仿生學(xué)太陽能智能晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文倩，齊愛學(xué)

（濱州學(xué)院 山東 濱州 256600）

目前，國內(nèi)有多種改造傳統(tǒng)晾衣架的產(chǎn)品和相關(guān)的研究，大概有以下幾類:第1類是手搖垂直升降晾衣架。特點(diǎn)：比傳統(tǒng)晾衣架更方便用戶晾曬衣服，無法自動(dòng)識(shí)別天氣；第2類是電動(dòng)[1]垂直升降晾衣架。特點(diǎn)：比手搖晾衣架更省力省事，具有烘干功能，無法自動(dòng)識(shí)別天氣，價(jià)格較貴；第3類是水平伸縮式防雨晾衣架。與電動(dòng)垂直升降式晾衣架機(jī)械構(gòu)造相似，也有導(dǎo)軌式的。該類產(chǎn)品有的增加雨滴檢測功能[2]和電動(dòng)裝置，下雨時(shí)晾衣架自動(dòng)縮回，防止衣服淋濕。只適用于安裝在垂直墻面上；第4類是防雨防暴曬夜晚收縮晾衣架。該作品處于研究階段，采用防雨布防雨，采用溫度傳感器測溫防暴曬，采用光敏電阻探測周圍光照強(qiáng)度；無定時(shí)功能；220 V供電；斷電后才能進(jìn)行手動(dòng)控制。

隨著高科技和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，安全、舒適、便利的生活環(huán)境已經(jīng)不再是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想。由于智能家居系統(tǒng)能夠?yàn)槿藗兲峁└虞p松、有序、高效的現(xiàn)代生活環(huán)境，因此已經(jīng)成為房地產(chǎn)商追逐的熱點(diǎn)。在未來，沒有智能家居系統(tǒng)的住宅將像今天不能上網(wǎng)的住宅那樣不合潮流。相信不遠(yuǎn)的將來，智能家居一定會(huì)更好地造福人類。所以身為家居用品一份子的晾衣架在這方面的發(fā)展是很有潛力的。我相信不久的將來便利智能的晾衣架在科技的飛速發(fā)展下一定可以成為一顆耀眼的明星讓人們一改對以往操作簡單樣式普通的晾衣架的看法。 而太陽能[3]智能晾衣架不僅滿足家居智能化的要求而且在這個(gè)還有很大發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)中必定具有很大的潛力。

這一款仿生學(xué)太陽能智能晾衣架，已滿足當(dāng)下人們對家居的要求的日益提高，更全面地解決廣大家庭晾衣服的煩惱，而且是智能晾衣架利用太陽能自己供電，從而引入綠色家居生活。晾衣架看似不起眼，實(shí)則關(guān)系著我們每一個(gè)人，人們晾衣的時(shí)候很不方便又很不安全，有時(shí)忘了收衣的話還有可能讓雨水打濕，讓人煩惱，該產(chǎn)品正是基于這些問題設(shè)計(jì)的，我們利用各種先進(jìn)的傳感器，通過單片機(jī)[4]的控制來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)功能，來方便人們的收衣晾衣。

1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在晾衣的過程中，該系統(tǒng)以STC125A60S2單片機(jī)為主芯片，外接風(fēng)速傳感器、雨水傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器、光照傳感器等。通過各個(gè)傳感器檢測外界環(huán)境將采集的信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，然后將數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(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：太陽能電池板的追光蓄能，晾衣架主體部分的上下移動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)，窗戶的開關(guān)，以及系統(tǒng)與用戶的交互。在這個(gè)過程中，傳感器對外界環(huán)境不斷檢測，將檢測的信息反饋給單片機(jī)輔助其工作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能晾衣架系統(tǒng)硬件主要由太陽能電池板追光蓄能模塊、穩(wěn)壓模塊、晾衣架主體部分、傳感器檢測電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)是由太陽能電池板供電，蓄電池儲(chǔ)能的；利用風(fēng)速傳感器、干濕度傳感器、光敏電阻和雨滴傳感器等，檢測周圍環(huán)境，將采集的信息交由單片機(jī)芯片識(shí)別判斷，從而控制電機(jī)[5]帶動(dòng)傳輸線上的衣物轉(zhuǎn)向、展出或收回，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來使調(diào)整太陽能電池板角度實(shí)現(xiàn)太陽能的有效利用，最大限度的利用太陽能。利用GSM模塊，實(shí)現(xiàn)該晾衣系統(tǒng)與用戶的聯(lián)系，可將晾衣系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及衣物的晾曬程度及時(shí)通知用戶。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

