一種智能型多功能戶外休閑桌的設(shè)計

陳文儀，孫震堃，林浩正，林栩蕾，孫 揚(yáng)，黃非凡，杜仕豪，陳雨桐

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，漳州 363105)

0 引言

隨著人們生活水平日益提高，園林式城市變得越來越普遍，休閑桌、椅在大多數(shù)園林設(shè)計中較為常見，是人們在戶外休閑時經(jīng)常使用的設(shè)施。目前，常見的休閑桌、椅普遍采用木頭、竹子或水泥等材質(zhì)，存在檔次不高、舒適度低、功能單一、使用不便等缺點，導(dǎo)致休閑桌、椅的利用率一直偏低，有的甚至淪為擺設(shè)，從而造成社會公共資源的浪費(fèi)。

本文針對以上問題，對現(xiàn)有的戶外休閑桌進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了一種智能型多功能戶外休閑桌，其在保留傳統(tǒng)休閑桌主要功能的基礎(chǔ)上，利用光伏發(fā)電及單片機(jī)控制技術(shù)，使休閑桌具有智能、多功能等優(yōu)點，最大限度地提高了產(chǎn)品利用率。

1 本設(shè)計休閑桌的構(gòu)成

本文設(shè)計的智能型多功能戶外休閑桌(下文簡稱“本設(shè)計休閑桌”)除包括常見的休閑桌之外，還包括太陽能遮陽傘、太陽跟蹤器、控制面板、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器、蓄電池及控制器、液晶顯示屏、LED 燈，以及相關(guān)電路，其構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 本設(shè)計的休閑桌的構(gòu)成Fig.1 Composition of intelligent multifunctional outdoor recreational table

1) 太陽能遮陽傘。本設(shè)計的休閑桌上部的太陽能遮陽傘由柔性光伏組件制成，在遮陽、擋雨的同時，還可以吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)換成電能。

2)太陽跟蹤器。為了最大化利用太陽能，本方案設(shè)計了雙軸太陽跟蹤器，能夠有效實現(xiàn)東西方向和南北方向的跟蹤。

3)控制面板。為了方便休閑桌的使用人員在冬天時能夠曬太陽，設(shè)計了切換功能，使用人員可以根據(jù)自身需求，通過觸碰控制面板上的切換按鈕，調(diào)節(jié)遮陽傘角度，以滿足個性化的需求；此外，控制面板還可控制光照強(qiáng)度顯示、溫濕度顯示、照明等功能。

4)單片機(jī)。單片機(jī)可實現(xiàn)本設(shè)計休閑桌的機(jī)電一體化，提升其自動化水平。

5)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)由上萬細(xì)分步/轉(zhuǎn)的驅(qū)動器控制，控制精度可以達(dá)到±0.03°。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器主要起執(zhí)行作用，用來驅(qū)動太陽能遮陽傘朝正對太陽的方位移動。

6)蓄電池及控制器。光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后將電能通過控制器存儲在蓄電池中，為本設(shè)計休閑桌提供電源，使其可以獨立于電網(wǎng)之外。這一設(shè)計可滿足休閑桌所用電力自給自足，且電力清潔、可再生，具有節(jié)能減排的優(yōu)勢[1-2]。除此之外，本設(shè)計休閑桌還設(shè)有USB 接口，可用于充電。

7)液晶顯示屏。用于顯示光照強(qiáng)度、溫度、濕度等信息。

8) LED 燈。用于夜間照明，提高了本設(shè)計休閑桌在夜晚的使用率。

2 雙軸太陽跟蹤器的構(gòu)成及其跟蹤功能的實現(xiàn)

2.1 雙軸太陽跟蹤器的構(gòu)成

為了使太陽能遮陽傘更準(zhǔn)確地跟蹤太陽方位，本方案中設(shè)計了雙軸太陽跟蹤器。該跟蹤器由4 個光敏電阻、2 塊隔板及圓形底座組成，其俯視圖與側(cè)視圖如圖2 所示。

圓形底座由亞克力材料制成，重量輕且切割方便。將圓形底座用2 塊相互垂直的隔板等分為4 個區(qū)域，每個區(qū)域布置1 個光敏電阻，分別朝向東、西、南、北4 個方向，用于南北方向和東西方向跟蹤，構(gòu)成雙軸太陽跟蹤器；將雙軸太陽跟蹤器按照4 個光敏電阻與地理方位上東、西、南、北4 個方向一致的方式固定在太陽能遮陽傘外部的頂部；布置好后，將4 個光敏電阻與信號采集電路相連[3]。

圖2 雙軸太陽跟蹤器的俯視圖與側(cè)視圖Fig.2 Top-view and side-view of dual axis solar tracker

2.2 雙軸太陽跟蹤器跟蹤功能的實現(xiàn)

