楊明莉 劉三明 呂永海 聶文強(qiáng) 徐承中

【摘要】為了方便人們的日常生活，本文設(shè)計(jì)了一種智能防雨簾，利用濕敏電阻有水接觸時(shí)阻值顯著增大的特性，設(shè)計(jì)了包括雨布、卷軸、直流電機(jī)、感濕裝置以及供電裝置幾部分的智能防雨裝置。實(shí)現(xiàn)有雨時(shí)，電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，伸開(kāi)防雨卷簾，智能防雨的目的。裝置簡(jiǎn)單，性能可靠。

【關(guān)鍵詞】智能控制;濕敏傳感器;步進(jìn)電機(jī);防雨

1.引言

隨著硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展各種智能控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，很多工具都開(kāi)始智能化，而市場(chǎng)上卻沒(méi)有一種智能防雨工具，人們會(huì)經(jīng)常因不在家使掛在陽(yáng)臺(tái)上的衣服淋濕或者因?yàn)闆](méi)有及時(shí)的采取防雨措施蒙受經(jīng)濟(jì)損失[1，2]。為了解決此問(wèn)題，方便人們的日常生活，設(shè)計(jì)了一種智能防雨裝置。該智能防雨裝置主要包括防雨布、卷軸、直流電機(jī)、感濕裝置以及供電裝置。晴天，該智能防雨裝置利用太陽(yáng)能蓄電池蓄電，防雨布卷起;下雨時(shí)，濕敏傳感器輸出信號(hào)，促使步進(jìn)電機(jī)工作，放下防雨布，實(shí)現(xiàn)智能防雨功能。目前有相關(guān)文獻(xiàn)提出智能防雨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大都以單片機(jī)或者嵌入式芯片為控制中心，通過(guò)編程加載到控制中心，控制外圍硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)智能防雨的功能，系統(tǒng)較復(fù)雜，且易出現(xiàn)故障[3，4]。本文旨在設(shè)計(jì)出一種只需要做簡(jiǎn)單的硬件電路設(shè)計(jì)即能實(shí)現(xiàn)智能防雨的功能，且性能可靠，電路穩(wěn)定。

2.設(shè)計(jì)流程

為了實(shí)現(xiàn)智能防雨的功能，該防雨簾包括防雨布、卷軸、直流電機(jī)、感濕裝置以及供電裝置。由于濕敏電阻具有遇水阻值顯著增大的特性，因此選用濕敏電阻作為智能防雨簾的傳感器。濕敏傳感器的工作原理是利用覆蓋在基片上的一層感濕材料膜在遇到水時(shí)電阻率和電阻值發(fā)生變化來(lái)反映濕度的變化，因此濕敏傳感器的輸出信號(hào)很微弱，要想利用該信號(hào)激勵(lì)后續(xù)電路，必須對(duì)其進(jìn)行放大。要想自動(dòng)控制防雨布實(shí)現(xiàn)防雨，必須有能夠控制其自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的器件，因此想到直流電機(jī)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有良好的線性特性，能夠用給定的信號(hào)控制其旋轉(zhuǎn)固定的角度，且運(yùn)行精度高。為了使該裝置符合人們的使用要求，設(shè)計(jì)該防雨布圍繞卷軸成適宜窗戶的卷軸窗簾，直流電機(jī)與卷軸相連以帶動(dòng)卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該感濕裝置與該直流電機(jī)相連，以于感測(cè)到一定濕度時(shí)，由該供電裝置供電，驅(qū)動(dòng)該直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)該防雨布伸展開(kāi)。[5，6]

具體設(shè)計(jì)框圖如圖1電路示意圖所示。該感濕裝置包括濕敏傳感器、第一放大器模塊及第二放大器模塊，該濕敏傳感器與四個(gè)電阻構(gòu)成電橋，并連接于該第一放大器模塊，以于該濕敏傳感器阻值變大超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該第一放大器模塊輸出低電平變?yōu)楦唠娖?，該高電平輸出至該第二放大器模塊，經(jīng)該第二放大器模塊放大并全波整流為直流電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)該直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。該供電裝置包括太陽(yáng)能電池、蓄電池及升壓型直流變換器，通過(guò)該太陽(yáng)能電池對(duì)該蓄電池充電，并通過(guò)該升壓型直流變換器升壓為電路需要的工作電壓。太陽(yáng)能電池經(jīng)一充電電流限制電阻和防止電流反向流通的二極管對(duì)該蓄電池充電。感濕裝置通過(guò)第一電阻與該供電裝置連接，以設(shè)定該濕敏傳感器的電流。

