光電傳感器與干衣系統(tǒng)設(shè)計

羅開元

摘 要：光電傳感器以其迅速響應(yīng)、高靈敏度、高精準度的特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在科研、安防、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，成為光電檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。鑒于光電傳感器能夠檢測外界環(huán)境變化的特點，本文討論光電傳感器的原理與應(yīng)用，并設(shè)計一種利用光電傳感器實現(xiàn)追光功能從而增大衣物的光照面積、提升晾衣效率的智能干衣系統(tǒng)，探究光電傳感器應(yīng)用的更多可能性。

關(guān)鍵詞：光電傳感器;光電追蹤;干衣系統(tǒng);光電效應(yīng)

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0031-02

0 引言

隨著生活質(zhì)量的逐步提高及高科技日新月異的發(fā)展，安全、舒適、便利的生活成為我們的追求。智能家居由于能提供輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活環(huán)境而成為廣大房地產(chǎn)商及群眾關(guān)注的熱點。晾衣架是居家生活的必備品，因為現(xiàn)在樓房以高層居多，為防止高空墜物的危險，晾衣架基本以內(nèi)置為主，這使得一些處于光線無法照射的衣物難以得到充分的光照而曬干變慢，光照的利用率大大降低[1]。因此，可以結(jié)合光電傳感器的功能，制作出一種可以通過追光增大衣物的光照面積、提升晾衣效率的智能干衣系統(tǒng)。

在智能干衣系統(tǒng)中，考慮加入光電傳感器，使得衣物最大可能地以最大面積對著光照，是本文的重點。為了詳細探究干衣系統(tǒng)設(shè)計，本文第2部分先探究光電傳感器的原理和分類，對光電傳感器有一個認識。第3部分是設(shè)計，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計還有機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。第4部分是全文總結(jié)。

1 光電傳感器原理和分類

光電傳感器的基本原理是材料的光電效應(yīng)[2]。光電效應(yīng)按不同的機理，有內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩種模式。外光電效應(yīng)是指材料接收到一定強度光源的照射后，其原子獲得能量大于逸出功，原子核外的電子發(fā)生能級躍遷，電子脫離了原子核的束縛逸出成為自由電子，從而形成電流，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。內(nèi)光電效應(yīng)則指材料原子接受光照射后獲得的能量小于逸出功，其電子只發(fā)生能級躍遷而并不逸出，從而影響材料的導(dǎo)電性等特性，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

光電傳感器技術(shù)具有迅速響應(yīng)、靈敏度高的特點。迅速響應(yīng)是指光電傳感器技術(shù)不依靠機械結(jié)構(gòu)，傳感過程僅依靠速度極快的光和電流的傳播來完成，因此具有迅速響應(yīng)的特點。靈敏度高是指光信號的連續(xù)變化反映在傳感器中是逸出電子數(shù)量多少的連續(xù)變化，進而可以產(chǎn)生連續(xù)的電流變化，轉(zhuǎn)化為連續(xù)的信號，因此具有高靈敏度、高精準度的特點。

光電傳感器可以用來制作光電倍增管和光敏電阻等[3]。光電倍增管是一種將微弱光信號轉(zhuǎn)化為電信號的電子器件[4]。它應(yīng)用了外光電效應(yīng)。光線射入光陰極，由光電效應(yīng)激發(fā)出電子，電子經(jīng)電場/磁場加速后沖擊電子倍增極，多次反射后形成放大的光電流，被陽極接收。因此，光電倍增管經(jīng)常用來探測比較微小的光信號。光敏電阻是一種常見的電子器件，其阻值可以隨著光照強度的變化而變化。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)[5]。光照引起電子流失，形成空穴載流子在電場的作用下運動，增強電阻器的導(dǎo)電性，引起電路中的變化，從而將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光敏電阻靈敏度高、反應(yīng)速度快、適應(yīng)性強，被廣泛應(yīng)用于光控開關(guān)、照相機等。

2 基于光電傳感的智能干衣系統(tǒng)設(shè)計

采用光電傳感器為核心部件，并且結(jié)合其他輔助設(shè)計，比如硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、機械機構(gòu)設(shè)計，可以設(shè)計出一款自動追蹤光線的智能干衣設(shè)備。本章節(jié)從理論方面進行闡述。

2.1 追光技術(shù)簡述

為了增大太陽照射面積、提升晾衣效率，可將追光技術(shù)融入晾衣架產(chǎn)品的設(shè)計中。據(jù)了解，目前的追光技術(shù)主要有光電追蹤和視日運動軌跡追蹤?？紤]到使用時的靈活性，本文采用光電追蹤方式。

光電追蹤方式的追蹤過程是閉環(huán)的，其可以利用硅光電池、光電二極管、光敏電阻等光電傳感器將接收到不同的光照強度的信號轉(zhuǎn)化為電信號，系統(tǒng)的處理器通過對比輸出信號的不同對相應(yīng)的調(diào)節(jié)機構(gòu)發(fā)出指令，實現(xiàn)最大輻照面的即時信息，以便于可以馬上去控制調(diào)整機械機構(gòu)，使得太陽能最大效率地被吸收。光電追蹤方式算法及結(jié)構(gòu)簡單，且具有良好的追蹤精度及較高的靈敏度。除了利用該技術(shù)外，還將濕度傳感器及太陽能板模塊應(yīng)用到晾衣架的設(shè)計，其創(chuàng)新點可總結(jié)如下：

