DIY你的趣味生活：太阳能智能晾衣架的软硬件和系统实现

关键词： 太阳能 , PWM , EVK1100

　　1 绪言
　　1.1 太阳能智能晾衣架简介
　　晾衣架作为每天使用的家居用品，如今已经成为许多家庭的生活必需品。作为消费者来说，选择品牌关键是货真价实。其结构、用料、做工等均是不可或缺的商品组成部分，质量和售后服务更是该行业生产商生存与发展的永恒构成自动晾衣架是升降晾衣架的另一种称谓，早在2000年前出现的一种晾晒衣服的用具，现时有手摇的和遥控的两大类，这种产品刚出来时晾杆是用不锈钢圆管做的，款式单一，只是作为一种方便晾晒衣服的工具，但随着时间的推移，生产晾衣架的厂家越来越多，竞争越来越大，厂家各出奇谋，晾衣架的款式越来越多，越来越漂亮，晾衣架如今已不仅仅是一种晾晒的工具了，更演变成一种装饰品，成为阳台一道风景线。晾衣架的各种配件也层出不穷，每一件配件都可以作为装饰品，点缀现代家庭的阳台。而太阳能智能衣架是在普通衣架的设计上增添了绿色环保的供电系统，太阳能板发电，给18650蓄电池组充电，再经过稳压模块给整个系统供电，而且能判断衣服干湿，使其具备当衣服干了马上停止工作的能力。而且用电机带动衣架上升下降并跟踪阳光移动，使衣服最大限度的暴露在阳光当中，如果空气湿度过高，能自动开启风扇对衣服进行风干。这几种功能主要是其智能化的体现。
　　1.2 太阳能智能晾衣架国内外发展状况
　　基于现代社会的飞速发展，自动晾衣架已经开始普及，但仅仅这样的功能是不够的，着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。所以基本上家居都已经朝着智能化的方向发展。衣架也不例外。而现在的自动晾衣架是以手动或者是电动升降，方便衣服的晾晒，大多采用了手摇器这机构，手摇器是实现晾衣架升降、自锁(任意高度自动锁定)功能的主要部件。由此可见，晾衣架的质量关键点是手摇器。手摇器犹如汽车的发动机，或者人的心脏。手摇器作为晾衣架的核心部件，其质量直接关系产品主要功能的实现及寿命。手摇器的自锁原理：停止时，是靠弹簧的张力产生的巨大摩擦阻力，产生“自锁”，上升或者下降时，则弹簧收紧，与弹簧杯减少摩擦，故能顺利升降。而太阳能智能晾衣架用涡轮减速电机可以很好地取代手摇器，在他原基础上还增加了电动上升下降这个功能，暂时国内还没有这种晾衣架，都是机械式没有带有系统的。
　　1.3 太阳能智能晾衣架的发展趋势
　　智能化家居这个概念，已经融入了千家万户，但是其具体涵义都有不解，加其 发展状况和市场前景均是一系列的问号?就以上阐述两个问题以下将做简要介绍及浅析。提到智能化家居，人们立刻会联想到网络。冰箱上网、洗衣机上网、电视机上网、微波炉上网…… 开发者高举智能家居大旗，宣称网络家电可以使生活达到全数字化，让人们感到轻松方便。智能家居当然不止是这些。
　　在国内，智能家居不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合来，在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间，而且现在的产品都向着绿色低碳的方向发展，例如太阳能热水器，风能水能发电，电动汽车等等。所以，晾衣架作为一个日常的生活家居用品有必要智能化并且和绿色低碳挂钩。其目标应该是节能，自动化。但是　智能家居毕竟在硬件和软件方面都具有一定的难度，在数个月或一年的时间里是不可能研究开发成功的能家居是住宅智能化的核心部分，目前我国的智能家居市场有三个特点：一是市场潜力大，我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业，智能家居市场前景还是非常乐观的。第二点就是产品多，厂家多，大部分集中在上海、北京、深圳、广州等地。但到目前为止还没有一家形成规模化。再有就是在智能家居行业国家还没有统一的行业标准，使得很多中小企业各自为政，按自己对市场的理解来开发产品，相互间的产品不具兼容性，这种局面有点春秋战国时代诸侯争霸的感觉。 因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产品会朝着实用化、
