基于天氣控制的路燈傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡志強(qiáng)，王學(xué)康，李長青，程　禎，王　興

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥　230601；2.安徽三聯(lián)學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽合肥　230601）

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基于天氣控制的路燈傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡志強(qiáng)1，王學(xué)康2，李長青1，程禎2，王興1

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥230601；2.安徽三聯(lián)學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽合肥230601）

摘要：設(shè)計(jì)一種雨滴和溫度感應(yīng)自動打開的路燈傘裝置，主要有雨滴傳感器、溫度傳感器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械部分及控制系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)了路燈傘的自動開啟,可發(fā)揮照明、遮陽、避雨的作用。

關(guān)鍵詞：路燈傘；總體結(jié)構(gòu)；自動感應(yīng)

1　路燈傘總體結(jié)構(gòu)

眾所周知，路燈是道路的重要設(shè)施。現(xiàn)實(shí)生活中路燈只起照明的作用，研制一套能感應(yīng)天氣變化的路燈傘，可發(fā)揮遮陽避雨的作用。如圖1所示,本路燈傘主要由絲杠、絲杠螺母、傘面、伸縮架、電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)等組成。

1.雨量傳感器；2.溫度傳感器；3.控制系統(tǒng)；4.步進(jìn)電機(jī)；5.雨傘伸縮架；6.燈桿；7.絲杠及絲杠螺母圖1　路燈傘總體結(jié)構(gòu)

2　電氣控制部分設(shè)計(jì)

2.1微控制部分

使用AVR單片機(jī)（微控制器）作為控制核心，對雨滴傳感器、溫度傳感器、步進(jìn)電機(jī)等部件的信號接收和控制。控制原理如圖2所示。

圖2　微控制器原理

控制原理：所使用的溫濕度控制系統(tǒng)可利用單片機(jī)對所采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和分析并及時(shí)作出判斷，實(shí)現(xiàn)溫濕度控制的自動化。

微控制器實(shí)時(shí)掃描來自雨滴和溫度的傳感器信號：當(dāng)雨滴傳感器發(fā)送有效信號給微控制器時(shí)，微控制器初步判斷，再次掃描，若在一段時(shí)間后再次接受到效信號則響應(yīng)中斷程序，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到程序設(shè)計(jì)效果，從而展開或收起傘；同理，當(dāng)溫度傳感器發(fā)送有效信號給微控制器時(shí)，微控制器初步判斷，再次掃描，若在一段時(shí)間后再次接受到有效信號則響應(yīng)中斷程序，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到程序設(shè)計(jì)效果，從而展開或收起傘。程序控制說明，如圖3所示。

圖3　程序控制說明

2.2雨滴傳感器設(shè)計(jì)

內(nèi)部原理：如圖4所示，當(dāng)檢測到雨滴時(shí)，雨滴傳感器的電導(dǎo)率升高，從而使電路中電流增大，Vout輸出的電壓增大。

圖4　雨滴傳感器工作原理

工作過程：當(dāng)有雨滴落到雨滴傳感器上時(shí)，傳感器輸出電壓改變，該有效信號實(shí)時(shí)傳送到微控制器（AVR單片機(jī)控制器）。隨著雨增加，傳感器電壓增大，當(dāng)增大到微控制器的設(shè)定值時(shí)，微控制器初步判斷，再次掃描，若在一段時(shí)間后電壓任然大于設(shè)定值則響應(yīng)中斷程序，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制使其展開傘，同時(shí)循環(huán)程序，直到一段時(shí)間內(nèi)多次掃描到電壓低于設(shè)定值，則再次對步進(jìn)電機(jī)控制使其收起傘。

2.3溫度傳感器設(shè)計(jì)

溫度傳感器（DS18B20）是測量溫度信息的主要載體，通過傳感器把經(jīng)過的溫度信息放大到電路，先轉(zhuǎn)換成為毫伏級的電壓信號，把弱電壓信號慢慢放大到單片機(jī)能夠自由處理的可調(diào)控范圍之內(nèi)，然后再通過輸入A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，然后通過相應(yīng)的軟件把得到的數(shù)字信號成功地輸入到主機(jī)中去。

內(nèi)部原理：如圖5所示,低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。

圖5　溫度傳感器工作原理

工作過程：當(dāng)天氣溫度改變時(shí)，傳感器輸出對應(yīng)脈沖信號，該有效信號實(shí)時(shí)傳送到控制器（AVR單片機(jī)控制器）并被微控制器轉(zhuǎn)換成代碼。隨著溫度增加，傳感器輸出的脈沖發(fā)生變化，所對應(yīng)的信號也隨之變化，當(dāng)信號變化到微控制器設(shè)定代碼值范圍內(nèi)時(shí)，微控制器初步判斷，再次掃描，若在一段時(shí)間后信號任然處于設(shè)定值范圍內(nèi)則響應(yīng)中斷程序，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制使其展開傘，同時(shí)循環(huán)程序，直到一段時(shí)間內(nèi)多次掃描到信號不在設(shè)定值范圍內(nèi)，則再次對步進(jìn)電機(jī)控制使其收起傘。

3　機(jī)械控制部分設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的定位精度,無位置累積誤差;特有的開環(huán)運(yùn)行機(jī)制,與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比降低了系統(tǒng)成本,提高了可靠性,在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

如圖7所示,將步進(jìn)電機(jī)上的絲杠和收縮架上的絲杠螺母鏈接，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)收到信號時(shí)，旋轉(zhuǎn)將收縮架收緊或伸展。

圖7　伸縮架結(jié)構(gòu)

如圖8所示，雨傘用螺釘固定在伸縮架上，絲杠螺母安裝在伸縮架上，絲杠螺母可在伸縮架上轉(zhuǎn)動。

圖8　絲杠螺母的結(jié)構(gòu)

4　創(chuàng)新特色及結(jié)語

（1）創(chuàng)新特色。本路燈傘可廣泛用于公路路燈、公園路燈以及小區(qū)路燈等。本設(shè)計(jì)具有遮陽避雨的作用:在高溫的天氣下，路人可以暫時(shí)在張開的路燈傘下遮陽；在雨季，路人可以在路燈傘下暫時(shí)避雨。路燈傘安裝在人行道上方，晚上不會影響到燈光對車輛的照明，不影響正常的交通秩序。

（2）結(jié)語。通過對路燈傘的總體結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動方式、系統(tǒng)控制方式、控制程序等的設(shè)計(jì),所研制的一套雨滴、溫度感應(yīng)自動開啟關(guān)閉裝置，實(shí)現(xiàn)了防雨防曬的功能，其結(jié)構(gòu)及操作簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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Lampshade Structure Design Based on Weather Control

HU Zhi-qiang1，WANG Xue-kang2，LI Chang-qing1，CHEN zhen2，WANG xing1
（1.College of Mechanical Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei，Anhei 230601，China；2.College of Electrical Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei，Anhei 230601，China）

Abstract:This paper introduces a kind of raindrop and temperature sensing device to automatically open the umbrella, mainly include raindrop sensor，temperature sensor, stepper motor，mechanical parts and control system.The road lampshade can be automatically open.Discussed the rain prevent bask in the way the general structure of the lampshade device and transmission mode, working principle and design method.

Key words:Road lampshade；The overall structure；Automatic induction

作者簡介：胡志強(qiáng)（1993-），男，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳省級學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201510959026）

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0065-02