仿生学太阳能智能晾衣系统设计

张文倩，齐爱学

（滨州学院 山东 滨州 256600）

目前，国内有多种改造传统晾衣架的产品和相关的研究，大概有以下几类:第1类是手摇垂直升降晾衣架。特点：比传统晾衣架更方便用户晾晒衣服，无法自动识别天气；第2类是电动[1]垂直升降晾衣架。特点：比手摇晾衣架更省力省事，具有烘干功能，无法自动识别天气，价格较贵；第3类是水平伸缩式防雨晾衣架。与电动垂直升降式晾衣架机械构造相似，也有导轨式的。该类产品有的增加雨滴检测功能[2]和电动装置，下雨时晾衣架自动缩回，防止衣服淋湿。只适用于安装在垂直墙面上；第4类是防雨防暴晒夜晚收缩晾衣架。该作品处于研究阶段，采用防雨布防雨，采用温度传感器测温防暴晒，采用光敏电阻探测周围光照强度；无定时功能；220 V供电；断电后才能进行手动控制。

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。所以身为家居用品一份子的晾衣架在这方面的发展是很有潜力的。我相信不久的将来便利智能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[3]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。

这一款仿生学太阳能智能晾衣架，已满足当下人们对家居的要求的日益提高，更全面地解决广大家庭晾衣服的烦恼，而且是智能晾衣架利用太阳能自己供电，从而引入绿色家居生活。晾衣架看似不起眼，实则关系着我们每一个人，人们晾衣的时候很不方便又很不安全，有时忘了收衣的话还有可能让雨水打湿，让人烦恼，该产品正是基于这些问题设计的，我们利用各种先进的传感器，通过单片机[4]的控制来实现产品的各项功能，来方便人们的收衣晾衣。

1 总体设计

该系统结构图如图1所示，在晾衣的过程中，该系统以STC125A60S2单片机为主芯片，外接风速传感器、雨水传感器、数字温湿度传感器、光照传感器等。通过各个传感器检测外界环境将采集的信号送到模数转换器电路，然后将数字信号传送给单片机进行处理，进而单片机控制各个模块进行工作：太阳能电池板的追光蓄能，晾衣架主体部分的上下移动和左右旋转，窗户的开关，以及系统与用户的交互。在这个过程中，传感器对外界环境不断检测，将检测的信息反馈给单片机辅助其工作。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系统硬件设计

智能晾衣架系统硬件主要由太阳能电池板追光蓄能模块、稳压模块、晾衣架主体部分、传感器检测电路、电机驱动模块等组成，系统硬件结构图如图2所示。系统是由太阳能电池板供电，蓄电池储能的；利用风速传感器、干湿度传感器、光敏电阻和雨滴传感器等，检测周围环境，将采集的信息交由单片机芯片识别判断，从而控制电机[5]带动传输线上的衣物转向、展出或收回，利用电机转动来使调整太阳能电池板角度实现太阳能的有效利用，最大限度的利用太阳能。利用GSM模块，实现该晾衣系统与用户的联系，可将晾衣系统的工作状态以及衣物的晾晒程度及时通知用户。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware system

传感器检测电路主要由雨水检测电路、温湿度检测电路、风速检测电路、光照检测电路等组成。其中雨水检测电路是用来检测窗外的天气状况的，当检测到雨滴时，雨滴传感器的电导率升高，电路中的电流增大，输出的电压值增大，将单片机与雨水检测电路相连，可将电压采样，单片机将采集的电压信号处理以控制窗户的开关；温湿度传感器主要是用来检测室外的温湿度及晾衣架上的衣物的干湿程度，设定阈值，当室外的湿度大于设定的阈值，窗户自动关闭；风速检测电路主要是用来检测室外的风速的大小的，当室外风速太大不适合晾晒衣物时，窗户关闭；光照检测电路主要用来检测光照强度，进而指导太阳能电池板的追光及晾衣架主体部分的追光。部分传感器仿真图如图3所示。

图3 温湿度传感器仿真图Fig.3 Simulation map humidity sensor temperature

太阳能电池板的追光蓄能模块由太阳能电池板追光部分和蓄电池部分两部分组成。使用两个电机构成主体部分，根据光敏传感器检测的数据，再通过两个电机和齿轮、皮带的的协作运转实现太阳能电池板对太阳的追踪，使得太阳能电池板随太阳的角度变化而变化，从而使得太阳能得到了有效的利用。利用太阳能发电供给智能晾衣架系统，此外还可将多余的电储存在蓄电池中，从而也引入了绿色家居生活。追光系统仿真图如图4所示。

