孫柯+劉曉峰+任立博

摘要：設計了基于51單片機系統(tǒng)的太陽能智能雨篷，詳細制定了該系統(tǒng)結構，給出了系統(tǒng)硬件設計﹑電路設計和軟件編程，能夠達到陰雨天氣雨篷自動伸出，晴朗天氣雨篷自動收回的目的。另外還為用戶設計了手動模式，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，設計中采用太陽能蓄電池為各個模塊提供電能。

關鍵詞：智能雨篷；51單片機；太陽能；遙控

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

1 概述

自20世紀以來隨著國內(nèi)經(jīng)濟高速發(fā)展及房地產(chǎn)的快速擴張，直接促進了裝修家居行業(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)智能晾衣架設計方法包括以下幾種：一是采用菱形推動架構成的拉伸傳動機構[1]；一是利用螺桿﹑鋼絲線﹑電機﹑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，通過控制鋼絲帶動小車的前進后退，實現(xiàn)晾衣桿的外伸與收回[3]。以上設計方法或多或少存在各種缺陷，要么是物理結構過于復雜[1]；要么是使用方法過于麻煩[2]；要么是傳動環(huán)節(jié)過多，導致對衣桿的收放不靈活而且整體結構容易出現(xiàn)問題[3]。為此設計了一款新型太陽能智能雨篷，本設計與其他設計的不同在于：以往的都是控制晾衣桿的收縮和伸出，而本設計是控制雨篷的伸出和收回，此設計的優(yōu)點是整體結構更加簡便﹑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﹑光照強度實現(xiàn)自動收放，也可以通過無線遙控手動控制雨篷的收放。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

本文設計的智能雨篷安裝在窗戶的上沿。智能雨篷的結構示意圖如圖1所示，該智能雨篷主體結構由內(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，傳動軸將絲桿和直流電機3相連，在兩根絲桿上各套一個滑輪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光電傳感器6，控制直流電機的運行停止；在鋁合金主體結構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。當檢測到高溫﹑下雨時，電機正轉帶動鋼絲繩前進，使雨篷伸張；當檢測到天氣濕度﹑溫度適合晾曬，電機反轉帶動鋼絲繩后退，使雨篷收回。

3 控制系統(tǒng)總體設計

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

當室外下雨時，雨滴傳感器檢測電路導通，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，單片機檢測到電壓信號的改變，控制雨篷伸出；當室外的溫度高出溫度傳感器設定的閾值范圍時，系統(tǒng)會通過蜂鳴器向室內(nèi)的人們發(fā)出警報并且自動伸張雨篷防止衣物暴曬。此外，當人們感覺室外的環(huán)境不適合晾曬衣物時，系統(tǒng)可以通過無線遙控切換至手動模式，通過按鍵控制雨篷伸出，大大增加了系統(tǒng)的靈活性﹑實用性。

4 控制電路的設計

為了實現(xiàn)陰雨﹑高溫天氣雨篷自動伸出及手動控制雨篷伸出收回的目標，設計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驅動模塊控制電路。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)過單片機的輸入口傳輸給單片機，單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后從引腳輸出相應的控制信號給電機驅動模塊，從而控制電機的轉動；光電傳感器通過檢測雨篷的位置信號傳輸給單片機，從而控制電機的運行停止。

4.1 雨滴傳感器控制電路的設計

雨滴傳感器是設計的重點，系統(tǒng)中采用了多點布置的方式以便更好的感應外界環(huán)境的變化。雨滴傳感器電路圖如圖3，當沒有雨水落在檢測板上時，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，開關指示燈滅，單片機的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。當有雨水落在檢測板上時，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，開關指示燈亮，單片機的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計

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，當沒有雨篷經(jīng)過光電傳感器時，光敏三極管沒有接收到反射的紅外光線，光敏三極管關斷，同相端電壓大于反相端電壓，單片機P0.0﹑P0.1口輸出高電平，電機繼續(xù)運行；當雨篷經(jīng)過光電傳感器時，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P0.0﹑P0.1口輸出低電平，電機停止。

4.3 電機驅動模塊控制電路設計

根據(jù)其傳動原理和控制要求，設計芯片L298N雙H橋驅動電路，驅動電路原理圖如圖5。其中M1，M2選用12V的直流電機，IN1﹑IN2﹑IN3﹑IN4輸入分別接單片機的P1.0﹑P1.1﹑P1.2﹑P1.3口。IN1﹑IN2控制M1電機，當P1.0﹑P1.1分別為高點平﹑低電平時，電機正轉，雨篷伸出；當P1.0﹑P1.1分別為低點平﹑高電平時，電機反轉，雨篷收回；當P1.0﹑P1.1分別為低點平﹑低電平時，電機停止，雨篷停止；IN3﹑IN4控制M2電機與M1的控制方法相同。

4.4 無線遙控模塊

本文設計的無線遙控模塊主要功能是將系統(tǒng)由自動模式切換到手動模式，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，遙控器設計有四個按鍵，對應接收板上的信號輸出腳；信號的接收由SC2272-M4芯片完成。設計中使用了遙控器上的B鍵﹑C鍵﹑D鍵3個按鍵，3個按鍵分別對應接收板上數(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，單片機的P3.2口置低，系統(tǒng)由自動模式切換到手動模式；按C鍵，數(shù)據(jù)輸出腳D2輸出低電平，單片機的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，單片機的P1.6口置低，雨篷收回。

5 軟件設計

本智能雨篷的系統(tǒng)軟件主要由主程序和多個子程序組成。主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)對各個模塊進行初始化設置，進行模式選擇：手動模式與自動模式。若為自動模式，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，則電機反轉，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，則電機正轉，雨篷伸出。若為手動模式，則通過按鍵進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﹑電機正反轉等，在此不再贅述。

6 結語

本文設計的智能雨篷能夠根據(jù)天氣的情況實現(xiàn)雨篷的自動收回與伸出，機械結構簡單﹑操作簡便制造成本低﹑智能化程度高﹑實用性強，具有較廣的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 孫紹翔，周連佺，臧曙光，莫亦飛，屈曉龍.基于單片機和傳感器的智能晾衣架系統(tǒng)設計[J].機械工程師，2013，23（9）：85-87.

[2] 李倩，陸強，馬志強.基于單片機的戶外自動可折疊晾衣架的設計[J].中國科技信息，2013，17（15）：119-121.

[3] 呂廣紅，黃崇林，陳曉銘.基于AT89C52的智能晾衣架的設計[J].自動化與儀器儀表，2013，32（2）：71-73.

[4]潘清明，丁左武，蔣偉，鄭孫偉.防雨﹑防暴曬﹑夜晚能自動收縮的智能晾衣架設計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20（6）：79-81.

[5]張文倩，齊愛學.仿生學太陽能智能晾衣系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2015，23（8）：38-41.