郭獻(xiàn)章，李治根，趙明強(qiáng)，孫榮健，謝 偉，孫 金

（東北大學(xué) 秦皇島分校a.實(shí)驗(yàn)教育中心；b.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

1 引 言

大學(xué)物理是很多專(zhuān)業(yè)的公共基礎(chǔ)課，是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的必要前提.但通過(guò)中學(xué)階段的學(xué)習(xí)，很多學(xué)生認(rèn)為經(jīng)典的理論離自己太久遠(yuǎn)了，已經(jīng)沒(méi)有太多的實(shí)用價(jià)值，因而對(duì)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)感到厭倦.同時(shí)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及在驗(yàn)證性的基礎(chǔ)上略有綜合性，離日常生活較遠(yuǎn)，無(wú)法滿足學(xué)生們學(xué)有所用、學(xué)有所長(zhǎng)、求奇創(chuàng)新的愿望.為此，東北大學(xué)秦皇島分校實(shí)驗(yàn)教育中心師生共同努力，提出一批綜合應(yīng)用型并兼有一定發(fā)明創(chuàng)造特色的實(shí)驗(yàn)思路，并在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善充實(shí)，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，涌現(xiàn)出一批具有很大實(shí)用價(jià)值的發(fā)明創(chuàng)造.本文所展示的智能防雨晾衣架是在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下，2010級(jí)本科生的一個(gè)興趣小組制做的產(chǎn)品，很好地體現(xiàn)了上述的教學(xué)思想，同時(shí)又是能夠給日常生活帶來(lái)便利的實(shí)用新型專(zhuān)利產(chǎn)品.

目前市場(chǎng)上的外飄晾衣架，只能通過(guò)手推或拉晾桿來(lái)完成晾衣架的伸縮動(dòng)作.簡(jiǎn)單手動(dòng)推拉式晾衣桿，費(fèi)力、危險(xiǎn)，同時(shí)也不具有防雨等晾曬智能化功能［1］.為了解決這些問(wèn)題，筆者研發(fā)了智能防雨晾衣架，該裝置采用了具有較高穩(wěn)定性的雨雪傳感器和光線傳感器作為輸入信號(hào)源，因?yàn)檫@類(lèi)集成傳感器具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點(diǎn)［2］.使用電動(dòng)推桿輸出伸縮動(dòng)力，性能穩(wěn)定，推力足.該裝置還采用了自主設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行自動(dòng)控制，簡(jiǎn)單穩(wěn)定，避免了因單片機(jī)中的繁瑣程序而引發(fā)的性能不穩(wěn)定.該衣架相比普通衣架增加了4個(gè)功能：

a.按下“衣架伸”按鈕，衣架可以自動(dòng)伸出；

b.天氣急變，遇雨衣架自動(dòng)收回，雨棚推出；

c.雨停且天氣變晴后，衣架可以自動(dòng)伸出，雨棚收回；

d.要收衣時(shí)，按下“衣架收”按鈕，衣架收回.

2 晾衣架的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 晾衣架的結(jié)構(gòu)

圖1 晾衣架整體結(jié)構(gòu)示意圖

智能晾衣架的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.晾衣架安裝在窗戶(hù)的下沿，與晾衣架相配套的雨棚安裝在衣架的上沿.

首先，在晾衣架的菱形桿上安裝衣架電動(dòng)推拉桿，其伸縮代替人手工推拉晾衣桿，避免了危險(xiǎn).其次，衣架支撐座上部的伸縮式雨棚裝置上有雨棚電動(dòng)推拉桿，可帶動(dòng)雨棚的伸縮.最后，雨雪傳感器和光強(qiáng)傳感器根據(jù)天氣變化經(jīng)控制器控制電動(dòng)推拉桿的接入電路的通斷［3］，從而控制衣架和雨棚的伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能防雨.

2.2 晾衣架的功能

晾衣架和雨棚的伸縮都由電動(dòng)推拉桿提供動(dòng)力，可手動(dòng)控制和自動(dòng)控制.

手動(dòng)控制時(shí)，晾好衣服，按下“衣架伸”按鈕，衣架自動(dòng)伸出；要收衣物時(shí)，按下“衣架收”按鈕，衣架收回.使用自動(dòng)控制功能時(shí)，先打開(kāi)傳感器使用開(kāi)關(guān)，在遇雨時(shí)，雨雪傳感器接收的下雨信號(hào)經(jīng)控制器處理，最終使衣架電動(dòng)推拉桿的電機(jī)反轉(zhuǎn)和雨棚電動(dòng)推拉桿的電機(jī)正轉(zhuǎn)，使衣架自動(dòng)收回，雨棚推出；雨停且天氣變晴，雨雪傳感器停止信號(hào)輸出，同時(shí)光強(qiáng)傳感器接收的天晴信號(hào)經(jīng)控制器處理［4-5］，最終使衣架電動(dòng)推拉桿的電機(jī)正轉(zhuǎn)和雨棚電動(dòng)推拉桿的電機(jī)反轉(zhuǎn)，使衣架自動(dòng)伸出，雨棚收回，再次晾好衣服.

3 控制器電路

如圖2所示.控制器由傳感模塊、衣架推拉桿電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊A、衣架推拉桿電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊a，雨棚推拉桿電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊B、雨棚推拉桿電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊b組成.主要器件有按鈕（按鈕上有兩路常開(kāi)觸點(diǎn)）、中間繼電器、雨雪繼電器（雨雪傳感器控制的電路開(kāi)關(guān)）及光強(qiáng)繼電器（光強(qiáng)傳感器控制的電路開(kāi)關(guān)）等.