图4 追光系统仿真图Fig.4 The tracking system simulation diagram

A/D转换电路[6]是将各个传感器检测电路采集的模拟量转换成数字信号供单片机处理。从而实现各个传感器电路与单片机的信息传送与状态反馈，进而辅助单片机发送动作指令。A/D转换电路仿真图如图5所示。

图5 A/D转换电路的仿真图Fig.5 Simulation A/D conversion circuit

3 系统软件设计

该系统的软件采用Keil软件编程，首先进行数据的采集，然后经A/D转换模块进行信号的转换，再将信号交由单片机分析处理后，由单片机发出控制信号，进而实现相应的功能。此外，系统带有通信模块，可以进行用户和系统的交流沟通。系统软件设计的结构图如图6所示。

图6 系统软件设计结构图Fig.6 Schematic diagram of the software test system

在软件设计中，数据采集模块主要用来实现对测试数据的采集，即采集外界环境的状况或衣物的晾衣程度；信号转换模块主要用来实现对系统中模拟量信号和数字量信号的转换，通过该模块可以实现外界环境状况与单片机的交流通信；单片机输出控制模块主要用来实现对其获得的信息处理分析，并能够发出对整个系统输出控制信号的指令；通信模块主要用来实现该系统与用户之间的通信功能，可以通过测试计算机向系统发送完控制命令字后延时一段时间，等待系统完成指令相应的动作并传送的数据，从而实现系统与用户之间的交流沟通。软件设计的流程图如图7所示。系统运行过程中，在完成数据采集和检测后，显示测试结果，并根据指令完成相应动作，完成智能晾衣。

4 实验应用

图7 软件设计的流程图Fig.7 Flow chart the software design

该系统实现了太阳能电池板有效采光及蓄电池蓄能的问题，通过驱动来控制电机实现电池板的转向，因电池板始终垂直于阳光才能更好的采集光线，所以电机的有效转动可以最大限度的实现电池板的有效采光，通过太阳能组件给蓄电池蓄能。该晾衣架系统还能够识别天气，并根据天气情况自动展出或收回衣物，具有定时功能，实现晾衣架的自动化、智能化和人性化。该系统利用仿生学原理，使太阳能电池板随太阳角度的变化而变化，利用感应装置使晾衣架移动至阳光照射充分的位置，利用晾衣架上的干湿传感器测试衣物干湿程度，设置阈值，达到一定湿度自动调转方向。晚间晾衣架主体部分、太阳能电池板追光部分不工作，有效的节能。智能晾衣架系统可与用户联系，及时把工作状态告知用户。程序面板的部分界面如图8所示。通过实际应用发现，该测试系统测试结果准确、稳定可靠。

图8 测试界面图Fig.8 Interface chart of the test system

5 结 论

该作品打破了传统升降型衣架只能上下升降不能前后左右移动的特点，实现了电子自动控制，并且利用太阳能电池板供电，更环保节能。实现晾衣自动化、智能化、人性化，各种传感器的使用，利用单片机来实现各个模块的连接、控制；具有天气检测功能，自动晾晒，自动避雨，防止深夜受潮。利用太阳能电池板供电，利用仿生学原理，使太阳能电池板随太阳高度角的变化而变化，从而利用感应装置使晾衣架移置阳光照射充分的位置，还可以根据衣物的干湿程度自动掉转方向，从而实现更全面全方位晾衣。实际应用表明该测试系统具有测试准确、稳定可靠、人机互动良好等特点，达到了设计要求。

[1]彭鸿才.电机原理及拖动[M].机械工业出版社，2005.

[2]王晓明电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]（Martin A.Green），狄大卫，曹昭阳，李秀文.太阳能电池:工作原理、技术和系统应用[M].上海:交通大学出版社，2010.

[4]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]胡双，马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志，2003（8）:17-21.HU Shuang，MA Zhi-yun.Permanent magnet brushless DC motor system modeling of[J].Electrotechnical Journal，2003（8）:17-21.

[6]拉希德，陈建业.杨德刚电力电子技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.