（1）利用追光功能，衣服可以最大程度地接收光照，晾曬效率提高;（2）通過濕度傳感器了解衣物晾干情況;（3）可加裝太陽能板，利用追光功能高效率的為衣架供電;（4）光電追蹤方式更加靈活，更適用于日常使用。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本節(jié)設(shè)計的追光晾衣架系統(tǒng)圖主要由主控模塊、監(jiān)測模塊及顯示模塊三部分組成。其中，主控模塊負責(zé)接收監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后發(fā)送給直流驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機帶動感光板旋轉(zhuǎn)，該模塊還可外接擴展模塊用于多線路連接;兩個監(jiān)測模塊通過光強傳感器和濕度傳感器不斷采集環(huán)境光強、濕度數(shù)據(jù)并向主控模塊發(fā)送;顯示模塊可以實時顯示監(jiān)測模塊采集到的光強及濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。追光晾衣架系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.2.2 主控模塊

主控模塊與人類的大腦、電腦的CPU作用類似，是指揮和控制其它模塊的中心，也能與其它模塊進行通信。

廣義的主控模塊還包括驅(qū)動部分。驅(qū)動模塊包含電機驅(qū)動和舵機驅(qū)動兩個部分，主要用于驅(qū)動大功率設(shè)備，如電機/電扇/大功率燈泡等等。模塊上的A/B兩個通道，可以連接兩個電機，控制電機的方向、功率和加速時間。模塊上的舵機接口用于連接舵機，控制舵機的旋轉(zhuǎn)角度。當需要的驅(qū)動電壓高于5V的時候，可以通過供電口輸入高電壓來驅(qū)動外接設(shè)備。本章利用電機帶動轉(zhuǎn)軸齒輪傳動，使得與齒輪連接的感光板向光強較高的方向旋轉(zhuǎn)。

2.2.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)測模塊的作用與人類的感官系統(tǒng)類似，感官系統(tǒng)能感受所處環(huán)境中的溫/濕度、亮度和聲音強度，而監(jiān)測模塊不僅能感受這些環(huán)境參數(shù)還能將感受量化。本文設(shè)計的晾衣系統(tǒng)內(nèi)置兩個監(jiān)測模塊，分別通過光強傳感器獲取周圍光照強度，通過濕度傳感器感知衣服晾干程度。監(jiān)測模塊將收集到的信息傳送給主控模塊，供主控模塊進行數(shù)據(jù)分析處理。

2.2.4 顯示模塊

為了實時顯示監(jiān)測模塊采集到的光強及濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，需要考慮在智能干衣系統(tǒng)中接入顯示模塊。顯示模塊與我們?nèi)粘Ｋ姷碾娔X顯示屏、手機顯示屏的作用相同，都是用于顯示一些肉眼可見的信息。該模塊集成OLED顯示屏，屏幕可以顯示英文、數(shù)字、中文、點線等，通過使用高級顯示模塊，可以顯示不同大小的字或?qū)崿F(xiàn)黑白顛倒顯示的效果。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是晾衣架追光功能的實現(xiàn)，通過對比兩個監(jiān)控模塊收集到的光強強度差異決定電機的轉(zhuǎn)動方向。軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

軟件設(shè)計中，主要分為2個部分，首先通過兩個光強傳感器分別獲取環(huán)境光強數(shù)值，然后通過數(shù)據(jù)分析決定電機的轉(zhuǎn)動情況。

2.4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到產(chǎn)品的外觀設(shè)計及機械結(jié)構(gòu)，要設(shè)計牢固的載物結(jié)構(gòu)及合理安排眾多電子組件，并且要有較強的可動性和靈活性。所以主體光敏元件與晾曬機構(gòu)間利用齒輪和輪軸連接，用電機驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動，帶動晾曬機構(gòu)的運動，從而使衣物旋轉(zhuǎn)，改變朝向。

3 結(jié)語

本論文介紹了光電傳感器的原理。光電傳感器的應(yīng)用場景豐富多樣，具有巨大的發(fā)展與應(yīng)用空間，有待于進一步的開發(fā)利用。智能家居領(lǐng)域構(gòu)思了其在生活中的一個應(yīng)用?；诠怆妭鞲衅髟O(shè)計的追光晾衣架可以根據(jù)陽光照射強度和角度改變晾曬衣物的方向，其效果會明顯好于傳統(tǒng)晾衣架，達到更好的晾曬效果。

根據(jù)本論文的理論，可以進一步完善產(chǎn)品的使用材料和機械結(jié)構(gòu)，融入一些巧妙的設(shè)計，做出實用方便的產(chǎn)品;本論文設(shè)計的原型機處于初始階段，很多功能（如預(yù)測晾干時間、太陽能供電等）尚未加入，可以在后期進行進一步完善。

這啟發(fā)我們，利用目前的科技產(chǎn)品，稍加變形和改進，可以制作成各種不同功能、滿足不同需求的生活產(chǎn)品。

參考文獻

[1] 陳振寬，王志標.光電傳感器的基本知識及其創(chuàng)新應(yīng)用[J].農(nóng)村實用科技信息，2011（01）：57.

[2] 付曉鷗.《光電接近開關(guān)測量物位》實訓(xùn)教學(xué)“資料包”的設(shè)計[J].福建電腦，2012，28（02）：212+201.

[3] 張金晶.光電傳感器簡介及應(yīng)用前景[J].科技資訊，2015，13（21）：235-236.

[4] 程家忠.基于MOS結(jié)構(gòu)光電效應(yīng)傳感器的研究與應(yīng)用[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[5] 竇樹盛.光電傳感器原理及應(yīng)用的探討[J].科技傳播，2015，7（04）：80+70.