智能陽臺(tái)遮陽遮雨裝置設(shè)計(jì)

孫雪蕾，陳金華，徐倆倆，尹悅悅

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的要求不斷提升，在消費(fèi)升級(jí)的大背景下，越來越多的智能產(chǎn)品進(jìn)入人們的視線并逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞?。晾曬是不可缺少的家庭生活?nèi)容。晾曬工具雖有所改善，但仍處于比較原始的層次，多為不能隨衣物狀態(tài)或天氣變化自動(dòng)收縮的衣物架，對(duì)人的依賴性較高[1]?，F(xiàn)有的遮陽遮雨篷大多需要使用者手動(dòng)拉開和收縮。陽光過強(qiáng)可能會(huì)致使用戶家中花草缺水，雨水則會(huì)將衣物淋濕，若用戶不在家中，則無法及時(shí)拉下遮陽遮雨篷遮陽擋雨。因此，設(shè)計(jì)一種基于光照強(qiáng)度和空氣濕度的智能陽臺(tái)遮陽遮雨裝置能為使用者提供很大的便利，具有重要的意義。筆者設(shè)計(jì)的智能陽臺(tái)遮陽遮雨裝置，遇到下雨或光照過強(qiáng)的天氣，能夠自動(dòng)放下遮陽遮雨篷遮陽擋雨。

1 硬件設(shè)計(jì)

智能陽臺(tái)遮陽遮雨裝置包括按鍵選擇單元、空氣濕度傳感器、光電傳感器、控制器芯片、顯示單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、具有伸縮結(jié)構(gòu)的遮陽遮雨篷、用于供電的電源模塊等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 陽臺(tái)智能遮陽遮雨裝置的原理框圖

按鍵選擇單元包括手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、展開、收縮4個(gè)按鍵，與控制器芯片的輸入端相連，向控制器芯片發(fā)送模式選擇信號(hào)。選中“手動(dòng)模式”時(shí)，配合“展開”和“收縮”按鍵控制遮陽遮雨篷的開合；選中“自動(dòng)模式”時(shí)，配合空氣濕度傳感器和光電傳感器控制遮陽遮雨篷的開合。按鍵選用機(jī)械按鍵，在控制器(單片機(jī))電路中，通過按鍵的接通與斷開，產(chǎn)生兩種相反的邏輯狀態(tài)：低電平“0”與高電平“1”。當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)的按鍵被按下與釋放時(shí)，因機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合與斷開的瞬間均有一個(gè)抖動(dòng)過程，如果沒有進(jìn)行消抖，就有可能將1次按鍵誤認(rèn)為是多次，導(dǎo)致異常情況發(fā)生[2]76-77。消抖方法采用軟件去抖動(dòng)法，第1次判斷按鍵被按下后延時(shí)5～10ms，然后，判斷按鍵狀態(tài)，如果狀態(tài)相同，則說明按鍵確實(shí)被按下。

空氣濕度傳感器和光電傳感器置于遮陽遮雨篷展開時(shí)外側(cè)邊緣處，分別將采集到的空氣濕度和室外光照強(qiáng)度信息傳送至控制器芯片。選用的HS1101電容式空氣濕度傳感器[3]在不同的濕度環(huán)境呈現(xiàn)不同的電容值，即0%～100%RH濕度范圍內(nèi)，電容從162 PF變化到200 PF，誤差為2%RH，精度非常高，足以滿足本裝置的需要?？諝鉂穸葌鞲衅髋c單片機(jī)連接時(shí)，接在P1.6引腳。光電傳感器選用歐姆龍E32-DC200光電感應(yīng)開關(guān)。

