田鑫

【摘 要】太陽(yáng)傘是人們夏天旅行必備的物品，然而即使在太陽(yáng)傘的保護(hù)下還是酷熱難耐。為了解決這個(gè)問題，筆者設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能智能降溫太陽(yáng)傘。該傘從太陽(yáng)傘頂部的太陽(yáng)能電池上取電，通過超聲波換能片將水霧化，然后過風(fēng)扇將水霧通送出，使其快速蒸發(fā)吸熱達(dá)到降溫的目的。富余的太陽(yáng)能還可以傘體上的鋰電池充電，以備陽(yáng)光不好時(shí)使用，并且還可以通過外接USB接口為手機(jī)充電。使用者還可以根據(jù)自身的情況，設(shè)置該傘自動(dòng)降溫的溫度上限；不但如此該傘還留有物聯(lián)網(wǎng)接口，為以后功能升級(jí)和物聯(lián)提供支持。

【關(guān)鍵詞】水霧化；太陽(yáng)能；降溫太陽(yáng)傘；太陽(yáng)能充電；智能降溫

0 引言

在炎熱的夏天，戶外的烈日和酷熱很大程度上阻礙了人們外出，于是就有人發(fā)明了太陽(yáng)傘。然而傳統(tǒng)的太陽(yáng)傘有很大的缺陷，在烈日下傳統(tǒng)的太陽(yáng)傘只能遮陽(yáng)而不能消暑，并且價(jià)格昂貴。通過對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)傘的不足進(jìn)行分析和改進(jìn)，筆者設(shè)計(jì)出了一款節(jié)能環(huán)保的智能降溫太陽(yáng)傘，使智能降溫太陽(yáng)傘不但兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)太陽(yáng)傘的功能，而且還可以智能降溫和實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傘體設(shè)計(jì)本著方便實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，使傘的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)太陽(yáng)傘的結(jié)構(gòu)并無太大的差異。從頂至下，傘頂周圍是縫合在上面的柔性太陽(yáng)能薄膜電池；在傘的主骨上面是卡扣的3個(gè)柔性扇葉小風(fēng)扇，在風(fēng)扇的側(cè)上方3個(gè)是超聲波霧化換能片和3個(gè)個(gè)方便拆卸的儲(chǔ)水盒；在傘的上彈片處設(shè)置有一個(gè)安全開關(guān)，用于保障使用者和太陽(yáng)扇的安全；在傘的中棒上嵌入溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控傘下溫濕度，以便實(shí)現(xiàn)智能降溫控制；在傘柄上設(shè)定有風(fēng)速控制按鍵，噴霧量控制按鍵兩個(gè)按鍵和一個(gè)電源開關(guān)；在傘柄底部有一個(gè)用于充電的micro USB接口和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)5V電源輸出的USB接口。

1.2 工作原理

在使用時(shí)，打開傘柄上的電源開關(guān)，然后滑動(dòng)下巢撐開傘，在下巢觸動(dòng)上彈片上的安全開關(guān)后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)。在陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)能薄膜電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，通過開關(guān)電源升壓輸出標(biāo)準(zhǔn)的5v直流電源為控制系統(tǒng)和為鋰電池充電。當(dāng)需要為外部供電時(shí)，插上USB公頭后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將鋰電池的電能轉(zhuǎn)化為USB輸出，為外部設(shè)備供電。傘柄底部的micro USB接口為電池充電。使用者可以根據(jù)自身的情況，通過傘柄上的風(fēng)速設(shè)置安鈕和噴霧量安鈕去設(shè)置風(fēng)速和霧量。在系統(tǒng)工作的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)的去采集傘下的溫度和濕度，并通過藍(lán)牙4.0將數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)，使用戶能直觀的了解當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。結(jié)合回傳給手機(jī)的參數(shù)，用戶也可以通過手機(jī)控制傘的工作狀態(tài)（圖1）。

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 電路設(shè)計(jì)

降溫系統(tǒng)采用的是電風(fēng)扇和霧化降溫。其中主要涉及兩個(gè)部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和超聲波換能片的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采用的是用單片機(jī)通過PWM方式去驅(qū)動(dòng)一個(gè)N型MOS管從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速。超聲波換能片的驅(qū)動(dòng)采用的是逆變的方式，首先是單片機(jī)輸出特定頻率113kHz的方波去控制MOS管，使其在變壓器的輸入端產(chǎn)生一個(gè)頻113kHz，幅度為5v的高頻交流電，經(jīng)變壓器升壓波形整形后輸出一個(gè)113kHz的正弦信號(hào)去驅(qū)動(dòng)超聲波換能片（圖2、圖3）。

2.1.2 材料選取

電機(jī)的選取。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，我們選取的是130小馬達(dá)，其主要特點(diǎn)有，體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于安裝；其工作參數(shù)為，工作電壓1-6V，在3v空載的條件下轉(zhuǎn)速為17000-18000轉(zhuǎn)/分鐘。相比于同等大小的空心杯電機(jī)來說成本更低，易于安裝便于維修。其缺點(diǎn)在于，噪音大在重負(fù)荷下發(fā)熱量相對(duì)較大。因其低廉的價(jià)格和易安裝性我們選擇了130小馬達(dá)。

