田 程，趙 巖，伊敏波，朱夢帆，王文康

(德州學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

基于單片機的太陽能暖袖設(shè)計*

田 程，趙 巖，伊敏波，朱夢帆，王文康

(德州學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

傳統(tǒng)的暖袖在冬季雖然能抵御一部分凜冽的寒風(fēng)，但并不能讓手維持舒適的溫度，而生產(chǎn)廠家主要是通過改進材料的種類和厚度來提高暖袖的保暖性和抗風(fēng)性的，這樣的改進并不能有效地從源頭上提高暖手的舒適度?；趩纹瑱C的太陽能暖袖設(shè)計能夠有效地解決這一問題。本設(shè)計利用太陽能充電，并通過51單片機進行控制，具有智能開啟，自動監(jiān)控溫度，并自動保持暖袖恒溫等特點，實現(xiàn)了直接對暖袖內(nèi)小環(huán)境進行加溫，可以從源頭上杜絕雙手被凍傷，為冬日的出行提供了溫暖的保障。

節(jié)能環(huán)保；交通出行；單片機

1 太陽能智能暖袖的設(shè)計

基于單片機控制的智能暖袖是在傳統(tǒng)皮革暖袖的基礎(chǔ)上加上USB加熱片、暖袖背部太陽能薄膜、太陽能充放電控制器、蓄電池構(gòu)成電量供應(yīng)系統(tǒng)。袖口外裝有一個對管式光電開關(guān)來實現(xiàn)自動開關(guān)。內(nèi)部裝有溫度傳感器，與5110液晶顯示模塊共同構(gòu)成溫度監(jiān)測模塊。各傳感器通過單片機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為發(fā)熱片開啟或關(guān)閉的依據(jù)，使暖袖內(nèi)部能時時維持在一個舒適的溫度。

2 基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計

對于內(nèi)部條件的改變，需要通過溫度、光電等傳感器進行實時檢測，而檢測后就要通過單片機來進行處理，本暖袖采用了51單片機作為控制部分主要是因為其兩個特點：其一，51單片機價格較其他單片機低廉，適用于暖袖這種主打走低端路線的產(chǎn)品，便于降低成本并進行推廣；其二，單片機技術(shù)操作過程簡單，只要通過基本編程便可用其控制一些傳感器來實現(xiàn)一定的功能。

3 智能暖袖具體工作方式

3.1 太陽能薄膜片

該太陽能薄膜片采用薄膜的非晶硅技術(shù)[1]，即把非晶硅點綴在薄膜上，較普通的太陽能電池板更加的輕便，可彎曲，不會像普通太陽能電池板那樣易碎裂，弱光性較好，在陰天環(huán)境下也能較穩(wěn)定地輸出功率。利用太陽能薄膜片可以減少對暖袖開合的限制，也一定程度上阻擋了寒風(fēng)侵入暖袖，造成手部凍傷。

圖1 非晶硅太陽能薄膜片

3.2 太陽能充放電控制模塊

此種控制模塊主要應(yīng)用于簡單太陽能發(fā)電系統(tǒng)[2]中，本控制模塊主要由充電電路和穩(wěn)壓電路組成。充電電路是為了確保太陽能薄膜片在受到光照時產(chǎn)生的電流由薄膜片流向蓄電池，防止蓄電池產(chǎn)生的電流流向太陽能薄膜片，進而燒毀太陽能薄膜片。穩(wěn)壓線路主要是對12 V蓄電池電壓變壓產(chǎn)生兩個直流5 V和一個直流12 V的輸出電壓，而暖袖內(nèi)部的USB發(fā)熱片和51單片機的運行和工作就需要用到5 V的電壓。為了能產(chǎn)生足夠的電流而不影響單片機和各傳感器的工作，發(fā)熱片直接由蓄電池USB插口供電，不經(jīng)過單片機，大大降低了單片機電流過大而燒壞的可能性。

3.3 對管式光電開關(guān)模塊

光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)開關(guān)控制的，一般情況下，光電開關(guān)是由發(fā)送器、接收器和接收電路組成的。該光電開關(guān)有效感應(yīng)距離可達25 cm，恰好適合袖口直徑，可以對在發(fā)射端與接收端之間的一切非透明物體進行有效地檢測。而且由于發(fā)射光線是紅外線，所以本產(chǎn)品即使在黑暗的環(huán)境下也能正常工作，保證了暖袖在黑暗中也能正常使用；輸出電流為100 mA，電流可以直接驅(qū)動與發(fā)熱片連接的繼電器，通過簡單程序的控制，極大地方便了暖袖的使用，可以使暖袖實現(xiàn)手入即開、手出即關(guān)的功能。

3.4 溫度傳感器模塊

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻傳感器，該傳感器靈敏度高，溫度檢測范圍廣，檢測范圍為20 ℃～80 ℃，本傳感器主要用來對環(huán)境溫度的檢測，通過比較器輸出信號，信號干凈、穩(wěn)定、波形好；本傳感器驅(qū)動能力較強，輸出電流達15 mA，完全可以直接來驅(qū)動繼電器，從而對電加熱片開關(guān)進行控制；本溫度傳感器模塊帶有電位器，通過對電位器的調(diào)節(jié)，可以改變溫度檢測的閥值，即控制溫度值。傳感器還具備自動開關(guān)，當(dāng)溫度高于二十幾度時加熱片會自動關(guān)閉，當(dāng)?shù)陀诙畮锥葧r會自動開啟。DO輸出端可以直接與單片機相連接，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的溫度改變。

