一種智能型多功能戶外休閑桌的設計

陳文儀，孫震堃，林浩正，林栩蕾，孫 揚，黃非凡，杜仕豪，陳雨桐

(廈門大學嘉庚學院機電工程學院，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、椅在大多數園林設計中較為常見，是人們在戶外休閑時經常使用的設施。目前，常見的休閑桌、椅普遍采用木頭、竹子或水泥等材質，存在檔次不高、舒適度低、功能單一、使用不便等缺點，導致休閑桌、椅的利用率一直偏低，有的甚至淪為擺設，從而造成社會公共資源的浪費。

本文針對以上問題，對現有的戶外休閑桌進行了改進，設計了一種智能型多功能戶外休閑桌，其在保留傳統休閑桌主要功能的基礎上，利用光伏發電及單片機控制技術，使休閑桌具有智能、多功能等優點，最大限度地提高了產品利用率。

1 本設計休閑桌的構成

本文設計的智能型多功能戶外休閑桌(下文簡稱“本設計休閑桌”)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、步進電機及驅動器、蓄電池及控制器、液晶顯示屏、LED 燈，以及相關電路，其構成如圖1 所示。

圖1 本設計的休閑桌的構成Fig.1 Composition of intelligent multifunctional outdoor recreational table

1) 太陽能遮陽傘。本設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，并將其轉換成電能。

2)太陽跟蹤器。為了最大化利用太陽能，本方案設計了雙軸太陽跟蹤器，能夠有效實現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，設計了切換功能，使用人員可以根據自身需求，通過觸碰控制面板上的切換按鈕，調節遮陽傘角度，以滿足個性化的需求；此外，控制面板還可控制光照強度顯示、溫濕度顯示、照明等功能。

4)單片機。單片機可實現本設計休閑桌的機電一體化，提升其自動化水平。

5)步進電機及驅動器。步進電機由上萬細分步/轉的驅動器控制，控制精度可以達到±0.03°。步進電機及驅動器主要起執行作用，用來驅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換成電能，然后將電能通過控制器存儲在蓄電池中，為本設計休閑桌提供電源，使其可以獨立于電網之外。這一設計可滿足休閑桌所用電力自給自足，且電力清潔、可再生，具有節能減排的優勢[1-2]。除此之外，本設計休閑桌還設有USB 接口，可用于充電。

7)液晶顯示屏。用于顯示光照強度、溫度、濕度等信息。

8) LED 燈。用于夜間照明，提高了本設計休閑桌在夜晚的使用率。

2 雙軸太陽跟蹤器的構成及其跟蹤功能的實現

2.1 雙軸太陽跟蹤器的構成

為了使太陽能遮陽傘更準確地跟蹤太陽方位，本方案中設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 個區域，每個區域布置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

雙軸太陽跟蹤器的跟蹤方式為：當太陽方位發生變化時，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生相應變化；隨之信號采集電路的輸出信號發生變化，并將信號傳送至單片機；單片機進行程序運算后，向步進電機的驅動器輸出控制信號，推動步進電機朝預定的方向轉動，從而帶動太陽能遮陽傘轉動；當太陽能遮陽傘正對太陽時，4個光敏電阻的阻值重新恢復一致，此時信號采集電路的輸出信號為零，步進電機停止轉動，從而實現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控制系統來實現，控制系統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控制系統的功能，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現，當改變電阻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生變化)時，信號采集電路的輸出信號發生改變。

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

圖5 仿真結果Fig.5 The Simulation Results

將上述高、低電平信號傳送至單片機的數字量輸入端，經過預定程序的判斷，輸出相應的脈沖控制信號，并傳送至步進電機的驅動器，從而帶動步進電機轉動，實現“輸入為高電平信號時，步進電機正轉；輸入為低電平信號時，步進電機反轉”的操作，直至太陽能遮陽傘正朝著太陽時，單片機輸出脈沖信號變為零，步進電機停止運動，從而實現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現，控制系統運行準確，精度滿足要求，可以實現預期的跟蹤目的。

3 本設計休閑桌的效果圖

本設計休閑桌安裝了雙軸太陽跟蹤器后，采用單片機控制系統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 本設計休閑桌的3D 效果圖Fig.6 3D effect graphs of intelligent multifunctional outdoor recreational table

4 本設計休閑桌的經濟效益與社會效益

本設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，節約了市區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 臺本設計休閑桌的光伏組件的容量為200 W，當該休閑桌應用在南方地區時，若按照年發電小時數約1000 h計算，則單臺本設計休閑桌的年發電量可達 200 kWh。若1 座城市能夠普及擺放2000 臺此種休閑桌，則1 年可節約電量為4×105kWh；按照目前企業用電價格0.76 元/kWh 計算，累計可創造經濟效益4×105×0.76 ≈30.4 萬元/年[5]。

而且，本設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，因此，采用此種休閑桌可以提高設備使用率，大幅減少目前戶外休閑桌因實用性不強所導致的社會公共資源的浪費現象，具有較高的社會效益。

5 結論

本文設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，最大限度地實現了節能減排；本方案還設計了照明、USB 充電、光照強度顯示、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多功能及個性化需求，靈活性、實用性大幅增強。因此，本設計休閑桌可以提高設備使用率，減少目前戶外休閑桌存在的社會公共資源浪費的現象。通過對我國休閑桌市場進行調研分析后發現，本設計休閑桌具有較高的社會效益和經濟效益，市場應用前景廣大，值得推廣利用。

目前本設計方案所開發的功能尚有限，之后可根據需求陸續增加新的功能，從而進一步實現此種休閑桌的功能升級。