孫柯+劉曉峰+任立博

摘要：設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)系統(tǒng)的太陽能智能雨篷，詳細(xì)制定了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)﹑電路設(shè)計(jì)和軟件編程，能夠達(dá)到陰雨天氣雨篷自動(dòng)伸出，晴朗天氣雨篷自動(dòng)收回的目的。另外還為用戶設(shè)計(jì)了手動(dòng)模式，使用戶可以根據(jù)自己的意愿，選擇人工控制雨篷的伸出或收回。不僅如此，考慮到系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保，設(shè)計(jì)中采用太陽能蓄電池為各個(gè)模塊提供電能。

關(guān)鍵詞：智能雨篷；51單片機(jī)；太陽能；遙控

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）22-0218-03

1 概述

自20世紀(jì)以來隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及房地產(chǎn)的快速擴(kuò)張，直接促進(jìn)了裝修家居行業(yè)飛速發(fā)展，其中晾衣架市場脫穎而出，十年間得以迅猛發(fā)展。目前，國內(nèi)智能晾衣架設(shè)計(jì)方法包括以下幾種：一是采用菱形推動(dòng)架構(gòu)成的拉伸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]；一是利用螺桿﹑鋼絲線﹑電機(jī)﹑晾衣桿等部件組成的可折疊智能晾衣架[2]；另有用鋼絲連接吊軌小車，通過控制鋼絲帶動(dòng)小車的前進(jìn)后退，實(shí)現(xiàn)晾衣桿的外伸與收回[3]。以上設(shè)計(jì)方法或多或少存在各種缺陷，要么是物理結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜[1]；要么是使用方法過于麻煩[2]；要么是傳動(dòng)環(huán)節(jié)過多，導(dǎo)致對衣桿的收放不靈活而且整體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)問題[3]。為此設(shè)計(jì)了一款新型太陽能智能雨篷，本設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的不同在于：以往的都是控制晾衣桿的收縮和伸出，而本設(shè)計(jì)是控制雨篷的伸出和收回，此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)更加簡便﹑靈活，而且安裝方便只需加裝此款智能雨篷即可，雨篷通過檢測外部環(huán)境的溫度﹑濕度﹑光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收放，也可以通過無線遙控手動(dòng)控制雨篷的收放。此外，太陽能蓄電池的使用使得系統(tǒng)更加環(huán)保﹑節(jié)能。

2 智能雨篷的工作原理

本文設(shè)計(jì)的智能雨篷安裝在窗戶的上沿。智能雨篷的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該智能雨篷主體結(jié)構(gòu)由內(nèi)置滑軌的鋁合金管1搭建而成，在鋁合金管的前﹑后各安裝一根絲桿2，傳動(dòng)軸將絲桿和直流電機(jī)3相連，在兩根絲桿上各套一個(gè)滑輪4并將其固定，鋼絲5一端固定在雨篷，另一端纏繞在滑輪上；在雨篷前后兩端各安裝一個(gè)光電傳感器6，控制直流電機(jī)的運(yùn)行停止；在鋁合金主體結(jié)構(gòu)的最前端安裝著雨滴傳感器7和溫度傳感器8，檢測外界溫度﹑濕度的變化。當(dāng)檢測到高溫﹑下雨時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲繩前進(jìn)，使雨篷伸張；當(dāng)檢測到天氣濕度﹑溫度適合晾曬，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲繩后退，使雨篷收回。

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)防雨﹑防暴曬及節(jié)能省電的目的，本文設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)如圖2的智能雨篷，系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主芯片，外接雨滴傳感器﹑溫度傳感器﹑光電傳感器﹑無線遙控模塊等。通過各個(gè)傳感器檢測外界環(huán)境，將采集的信號送給單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而單片機(jī)控制各個(gè)模塊進(jìn)行工作。

當(dāng)室外下雨時(shí)，雨滴傳感器檢測電路導(dǎo)通，產(chǎn)生模擬電壓，通過比較器LM393將模擬電壓與參考固定電壓比較，在兩者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，單片機(jī)檢測到電壓信號的改變，控制雨篷伸出；當(dāng)室外的溫度高出溫度傳感器設(shè)定的閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過蜂鳴器向室內(nèi)的人們發(fā)出警報(bào)并且自動(dòng)伸張雨篷防止衣物暴曬。此外，當(dāng)人們感覺室外的環(huán)境不適合晾曬衣物時(shí)，系統(tǒng)可以通過無線遙控切換至手動(dòng)模式，通過按鍵控制雨篷伸出，大大增加了系統(tǒng)的靈活性﹑實(shí)用性。

4 控制電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)陰雨﹑高溫天氣雨篷自動(dòng)伸出及手動(dòng)控制雨篷伸出收回的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了以下主要控制電路：雨滴傳感器控制電路﹑溫度傳感器控制電路﹑光電傳感器控制電路﹑無線遙控模塊控制電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電路。溫度傳感器控制電路和雨滴傳感器控制電路產(chǎn)生檢測信號，信號經(jīng)過單片機(jī)的輸入口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后從引腳輸出相應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；光電傳感器通過檢測雨篷的位置信號傳輸給單片機(jī)，從而控制電機(jī)的運(yùn)行停止。

