晴雨天自动晾晒系统研究

李丹琪，张福鼎

（江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏南京，210013）

0 引言

太阳能有洁净安全等特点，长期发电成本是21世纪最廉价，其大力开发和利用将成为未来能源利用的主流。基于太阳能驱动的智能晾衣架不仅解决了能源问题，有效规避了电动晾衣架的不足，做好时刻接收外部信号或操作指令的准备。本文设计智能晾衣架将实现晴雨天自动升降的功能，充分利用太阳能对衣物进行处理，即保证衣物有效晒干，又利用太阳光对衣物进行消毒杀菌，避免紫外线灯对人体健康的不利因素，同时具备遇阻即停，保留部分先行智能晾衣架的可取功能，实现人性化、安全化、智能化。通过检测空气湿度、周遭环境等参数来判决系统运行及操作程序处理，当判决状态达标时，实现阴雨前或过于潮湿的情况及时收取衣物，太阳饱和状态自动晾晒等主要功能。系统硬件组成包括太阳能集电板、中断控制模块、湿度传感器、光照传感器、电机驱动、外部机械转轴等，软件组成包括状态判决，数据判决，历史分析等等模块。

1 系统设计

系统整体框架如图1所示，太阳能集电模块充分利用太阳能来给系统的运行供电，为了弥补因长时间阴雨天气造成的无法集能，室内需要进行升降操作时，备用电源补充模块，实现家居人性化。复位初始化模块避免系统工作紊乱而设计，便利使用者面对无法处理的情境时进行初始化，也是开启智能化自动晾晒的关键模块。电机驱动模块配合由Arduino单片机发出的各种指令，完成操作任务，并结合限位开关控制衣架伸出的最大距离，实现外部数据与内部系统的信息交换。温湿度传感器模块，自动检测外部环境是否具备可继续晾晒衣物的条件。太阳光检测模块，根据由湿度传感器传出的指令，当满足空气湿度达标时，自动检测外部环境是否具备晾晒衣物的必要性，太阳饱和状态才发送信号给单片机，完成晴雨天自动晾晒的功能，实现家居智能化；遇阻即停模块，确保执行过程的安全，实现家居安全化；手动/自动模式切换模块，给予用户更多的智能选择。

图1 整体框架

系统硬件模型如图2所示，主要由以下构成太阳能集电模块主要由太阳能发电板、稳压器共同组成；电源补充模块主要由蓄电池、TELESKY切换模块组成；温湿度传感器选型为DHT11测量的空气湿度范围为[20%，90%]RH，测量的温度范围为[0，50]℃；电机驱动模块主要由42步进电机42BYGH34+TB6600驱动器组成；太阳能检测模块主要由光敏电路组成。

图2 硬件模型

为了实现稳定供电，需要将太阳能发电板发出的不稳定的直流电通过稳压装置充入到蓄电池组中，然后再通过直流逆变器转换为50Hz的交流电，提供给不同电器使用。本模块为使组件结构简单，主要采用太阳能电池板与稳压器进行输出电压。太阳能电池是光能转换为电能的装置，太阳光照在半导体P-N结上，产生新的电子-空穴对，在P-N结电场的作用下，空穴由P区流向N区，电子由N区流向P区，接通电路就形成了电流。电源补充模块主要由蓄电池应急切换模块组成，当按电路连接好12V适配器和蓄电池后，12V适配器有电时优先自动连接适配器供电（亮绿灯），当适配器停止供电后自动切换为蓄电池供电（亮红灯），从而实现不间断供电。

DHT11数字温湿度传感器模块主要包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因其传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，且校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，故传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数，该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。引脚接线也极为简便：VDD接供电电压为3V-3.5V，可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波；DATA为串行数据单总线，与Arduino之间进行数据传输；NC为空脚；GND接地或接电源负极。

灵敏型光敏电阻传感器模块输出信号干净，波形好，驱动能力强。搭配可调电位器可调节检测光线强度，工作电压3.3V-5V，光敏电阻模块对环境光线最敏感，检测周围环境光线的亮度，可触发单片机或继电器模块等。当周围环境光线亮度达不到设定阈值时，输出端输出高电平，智能晾衣架系统会得出不能晾衣物的指令；当外界环境光线超过设定阈值时，输出端输出低电平，智能晾衣架系统会得出可晾出衣物的指令。输出端可直接与单片机的IO口相连，通过检测高低电平来反映环境情况，进而对单片机发送数据。

42步进电机42BYGH34+TB6600驱动器构成智能晾衣架的机架运动模块。步进电机的工作原理是基于将脉冲信号转变为角位移，精度为步进角的3%～5%，工作电压为5V，通入电流使转子不停地旋转，带动螺旋杆转动，从而带动机件的升降，进而通过连杆的上下运动推动或拉缩菱形结构架杆，达到晾衣架伸出或收回的目的。单片机连接TB6600步进电机驱动器，TB6600步进电机驱动器连接42BYGH34步进电机，实现对步进电机的转向控制与PWM速度控制。并且在机架的移动范围处装有限位开关，限位开关连接着单片机，当步进电机在转动的过程中，使机架移动触碰到限位开关后，单片机能迅速检测到限位开关的电平变化，立即停止步进电机的动作，以防止运动超程。

2 总结与展望

本论文结合机电一体化设计、传感技术、电子电路、机械传动技术，实现家居智能化、自动化、人性化、安全化。该系统的主要结构由Arduino单片机为核心实现智能化控制。外部传感器采用DHT11数字温湿度传感器来检测气象参数，湿度测量范围20%～95%Rh，达到阈值后单片机控制步进电机转动，进而带动传动装置实现伸缩，通过位置传感器来控制，伸出位置的最长距离，还附加了太阳能电池板，实现最大程度地利用太阳能。基于以上本论文设计的晾衣架最终将实现晴雨天自动升降的功能，践行绿色生活的理念。