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

關(guān)鍵詞： 太陽能 , PWM , EVK1100

　　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。作為消費者來說，選擇品牌關(guān)鍵是貨真價實。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)時有手搖的和遙控的兩大類，這種產(chǎn)品剛出來時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)壓模塊給整個系統(tǒng)供電，而且能判斷衣服干濕，使其具備當衣服干了馬上停止工作的能力。而且用電機帶動衣架上升下降并跟蹤陽光移動，使衣服最大限度的暴露在陽光當中，如果空氣濕度過高，能自動開啟風(fēng)扇對衣服進行風(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)展狀況
　　基于現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，自動晾衣架已經(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。信息化社會在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習(xí)慣的同時，也對傳統(tǒng)的住宅提出了挑戰(zhàn)，社會、技術(shù)以及經(jīng)濟的進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)在的自動晾衣架是以手動或者是電動升降，方便衣服的晾曬，大多采用了手搖器這機構(gòu)，手搖器是實現(xiàn)晾衣架升降、自鎖(任意高度自動鎖定)功能的主要部件。由此可見，晾衣架的質(zhì)量關(guān)鍵點是手搖器。手搖器猶如汽車的發(fā)動機，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)品主要功能的實現(xiàn)及壽命。手搖器的自鎖原理：停止時，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，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可以很好地取代手搖器，在他原基礎(chǔ)上還增加了電動上升下降這個功能，暫時國內(nèi)還沒有這種晾衣架，都是機械式?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)展狀況和市場前景均是一系列的問號?就以上闡述兩個問題以下將做簡要介紹及淺析。提到智能化家居，人們立刻會聯(lián)想到網(wǎng)絡(luò)。冰箱上網(wǎng)、洗衣機上網(wǎng)、電視機上網(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)家電可以使生活達到全數(shù)字化，讓人們感到輕松方便。智能家居當然不止是這些。
　　在國內(nèi)，智能家居不是一個單獨的產(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。它綜合利用計算機、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)上實現(xiàn)了向家的延伸，創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便捷的個性化住宅空間，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，電動汽車等等。所以，晾衣架作為一個日常的生活家居用品有必要智能化并且和綠色低碳掛鉤。其目標應(yīng)該是節(jié)能，自動化。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)個月或一年的時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特點：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)模化。再有就是在智能家居行業(yè)國家還沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，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，這種局面有點春秋戰(zhàn)國時代諸侯爭霸的感覺。 因此，今后幾年智能家居市場會進入一個行業(yè)整合階段，最終可能會出現(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)品會朝著實用化、
　　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。
　　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)不再是一個遙遠的夢想。由于智能家居系統(tǒng)能夠為人們提供更加輕松、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。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。相信不遠的將來，智能家居一定會更好地造福人類。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
　　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與電機、風(fēng)扇直接供電。在天氣明朗的時候能有效的儲蓄一定電量，待陰雨天氣衣服較難干時，啟動系統(tǒng)的自動控制，使衣服能夠盡快的晾干。
　　下面簡單介紹本系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，在晴天時，在陽臺常有光照的地方安置一個光敏電阻，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，利用這兩個光敏的數(shù)據(jù)，能很好地實現(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，使用捕獲功能采集其信息，一個安置在陽臺附近，兩個安置在衣服附近，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)信息與程序運行的狀況。
　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　3.1太陽能板供電模塊
　　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，也給系統(tǒng)供電，鋰電池經(jīng)過鋰電保護板，能使四個18650電池均衡獲得4.3V的充電電壓，同時防止輸出過電流、短路及過充電、過放電對電池的損傷。當外圍沒有太陽的時候，或者太陽不夠強烈的時候，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)板和電機風(fēng)扇供電。
　　3.2電機驅(qū)動模塊
　　JP1：邏輯輸入端，為IN1\IN2\IN3\IN4，其中IN1、IN2 控制電機M1;IN3、IN4 控制電機M2。例如IN1 輸入高電平1,IN2 輸入低電平0，對應(yīng)電機M1 正轉(zhuǎn);IN1 輸入低電平0,IN2輸入高電平1，對應(yīng)電機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，保護因電機啟動停止瞬間產(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)，可通過這兩個端口
                               