圖2 控制器原理圖

3.1 傳感模塊控制電路

如圖3所示，傳感模塊主要將安裝在伸縮式晾衣架上的雨雪傳感器和光強(qiáng)傳感器采集的天氣信號(hào)收集、處理，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的雨雪繼電器和光強(qiáng)繼電器的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，最后控制中間繼電器的通電與斷電，各個(gè)中間繼電器的輔助觸點(diǎn)將控制工作電路的4個(gè)模塊是否工作［6］.

圖3 傳感模塊控制電路圖

3.2 衣架推拉桿電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊A的電路

如圖4所示，傳感模塊中的光強(qiáng)繼電器控制中間繼電器KM2是否通電；KM2的常開(kāi)觸點(diǎn)接入模塊A中和手動(dòng)按鈕1并聯(lián)共同控制正接的衣架推拉桿電機(jī)，當(dāng)光線從陰天變晴時(shí)，光強(qiáng)傳感器控制的光強(qiáng)繼電器閉合，KM2得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，衣架電機(jī)正轉(zhuǎn)，衣架伸出，達(dá)到自動(dòng)控制.同時(shí)按鈕的設(shè)計(jì)用于手動(dòng)控制.電路還加入了互鎖保護(hù)部分.

圖4 衣架推拉桿電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊A的電路

另外衣架推拉桿電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊a、雨棚推拉桿電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊B、雨棚推拉桿電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊b的電路控制原理與模塊A類(lèi)似，不再一一贅述.

4 動(dòng)力原件性能

4個(gè)電動(dòng)推拉桿輸入電壓為DC 12V，空載速度30mm／s.型號(hào)為T(mén)G-100-30，如圖5所示，在負(fù)載小于100kg時(shí)能保持速度在24～30mm／s，足以滿足使用要求［7］.同時(shí)，電動(dòng)推拉桿還具有噪聲小、功耗小、承受負(fù)載大、前后行程開(kāi)關(guān)可精確控制、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、來(lái)回伸縮無(wú)沖擊等優(yōu)點(diǎn)［8］.

圖5 電動(dòng)推拉桿特性圖

5 使用方法和過(guò)程分析

電動(dòng)推拉桿和控制電路結(jié)合起來(lái)可實(shí)現(xiàn)衣架和雨棚運(yùn)動(dòng)的智能控制，如圖6所示.

結(jié)合圖6，其具體使用方法和工作過(guò)程為：

晾好衣物后，按下按鈕1，按鈕的2個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)都閉合，模塊A通電（圖中＋表示），正接的衣架電動(dòng)推拉桿將衣架推出，當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開(kāi)關(guān)，推拉桿停止工作，同時(shí)可松開(kāi)按鈕，完成衣服晾曬.此時(shí)可選擇打開(kāi)傳感器使用開(kāi)關(guān)，即開(kāi)啟智能防雨功能.

圖6 操作面板及工作過(guò)程

遇雨時(shí)，雨雪繼電器閉合，模塊a通電，中間繼電器KM1線圈通電使其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)（若此時(shí)衣架已經(jīng)收回，則可防止再伸出），常開(kāi)觸點(diǎn)閉合.電機(jī)反接的衣架推拉桿將衣架收回，同時(shí)正接的雨棚推拉桿將雨傘推出.當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開(kāi)關(guān)，推拉桿停止工作.

雨停且天氣轉(zhuǎn)晴時(shí)，雨雪繼電器斷開(kāi)（KM1各觸點(diǎn)回初始狀態(tài)），光強(qiáng)繼電器閉合（中間繼電器線圈KM2通電，KM2的2個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合），模塊A和b通電，正接的衣架電動(dòng)推拉桿將衣架推出，反接的雨棚電動(dòng)推拉桿將雨棚收回.當(dāng)?shù)綐O限位置后，觸碰行程開(kāi)關(guān)，推拉桿停止工作.

6 樣機(jī)研制與產(chǎn)品評(píng)價(jià)

從設(shè)計(jì)分析到制作樣機(jī)和試驗(yàn)，再進(jìn)行原理改進(jìn)最后完成了具有預(yù)定智能防雨功能的晾衣架.樣機(jī)如圖7所示.

圖7 智能防雨晾衣架樣機(jī)

1）通過(guò)低壓電路的控制和電動(dòng)推桿的使用，實(shí)現(xiàn)衣架和雨棚的獨(dú)立控制伸縮功能，進(jìn)行衣物的晾出和收取，在人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了外飄晾衣架的所具有的潛在危險(xiǎn)性，保證人身安全.

2）利用電容式雨雪傳感器和光強(qiáng)傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，2種傳感技術(shù)的同時(shí)運(yùn)用，對(duì)下雨和天晴反應(yīng)靈敏，減少了誤動(dòng)作，增加了工作可靠性.

7 結(jié)束語(yǔ)

東北大學(xué)秦皇島分校實(shí)驗(yàn)教育中心通過(guò)系列成功的教改實(shí)踐，形成了多層次、多元化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并通過(guò)系統(tǒng)規(guī)劃與構(gòu)想，使師生一起把所掌握的物理知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能與日常生活相結(jié)合，形成專(zhuān)利產(chǎn)品，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新熱情、動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)興趣，不但從傳統(tǒng)意義上完成了物理實(shí)驗(yàn)所擔(dān)負(fù)的使命，還使師生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、社會(huì)適應(yīng)性都有很大的完善與提升.

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