智能防雨晾衣架

郭献章，李治根，赵明强，孙荣健，谢 伟，孙 金

（东北大学 秦皇岛分校a.实验教育中心；b.控制工程学院，河北 秦皇岛066004）

1 引 言

大学物理是很多专业的公共基础课，是后续专业课学习的必要前提.但通过中学阶段的学习，很多学生认为经典的理论离自己太久远了，已经没有太多的实用价值，因而对基础课的学习感到厌倦.同时，大学物理实验中所开设的实验项目，又大多数为验证性实验及在验证性的基础上略有综合性，离日常生活较远，无法满足学生们学有所用、学有所长、求奇创新的愿望.为此，东北大学秦皇岛分校实验教育中心师生共同努力，提出一批综合应用型并兼有一定发明创造特色的实验思路，并在教学实践中不断完善充实，极大地激发了学生的学习热情，涌现出一批具有很大实用价值的发明创造.本文所展示的智能防雨晾衣架是在实验教师指导下，2010级本科生的一个兴趣小组制做的产品，很好地体现了上述的教学思想，同时又是能够给日常生活带来便利的实用新型专利产品.

目前市场上的外飘晾衣架，只能通过手推或拉晾杆来完成晾衣架的伸缩动作.简单手动推拉式晾衣杆，费力、危险，同时也不具有防雨等晾晒智能化功能［1］.为了解决这些问题，笔者研发了智能防雨晾衣架，该装置采用了具有较高稳定性的雨雪传感器和光线传感器作为输入信号源，因为这类集成传感器具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点［2］.使用电动推杆输出伸缩动力，性能稳定，推力足.该装置还采用了自主设计的控制电路进行自动控制，简单稳定，避免了因单片机中的繁琐程序而引发的性能不稳定.该衣架相比普通衣架增加了4个功能：

a.按下“衣架伸”按钮，衣架可以自动伸出；

b.天气急变，遇雨衣架自动收回，雨棚推出；

c.雨停且天气变晴后，衣架可以自动伸出，雨棚收回；

d.要收衣时，按下“衣架收”按钮，衣架收回.

2 晾衣架的结构和功能

2.1 晾衣架的结构

图1 晾衣架整体结构示意图

智能晾衣架的整体结构如图1所示.晾衣架安装在窗户的下沿，与晾衣架相配套的雨棚安装在衣架的上沿.

首先，在晾衣架的菱形杆上安装衣架电动推拉杆，其伸缩代替人手工推拉晾衣杆，避免了危险.其次，衣架支撑座上部的伸缩式雨棚装置上有雨棚电动推拉杆，可带动雨棚的伸缩.最后，雨雪传感器和光强传感器根据天气变化经控制器控制电动推拉杆的接入电路的通断［3］，从而控制衣架和雨棚的伸缩运动，实现智能防雨.

2.2 晾衣架的功能

晾衣架和雨棚的伸缩都由电动推拉杆提供动力，可手动控制和自动控制.

手动控制时，晾好衣服，按下“衣架伸”按钮，衣架自动伸出；要收衣物时，按下“衣架收”按钮，衣架收回.使用自动控制功能时，先打开传感器使用开关，在遇雨时，雨雪传感器接收的下雨信号经控制器处理，最终使衣架电动推拉杆的电机反转和雨棚电动推拉杆的电机正转，使衣架自动收回，雨棚推出；雨停且天气变晴，雨雪传感器停止信号输出，同时光强传感器接收的天晴信号经控制器处理［4-5］，最终使衣架电动推拉杆的电机正转和雨棚电动推拉杆的电机反转，使衣架自动伸出，雨棚收回，再次晾好衣服.

3 控制器电路

如图2所示.控制器由传感模块、衣架推拉杆电机正转模块A、衣架推拉杆电机反转模块a，雨棚推拉杆电机正转模块B、雨棚推拉杆电机反转模块b组成.主要器件有按钮（按钮上有两路常开触点）、中间继电器、雨雪继电器（雨雪传感器控制的电路开关）及光强继电器（光强传感器控制的电路开关）等.

图2 控制器原理图

3.1 传感模块控制电路

如图3所示，传感模块主要将安装在伸缩式晾衣架上的雨雪传感器和光强传感器采集的天气信号收集、处理，并转化为相应的雨雪继电器和光强继电器的开关信号输出，最后控制中间继电器的通电与断电，各个中间继电器的辅助触点将控制工作电路的4个模块是否工作［6］.

