一种智能防雨装置

【摘要】为了实现智能防雨的功能，该防雨帘包括防雨布、卷轴、直流电机、感湿装置以及供电装置。由于湿敏电阻具有遇水阻值显著增大的特性，因此选用湿敏电阻作为智能防雨帘的传感器。湿敏传...

【摘要】为了方便人们的日常生活，本文设计了一种智能防雨帘，利用湿敏电阻有水接触时阻值显著增大的特性，设计了包括雨布、卷轴、直流电机、感湿装置以及供电装置几部分的智能防雨装置。实现有雨时，电机自动旋转，伸开防雨卷帘，智能防雨的目的。装置简单，性能可靠。

【关键词】智能控制;湿敏传感器;步进电机;防雨

1.引言

随着硬件设计技术的发展各种智能控制技术应运而生，很多工具都开始智能化，而市场上却没有一种智能防雨工具，人们会经常因不在家使挂在阳台上的衣服淋湿或者因为没有及时的采取防雨措施蒙受经济损失[1，2]。为了解决此问题，方便人们的日常生活，设计了一种智能防雨装置。该智能防雨装置主要包括防雨布、卷轴、直流电机、感湿装置以及供电装置。晴天，该智能防雨装置利用太阳能蓄电池蓄电，防雨布卷起;下雨时，湿敏传感器输出信号，促使步进电机工作，放下防雨布，实现智能防雨功能。目前有相关文献提出智能防雨系统的设计，大都以单片机或者嵌入式芯片为控制中心，通过编程加载到控制中心，控制硬件电路来实现智能防雨的功能，系统较复杂，且易出现故障[3，4]。本文旨在设计出一种只需要做简单的硬件电路设计即能实现智能防雨的功能，且性能可靠，电路稳定。

2.设计流程

为了实现智能防雨的功能，该防雨帘包括防雨布、卷轴、直流电机、感湿装置以及供电装置。由于湿敏电阻具有遇水阻值显著增大的特性，因此选用湿敏电阻作为智能防雨帘的传感器。湿敏传感器的工作原理是利用覆盖在基片上的一层感湿材料膜在遇到水时电阻率和电阻值发生变化来反映湿度的变化，因此湿敏传感器的输出信号很微弱，要想利用该信号激励后续电路，必须对其进行放大。要想自动控制防雨布实现防雨，必须有能够控制其自动运动的器件，因此想到直流电机，因为直流电机具有良好的线性特性，能够用给定的信号控制其旋转固定的角度，且运行精度高。为了使该装置符合人们的使用要求，设计该防雨布围绕卷轴成适宜窗户的卷轴窗帘，直流电机与卷轴相连以带动卷轴转动，该感湿装置与该直流电机相连，以于感测到一定湿度时，由该供电装置供电，驱动该直流电机旋转，带动该防雨布伸展开。[5，6]

具体设计框图如图1电路示意图所示。该感湿装置包括湿敏传感器、第一放大器模块及第二放大器模块，该湿敏传感器与四个电阻构成电桥，并连接于该第一放大器模块，以于该湿敏传感器阻值变大超过设定值时，该第一放大器模块输出低电平变为高电平，该高电平输出至该第二放大器模块，经该第二放大器模块放大并全波整流为直流电压信号，驱动该直流电机旋转。该供电装置包括太阳能电池、蓄电池及升压型直流变换器，通过该太阳能电池对该蓄电池充电，并通过该升压型直流变换器升压为电路需要的工作电压。太阳能电池经一充电电流限制电阻和防止电流反向流通的二极管对该蓄电池充电。感湿装置通过第一电阻与该供电装置连接，以设定该湿敏传感器的电流。

