智能阳台遮阳遮雨装置设计

2019-05-22孙雪蕾陈金华徐俩俩尹悦悦

镇江高专学报 2019年2期

孙雪蕾，陈金华，徐俩俩，尹悦悦

(江苏联合职业技术学院镇江分院机电工程系，江苏镇江 212013)

随着人们对生活品质的要求不断提升，在消费升级的大背景下，越来越多的智能产品进入人们的视线并逐渐改变人们的生活方式。晾晒是不可缺少的家庭生活内容。晾晒工具虽有所改善，但仍处于比较原始的层次，多为不能随衣物状态或天气变化自动收缩的衣物架，对人的依赖性较高[1]。现有的遮阳遮雨篷大多需要使用者手动拉开和收缩。阳光过强可能会致使用户家中花草缺水，雨水则会将衣物淋湿，若用户不在家中，则无法及时拉下遮阳遮雨篷遮阳挡雨。因此，设计一种基于光照强度和空气湿度的智能阳台遮阳遮雨装置能为使用者提供很大的便利，具有重要的意义。笔者设计的智能阳台遮阳遮雨装置，遇到下雨或光照过强的天气，能够自动放下遮阳遮雨篷遮阳挡雨。

1 硬件设计

智能阳台遮阳遮雨装置包括按键选择单元、空气湿度传感器、光电传感器、控制器芯片、显示单元、驱动电机、具有伸缩结构的遮阳遮雨篷、用于供电的电源模块等，其原理框图如图1所示。

图1 阳台智能遮阳遮雨装置的原理框图

按键选择单元包括手动模式、自动模式、展开、收缩4个按键，与控制器芯片的输入端相连，向控制器芯片发送模式选择信号。选中“手动模式”时，配合“展开”和“收缩”按键控制遮阳遮雨篷的开合；选中“自动模式”时，配合空气湿度传感器和光电传感器控制遮阳遮雨篷的开合。按键选用机械按键，在控制器(单片机)电路中，通过按键的接通与断开，产生两种相反的逻辑状态：低电平“0”与高电平“1”。当机械触点的按键被按下与释放时，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程，如果没有进行消抖，就有可能将1次按键误认为是多次，导致异常情况发生[2]76-77。消抖方法采用软件去抖动法，第1次判断按键被按下后延时5～10ms，然后，判断按键状态，如果状态相同，则说明按键确实被按下。

空气湿度传感器和光电传感器置于遮阳遮雨篷展开时外侧边缘处，分别将采集到的空气湿度和室外光照强度信息传送至控制器芯片。选用的HS1101电容式空气湿度传感器[3]在不同的湿度环境呈现不同的电容值，即0%～100%RH湿度范围内，电容从162 PF变化到200 PF，误差为2%RH，精度非常高，足以满足本装置的需要。空气湿度传感器与单片机连接时，接在P1.6引脚。光电传感器选用欧姆龙E32-DC200光电感应开关。

控制器芯片为STC15F2K60S2单片机，增强型8051 CPU，1T型，即每个机器周期只有1个系统时钟；ISP/IAP功能，即在系统可编程/在应用可编程；内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，可省掉外围复位电路；60 KB Flash程序存储器，2018字节SRAM；1 KB数据Flash(EEPROM)，擦写10万次以上；6个定时器：2个16位可重装载初始值的定时器T0/T1，T2定时器，3路CCP可再实现3个定时器；2个全双工异步串行口(UART)；8通道高速10位电压输入型模拟数字转换器(ADC)，每秒可达30万次[4]14-15，可将连续变化的模拟电压转化成相应的数字信号，可应用于温度检测、电池电压检测、距离检测、按键扫描、频谱检测等。STC15F2K60S2单片机ADC通道与P1口复用，上电复位后P1口为弱上拉型I/O端口，用户可以通过程序设置P1ASF特殊功能寄存器将8路中的任何一路设置为ADC功能，不作为ADC功能的仍可作为普通I/O端口使用。空气湿度和光照强度数据采集后需要进行AD转换，所用的STC15F2K60S2单片机集成的ADC是逐次比较型模数转换器，由1个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序对每一输入电压模拟量与内置D/A转换器输出进行比较，将最终的转换结果保存在ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同时置位ADC控制器ADC_CONTR中的A/D转换标志位ADC_FLAG，供程序查询或发出中断请求。

驱动电机的控制端与控制器芯片的输出端相连，其输出轴与遮阳遮雨篷相连，带动遮阳遮雨篷的开合。驱动电机置于遮阳遮雨篷展开时的内侧上沿，用于展开或收缩遮阳遮雨篷。驱动电机选用60KTYZ齿轮减速同步电动机[5]，电压220 V，频率50 Hz，功率14 W，转速15 r/min。

显示单元用LCD显示，采用TG12864液晶显示屏，属于点阵式液晶，可以显示字符、数字、图形、曲线、汉字。该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器、小型设备的显示领域，用来显示系统的工作情况。TG12864液晶显示屏是数字式接口，采用并行接口与单片机系统连接。液晶显示器和控制器芯片连接时，显示器的数据线DB0(7)-7(14)与控制器芯片的P0.0-P0.7相连接，且需要10 kΩ的上拉电阻。V0端口接一个103的电位器，通过改变电位器的阻值来调整液晶显示器的亮度。PSB引脚在高电平时选择并口，低电平时选择串口的接法，引脚NC不需要接任何管脚[6]。

2 软件设计

阳台智能遮阳遮雨装置工作原理流程图如图2所示。用户首先通过按键选择单元选择工作模式，若选择手动模式，则类似传统遮阳遮雨篷；若选择自动模式，则由空气湿度传感器采集空气湿度数据，并将数据传入控制器芯片。当空气湿度超过设定阈值S1(一般设置为85%RH)，则判定为阴雨天气，并自动放下遮阳遮雨篷。光电传感器采集室外光照强度数据，并将数据传入控制器芯片。光照强度范围为0～100，当光照强度超过给定阈值G2(一般设置为90)，则自动放下遮阳遮雨篷。空气湿度超过阈值S1或光照强度超过阈值G2，遮阳遮雨篷就会展开。当空气湿度小于阈值S1且光照强度小于阈值G2，两个条件同时满足时，5 min后再次返回，若这两个传感器的数据仍然满足条件，则将遮阳遮雨篷收缩。

阳台智能遮阳遮雨装置工作时显示主界面如图3所示，第1行显示工作模式，手动或者自动，通过按键来切换选择。第2行显示当前空气湿度，当前空气湿度超过85%RH，则自动放下遮阳遮雨篷。第3行显示当前光照强度，当前光照强度大于90，则自动放下遮阳遮雨篷。第4行显示遮阳遮雨篷的状态——收缩或者展开。