控制器芯片為STC15F2K60S2單片機(jī)，增強(qiáng)型8051 CPU，1T型，即每個(gè)機(jī)器周期只有1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；ISP/IAP功能，即在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程；內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級(jí)可選復(fù)位門檻電壓，可省掉外圍復(fù)位電路；60 KB Flash程序存儲(chǔ)器，2018字節(jié)SRAM；1 KB數(shù)據(jù)Flash(EEPROM)，擦寫10萬次以上；6個(gè)定時(shí)器：2個(gè)16位可重裝載初始值的定時(shí)器T0/T1，T2定時(shí)器，3路CCP可再實(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器；2個(gè)全雙工異步串行口(UART)；8通道高速10位電壓輸入型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每秒可達(dá)30萬次[4]14-15，可將連續(xù)變化的模擬電壓轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，可應(yīng)用于溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、距離檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。STC15F2K60S2單片機(jī)ADC通道與P1口復(fù)用，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O端口，用戶可以通過程序設(shè)置P1ASF特殊功能寄存器將8路中的任何一路設(shè)置為ADC功能，不作為ADC功能的仍可作為普通I/O端口使用?？諝鉂穸群凸庹諒?qiáng)度數(shù)據(jù)采集后需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所用的STC15F2K60S2單片機(jī)集成的ADC是逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由1個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序?qū)γ恳惠斎腚妷耗M量與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，將最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同時(shí)置位ADC控制器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位ADC_FLAG，供程序查詢或發(fā)出中斷請(qǐng)求。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制端與控制器芯片的輸出端相連，其輸出軸與遮陽遮雨篷相連，帶動(dòng)遮陽遮雨篷的開合。驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于遮陽遮雨篷展開時(shí)的內(nèi)側(cè)上沿，用于展開或收縮遮陽遮雨篷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用60KTYZ齒輪減速同步電動(dòng)機(jī)[5]，電壓220 V，頻率50 Hz，功率14 W，轉(zhuǎn)速15 r/min。

顯示單元用LCD顯示，采用TG12864液晶顯示屏，屬于點(diǎn)陣式液晶，可以顯示字符、數(shù)字、圖形、曲線、漢字。該點(diǎn)陣的屏顯成本相對(duì)較低，適用于各類儀器、小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域，用來顯示系統(tǒng)的工作情況。TG12864液晶顯示屏是數(shù)字式接口，采用并行接口與單片機(jī)系統(tǒng)連接。液晶顯示器和控制器芯片連接時(shí)，顯示器的數(shù)據(jù)線DB0(7)-7(14)與控制器芯片的P0.0-P0.7相連接，且需要10 kΩ的上拉電阻。V0端口接一個(gè)103的電位器，通過改變電位器的阻值來調(diào)整液晶顯示器的亮度。PSB引腳在高電平時(shí)選擇并口，低電平時(shí)選擇串口的接法，引腳NC不需要接任何管腳[6]。

2 軟件設(shè)計(jì)

陽臺(tái)智能遮陽遮雨裝置工作原理流程圖如圖2所示。用戶首先通過按鍵選擇單元選擇工作模式，若選擇手動(dòng)模式，則類似傳統(tǒng)遮陽遮雨篷；若選擇自動(dòng)模式，則由空氣濕度傳感器采集空氣濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入控制器芯片。當(dāng)空氣濕度超過設(shè)定閾值S1(一般設(shè)置為85%RH)，則判定為陰雨天氣，并自動(dòng)放下遮陽遮雨篷。光電傳感器采集室外光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入控制器芯片。光照強(qiáng)度范圍為0～100，當(dāng)光照強(qiáng)度超過給定閾值G2(一般設(shè)置為90)，則自動(dòng)放下遮陽遮雨篷?？諝鉂穸瘸^閾值S1或光照強(qiáng)度超過閾值G2，遮陽遮雨篷就會(huì)展開。當(dāng)空氣濕度小于閾值S1且光照強(qiáng)度小于閾值G2，兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，5 min后再次返回，若這兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)仍然滿足條件，則將遮陽遮雨篷收縮。

陽臺(tái)智能遮陽遮雨裝置工作時(shí)顯示主界面如圖3所示，第1行顯示工作模式，手動(dòng)或者自動(dòng)，通過按鍵來切換選擇。第2行顯示當(dāng)前空氣濕度，當(dāng)前空氣濕度超過85%RH，則自動(dòng)放下遮陽遮雨篷。第3行顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度，當(dāng)前光照強(qiáng)度大于90，則自動(dòng)放下遮陽遮雨篷。第4行顯示遮陽遮雨篷的狀態(tài)——收縮或者展開。

圖3 顯示主界面

3 結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的智能陽臺(tái)遮陽遮雨裝置可以根據(jù)天氣變化自動(dòng)打開或者收縮遮陽遮雨，即使家中無人，也可安心晾曬。該裝置安裝簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高，性價(jià)比高，具有良好的推廣價(jià)值。