　　傻瓜化(操作简单)、模块化的方向发展，所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要,而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块的浪费。
　　随着高科技和信息技术的广泛应用，安全、舒适、便利的生活环境已经不再是一个遥远的梦想。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。相信不远的将来，智能家居一定会更好地造福人类。所以身为其中家居用品一份子的晾衣架是很有潜力在这方面山发展的，我相信不久的将来传统简单的晾衣架在科技的飞速发展下一定可以成为一颗耀眼的明星，让人们一改对以往操作简单，样式普通的晾衣架的看法。 而太阳能智能晾衣架不仅满足家居智能化的要求，而且在这个还有很大发展潜力的行业中必定具有很大的潜力。
　　2 系统方案
　　系统电源是由太阳能板对蓄电池充电，然后蓄电池经过稳压模块分别对单片机与电机、风扇直接供电。在天气明朗的时候能有效的储蓄一定电量，待阴雨天气衣服较难干时，启动系统的自动控制，使衣服能够尽快的晾干。
　　下面简单介绍本系统的功能实现，在晴天时，在阳台常有光照的地方安置一个光敏电阻，若光敏电阻采集到数据大于或者等于晴天与阴天交界所采集到的值，则说明有光照进入阳台，并且开始采集安置在衣架上的光敏的信号，利用这两个光敏的数据，能很好地实现查找光照区间的功能，让衣服多晒阳光，晾干的更快，而且阳光的紫外线还有良好的杀菌功能。湿敏传感器有三个，使用捕获功能采集其信息，一个安置在阳台附近，两个安置在衣服附近，分别测得空气相对湿度和衣服附近空气相对湿度，空气相对湿度是用来判断是否需要开风扇，而衣服附近的相对湿度则用来与空气相对湿度比较，判断衣服是否已经晾干。显示屏则显示相关信息与程序运行的状况。
　　3 系统硬件设计
　　3.1太阳能板供电模块
　　本系统是由太阳能供电，用18650锂电池组作为蓄电池,如图2所示。太阳能板在正常日照下能提供18V的电压，1.27A的电流，通过升降压模块，我们将太阳能板提供的电稳定在18V，给锂电池充电，同时，也给系统供电，锂电池经过锂电保护板，能使四个18650电池均衡获得4.3V的充电电压，同时防止输出过电流、短路及过充电、过放电对电池的损伤。当外围没有太阳的时候，或者太阳不够强烈的时候，则由锂电池组给系统供电，输出的18V直流电再经过降压稳压到12.5V，给开发板和电机风扇供电。
　　3.2电机驱动模块
　　JP1：逻辑输入端，为IN1\IN2\IN3\IN4，其中IN1、IN2 控制电机M1;IN3、IN4 控制电机M2。例如IN1 输入高电平1,IN2 输入低电平0，对应电机M1 正转;IN1 输入低电平0,IN2输入高电平1，对应电机M1 反转，调速就是改变高电平的占空比;
　　U1A-U1D：为TLP521-4 光隔，作用是光电隔离，保护因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉
　　冲对主控制器的影响;
　　RN1、RN2：上下拉电阻，分别使用470欧电阻和5.6K的电阻;
　　PWMA、PWMB：L298N 使能端(高电平有效，常态下用跳线帽接于VCC)，可通过这两个端口
                               
                　　实现PWM 调速(即使用PWM 调速时取下跳线帽);
　　VIN：电机供电电源接口，采用12V 供电，电源正极接VIN，负极接GND;
　　VCC：L298N 芯片供电5V，由逻辑部分的电压供电;
　　D1-D8：续流二极管-IN4007;
　　M1：电机1 接口，在本系统中接卷线器用的蜗杆电机;
　　M2：电机2 接口，在本系统中接在风扇接口
　　3.3 衣架外形制作
　　衣架外形我们采用不锈钢作为支架，每一个部分都做成插拔件，方便运输及安装,同时本衣架可以根据自家阳台的高低调节衣架的高度。电机卷线部分我们在金工坊自行加工一个联轴卷线器，
　　4 系统软件设计
　　4.1程序流程图
