一種智能防雨裝置

楊明莉 劉三明 呂永海 聶文強 徐承中

【摘要】為了方便人們的日常生活，本文設計了一種智能防雨簾，利用濕敏電阻有水接觸時阻值顯著增大的特性，設計了包括雨布、卷軸、直流電機、感濕裝置以及供電裝置幾部分的智能防雨裝置。實現(xiàn)有雨時，電機自動旋轉，伸開防雨卷簾，智能防雨的目的。裝置簡單，性能可靠。

【關鍵詞】智能控制;濕敏傳感器;步進電機;防雨

1.引言

隨著硬件設計技術的發(fā)展各種智能控制技術應運而生，很多工具都開始智能化，而市場上卻沒有一種智能防雨工具，人們會經(jīng)常因不在家使掛在陽臺上的衣服淋濕或者因為沒有及時的采取防雨措施蒙受經(jīng)濟損失[1，2]。為了解決此問題，方便人們的日常生活，設計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、感濕裝置以及供電裝置。晴天，該智能防雨裝置利用太陽能蓄電池蓄電，防雨布卷起;下雨時，濕敏傳感器輸出信號，促使步進電機工作，放下防雨布，實現(xiàn)智能防雨功能。目前有相關文獻提出智能防雨系統(tǒng)的設計，大都以單片機或者嵌入式芯片為控制中心，通過編程加載到控制中心，控制外圍硬件電路來實現(xiàn)智能防雨的功能，系統(tǒng)較復雜，且易出現(xiàn)故障[3，4]。本文旨在設計出一種只需要做簡單的硬件電路設計即能實現(xiàn)智能防雨的功能，且性能可靠，電路穩(wěn)定。

2.設計流程

為了實現(xiàn)智能防雨的功能，該防雨簾包括防雨布、卷軸、直流電機、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電阻率和電阻值發(fā)生變化來反映濕度的變化，因此濕敏傳感器的輸出信號很微弱，要想利用該信號激勵后續(xù)電路，必須對其進行放大。要想自動控制防雨布實現(xiàn)防雨，必須有能夠控制其自動運動的器件，因此想到直流電機，因為直流電機具有良好的線性特性，能夠用給定的信號控制其旋轉固定的角度，且運行精度高。為了使該裝置符合人們的使用要求，設計該防雨布圍繞卷軸成適宜窗戶的卷軸窗簾，直流電機與卷軸相連以帶動卷軸轉動，該感濕裝置與該直流電機相連，以于感測到一定濕度時，由該供電裝置供電，驅動該直流電機旋轉，帶動該防雨布伸展開。[5，6]

具體設計框圖如圖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電阻構成電橋，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設定值時，該第一放大器模塊輸出低電平變?yōu)楦唠娖剑摳唠娖捷敵鲋猎摰诙糯笃髂K，經(jīng)該第二放大器模塊放大并全波整流為直流電壓信號，驅動該直流電機旋轉。該供電裝置包括太陽能電池、蓄電池及升壓型直流變換器，通過該太陽能電池對該蓄電池充電，并通過該升壓型直流變換器升壓為電路需要的工作電壓。太陽能電池經(jīng)一充電電流限制電阻和防止電流反向流通的二極管對該蓄電池充電。感濕裝置通過第一電阻與該供電裝置連接，以設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構成電橋，并連接于第一放大器模塊11，R1用于設定濕敏傳感器SM的電流，正常時電橋處于平衡狀態(tài)，直流電機不工作，降雨時，濕敏傳感器SM阻值變大超過設定值，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，驅動直流電機M旋轉，帶動防雨布，將其伸展開，實現(xiàn)智能防雨功能[7，8]。供電裝置采用太陽能電池作為整個電路的電源。

3.硬件電路設計

本發(fā)明利用濕敏電阻與水接觸時阻值顯著增大的特性，通過硬件電路的設計實現(xiàn)有雨時，電機自動旋轉，伸開防雨卷簾，實現(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

工作原理結合圖2如下所述。濕敏傳感器SM與R8、R9、R10、R11構成電橋，常用的電阻電橋有R1用于設定傳感器的電流。電橋是通過比較法測量模擬信號一種常見的測量電路或者測量儀器，電橋包括單臂電橋和雙臂電橋，測量中等阻值電阻要設置好。電橋在測量較大阻值的電阻時，一般采用高電阻電橋或兆歐表;而在測量較小阻值的電阻時，一般采用雙臂電橋（開爾文電橋）。電橋由于準確度高、穩(wěn)定性好，被廣泛用于自動調節(jié)、電磁測量和自動控制中。最基本的直流單臂電橋即惠斯登單臂電橋。正常時電橋處于平衡狀態(tài)，電機不工作，降雨時，SM阻值變大超過設定值，1A輸出低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)2A放大并全波整流為直流電壓信號，驅動直流電機M旋轉，帶動防雨簾，將其伸展開，實現(xiàn)智能防雨功能。太陽能電池作為電路的電源，太陽能電池的電壓（2V/250mA）經(jīng)R5和VD1對蓄電池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設定，圖示R1的驅動電壓為5.3V。

4.具體實施方式

防雨布圍繞卷軸設計成適宜窗戶的卷軸窗簾，直流電機與卷軸相連，由供電裝置供電，帶動卷軸轉動，伸開或卷起防雨布，供電裝置為太陽能電池，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，其與直流電機相連，以于感測到一定濕度時，驅動直流電機旋轉，帶動防雨布將其伸展開，實現(xiàn)智能防雨。

5.總結

本文提出了以一種智能防雨簾的設計思路和方法，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，設計了主要包括雨布、卷軸、直流電機、感濕裝置以及供電裝置幾部分的智能防雨裝置。實現(xiàn)了天晴時，能自己蓄電，下雨時，能自動打開雨布防雨的功能。該裝置只是做簡單硬件電路的設計，需要的元器件也都是常見廉價的電子元器件，且能夠用太陽能電磁進行蓄電供電，適應現(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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基金項目：國家自然科學基金“一類非線性切換系統(tǒng)的多目標優(yōu)化理論與算法（11201267）”;上海市自然科學基金“大規(guī)模新能源電力時空多尺度動力學特性及其安全防御策略研究（12ZR11600）”。

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