逐的熱點(diǎn)。在未來，沒有智能家居系統(tǒng)的住宅將像今天不能上網(wǎng)的住宅那樣不合潮流。相信不遠(yuǎn)的將來，智能家居一定會(huì)更好地造福人類。所以身為其中家居用品一份子的晾衣架是很有潛力在這方面山發(fā)展的，我相信不久的將來傳統(tǒng)簡單的晾衣架在科技的飛速發(fā)展下一定可以成為一顆耀眼的明星，讓人們一改對以往操作簡單，樣式普通的晾衣架的看法。 而太陽能智能晾衣架不僅滿足家居智能化的要求，而且在這個(gè)還有很大發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)中必定具有很大的潛力。

2 系統(tǒng)方案

圖表 1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)電源是由太陽能板對蓄電池充電，然后蓄電池經(jīng)過穩(wěn)壓模塊分別對單片機(jī)與電機(jī)、風(fēng)扇直接供電。在天氣明朗的時(shí)候能有效的儲蓄一定電量，待陰雨天氣衣服較難干時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，使衣服能夠盡快的晾干。

下面簡單介紹本系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，在晴天時(shí)，在陽臺常有光照的地方安置一個(gè)光敏電阻，若光敏電阻采集到數(shù)據(jù)大于或者等于晴天與陰天交界所采集到的值，則說明有光照進(jìn)入陽臺，并且開始采集安置在衣架上的光敏的信號，利用這兩個(gè)光敏的數(shù)據(jù)，能很好地實(shí)現(xiàn)查找光照區(qū)間的功能，讓衣服多曬陽光，晾干的更快，而且陽光的紫外線還有良好的殺菌功能。濕敏傳感器有三個(gè)，使用捕獲功能采集其信息，一個(gè)安置在陽臺附近，兩個(gè)安置在衣服附近，分別測得空氣相對濕度和衣服附近空氣相對濕度，空氣相對濕度是用來判斷是否需要開風(fēng)扇，而衣服附近的相對濕度則用來與空氣相對濕度比較，判斷衣服是否已經(jīng)晾干。顯示屏則顯示相關(guān)信息與程序運(yùn)行的狀況。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1太陽能板供電模塊

圖表 2太陽能供電系統(tǒng)

本系統(tǒng)是由太陽能供電，用18650鋰電池組作為蓄電池,如圖2所示。太陽能板在正常日照下能提供18V的電壓，1.27A的電流，通過升降壓模塊，我們將太陽能板提供的電穩(wěn)定在18V，給鋰電池充電，同時(shí)，也給系統(tǒng)供電，鋰電池經(jīng)過鋰電保護(hù)板，能使四個(gè)18650電池均衡獲得4.3V的充電電壓，同時(shí)防止輸出過電流、短路及過充電、過放電對電池的損傷。當(dāng)外圍沒有太陽的時(shí)候，或者太陽不夠強(qiáng)烈的時(shí)候，則由鋰電池組給系統(tǒng)供電，輸出的18V直流電再經(jīng)過降壓穩(wěn)壓到12.5V，給開發(fā)板和電機(jī)風(fēng)扇供電。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖表 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

JP1：邏輯輸入端，為IN1IN2IN3IN4，其中IN1、IN2 控制電機(jī)M1；IN3、IN4 控制電機(jī)M2。例如IN1 輸入高電平1,IN2 輸入低電平0，對應(yīng)電機(jī)M1 正轉(zhuǎn)；IN1 輸入低電平0,IN2輸入高電平1，對應(yīng)電機(jī)M1 反轉(zhuǎn)，調(diào)速就是改變高電平的占空比；

U1A-U1D：為TLP521-4 光隔，作用是光電隔離，保護(hù)因電機(jī)啟動(dòng)停止瞬間產(chǎn)生的尖峰脈

沖對主控制器的影響；

RN1、RN2：上下拉電阻，分別使用470歐電阻和5.6K的電阻；

PWMA、PWMB：L298N 使能端（高電平有效，常態(tài)下用跳線帽接于VCC），可通過這兩個(gè)端口

實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速（即使用PWM 調(diào)速時(shí)取下跳線帽）；