                　　實現(xiàn)PWM 調(diào)速(即使用PWM 調(diào)速時取下跳線帽);
　　VIN：電機供電電源接口，采用12V 供電，電源正極接VIN，負極接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1 接口，在本系統(tǒng)中接卷線器用的蝸桿電機;
　　M2：電機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，每一個部分都做成插拔件，方便運輸及安裝,同時本衣架可以根據(jù)自家陽臺的高低調(diào)節(jié)衣架的高度。電機卷線部分我們在金工坊自行加工一個聯(lián)軸卷線器，
　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　4.1程序流程圖
　　基于開發(fā)板EVK1100所設(shè)計的系統(tǒng)的運行流程，首先是使用鍵盤輸入時間，然后確定時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，對比三個濕度傳感器，先判斷衣服的干濕，若是濕的，則進行下一步工作——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，下午的光照區(qū)間是自下往上移動，如果第一次進入早上模式，則將衣架高度初始化上升到最高點，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風(fēng)扇風(fēng)干衣服，此后每半個小時重復(fù)一次循環(huán)直到時鐘進入下午模式，下午光照區(qū)間由下往上移動，所以初始化衣架高度為最低點，然后逐步上升尋找，直到L2和L1的差值處于一定范圍內(nèi)，此時說明再往上已經(jīng)沒有陽光，確定衣架已經(jīng)處于光強最大區(qū)間，再根據(jù)濕度H1確定是否需要開啟風(fēng)扇，然后半個小時重復(fù)一次循環(huán)直到時鐘進入晚上模式，如果此時為晚上模式，則自動將衣架升到最高點，此后只根據(jù)濕度H1判斷是否需要開風(fēng)扇，直到進入早上模式。電機上升和下降到衣架所規(guī)定的行程范圍內(nèi)的最大值，則衣架會觸碰到綁定在衣架右邊的行程開關(guān)，觸碰之后自動關(guān)閉電機。
　　4.2濕敏傳感器及風(fēng)扇程序設(shè)計
　　濕敏傳感器采集的濕度參數(shù)一共三個，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，當相對濕度大于一定值時開啟風(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)則可認為衣服基本干了，停止其他正在工作的設(shè)備，達到節(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DHT11傳感器都在精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(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調(diào)用這些校準系數(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20米以上，產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。
　　下圖為濕敏傳感器向EVK1100輸入的方形脈沖，需用單片機的捕獲模式獲取數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換成16進制以供系統(tǒng)使用。
　　4.2光敏電阻程序設(shè)計
　　光敏模塊包括兩個外擴光敏電阻器，擴展了PA25、PA26兩個管腿。光敏電阻模塊主要是為了解決兩大問題而設(shè)計的，首先是確定有無光照進入陽臺，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)作為電機模塊的參數(shù)，在電機模塊中查詢光照區(qū)間最大值。
　　4.3電機驅(qū)動模塊
　　電機驅(qū)動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，所以晚上電機就不需要帶動衣架尋找光照區(qū)間;早上和下午的光照情況也有所不同，早上到中午這段時間陽臺的光強區(qū)間是由上到下移動，而下午是相反，所以電機驅(qū)動尋找光照區(qū)間要分為三個模式，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光敏電阻，在陽臺常暴露在陽光的地方裝一個光敏電阻，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，從最高點往下移動，直到兩光敏值相差在誤差范圍內(nèi)，下午則相反。
　　4.4 RTC和鍵盤模塊
　　RTC(Real Time Counter)是一個實時計數(shù)器，他可以產(chǎn)生一個中斷，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)后又自動進入睡眠模式。
　　鍵盤是方便使用者輸入時間和控制電機上升衣架和降低衣架。
　　4.5自動調(diào)整亮度模塊
　　此模塊是為了節(jié)能而外加的一個小模塊，用光敏傳感器采集50組光亮度信號然后取平均值，有效的濾除采樣時的產(chǎn)生的偶然誤差，并且提供給電機模塊，作為尋找光強區(qū)間的判據(jù)。