郭獻章，李治根，趙明強，孫榮健，謝 偉，孫 金

（東北大學(xué) 秦皇島分校a.實驗教育中心；b.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

1 引 言

大學(xué)物理是很多專業(yè)的公共基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的必要前提.但通過中學(xué)階段的學(xué)習(xí)，很多學(xué)生認為經(jīng)典的理論離自己太久遠了，已經(jīng)沒有太多的實用價值，因而對基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)感到厭倦.同時，大學(xué)物理實驗中所開設(shè)的實驗項目，又大多數(shù)為驗證性實驗及在驗證性的基礎(chǔ)上略有綜合性，離日常生活較遠，無法滿足學(xué)生們學(xué)有所用、學(xué)有所長、求奇創(chuàng)新的愿望.為此，東北大學(xué)秦皇島分校實驗教育中心師生共同努力，提出一批綜合應(yīng)用型并兼有一定發(fā)明創(chuàng)造特色的實驗思路，并在教學(xué)實踐中不斷完善充實，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，涌現(xiàn)出一批具有很大實用價值的發(fā)明創(chuàng)造.本文所展示的智能防雨晾衣架是在實驗教師指導(dǎo)下，2010級本科生的一個興趣小組制做的產(chǎn)品，很好地體現(xiàn)了上述的教學(xué)思想，同時又是能夠給日常生活帶來便利的實用新型專利產(chǎn)品.

目前市場上的外飄晾衣架，只能通過手推或拉晾桿來完成晾衣架的伸縮動作.簡單手動推拉式晾衣桿，費力、危險，同時也不具有防雨等晾曬智能化功能［1］.為了解決這些問題，筆者研發(fā)了智能防雨晾衣架，該裝置采用了具有較高穩(wěn)定性的雨雪傳感器和光線傳感器作為輸入信號源，因為這類集成傳感器具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點［2］.使用電動推桿輸出伸縮動力，性能穩(wěn)定，推力足.該裝置還采用了自主設(shè)計的控制電路進行自動控制，簡單穩(wěn)定，避免了因單片機中的繁瑣程序而引發(fā)的性能不穩(wěn)定.該衣架相比普通衣架增加了4個功能：

a.按下“衣架伸”按鈕，衣架可以自動伸出；

b.天氣急變，遇雨衣架自動收回，雨棚推出；

c.雨停且天氣變晴后，衣架可以自動伸出，雨棚收回；

d.要收衣時，按下“衣架收”按鈕，衣架收回.

2 晾衣架的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 晾衣架的結(jié)構(gòu)

圖1 晾衣架整體結(jié)構(gòu)示意圖

智能晾衣架的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.晾衣架安裝在窗戶的下沿，與晾衣架相配套的雨棚安裝在衣架的上沿.

首先，在晾衣架的菱形桿上安裝衣架電動推拉桿，其伸縮代替人手工推拉晾衣桿，避免了危險.其次，衣架支撐座上部的伸縮式雨棚裝置上有雨棚電動推拉桿，可帶動雨棚的伸縮.最后，雨雪傳感器和光強傳感器根據(jù)天氣變化經(jīng)控制器控制電動推拉桿的接入電路的通斷［3］，從而控制衣架和雨棚的伸縮運動，實現(xiàn)智能防雨.

2.2 晾衣架的功能

晾衣架和雨棚的伸縮都由電動推拉桿提供動力，可手動控制和自動控制.

手動控制時，晾好衣服，按下“衣架伸”按鈕，衣架自動伸出；要收衣物時，按下“衣架收”按鈕，衣架收回.使用自動控制功能時，先打開傳感器使用開關(guān)，在遇雨時，雨雪傳感器接收的下雨信號經(jīng)控制器處理，最終使衣架電動推拉桿的電機反轉(zhuǎn)和雨棚電動推拉桿的電機正轉(zhuǎn)，使衣架自動收回，雨棚推出；雨停且天氣變晴，雨雪傳感器停止信號輸出，同時光強傳感器接收的天晴信號經(jīng)控制器處理［4-5］，最終使衣架電動推拉桿的電機正轉(zhuǎn)和雨棚電動推拉桿的電機反轉(zhuǎn)，使衣架自動伸出，雨棚收回，再次晾好衣服.

3 控制器電路

如圖2所示.控制器由傳感模塊、衣架推拉桿電機正轉(zhuǎn)模塊A、衣架推拉桿電機反轉(zhuǎn)模塊a，雨棚推拉桿電機正轉(zhuǎn)模塊B、雨棚推拉桿電機反轉(zhuǎn)模塊b組成.主要器件有按鈕（按鈕上有兩路常開觸點）、中間繼電器、雨雪繼電器（雨雪傳感器控制的電路開關(guān)）及光強繼電器（光強傳感器控制的電路開關(guān)）等.