　　基于开发板EVK1100所设计的系统的运行流程，首先是使用键盘输入时间，然后确定时间以后开始收集湿度数据，1号是收集阳台空气湿度H1，2号、3号是收集贴近衣服上方的空气湿度H2、H3，对比三个湿度传感器，先判断衣服的干湿，若是湿的，则进行下一步工作——判断工作模式，如果是早上和下午模式，则根据在阳台的光敏收集的光照强度L1是否大于或等于有光与无光的临界值SUN，若大于则开启寻找光源功能。由于早上的光照区间是自上往下移动，下午的光照区间是自下往上移动，如果第一次进入早上模式，则将衣架高度初始化上升到最高点，逐步往下降寻找，直到L2和L1的值相差在一定范围之内，则停止衣架，此时已找到早上衣服能晒到的最大范围，然后再根据湿度H1，判断外围湿度是否需要启动风扇风干衣服，此后每半个小时重复一次循环直到时钟进入下午模式，下午光照区间由下往上移动，所以初始化衣架高度为最低点，然后逐步上升寻找，直到L2和L1的差值处于一定范围内，此时说明再往上已经没有阳光，确定衣架已经处于光强最大区间，再根据湿度H1确定是否需要开启风扇，然后半个小时重复一次循环直到时钟进入晚上模式，如果此时为晚上模式，则自动将衣架升到最高点，此后只根据湿度H1判断是否需要开风扇，直到进入早上模式。电机上升和下降到衣架所规定的行程范围内的最大值，则衣架会触碰到绑定在衣架右边的行程开关，触碰之后自动关闭电机。
　　4.2湿敏传感器及风扇程序设计
　　湿敏传感器采集的湿度参数一共三个，1号是采集阳台外空气相对湿度，用以作为开关风扇的参照，如果空气相对湿度过高，衣服很难晾干，当相对湿度大于一定值时开启风扇，使晾晒的衣服尽快风干。2号3号湿敏传感器则收集衣服附近的空气相对湿度，并且以1号湿敏传感器的值作为参照，若差值处于一定范围内则可认为衣服基本干了，停止其他正在工作的设备，达到节能的功能。温湿度传感器是DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。每个DHT11传感器都在精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中会调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，产品为4针单排引脚封装，连接方便。
　　下图为湿敏传感器向EVK1100输入的方形脉冲，需用单片机的捕获模式获取数字信号并转换成16进制以供系统使用。
　　4.2光敏电阻程序设计
　　光敏模块包括两个外扩光敏电阻器，扩展了PA25、PA26两个管腿。光敏电阻模块主要是为了解决两大问题而设计的，首先是确定有无光照进入阳台，这是由一号光敏数据是否处于有光照的变化范围内，本电路中光敏采集的有光与无光临界值为0x350，小于此值则有光进入阳台。其次是查询光照区间最大值，用光敏采集的数据作为电机模块的参数，在电机模块中查询光照区间最大值。
　　4.3电机驱动模块
　　电机驱动模块是由光敏采集的数据作为依据，由于阳台的光照情况在早上下午和晚上各有不同，早上和下午阳台有光照，而晚上没有光照，所以晚上电机就不需要带动衣架寻找光照区间;早上和下午的光照情况也有所不同，早上到中午这段时间阳台的光强区间是由上到下移动，而下午是相反，所以电机驱动寻找光照区间要分为三个模式，早上，晚上和下午模式。早上和下午模式寻找光照区间的原理是在晾衣杆上装一个光敏电阻，在阳台常暴露在阳光的地方装一个光敏电阻，通过AD口采集数据，先判断阳台的光敏传感器所采集的光敏值是否大于有光时候的值，这样就可以判断有无光照，有光照后早上的阳光区间是由上往下移，所以先上升衣架到最高点，从最高点往下移动，直到两光敏值相差在误差范围内，下午则相反。
　　4.4 RTC和键盘模块
　　RTC(Real Time Counter)是一个实时计数器，他可以产生一个中断，在本系统中是用来判断早午晚模式，并且每三十分钟产生中断把单片机从睡眠中唤醒并执行晾衣架相应的功能。完成任务后又自动进入睡眠模式。
　　键盘是方便使用者输入时间和控制电机上升衣架和降低衣架。
　　4.5自动调整亮度模块
　　此模块是为了节能而外加的一个小模块，用光敏传感器采集50组光亮度信号然后取平均值，有效的滤除采样时的产生的偶然误差，并且提供给电机模块，作为寻找光强区间的判据。