新型太阳能智能雨篷的设计研制

孙柯+刘晓峰+任立博

摘要：设计了基于51单片机系统的太阳能智能雨篷，详细制定了该系统结构，给出了系统硬件设计﹑电路设计和软件编程，能够达到阴雨天气雨篷自动伸出，晴朗天气雨篷自动收回的目的。另外还为用户设计了手动模式，使用户可以根据自己的意愿，选择人工控制雨篷的伸出或收回。不仅如此，考虑到系统的节能环保，设计中采用太阳能蓄电池为各个模块提供电能。

关键词：智能雨篷；51单片机；太阳能；遥控

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）22-0218-03

1 概述

自20世纪以来随着国内经济高速发展及房地产的快速扩张，直接促进了装修家居行业飞速发展，其中晾衣架市场脱颖而出，十年间得以迅猛发展。目前，国内智能晾衣架设计方法包括以下几种：一是采用菱形推动架构成的拉伸传动机构[1]；一是利用螺杆﹑钢丝线﹑电机﹑晾衣杆等部件组成的可折叠智能晾衣架[2]；另有用钢丝连接吊轨小车，通过控制钢丝带动小车的前进后退，实现晾衣杆的外伸与收回[3]。以上设计方法或多或少存在各种缺陷，要么是物理结构过于复杂[1]；要么是使用方法过于麻烦[2]；要么是传动环节过多，导致对衣杆的收放不灵活而且整体结构容易出现问题[3]。为此设计了一款新型太阳能智能雨篷，本设计与其他设计的不同在于：以往的都是控制晾衣杆的收缩和伸出，而本设计是控制雨篷的伸出和收回，此设计的优点是整体结构更加简便﹑灵活，而且安装方便只需加装此款智能雨篷即可，雨篷通过检测外部环境的温度﹑湿度﹑光照强度实现自动收放，也可以通过无线遥控手动控制雨篷的收放。此外，太阳能蓄电池的使用使得系统更加环保﹑节能。

2 智能雨篷的工作原理

本文设计的智能雨篷安装在窗户的上沿。智能雨篷的结构示意图如图1所示，该智能雨篷主体结构由内置滑轨的铝合金管1搭建而成，在铝合金管的前﹑后各安装一根丝杆2，传动轴将丝杆和直流电机3相连，在两根丝杆上各套一个滑轮4并将其固定，钢丝5一端固定在雨篷，另一端缠绕在滑轮上；在雨篷前后两端各安装一个光电传感器6，控制直流电机的运行停止；在铝合金主体结构的最前端安装着雨滴传感器7和温度传感器8，检测外界温度﹑湿度的变化。当检测到高温﹑下雨时，电机正转带动钢丝绳前进，使雨篷伸张；当检测到天气湿度﹑温度适合晾晒，电机反转带动钢丝绳后退，使雨篷收回。

3 控制系统总体设计

为了实现防雨﹑防暴晒及节能省电的目的，本文设计了控制系统如图2的智能雨篷，系统以STC89C52单片机为主芯片，外接雨滴传感器﹑温度传感器﹑光电传感器﹑无线遥控模块等。通过各个传感器检测外界环境，将采集的信号送给单片机进行处理，进而单片机控制各个模块进行工作。

当室外下雨时，雨滴传感器检测电路导通，产生模拟电压，通过比较器LM393将模拟电压与参考固定电压比较，在两者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，单片机检测到电压信号的改变，控制雨篷伸出；当室外的温度高出温度传感器设定的阈值范围时，系统会通过蜂鸣器向室内的人们发出警报并且自动伸张雨篷防止衣物暴晒。此外，当人们感觉室外的环境不适合晾晒衣物时，系统可以通过无线遥控切换至手动模式，通过按键控制雨篷伸出，大大增加了系统的灵活性﹑实用性。

4 控制电路的设计

为了实现阴雨﹑高温天气雨篷自动伸出及手动控制雨篷伸出收回的目标，设计了以下主要控制电路：雨滴传感器控制电路﹑温度传感器控制电路﹑光电传感器控制电路﹑无线遥控模块控制电路以及电机驱动模块控制电路。温度传感器控制电路和雨滴传感器控制电路产生检测信号，信号经过单片机的输入口传输给单片机，单片机经过数据分析处理后从引脚输出相应的控制信号给电机驱动模块，从而控制电机的转动；光电传感器通过检测雨篷的位置信号传输给单片机，从而控制电机的运行停止。

