光电传感器与干衣系统设计

2019-12-06罗开元

中国科技纵横 2019年18期

罗开元

摘要：光电传感器以其迅速响应、高灵敏度、高精准度的特点，已经被广泛应用在科研、安防、工业生产等领域，成为光电检测系统中的关键元件。鉴于光电传感器能够检测外界环境变化的特点，本文讨论光电传感器的原理与应用，并设计一种利用光电传感器实现追光功能从而增大衣物的光照面积、提升晾衣效率的智能干衣系统，探究光电传感器应用的更多可能性。

关键词：光电传感器;光电追踪;干衣系统;光电效应

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0031-02

0 引言

随着生活质量的逐步提高及高科技日新月异的发展，安全、舒适、便利的生活成为我们的追求。智能家居由于能提供轻松、有序、高效的现代生活环境而成为广大房地产商及群众关注的热点。晾衣架是居家生活的必备品，因为现在楼房以高层居多，为防止高空坠物的危险，晾衣架基本以内置为主，这使得一些处于光线无法照射的衣物难以得到充分的光照而晒干变慢，光照的利用率大大降低[1]。因此，可以结合光电传感器的功能，制作出一种可以通过追光增大衣物的光照面积、提升晾衣效率的智能干衣系统。

在智能干衣系统中，考虑加入光电传感器，使得衣物最大可能地以最大面积对着光照，是本文的重点。为了详细探究干衣系统设计，本文第2部分先探究光电传感器的原理和分类，对光电传感器有一个认识。第3部分是设计，包括硬件设计、软件设计还有机械结构设计。第4部分是全文总结。

1 光电传感器原理和分类

光电传感器的基本原理是材料的光电效应[2]。光电效应按不同的机理，有内光电效应和外光电效应两种模式。外光电效应是指材料接收到一定强度光源的照射后，其原子获得能量大于逸出功，原子核外的电子发生能级跃迁，电子脱离了原子核的束缚逸出成为自由电子，从而形成电流，实现光信号到电信号的转换。内光电效应则指材料原子接受光照射后获得的能量小于逸出功，其电子只发生能级跃迁而并不逸出，从而影响材料的导电性等特性，把光信号转换为电信号。

光电传感器技术具有迅速响应、灵敏度高的特点。迅速响应是指光电传感器技术不依靠机械结构，传感过程仅依靠速度极快的光和电流的传播来完成，因此具有迅速响应的特点。灵敏度高是指光信号的连续变化反映在传感器中是逸出电子数量多少的连续变化，进而可以产生连续的电流变化，转化为连续的信号，因此具有高灵敏度、高精准度的特点。

光电传感器可以用来制作光电倍增管和光敏电阻等[3]。光电倍增管是一种将微弱光信号转化为电信号的电子器件[4]。它应用了外光电效应。光线射入光阴极，由光电效应激发出电子，电子经电场/磁场加速后冲击电子倍增极，多次反射后形成放大的光电流，被阳极接收。因此，光电倍增管经常用来探测比较微小的光信号。光敏电阻是一种常见的电子器件，其阻值可以随着光照强度的变化而变化。光敏电阻的工作原理是基于光电导效應[5]。光照引起电子流失，形成空穴载流子在电场的作用下运动，增强电阻器的导电性，引起电路中的变化，从而将光信号转化为电信号。光敏电阻灵敏度高、反应速度快、适应性强，被广泛应用于光控开关、照相机等。

2 基于光电传感的智能干衣系统设计

采用光电传感器为核心部件，并且结合其他辅助设计，比如硬件设计、软件设计、机械机构设计，可以设计出一款自动追踪光线的智能干衣设备。本章节从理论方面进行阐述。

2.1 追光技术简述

为了增大太阳照射面积、提升晾衣效率，可将追光技术融入晾衣架产品的设计中。据了解，目前的追光技术主要有光电追踪和视日运动轨迹追踪。考虑到使用时的灵活性，本文采用光电追踪方式。

光电追踪方式的追踪过程是闭环的，其可以利用硅光电池、光电二极管、光敏电阻等光电传感器将接收到不同的光照强度的信号转化为电信号，系统的处理器通过对比输出信号的不同对相应的调节机构发出指令，实现最大辐照面的即时信息，以便于可以马上去控制调整机械机构，使得太阳能最大效率地被吸收。光电追踪方式算法及结构简单，且具有良好的追踪精度及较高的灵敏度。除了利用该技术外，还将湿度传感器及太阳能板模块应用到晾衣架的设计，其创新点可总结如下：