感湿装置为湿敏传感器SM，湿敏传感器SM与R8、R9、R10、R11构成电桥，并连接于第一放大器模块11，R1用于设定湿敏传感器SM的电流，正常时电桥处于平衡状态，直流电机不工作，降雨时，湿敏传感器SM阻值变大超过设定值，第一放大器模块11输出低电平变为高电平，该高电平输出至第二放大器模块12，经第二放大器模块12放大并全波整流为直流电压信号，驱动直流电机M旋转，带动防雨布，将其伸展开，实现智能防雨功能[7，8]。供电装置采用太阳能电池作为整个电路的电源。

3.硬件电路设计

本发明利用湿敏电阻与水接触时阻值显著增大的特性，通过硬件电路的设计实现有雨时，电机自动旋转，伸开防雨卷帘，实现智能防雨的目的。具体电路图如图2智能防雨装置电路图所示。

图1 智能防雨帘电路示意图

工作原理结合图2如下所述。湿敏传感器SM与R8、R9、R10、R11构成电桥，常用的电阻电桥有R1用于设定传感器的电流。电桥是通过比较法测量模拟信号一种常见的测量电路或者测量仪器，电桥包括单臂电桥和双臂电桥，测量中等阻值电阻要设置好。电桥在测量较大阻值的电阻时，一般采用高电阻电桥或兆欧表;而在测量较小阻值的电阻时，一般采用双臂电桥（开尔文电桥）。电桥由于准确度高、稳定性好，被广泛用于自动调节、电磁测量和自动控制中。最基本的直流单臂电桥即惠斯登单臂电桥。正常时电桥处于平衡状态，电机不工作，降雨时，SM阻值变大超过设定值，1A输出低电平变为高电平，经2A放大并全波整流为直流电压信号，驱动直流电机M旋转，带动防雨帘，将其伸展开，实现智能防雨功能。太阳能电池作为电路的电源，太阳能电池的电压（2V/250mA）经R5和VD1对蓄电池BT充电，R5为充电电流限制电阻，VD1为防止电流反向流通的二极管。MAX757是常见的DC/DC直流稳压芯片，因此采用MAX757作为升压型直流变换器，它将蓄电池BT的1.2V电压升压为5.3V作为电路的工作电压，其输出电压由R6设定，图示R1的驱动电压为5.3V。

4.具体实施方式

防雨布围绕卷轴设计成适宜窗户的卷轴窗帘，直流电机与卷轴相连，由供电装置供电，带动卷轴转动，伸开或卷起防雨布，供电装置为太阳能电池，安置于窗户外沿可光照到的地方即可;感湿装置放置于窗户外沿，其与直流电机相连，以于感测到一定湿度时，驱动直流电机旋转，带动防雨布将其伸展开，实现智能防雨。

5.总结

本文提出了以一种智能防雨帘的设计思路和方法，主要是利用湿敏电阻具有遇水阻值显著增大的特性，将其作为感湿装置，设计了主要包括雨布、卷轴、直流电机、感湿装置以及供电装置几部分的智能防雨装置。实现了天晴时，能自己蓄电，下雨时，能自动打开雨布防雨的功能。该装置只是做简单硬件电路的设计，需要的元器件也都是常见廉价的电子元器件，且能够用太阳能电磁进行蓄电供电，适应现代智能家居的要求，能够很好的方便人们的生活。

参考文献

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[5]蒋明明.基于STM32的低端智能家居控制系统研制[D].西安交通大学，2012.

[6]陈致远，朱叶承，周卓泉，祝磊.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2012，38（9）：138-141.

[7]赵宇.嵌入式智能家居监控系统研究与设计[D].东北大学，2009.

[8]王继罗.嵌入式智能家居控制系统的设计和实现[D].哈尔滨工业大学，2013.

基金项目：国家自然科学基金“一类非线性切换系统的多目标优化理论与算法（11201267）”;上海市自然科学基金“大规模新能源电力时空多尺度动力学特性及其安全防御策略研究（12ZR11600）”。

作者简介：杨明莉（1990―），女，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：大规模新能源电力设备安全与智能控制策略。