VIN：電機(jī)供電電源接口，采用12V 供電，電源正極接VIN，負(fù)極接GND；

VCC：L298N 芯片供電5V，由邏輯部分的電壓供電；

D1-D8：續(xù)流二極管-IN4007；

M1：電機(jī)1 接口，在本系統(tǒng)中接卷線器用的蝸桿電機(jī)；

M2：電機(jī)2 接口，在本系統(tǒng)中接在風(fēng)扇接口

3.3 衣架外形制作

衣架外形我們采用不銹鋼作為支架，每一個(gè)部分都做成插拔件，方便運(yùn)輸及安裝,同時(shí)本衣架可以根據(jù)自家陽臺的高低調(diào)節(jié)衣架的高度。電機(jī)卷線部分我們在金工坊自行加工一個(gè)聯(lián)軸卷線器，

a.過線定滑輪 b.衣架插拔件

c.衣架外形 d.聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

e.聯(lián)軸器的制作 f.聯(lián)軸器的安裝

圖表 4衣架外形制作

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1程序流程圖

基于開發(fā)板EVK1100所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的運(yùn)行流程，首先是使用鍵盤輸入時(shí)間，然后確定時(shí)間以后開始收集濕度數(shù)據(jù)，1號是收集陽臺空氣濕度H1，2號、3號是收集貼近衣服上方的空氣濕度H2、H3，對比三個(gè)濕度傳感器，先判斷衣服的干濕，若是濕的，則進(jìn)行下一步工作——判斷工作模式，如果是早上和下午模式，則根據(jù)在陽臺的光敏收集的光照強(qiáng)度L1是否大于或等于有光與無光的臨界值SUN，若大于則開啟尋找光源功能。由于早上的光照區(qū)間是自上往下移動(dòng)，下午的光照區(qū)間是自下往上移動(dòng)，如果第一次進(jìn)入早上模式，則將衣架高度初始化上升到最高點(diǎn)，逐步往下降尋找，直到L2和L1的值相差在一定范圍之內(nèi)，則停止衣架，此時(shí)已找到早上衣服能曬到的最大范圍，然后再根據(jù)濕度H1，判斷外圍濕度是否需要啟動(dòng)風(fēng)扇風(fēng)干衣服，此后每半個(gè)小時(shí)重復(fù)一次循環(huán)直到時(shí)鐘進(jìn)入下午模式，下午光照區(qū)間由下往上移動(dòng)，所以初始化衣架高度為最低點(diǎn)，然后逐步上升尋找，直到L2和L1的差值處于一定范圍內(nèi)，此時(shí)說明再往上已經(jīng)沒有陽光，確定衣架已經(jīng)處于光強(qiáng)最大區(qū)間，再根據(jù)濕度H1確定是否需要開啟風(fēng)扇，然后半個(gè)小時(shí)重復(fù)一次循環(huán)直到時(shí)鐘進(jìn)入晚上模式，如果此時(shí)為晚上模式，則自動(dòng)將衣架升到最高點(diǎn)，此后只根據(jù)濕度H1判斷是否需要開風(fēng)扇，直到進(jìn)入早上模式。電機(jī)上升和下降到衣架所規(guī)定的行程范圍內(nèi)的最大值，則衣架會(huì)觸碰到綁定在衣架右邊的行程開關(guān)，觸碰之后自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)。

圖表 5程序流程圖

4.2濕敏傳感器及風(fēng)扇程序設(shè)計(jì)