图3 传感模块控制电路图

3.2 衣架推拉杆电机正转模块A的电路

如图4所示，传感模块中的光强继电器控制中间继电器KM2是否通电；KM2的常开触点接入模块A中和手动按钮1并联共同控制正接的衣架推拉杆电机，当光线从阴天变晴时，光强传感器控制的光强继电器闭合，KM2得电，常开触点闭合，衣架电机正转，衣架伸出，达到自动控制.同时按钮的设计用于手动控制.电路还加入了互锁保护部分.

图4 衣架推拉杆电机正转模块A的电路

另外衣架推拉杆电机反转模块a、雨棚推拉杆电机正转模块B、雨棚推拉杆电机反转模块b的电路控制原理与模块A类似，不再一一赘述.

4 动力原件性能

4个电动推拉杆输入电压为DC 12V，空载速度30mm／s.型号为TG-100-30，如图5所示，在负载小于100kg时能保持速度在24～30mm／s，足以满足使用要求［7］.同时，电动推拉杆还具有噪声小、功耗小、承受负载大、前后行程开关可精确控制、运动平稳、来回伸缩无冲击等优点［8］.

图5 电动推拉杆特性图

5 使用方法和过程分析

电动推拉杆和控制电路结合起来可实现衣架和雨棚运动的智能控制，如图6所示.

结合图6，其具体使用方法和工作过程为：

晾好衣物后，按下按钮1，按钮的2个常开触点都闭合，模块A通电（图中＋表示），正接的衣架电动推拉杆将衣架推出，当到极限位置后，触碰行程开关，推拉杆停止工作，同时可松开按钮，完成衣服晾晒.此时可选择打开传感器使用开关，即开启智能防雨功能.

图6 操作面板及工作过程

遇雨时，雨雪继电器闭合，模块a通电，中间继电器KM1线圈通电使其常闭触点断开（若此时衣架已经收回，则可防止再伸出），常开触点闭合.电机反接的衣架推拉杆将衣架收回，同时正接的雨棚推拉杆将雨伞推出.当到极限位置后，触碰行程开关，推拉杆停止工作.

雨停且天气转晴时，雨雪继电器断开（KM1各触点回初始状态），光强继电器闭合（中间继电器线圈KM2通电，KM2的2个常开触点闭合），模块A和b通电，正接的衣架电动推拉杆将衣架推出，反接的雨棚电动推拉杆将雨棚收回.当到极限位置后，触碰行程开关，推拉杆停止工作.

6 样机研制与产品评价

从设计分析到制作样机和试验，再进行原理改进最后完成了具有预定智能防雨功能的晾衣架.样机如图7所示.

图7 智能防雨晾衣架样机

1）通过低压电路的控制和电动推杆的使用，实现衣架和雨棚的独立控制伸缩功能，进行衣物的晾出和收取，在人体工程学的基础上进行设计，解决了外飘晾衣架的所具有的潜在危险性，保证人身安全.

2）利用电容式雨雪传感器和光强传感器对周围环境进行检测，2种传感技术的同时运用，对下雨和天晴反应灵敏，减少了误动作，增加了工作可靠性.

7 结束语

东北大学秦皇岛分校实验教育中心通过系列成功的教改实践，形成了多层次、多元化的物理实验教学体系，并通过系统规划与构想，使师生一起把所掌握的物理知识、专业技能与日常生活相结合，形成专利产品，从而提高了学生的创新热情、动手能力、学习兴趣，不但从传统意义上完成了物理实验所担负的使命，还使师生的知识结构、社会适应性都有很大的完善与提升.

［1］翁微波，温进广.智能晾衣架［J］.信息与电脑（理论版），2011（12）：102.

［2］伊大成.带有天气感应的自动天窗控制器［J］.电子制作，2006（6）：41-44.

［3］寿宏晓，林利栋，毛晓捷，等.自动伸缩式防雨晾衣架的研究［J］.机械工程师，2010（7）：27-29.

［4］范佳午，杨军，张灿坤，等.光敏电阻响应时间的研究实验［J］.物理实验，2007，27（3）：46-48.

［5］戴玉梅，戴玉洁.光传感技术实验研究［J］.沈阳大学学报（自然科学版 ），2012，24（5）：24-5.

［6］尤学贵.用电磁继电器控制电路的实验［J］.教学仪器与实验，1990（4）：9-11.

［7］吴福明，李克修，许介卫，等.电动推杆性能参数自动测试系统［J］.无锡轻工学院学报，1998，（3）：7-3.

［8］陈哲.电动推杆的选购［J］.家具，2011（6）：83.