感濕裝置為濕敏傳感器SM，濕敏傳感器SM與R8、R9、R10、R11構(gòu)成電橋，并連接于第一放大器模塊11，R1用于設(shè)定濕敏傳感器SM的電流，正常時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，直流電機(jī)不工作，降雨時(shí)，濕敏傳感器SM阻值變大超過(guò)設(shè)定值，第一放大器模塊11輸出低電平變?yōu)楦唠娖?，該高電平輸出至第二放大器模塊12，經(jīng)第二放大器模塊12放大并全波整流為直流電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)M旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)防雨布，將其伸展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)智能防雨功能[7，8]。供電裝置采用太陽(yáng)能電池作為整個(gè)電路的電源。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

本發(fā)明利用濕敏電阻與水接觸時(shí)阻值顯著增大的特性，通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有雨時(shí)，電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，伸開(kāi)防雨卷簾，實(shí)現(xiàn)智能防雨的目的。具體電路圖如圖2智能防雨裝置電路圖所示。

圖1 智能防雨簾電路示意圖

工作原理結(jié)合圖2如下所述。濕敏傳感器SM與R8、R9、R10、R11構(gòu)成電橋，常用的電阻電橋有R1用于設(shè)定傳感器的電流。電橋是通過(guò)比較法測(cè)量模擬信號(hào)一種常見(jiàn)的測(cè)量電路或者測(cè)量?jī)x器，電橋包括單臂電橋和雙臂電橋，測(cè)量中等阻值電阻要設(shè)置好。電橋在測(cè)量較大阻值的電阻時(shí)，一般采用高電阻電橋或兆歐表;而在測(cè)量較小阻值的電阻時(shí)，一般采用雙臂電橋（開(kāi)爾文電橋）。電橋由于準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，被廣泛用于自動(dòng)調(diào)節(jié)、電磁測(cè)量和自動(dòng)控制中。最基本的直流單臂電橋即惠斯登單臂電橋。正常時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，電機(jī)不工作，降雨時(shí)，SM阻值變大超過(guò)設(shè)定值，1A輸出低電平變?yōu)楦唠娖剑?jīng)2A放大并全波整流為直流電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)M旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)防雨簾，將其伸展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)智能防雨功能。太陽(yáng)能電池作為電路的電源，太陽(yáng)能電池的電壓（2V/250mA）經(jīng)R5和VD1對(duì)蓄電池BT充電，R5為充電電流限制電阻，VD1為防止電流反向流通的二極管。MAX757是常見(jiàn)的DC/DC直流穩(wěn)壓芯片，因此采用MAX757作為升壓型直流變換器，它將蓄電池BT的1.2V電壓升壓為5.3V作為電路的工作電壓，其輸出電壓由R6設(shè)定，圖示R1的驅(qū)動(dòng)電壓為5.3V。

4.具體實(shí)施方式

防雨布圍繞卷軸設(shè)計(jì)成適宜窗戶的卷軸窗簾，直流電機(jī)與卷軸相連，由供電裝置供電，帶動(dòng)卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，伸開(kāi)或卷起防雨布，供電裝置為太陽(yáng)能電池，安置于窗戶外沿可光照到的地方即可;感濕裝置放置于窗戶外沿，其與直流電機(jī)相連，以于感測(cè)到一定濕度時(shí)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)防雨布將其伸展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)智能防雨。

5.總結(jié)

本文提出了以一種智能防雨簾的設(shè)計(jì)思路和方法，主要是利用濕敏電阻具有遇水阻值顯著增大的特性，將其作為感濕裝置，設(shè)計(jì)了主要包括雨布、卷軸、直流電機(jī)、感濕裝置以及供電裝置幾部分的智能防雨裝置。實(shí)現(xiàn)了天晴時(shí)，能自己蓄電，下雨時(shí)，能自動(dòng)打開(kāi)雨布防雨的功能。該裝置只是做簡(jiǎn)單硬件電路的設(shè)計(jì)，需要的元器件也都是常見(jiàn)廉價(jià)的電子元器件，且能夠用太陽(yáng)能電磁進(jìn)行蓄電供電，適應(yīng)現(xiàn)代智能家居的要求，能夠很好的方便人們的生活。

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作者簡(jiǎn)介：楊明莉（1990—），女，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：大規(guī)模新能源電力設(shè)備安全與智能控制策略。