濕敏傳感器采集的濕度參數(shù)一共三個(gè)，1號是采集陽臺外空氣相對濕度，用以作為開關(guān)風(fēng)扇的參照，如果空氣相對濕度過高，衣服很難晾干，當(dāng)相對濕度大于一定值時(shí)開啟風(fēng)扇，使晾曬的衣服盡快風(fēng)干。2號3號濕敏傳感器則收集衣服附近的空氣相對濕度，并且以1號濕敏傳感器的值作為參照，若差值處于一定范圍內(nèi)則可認(rèn)為衣服基本干了，停止其他正在工作的設(shè)備，達(dá)到節(jié)能的功能。溫濕度傳感器是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)熟悉信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。每個(gè)DHT11傳感器都在精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中會(huì)調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

圖表 6輔助晾衣風(fēng)扇

圖表 7 DHT11濕敏傳感器

圖表6、圖表7所示為風(fēng)扇與濕敏傳感器的安裝位置。

下圖為濕敏傳感器向EVK1100輸入的方形脈沖，需用單片機(jī)的捕獲模式獲取數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制以供系統(tǒng)使用。

圖表 8 DHT11濕敏傳感器傳輸數(shù)據(jù)波形圖

圖表 9 濕敏電阻和風(fēng)扇的工作流程圖

4.2光敏電阻程序設(shè)計(jì)

光敏模塊包括兩個(gè)外擴(kuò)光敏電阻器，擴(kuò)展了PA25、PA26兩個(gè)管腿。光敏電阻模塊主要是為了解決兩大問題而設(shè)計(jì)的，首先是確定有無光照進(jìn)入陽臺，這是由一號光敏數(shù)據(jù)是否處于有光照的變化范圍內(nèi)，本電路中光敏采集的有光與無光臨界值為0x350，小于此值則有光進(jìn)入陽臺。其次是查詢光照區(qū)間最大值，用光敏采集的數(shù)據(jù)作為電機(jī)模塊的參數(shù)，在電機(jī)模塊中查詢光照區(qū)間最大值。

圖表 10 光敏電阻程序流程圖

4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由光敏采集的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，由于陽臺的光照情況在早上下午和晚上各有不同，早上和下午陽臺有光照，而晚上沒有光照，所以晚上電機(jī)就不需要帶動(dòng)衣架尋找光照區(qū)間；早上和下午的光照情況也有所不同，早上到中午這段時(shí)間陽臺的光強(qiáng)區(qū)間是由上到下移動(dòng)，而下午是相反，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)尋找光照區(qū)間要分為三個(gè)模式，早上，晚上和下午模式。早上和下午模式尋找光照區(qū)間的原理是在晾衣桿上裝一個(gè)光敏電阻，在陽臺常暴露在陽光的地方裝一個(gè)光敏電阻，通過AD口采集數(shù)據(jù)，先判斷陽臺的光敏傳感器所采集的光敏值是否大于有光時(shí)候的值，這樣就可以判斷有無光照，有光照后早上的陽光區(qū)間是由上往下移，所以先上升衣架到最高點(diǎn)，從最高點(diǎn)往下移動(dòng)，直到兩光敏值相差在誤差范圍內(nèi)，下午則相反。

圖表 11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊流程圖

4.4 RTC和鍵盤模塊

RTC（Real Time Counter）是一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，他可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，在本系統(tǒng)中是用來判斷早午晚模式，并且每三十分鐘產(chǎn)生中斷把單片機(jī)從睡眠中喚醒并執(zhí)行晾衣架相應(yīng)的功能。完成任務(wù)后又自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。

鍵盤是方便使用者輸入時(shí)間和控制電機(jī)上升衣架和降低衣架。

圖表 12 RTC和鍵盤模塊

4.5自動(dòng)調(diào)整亮度模塊

此模塊是為了節(jié)能而外加的一個(gè)小模塊，用光敏傳感器采集50組光亮度信號然后取平均值，有效的濾除采樣時(shí)的產(chǎn)生的偶然誤差，并且提供給電機(jī)模塊，作為尋找光強(qiáng)區(qū)間的判據(jù)。

圖表 13 自動(dòng)調(diào)整亮度模塊