4.1 雨滴傳感器控制電路的設(shè)計(jì)

雨滴傳感器是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，系統(tǒng)中采用了多點(diǎn)布置的方式以便更好的感應(yīng)外界環(huán)境的變化。雨滴傳感器電路圖如圖3，當(dāng)沒有雨水落在檢測板上時(shí)，同相輸入端INA+的電壓大于反相輸入端INA-的電壓，電壓比較器LM393的輸出端OUT輸出高電平，開關(guān)指示燈滅，單片機(jī)的P2.0﹑P2.1口采集到高電平，由程序判斷控制輸出，使雨篷收回。當(dāng)有雨水落在檢測板上時(shí)，電源VCC經(jīng)電阻R1直接接入GND，同相輸入端INA+的電壓小于反相輸入端INA-的電壓，電壓比較器LM393的輸出端OUT輸出低電平，開關(guān)指示燈亮，單片機(jī)的P2.0﹑P2.1口采集到低電平，使雨篷伸出。

4.2 光電傳感器控制電路的設(shè)計(jì)

光電傳感器主要是判斷雨篷伸出和收回的終止位置。光電傳感器的控制電路圖如圖4，主要由三部分組成：發(fā)送器（紅外線發(fā)光二極管）﹑接收器（光敏三極管）﹑檢測電路。光電傳感器的發(fā)送器發(fā)射紅外光線，當(dāng)沒有雨篷經(jīng)過光電傳感器時(shí)，光敏三極管沒有接收到反射的紅外光線，光敏三極管關(guān)斷，同相端電壓大于反相端電壓，單片機(jī)P0.0﹑P0.1口輸出高電平，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)雨篷經(jīng)過光電傳感器時(shí)，光敏三極管接收到雨篷反射的紅外光線，光敏三極管飽和，電源經(jīng)電阻R2和光敏管接地，同相端電壓小于反相端電壓，單片機(jī)P0.0﹑P0.1口輸出低電平，電機(jī)停止。

4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)其傳動(dòng)原理和控制要求，設(shè)計(jì)芯片L298N雙H橋驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5。其中M1，M2選用12V的直流電機(jī)，IN1﹑IN2﹑IN3﹑IN4輸入分別接單片機(jī)的P1.0﹑P1.1﹑P1.2﹑P1.3口。IN1﹑IN2控制M1電機(jī)，當(dāng)P1.0﹑P1.1分別為高點(diǎn)平﹑低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，雨篷伸出；當(dāng)P1.0﹑P1.1分別為低點(diǎn)平﹑高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，雨篷收回；當(dāng)P1.0﹑P1.1分別為低點(diǎn)平﹑低電平時(shí)，電機(jī)停止，雨篷停止；IN3﹑IN4控制M2電機(jī)與M1的控制方法相同。

4.4 無線遙控模塊

本文設(shè)計(jì)的無線遙控模塊主要功能是將系統(tǒng)由自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式，切換成功后再通過遙控按鍵控制雨篷的伸出和收回。C鍵控制雨篷的伸出﹑D鍵控制雨篷的收回。

無線遙控模塊由發(fā)射端和接收端兩部分組成。信號的發(fā)射由遙控器完成，遙控器設(shè)計(jì)有四個(gè)按鍵，對應(yīng)接收板上的信號輸出腳；信號的接收由SC2272-M4芯片完成。設(shè)計(jì)中使用了遙控器上的B鍵﹑C鍵﹑D鍵3個(gè)按鍵，3個(gè)按鍵分別對應(yīng)接收板上數(shù)據(jù)輸出腳的D1﹑D2﹑D3，數(shù)據(jù)輸出腳分別與單片機(jī)的P3.2﹑P1.5﹑P1.6口相連。其中長按B鍵，數(shù)據(jù)輸出腳D1輸出低電平，單片機(jī)的P3.2口置低，系統(tǒng)由自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式；按C鍵，數(shù)據(jù)輸出腳D2輸出低電平，單片機(jī)的P1.5口置低，雨篷伸張；按D鍵，數(shù)據(jù)輸出腳D3輸出低電平，單片機(jī)的P1.6口置低，雨篷收回。

5 軟件設(shè)計(jì)

本智能雨篷的系統(tǒng)軟件主要由主程序和多個(gè)子程序組成。主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，進(jìn)行模式選擇：手動(dòng)模式與自動(dòng)模式。若為自動(dòng)模式，則通過雨滴傳感器的檢測，判斷是否有雨，若雨滴檢測板未檢測到雨滴，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，雨篷收回；再通過溫度傳感器判斷是否在高溫范圍，若超出高溫閾值范圍，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，雨篷伸出。若為手動(dòng)模式，則通過按鍵進(jìn)行選擇雨篷的收回與伸出。其他子程序包括雨滴檢測﹑按鍵查詢﹑電機(jī)正反轉(zhuǎn)等，在此不再贅述。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能雨篷能夠根據(jù)天氣的情況實(shí)現(xiàn)雨篷的自動(dòng)收回與伸出，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單﹑操作簡便制造成本低﹑智能化程度高﹑實(shí)用性強(qiáng)，具有較廣的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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