雙軸太陽跟蹤器的跟蹤方式為：當(dāng)太陽方位發(fā)生變化時，由于隔板的遮擋，光線不再平均照射在4 個光敏電阻上，引起4 個光敏電阻的阻值發(fā)生相應(yīng)變化；隨之信號采集電路的輸出信號發(fā)生變化，并將信號傳送至單片機(jī)；單片機(jī)進(jìn)行程序運(yùn)算后，向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器輸出控制信號，推動步進(jìn)電機(jī)朝預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽能遮陽傘轉(zhuǎn)動；當(dāng)太陽能遮陽傘正對太陽時，4個光敏電阻的阻值重新恢復(fù)一致，此時信號采集電路的輸出信號為零，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)雙軸太陽能跟蹤器的跟蹤功能。

雙軸太陽跟蹤器的跟蹤功能由單片機(jī)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3 所示。

主程序中的信號采集主要包括采集雙軸太陽跟蹤器輸出信號、溫度及光照檢測信號，但此處僅分析雙軸太陽跟蹤器輸出信號。

本文以仿真電路來測試單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能，仿真電路如圖4 所示。

仿真電路中以4 個電阻R1、R2、R3、R6來代替雙軸太陽跟蹤器的4 個光敏電阻，構(gòu)成了直流差動全橋電路，通過手動改變阻值來驗證信號采集電路的輸出信號。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 Diagram of the main program flow of control system

通過仿真程序可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變電阻R1、R2、R3、R6的阻值(模擬太陽方位改變引起東西方向和南北方向光敏電阻的阻值發(fā)生變化)時，信號采集電路的輸出信號發(fā)生改變。

直流差動全橋電路輸出與太陽方位角相對應(yīng)的2 個電壓信號 ，經(jīng)過放大器放大后，引入到電壓比較器LM339 芯片的輸入端；通過集成電路轉(zhuǎn)換成高電平信號(約為4 V)或轉(zhuǎn)換成低電平信號(約為96.136 mV)，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 The Simulation Results

將上述高、低電平信號傳送至單片機(jī)的數(shù)字量輸入端，經(jīng)過預(yù)定程序的判斷，輸出相應(yīng)的脈沖控制信號，并傳送至步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器，從而帶動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)“輸入為高電平信號時，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入為低電平信號時，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)”的操作，直至太陽能遮陽傘正朝著太陽時，單片機(jī)輸出脈沖信號變?yōu)榱?，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動，從而實現(xiàn)雙軸太陽跟蹤器對太陽的跟蹤功能[4]。

通過仿真程序的驗證發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確，精度滿足要求，可以實現(xiàn)預(yù)期的跟蹤目的。

3 本設(shè)計休閑桌的效果圖

本設(shè)計休閑桌安裝了雙軸太陽跟蹤器后，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠最大限度地吸收太陽能，同時還具有良好的遮陽效果，其3D 效果圖如圖6 所示。

圖6 本設(shè)計休閑桌的3D 效果圖Fig.6 3D effect graphs of intelligent multifunctional outdoor recreational table

4 本設(shè)計休閑桌的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益

本設(shè)計休閑桌投入使用后，可以利用太陽能來滿足自身的用電需求，節(jié)約了市區(qū)亮化工程中大量的電能消耗，從而也可降低二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物的排放。1 臺本設(shè)計休閑桌的光伏組件的容量為200 W，當(dāng)該休閑桌應(yīng)用在南方地區(qū)時，若按照年發(fā)電小時數(shù)約1000 h計算，則單臺本設(shè)計休閑桌的年發(fā)電量可達(dá) 200 kWh。若1 座城市能夠普及擺放2000 臺此種休閑桌，則1 年可節(jié)約電量為4×105kWh；按照目前企業(yè)用電價格0.76 元/kWh 計算，累計可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益4×105×0.76 ≈30.4 萬元/年[5]。

而且，本設(shè)計休閑桌可滿足多功能及個性化需求，靈活性、實用性大幅增強(qiáng)，因此，采用此種休閑桌可以提高設(shè)備使用率，大幅減少目前戶外休閑桌因?qū)嵱眯圆粡?qiáng)所導(dǎo)致的社會公共資源的浪費(fèi)現(xiàn)象，具有較高的社會效益。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種智能型多功能戶外休閑桌，其遮陽傘由光伏組件制成，在實現(xiàn)遮陽、擋雨的同時，還可以通過控制器將電能存儲在蓄電池中，作為整個休閑桌的電源，最大限度地實現(xiàn)了節(jié)能減排；本方案還設(shè)計了照明、USB 充電、光照強(qiáng)度顯示、溫濕度顯示等多項功能，并且使用者可以通過控制面板實現(xiàn)多功能及個性化需求，靈活性、實用性大幅增強(qiáng)。因此，本設(shè)計休閑桌可以提高設(shè)備使用率，減少目前戶外休閑桌存在的社會公共資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。通過對我國休閑桌市場進(jìn)行調(diào)研分析后發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計休閑桌具有較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，市場應(yīng)用前景廣大，值得推廣利用。

目前本設(shè)計方案所開發(fā)的功能尚有限，之后可根據(jù)需求陸續(xù)增加新的功能，從而進(jìn)一步實現(xiàn)此種休閑桌的功能升級。