圖2 控制器原理圖

3.1 傳感模塊控制電路

如圖3所示，傳感模塊主要將安裝在伸縮式晾衣架上的雨雪傳感器和光強傳感器采集的天氣信號收集、處理，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的雨雪繼電器和光強繼電器的開關(guān)信號輸出，最后控制中間繼電器的通電與斷電，各個中間繼電器的輔助觸點將控制工作電路的4個模塊是否工作［6］.

圖3 傳感模塊控制電路圖

3.2 衣架推拉桿電機正轉(zhuǎn)模塊A的電路

如圖4所示，傳感模塊中的光強繼電器控制中間繼電器KM2是否通電；KM2的常開觸點接入模塊A中和手動按鈕1并聯(lián)共同控制正接的衣架推拉桿電機，當(dāng)光線從陰天變晴時，光強傳感器控制的光強繼電器閉合，KM2得電，常開觸點閉合，衣架電機正轉(zhuǎn)，衣架伸出，達到自動控制.同時按鈕的設(shè)計用于手動控制.電路還加入了互鎖保護部分.

圖4 衣架推拉桿電機正轉(zhuǎn)模塊A的電路

另外衣架推拉桿電機反轉(zhuǎn)模塊a、雨棚推拉桿電機正轉(zhuǎn)模塊B、雨棚推拉桿電機反轉(zhuǎn)模塊b的電路控制原理與模塊A類似，不再一一贅述.

4 動力原件性能

4個電動推拉桿輸入電壓為DC 12V，空載速度30mm／s.型號為TG-100-30，如圖5所示，在負載小于100kg時能保持速度在24～30mm／s，足以滿足使用要求［7］.同時，電動推拉桿還具有噪聲小、功耗小、承受負載大、前后行程開關(guān)可精確控制、運動平穩(wěn)、來回伸縮無沖擊等優(yōu)點［8］.

圖5 電動推拉桿特性圖

5 使用方法和過程分析

電動推拉桿和控制電路結(jié)合起來可實現(xiàn)衣架和雨棚運動的智能控制，如圖6所示.

結(jié)合圖6，其具體使用方法和工作過程為：

晾好衣物后，按下按鈕1，按鈕的2個常開觸點都閉合，模塊A通電（圖中＋表示），正接的衣架電動推拉桿將衣架推出，當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開關(guān)，推拉桿停止工作，同時可松開按鈕，完成衣服晾曬.此時可選擇打開傳感器使用開關(guān)，即開啟智能防雨功能.

圖6 操作面板及工作過程

遇雨時，雨雪繼電器閉合，模塊a通電，中間繼電器KM1線圈通電使其常閉觸點斷開（若此時衣架已經(jīng)收回，則可防止再伸出），常開觸點閉合.電機反接的衣架推拉桿將衣架收回，同時正接的雨棚推拉桿將雨傘推出.當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開關(guān)，推拉桿停止工作.

雨停且天氣轉(zhuǎn)晴時，雨雪繼電器斷開（KM1各觸點回初始狀態(tài)），光強繼電器閉合（中間繼電器線圈KM2通電，KM2的2個常開觸點閉合），模塊A和b通電，正接的衣架電動推拉桿將衣架推出，反接的雨棚電動推拉桿將雨棚收回.當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開關(guān)，推拉桿停止工作.

6 樣機研制與產(chǎn)品評價

從設(shè)計分析到制作樣機和試驗，再進行原理改進最后完成了具有預(yù)定智能防雨功能的晾衣架.樣機如圖7所示.

圖7 智能防雨晾衣架樣機

1）通過低壓電路的控制和電動推桿的使用，實現(xiàn)衣架和雨棚的獨立控制伸縮功能，進行衣物的晾出和收取，在人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，解決了外飄晾衣架的所具有的潛在危險性，保證人身安全.

2）利用電容式雨雪傳感器和光強傳感器對周圍環(huán)境進行檢測，2種傳感技術(shù)的同時運用，對下雨和天晴反應(yīng)靈敏，減少了誤動作，增加了工作可靠性.

7 結(jié)束語

東北大學(xué)秦皇島分校實驗教育中心通過系列成功的教改實踐，形成了多層次、多元化的物理實驗教學(xué)體系，并通過系統(tǒng)規(guī)劃與構(gòu)想，使師生一起把所掌握的物理知識、專業(yè)技能與日常生活相結(jié)合，形成專利產(chǎn)品，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新熱情、動手能力、學(xué)習(xí)興趣，不但從傳統(tǒng)意義上完成了物理實驗所擔(dān)負的使命，還使師生的知識結(jié)構(gòu)、社會適應(yīng)性都有很大的完善與提升.

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