4.1 雨滴传感器控制电路的设计

雨滴传感器是设计的重点，系统中采用了多点布置的方式以便更好的感应外界环境的变化。雨滴传感器电路图如图3，当没有雨水落在检测板上时，同相输入端INA+的电压大于反相输入端INA-的电压，电压比较器LM393的输出端OUT输出高电平，开关指示灯灭，单片机的P2.0﹑P2.1口采集到高电平，由程序判断控制输出，使雨篷收回。当有雨水落在检测板上时，电源VCC经电阻R1直接接入GND，同相输入端INA+的电压小于反相输入端INA-的电压，电压比较器LM393的输出端OUT输出低电平，开关指示灯亮，单片机的P2.0﹑P2.1口采集到低电平，使雨篷伸出。

4.2 光电传感器控制电路的设计

光电传感器主要是判断雨篷伸出和收回的终止位置。光电传感器的控制电路图如图4，主要由三部分组成：发送器（红外线发光二极管）﹑接收器（光敏三极管）﹑检测电路。光电传感器的发送器发射红外光线，当没有雨篷经过光电传感器时，光敏三极管没有接收到反射的红外光线，光敏三极管关断，同相端电压大于反相端电压，单片机P0.0﹑P0.1口输出高电平，电机继续运行；当雨篷经过光电传感器时，光敏三极管接收到雨篷反射的红外光线，光敏三极管饱和，电源经电阻R2和光敏管接地，同相端电压小于反相端电压，单片机P0.0﹑P0.1口输出低电平，电机停止。

4.3 电机驱动模块控制电路设计

根据其传动原理和控制要求，设计芯片L298N双H桥驱动电路，驱动电路原理图如图5。其中M1，M2选用12V的直流电机，IN1﹑IN2﹑IN3﹑IN4输入分别接单片机的P1.0﹑P1.1﹑P1.2﹑P1.3口。IN1﹑IN2控制M1电机，当P1.0﹑P1.1分别为高点平﹑低电平时，电机正转，雨篷伸出；当P1.0﹑P1.1分别为低点平﹑高电平时，电机反转，雨篷收回；当P1.0﹑P1.1分别为低点平﹑低电平时，电机停止，雨篷停止；IN3﹑IN4控制M2电机与M1的控制方法相同。

4.4 无线遥控模块

本文设计的无线遥控模块主要功能是将系统由自动模式切换到手动模式，切换成功后再通过遥控按键控制雨篷的伸出和收回。C键控制雨篷的伸出﹑D键控制雨篷的收回。

无线遥控模块由发射端和接收端两部分组成。信号的发射由遥控器完成，遥控器设计有四个按键，对应接收板上的信号输出脚；信号的接收由SC2272-M4芯片完成。设计中使用了遥控器上的B键﹑C键﹑D键3个按键，3个按键分别对应接收板上数据输出脚的D1﹑D2﹑D3，数据输出脚分别与单片机的P3.2﹑P1.5﹑P1.6口相连。其中长按B键，数据输出脚D1输出低电平，单片机的P3.2口置低，系统由自动模式切换到手动模式；按C键，数据输出脚D2输出低电平，单片机的P1.5口置低，雨篷伸张；按D键，数据输出脚D3输出低电平，单片机的P1.6口置低，雨篷收回。

5 软件设计

本智能雨篷的系统软件主要由主程序和多个子程序组成。主程序流程图如图6所示，系统对各个模块进行初始化设置，进行模式选择：手动模式与自动模式。若为自动模式，则通过雨滴传感器的检测，判断是否有雨，若雨滴检测板未检测到雨滴，则电机反转，雨篷收回；再通过温度传感器判断是否在高温范围，若超出高温阈值范围，则电机正转，雨篷伸出。若为手动模式，则通过按键进行选择雨篷的收回与伸出。其他子程序包括雨滴检测﹑按键查询﹑电机正反转等，在此不再赘述。

6 结语

本文设计的智能雨篷能够根据天气的情况实现雨篷的自动收回与伸出，机械结构简单﹑操作简便制造成本低﹑智能化程度高﹑实用性强，具有较广的推广应用价值。

参考文献：

[1] 孙紹翔，周连佺，臧曙光，莫亦飞，屈晓龙.基于单片机和传感器的智能晾衣架系统设计[J].机械工程师，2013，23（9）：85-87.

[2] 李倩，陆强，马志强.基于单片机的户外自动可折叠晾衣架的设计[J].中国科技信息，2013，17（15）：119-121.

[3] 吕广红，黄崇林，陈晓铭.基于AT89C52的智能晾衣架的设计[J].自动化与仪器仪表，2013，32（2）：71-73.

[4]潘清明，丁左武，蒋伟，郑孙伟.防雨﹑防暴晒﹑夜晚能自动收缩的智能晾衣架设计[J].机电产品开发与创新，2007，20（6）：79-81.

[5]张文倩，齐爱学.仿生学太阳能智能晾衣系统设计[J].电子设计工程，2015，23（8）：38-41.