傳感器檢測電路主要由雨水檢測電路、溫濕度檢測電路、風(fēng)速檢測電路、光照檢測電路等組成。其中雨水檢測電路是用來檢測窗外的天氣狀況的，當(dāng)檢測到雨滴時(shí)，雨滴傳感器的電導(dǎo)率升高，電路中的電流增大，輸出的電壓值增大，將單片機(jī)與雨水檢測電路相連，可將電壓采樣，單片機(jī)將采集的電壓信號(hào)處理以控制窗戶的開關(guān)；溫濕度傳感器主要是用來檢測室外的溫濕度及晾衣架上的衣物的干濕程度，設(shè)定閾值，當(dāng)室外的濕度大于設(shè)定的閾值，窗戶自動(dòng)關(guān)閉；風(fēng)速檢測電路主要是用來檢測室外的風(fēng)速的大小的，當(dāng)室外風(fēng)速太大不適合晾曬衣物時(shí)，窗戶關(guān)閉；光照檢測電路主要用來檢測光照強(qiáng)度，進(jìn)而指導(dǎo)太陽能電池板的追光及晾衣架主體部分的追光。部分傳感器仿真圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器仿真圖Fig.3 Simulation map humidity sensor temperature

太陽能電池板的追光蓄能模塊由太陽能電池板追光部分和蓄電池部分兩部分組成。使用兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成主體部分，根據(jù)光敏傳感器檢測的數(shù)據(jù)，再通過兩個(gè)電機(jī)和齒輪、皮帶的的協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對太陽的追蹤，使得太陽能電池板隨太陽的角度變化而變化，從而使得太陽能得到了有效的利用。利用太陽能發(fā)電供給智能晾衣架系統(tǒng)，此外還可將多余的電儲(chǔ)存在蓄電池中，從而也引入了綠色家居生活。追光系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

圖4 追光系統(tǒng)仿真圖Fig.4 The tracking system simulation diagram

A/D轉(zhuǎn)換電路[6]是將各個(gè)傳感器檢測電路采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器電路與單片機(jī)的信息傳送與狀態(tài)反饋，進(jìn)而輔助單片機(jī)發(fā)送動(dòng)作指令。A/D轉(zhuǎn)換電路仿真圖如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真圖Fig.5 Simulation A/D conversion circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件采用Keil軟件編程，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再將信號(hào)交由單片機(jī)分析處理后，由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。此外，系統(tǒng)帶有通信模塊，可以進(jìn)行用戶和系統(tǒng)的交流溝通。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of the software test system

在軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集模塊主要用來實(shí)現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的采集，即采集外界環(huán)境的狀況或衣物的晾衣程度；信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要用來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境狀況與單片機(jī)的交流通信；單片機(jī)輸出控制模塊主要用來實(shí)現(xiàn)對其獲得的信息處理分析，并能夠發(fā)出對整個(gè)系統(tǒng)輸出控制信號(hào)的指令；通信模塊主要用來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與用戶之間的通信功能，可以通過測試計(jì)算機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送完控制命令字后延時(shí)一段時(shí)間，等待系統(tǒng)完成指令相應(yīng)的動(dòng)作并傳送的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交流溝通。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖7所示。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在完成數(shù)據(jù)采集和檢測后，顯示測試結(jié)果，并根據(jù)指令完成相應(yīng)動(dòng)作，完成智能晾衣。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

圖7 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.7 Flow chart the software design

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板有效采光及蓄電池蓄能的問題，通過驅(qū)動(dòng)來控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)電池板的轉(zhuǎn)向，因電池板始終垂直于陽光才能更好的采集光線，所以電機(jī)的有效轉(zhuǎn)動(dòng)可以最大限度的實(shí)現(xiàn)電池板的有效采光，通過太陽能組件給蓄電池蓄能。該晾衣架系統(tǒng)還能夠識(shí)別天氣，并根據(jù)天氣情況自動(dòng)展出或收回衣物，具有定時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)化、智能化和人性化。該系統(tǒng)利用仿生學(xué)原理，使太陽能電池板隨太陽角度的變化而變化，利用感應(yīng)裝置使晾衣架移動(dòng)至陽光照射充分的位置，利用晾衣架上的干濕傳感器測試衣物干濕程度，設(shè)置閾值，達(dá)到一定濕度自動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)方向。晚間晾衣架主體部分、太陽能電池板追光部分不工作，有效的節(jié)能。智能晾衣架系統(tǒng)可與用戶聯(lián)系，及時(shí)把工作狀態(tài)告知用戶。程序面板的部分界面如圖8所示。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)測試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

圖8 測試界面圖Fig.8 Interface chart of the test system

5 結(jié) 論

該作品打破了傳統(tǒng)升降型衣架只能上下升降不能前后左右移動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電子自動(dòng)控制，并且利用太陽能電池板供電，更環(huán)保節(jié)能。實(shí)現(xiàn)晾衣自動(dòng)化、智能化、人性化，各種傳感器的使用，利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的連接、控制；具有天氣檢測功能，自動(dòng)晾曬，自動(dòng)避雨，防止深夜受潮。利用太陽能電池板供電，利用仿生學(xué)原理，使太陽能電池板隨太陽高度角的變化而變化，從而利用感應(yīng)裝置使晾衣架移置陽光照射充分的位置，還可以根據(jù)衣物的干濕程度自動(dòng)掉轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)更全面全方位晾衣。實(shí)際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)互動(dòng)良好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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