（1）利用追光功能，衣服可以最大程度地接收光照，晾晒效率提高;（2）通过湿度传感器了解衣物晾干情况;（3）可加装太阳能板，利用追光功能高效率的为衣架供电;（4）光电追踪方式更加灵活，更适用于日常使用。

2.2 硬件设计

2.2.1 系统总体设计

本节设计的追光晾衣架系统图主要由主控模块、监测模块及显示模块三部分组成。其中，主控模块负责接收监测模块发送的数据，经过处理后发送给直流驱动模块，驱动电机带动感光板旋转，该模块还可外接扩展模块用于多线路连接;两个监测模块通过光强传感器和湿度传感器不断采集环境光强、湿度数据并向主控模块发送;显示模块可以实时显示监测模块采集到的光强及湿度等环境数据。追光晾衣架系统图如图1所示。

2.2.2 主控模块

主控模块与人类的大脑、电脑的CPU作用类似，是指挥和控制其它模块的中心，也能与其它模块进行通信。

广义的主控模块还包括驱动部分。驱动模块包含电机驱动和舵机驱动两个部分，主要用于驱动大功率设备，如电机/电扇/大功率灯泡等等。模块上的A/B两个通道，可以连接两个电机，控制电机的方向、功率和加速时间。模块上的舵机接口用于连接舵机，控制舵机的旋转角度。当需要的驱动电压高于5V的时候，可以通过供电口输入高电压来驱动外接设备。本章利用电机带动转轴齿轮传动，使得与齿轮连接的感光板向光强较高的方向旋转。

2.2.3 监控模块

监测模块的作用与人类的感官系统类似，感官系统能感受所处环境中的温/湿度、亮度和声音强度，而监测模块不仅能感受这些环境参数还能将感受量化。本文设计的晾衣系统内置两个监测模块，分别通过光强传感器获取周围光照强度，通过湿度传感器感知衣服晾干程度。监测模块将收集到的信息传送给主控模块，供主控模块进行数据分析处理。

2.2.4 显示模块

为了实时显示监测模块采集到的光强及湿度等环境数据，需要考虑在智能干衣系统中接入显示模块。显示模块与我们日常所见的电脑显示屏、手机显示屏的作用相同，都是用于显示一些肉眼可见的信息。该模块集成OLED显示屏，屏幕可以显示英文、数字、中文、点线等，通過使用高级显示模块，可以显示不同大小的字或实现黑白颠倒显示的效果。

2.3 软件设计

软件设计主要是晾衣架追光功能的实现，通过对比两个监控模块收集到的光强强度差异决定电机的转动方向。软件设计流程图如图2所示。

软件设计中，主要分为2个部分，首先通过两个光强传感器分别获取环境光强数值，然后通过数据分析决定电机的转动情况。

2.4 机械结构设计

考虑到产品的外观设计及机械结构，要设计牢固的载物结构及合理安排众多电子组件，并且要有较强的可动性和灵活性。所以主体光敏元件与晾晒机构间利用齿轮和轮轴连接，用电机驱动轮轴转动，带动晾晒机构的运动，从而使衣物旋转，改变朝向。

3 结语

本论文介绍了光电传感器的原理。光电传感器的应用场景丰富多样，具有巨大的发展与应用空间，有待于进一步的开发利用。智能家居领域构思了其在生活中的一个应用。基于光电传感器设计的追光晾衣架可以根据阳光照射强度和角度改变晾晒衣物的方向，其效果会明显好于传统晾衣架，达到更好的晾晒效果。

根据本论文的理论，可以进一步完善产品的使用材料和机械结构，融入一些巧妙的设计，做出实用方便的产品;本论文设计的原型机处于初始阶段，很多功能（如预测晾干时间、太阳能供电等）尚未加入，可以在后期进行进一步完善。

这启发我们，利用目前的科技产品，稍加变形和改进，可以制作成各种不同功能、满足不同需求的生活产品。

参考文献

[1] 陈振宽，王志标.光电传感器的基本知识及其创新应用[J].农村实用科技信息，2011（01）：57.

[2] 付晓鸥.《光电接近开关测量物位》实训教学“资料包”的设计[J].福建电脑，2012，28（02）：212+201.