圖2 溫度傳感器

3.5 5110液晶顯示模塊

5110液晶顯示模塊是一種性價比很高的顯示模塊，LCD1602能顯示32個字符，而Nokia5110液晶能夠顯示15個漢字，30個字符，價格單個不到十塊錢，應(yīng)用于暖袖這種低端親民產(chǎn)品再合適不過了；本模塊接口十分簡單，四根線就可以對其驅(qū)動，對于戶外的工具，為了保證其便捷性，減少導(dǎo)線的數(shù)量是很有必要的。本顯示模塊工作電壓為3.3 V，正常顯示時工作電流在200 mA以下，且有掉電模式可以大大減少對蓄電池電能的損耗，保證了暖袖的續(xù)航能力。

圖3 5110液晶顯示模塊

3.6 控制系統(tǒng)

本產(chǎn)品采用STC89C51[3]單片機，通過編寫程序配合溫度傳感器模塊和光電開關(guān)模塊控制溫度高低和開關(guān)，進而對暖袖內(nèi)溫度進行實時的檢測，并通過5110液晶顯示模塊顯示出來。本款單片機具有系統(tǒng)可編程(ISP)的特性，經(jīng)過PC端的控制程序即可將用戶的C語言程序代碼載入單片機內(nèi)部，從而省去了購買編程器費用，而且載入速度較快。

4 工作流程

本產(chǎn)品通過自動控制，暖袖背部有太陽能薄膜，內(nèi)部裝有溫度傳感器，紅外線傳感器，發(fā)熱片。太陽能產(chǎn)生的電能通過逆變器供給發(fā)熱片。袖口安裝有一個對管式光電開關(guān)，當(dāng)檢測到手伸入時會自動開啟，手抽出時會自動關(guān)閉；溫度傳感器采集到的信號傳給單片機，通過單片機自動做出處理，使暖袖內(nèi)部能時時維持在一個舒適的溫度，5110液晶顯示模塊也能對溫度進行顯示。

5 技術(shù)關(guān)鍵

1) 太陽能薄膜的覆蓋面積與發(fā)熱片工作的關(guān)系，在上面盡量大地覆蓋薄膜使本產(chǎn)品工作時間持久。

2) 紅外線的識別和溫控識別的準(zhǔn)確性。

3) 盡可能減少熱量的散失，保持能量的充分利用。

4) 雨雪天氣時對電路的保護。

6 作品分析

發(fā)熱片在太陽能薄膜產(chǎn)生的電能下以及單片機和溫度傳感器的控制下自動工作，不用人為控制，并實時保持在一個合適的溫度。開口處的紅外線傳感器可以智能控制發(fā)熱板的開關(guān)，不用擔(dān)心忘記關(guān)閉或開啟熱板，方便快捷。

1) 應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)原理、用途：主要應(yīng)用于在冬季人們采用電動車、摩托車的交通工具出行時，尤其適用于雨雪天氣，可以提高人們出行的舒適度和安全。

2) 作品的創(chuàng)新點、先進性、可行性、實用性：a) 采用太陽能發(fā)電供熱，較少電池污染，更環(huán)保節(jié)能。b) 用紅外線傳感器智能控制發(fā)熱板的開啟，能夠有效地防止人為的失誤而導(dǎo)致發(fā)熱板的長時間運行，同時又能使產(chǎn)品更智能方便。c) 使用溫控裝置，讓溫度能保持在人體舒適的溫度上，并且可以通過液晶屏直觀地實時了解暖袖內(nèi)溫度。

7 結(jié)論

該智能暖袖是針對冬季嚴(yán)寒天氣騎車出行時，無法依靠傳統(tǒng)手套等保暖工具阻擋寒風(fēng)對手部及腕部進行損傷而設(shè)計的作品。本暖袖智能化程度高，各種傳感器相互作用，保證了各種極端情況下人們對手部舒適的要求。并且，它具有環(huán)境友好的特點，在使用過程中不會造成化石污染，太陽能電池板對本產(chǎn)品供電很好地迎合了節(jié)能環(huán)保的時代潮流。本產(chǎn)品不但保證了電動車駕駛者的出行舒適性，而且相較于傳統(tǒng)手套大大提高了手部的舒適度與安全性。

[1] 尹炳坤，蔣芳.非晶硅薄膜太陽能電池研究進展[J].廣州化工，2012，40(8)：31-33.

[2] 張曉霞，侯競偉，殷攀攀，等.太陽能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007,20(5)：14-16.

[3] 郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：1-40.

Solar Warm Sleeves Design Based on SCM

Tian Cheng, Zhao Yan, Yi Minbo, Zhu Mengfan, Wang Wenkang

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege,DezhouUniversity,DezhouShandong, 253023,China)

The traditional warm sleeve in winter although can resist a cold wind, but not sustain a let hand comfortable temperature, the manufacturers mainly improve the type and thickness of the material to improve the thermal comfort and wind resistance of the sleeve. This improvement cannot effectively improve hand comfort from the source. In view of the shortcoming, this design can solve it effectively. The work is charged by solar energy, controlled by 51 MCU, with the features of intelligent opening, automatic monitoring for the temperature and automatic keeping warm sleeve temperature. It achieves a direct heating of small environment in the warm sleeve, from the source to eliminate the frostbite hands and provide the protection of warm for the winter travel.

energy conservation; traffic; SCM

2016-11-25

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510448039)

田 程(1995- )，男，山東臨沂人，大學(xué)本科在讀，研究方向：能源與動力工程，太陽能技術(shù)方向。

趙 巖(1980- )，男，山東德州人，副教授，工學(xué)博士，研究方向為機械設(shè)計及其自動化，工程材料。

1674- 4578(2017)01- 0038- 03

TK519

A