田鑫

【摘 要】太陽傘是人們夏天旅行必備的物品，然而即使在太陽傘的保護(hù)下還是酷熱難耐。為了解決這個問題，筆者設(shè)計了一種太陽能智能降溫太陽傘。該傘從太陽傘頂部的太陽能電池上取電，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。富余的太陽能還可以傘體上的鋰電池充電，以備陽光不好時使用，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，為以后功能升級和物聯(lián)提供支持。

【關(guān)鍵詞】水霧化；太陽能；降溫太陽傘；太陽能充電；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)明了太陽傘。然而傳統(tǒng)的太陽傘有很大的缺陷，在烈日下傳統(tǒng)的太陽傘只能遮陽而不能消暑，并且價格昂貴。通過對傳統(tǒng)太陽傘的不足進(jìn)行分析和改進(jìn)，筆者設(shè)計出了一款節(jié)能環(huán)保的智能降溫太陽傘，使智能降溫太陽傘不但兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)太陽傘的功能，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)計和原理方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傘體設(shè)計本著方便實(shí)用的設(shè)計原則，使傘的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)太陽傘的結(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能薄膜電池；在傘的主骨上面是卡扣的3個柔性扇葉小風(fēng)扇，在風(fēng)扇的側(cè)上方3個是超聲波霧化換能片和3個個方便拆卸的儲水盒；在傘的上彈片處設(shè)置有一個安全開關(guān)，用于保障使用者和太陽扇的安全；在傘的中棒上嵌入溫濕度傳感器，實(shí)時監(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按鍵和一個電源開關(guān)；在傘柄底部有一個用于充電的micro USB接口和一個標(biāo)準(zhǔn)5V電源輸出的USB接口。

1.2 工作原理

在使用時，打開傘柄上的電源開關(guān)，然后滑動下巢撐開傘，在下巢觸動上彈片上的安全開關(guān)后，系統(tǒng)自動啟動風(fēng)扇系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)。在陽光的照射下，太陽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，插上USB公頭后，系統(tǒng)會自動將鋰電池的電能轉(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)工作的時候系統(tǒng)會實(shí)時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)計及實(shí)現(xiàn)

2.1 降溫系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 電路設(shè)計

降溫系統(tǒng)采用的是電風(fēng)扇和霧化降溫。其中主要涉及兩個部分，電機(jī)驅(qū)動和超聲波換能片的驅(qū)動。電機(jī)的驅(qū)動控制采用的是用單片機(jī)通過PWM方式去驅(qū)動一個N型MOS管從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)速。超聲波換能片的驅(qū)動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113kHz的正弦信號去驅(qū)動超聲波換能片（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)熱量相對較大。因其低廉的價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50-80ml水和水霧直接噴射等特點(diǎn)。

2.2 太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計

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

太陽能電池的設(shè)計，采用的是多片太陽能能電池片串并聯(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）。

太陽能充電電路設(shè)計，太陽能充電電路采用的外接充電和太陽能充電兩種結(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，太陽能充電則是太陽能電池經(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)計圖（圖5）。

太陽能充電電路設(shè)計，由于太陽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)計電路圖（圖6）。

2.3 對外供電系統(tǒng)設(shè)計

對外供電主要是才用的USB對外供電。其原理是將存儲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

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個獨(dú)立定時器，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 太陽能電池和鋰電池的選擇

太陽能電池片的選擇，太陽能電池片的選擇可以選用柔性的有機(jī)太陽能薄膜電池片、單晶硅太陽能電池片、多晶硅太陽能電池片。柔性太陽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)，價格較柔性太陽能電池薄膜便宜很多，而且在良好的光照情況下轉(zhuǎn)換效率較柔性太陽能電池片高，但是其有一個缺點(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能電池片，其參數(shù)如（表1）。

鋰電池的選擇。通過對市面上的鋰電池的調(diào)查，根據(jù)價格、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

智能太陽傘的經(jīng)過人性化設(shè)計，在功能方面實(shí)現(xiàn)了自動溫度上限降溫，太陽能充電存儲和對電子產(chǎn)品充電等功能。在外觀上由于實(shí)驗條件合技術(shù)的關(guān)系，設(shè)計的效果跟理想狀態(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，霧化降溫太陽傘在現(xiàn)實(shí)生活中定會有廣闊的前景和市場潛力。

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[責(zé)任編輯：王偉平]