超聲波換能片我們選取的是微孔超聲波霧化片，選取的原因在于其擁有功功耗低，表貼式不用將換能片浸沒在水中，噴霧量為每小時(shí)50-80ml水和水霧直接噴射等特點(diǎn)。

2.2 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)由量大部分組成，第一是太陽(yáng)能電池，第二是充電電路。

太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)，采用的是多片太陽(yáng)能能電池片串并聯(lián)的方法組合而成的，這樣組合的好處在于能提供較大的工作電流以滿足系統(tǒng)的正常工作。在結(jié)構(gòu)組成上是由5片太陽(yáng)能薄膜電池片并聯(lián)，然后六組串聯(lián)組合而成。最終合成的太陽(yáng)能電池的參數(shù)是，工作電壓在3.6V，工作電流在理想光照條件下能達(dá)到1.2A。組合圖（圖4）。

太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能充電電路采用的外接充電和太陽(yáng)能充電兩種結(jié)合在一起的方式。外接充電是通過外接電源為傘上面的鋰電池充電，太陽(yáng)能充電則是太陽(yáng)能電池經(jīng)過升壓變換后為鋰電池充電。

外接充電采用的USB充電方式，在PCB板上留有標(biāo)準(zhǔn)的microUSB充電接口。外部5V直流電源輸入經(jīng)過TP4056鋰電電池充電管理芯片后輸出標(biāo)準(zhǔn)的4.2V電壓，然后經(jīng)過由8205A和DW01組成的鋰電池過放過充保護(hù)電路為鋰電池充電。其電路設(shè)計(jì)圖（圖5）。

太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)，由于太陽(yáng)能電池輸出的電壓為3.6V，不能達(dá)到鋰電池的充電標(biāo)準(zhǔn)。因此在充點(diǎn)電路之前需將其通過開關(guān)電源進(jìn)行升壓變換輸出5V電源，變換之后再送入鋰電池充電電路，為鋰電池充電。其中升壓模型采用的是常用的Boost升壓模型。在具體的電路設(shè)計(jì)中升壓芯片采用的是FP6291，其體積小工作電壓寬為2-16v，內(nèi)置MOS管，低導(dǎo)通電阻，最大輸出電流為2A。其設(shè)計(jì)電路圖（圖6）。

2.3 對(duì)外供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)外供電主要是才用的USB對(duì)外供電。其原理是將存儲(chǔ)在鋰電池中的電能同過升壓變換電路變換輸出5V標(biāo)準(zhǔn)電源，為外部電子設(shè)備提供充電服務(wù)。其電路設(shè)計(jì)由前面所提到的鋰電保護(hù)電路和升壓電路組成。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制是采用的是STM32F103C8T6作為主控芯片。STM32F103C8T6芯片帶有豐富的外接擴(kuò)展功能。其中包含4個(gè)獨(dú)立定時(shí)器，3路串口，10路ADC通道，兩路I2C和兩路路SPI通信接口，多達(dá)10幾路PWM輸出等。

2.5 太陽(yáng)能電池和鋰電池的選擇

太陽(yáng)能電池片的選擇，太陽(yáng)能電池片的選擇可以選用柔性的有機(jī)太陽(yáng)能薄膜電池片、單晶硅太陽(yáng)能電池片、多晶硅太陽(yáng)能電池片。柔性太陽(yáng)能電池具有可卷曲性且弱光性能很好，理想光照情況下帶載能力良好，轉(zhuǎn)換但是價(jià)格非常的昂貴。單晶硅和多晶硅的弱光性能較差，理想光照情況下帶載能力強(qiáng)，價(jià)格較柔性太陽(yáng)能電池薄膜便宜很多，而且在良好的光照情況下轉(zhuǎn)換效率較柔性太陽(yáng)能電池片高，但是其有一個(gè)缺點(diǎn)就是很脆弱容易弄碎，不過在組裝合適的情況下也能達(dá)到較高的強(qiáng)度。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度去考慮，我們選擇的是單晶硅的太陽(yáng)能電池片，其參數(shù)如（表1）。

鋰電池的選擇。通過對(duì)市面上的鋰電池的調(diào)查，根據(jù)價(jià)格、容量和形狀分析，我們選擇了鋰聚合物電池。改的電池沒有記憶性，可以隨充隨用，不爆炸、環(huán)保無毒、輕便。表2為鋰聚合物電池參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

智能太陽(yáng)傘的經(jīng)過人性化設(shè)計(jì)，在功能方面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)溫度上限降溫，太陽(yáng)能充電存儲(chǔ)和對(duì)電子產(chǎn)品充電等功能。在外觀上由于實(shí)驗(yàn)條件合技術(shù)的關(guān)系，設(shè)計(jì)的效果跟理想狀態(tài)下的有一定的差別。充分利用了夏日豐富的太陽(yáng)能資源，在能源方面做到了環(huán)保無污染實(shí)現(xiàn)了資源的可持續(xù)發(fā)展。綜上所訴，只要做好了結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)，霧化降溫太陽(yáng)傘在現(xiàn)實(shí)生活中定會(huì)有廣闊的前景和市場(chǎng)潛力。

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[責(zé)任編輯：王偉平]