江賽標(biāo) 曾里博 楊祺 龐鈞 陳海濤

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院電子信息工程學(xué)院 廣東省珠海市 519041）

1 引言

雨傘是現(xiàn)代社會(huì)中最常用的一種擋雨工具，它最大的特點(diǎn)就是便攜程度高。在下雨天時(shí)，人手一把雨傘的情況非常普遍。但由于雨水沾在傘面上的緣故，當(dāng)人們收傘進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，會(huì)將大量的雨水帶進(jìn)室內(nèi)，使得室內(nèi)變得過(guò)于濕滑，嚴(yán)重危害人體步行安全。同時(shí)雨后雨傘上的積水落到室內(nèi)地面，使得地面被踩踏之后污漬現(xiàn)象明顯，提升了人力成本。本設(shè)計(jì)希望開(kāi)發(fā)一種低成本速干傘來(lái)改善或解決目前已知的一些問(wèn)題。

目前來(lái)說(shuō)，市面上專門以速干為特性的雨傘產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，少部分以速干為賣點(diǎn)的雨傘大抵是通過(guò)改良雨傘傘面材料提高疏水性實(shí)現(xiàn)速干效果，但由于研發(fā)成本較高故相關(guān)雨傘售賣價(jià)格較貴。故本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)有望將速干傘價(jià)格降低。

影響雨傘干燥速度的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是溫度，一個(gè)是濕度。溫度較高濕度較低的情況下，可以提高雨傘傘面的干燥效率?；诖?，我們通過(guò)提高溫度降低濕度的方法對(duì)雨傘進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該設(shè)計(jì)有著較好的干燥效果。雨傘架構(gòu)

1.1 開(kāi)合方案

不同于普通的正向開(kāi)合傘以及折疊傘，本設(shè)計(jì)采用的是反疊傘的開(kāi)合方案。如圖1所示。對(duì)比正向開(kāi)合與折疊傘，反疊傘的主要優(yōu)勢(shì)在于回收時(shí)將淋雨面放置于雨傘內(nèi)部而非外部，可以降低使用者沾到雨水的可能性。同時(shí)由于向內(nèi)回收的回收方式，可以讓傘面粘附的雨水匯聚成成股的水流順著傘布面流下，既可以快速排水，又不會(huì)影響到使用者，是一個(gè)較好的物理實(shí)現(xiàn)方案。

該方案相對(duì)普通方案而言，其物料成本提高了。普通方案一般使用單層傘布便可，該方案為了得以方便開(kāi)合，需要使用兩層骨架以及兩層傘布，這是其制造成本提高的主要原因。

但同時(shí)因?yàn)樵搩蓪觽悴嫉姆桨?，讓本設(shè)計(jì)中的速干方案中的夾層制熱方案得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 速干方案

1.2.1 傘葉加熱膜夾層

傘葉分為三層，最外層為防水層，最里層為防曬層，而中間則為柔性低壓制熱層。如圖2所示，圖中為制熱膜的示意。在傘葉原二層結(jié)構(gòu)中間增加加熱膜夾層。由于水的蒸發(fā)效率與溫度呈正相關(guān)，故通過(guò)加熱的方式提高雨傘干燥的速度。

該加熱膜貼合最外層的防水層，主要適用于加熱防水層。使用柔性電熱膜可以更好的貼合外層，比較有效的提高熱能的利用效率。同時(shí)由于其柔性特性，可以使得電熱膜的耐用程度提高，降低使用過(guò)程中的損耗率。

1.2.2 風(fēng)機(jī)模塊

圖1：雨傘開(kāi)合示意圖

圖2：電熱膜夾層示意圖

圖3：風(fēng)機(jī)出風(fēng)示意圖

圖4：速干傘控制系統(tǒng)示意圖

在使用電熱膜時(shí)，隨著使用時(shí)間的變長(zhǎng)，傘葉存在過(guò)熱的可能性。因此，為了散熱，我們?cè)趥沩斣O(shè)計(jì)了一個(gè)大功率風(fēng)機(jī)，其作用有兩個(gè)：其一是在電熱膜過(guò)熱的時(shí)候，通過(guò)打開(kāi)風(fēng)機(jī)加大空氣流動(dòng)，降低電熱膜溫度，使得電熱膜的溫度處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)之下，減少因溫度過(guò)高帶來(lái)的燙傷、著火等危險(xiǎn)情況出現(xiàn)的可能性；其二是通過(guò)加快空氣流動(dòng)的速度，加快附著在傘面的雨水能夠更快的蒸發(fā)，以達(dá)到速干的設(shè)計(jì)目的。風(fēng)機(jī)運(yùn)行的示意圖如圖3所示，圖中繪制了風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)氣流的流動(dòng)方向（藍(lán)色箭頭為氣流流動(dòng)方向，紅色線條為傘面示意），通過(guò)頂部風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)速干目的。

圖5：電熱模塊電路圖

圖6：控制系統(tǒng)控制流程圖

關(guān)于風(fēng)機(jī)，該設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)方式，在溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將溫度穩(wěn)定在一個(gè)溫度區(qū)間之內(nèi)；也可手動(dòng)啟動(dòng)，適用于一些用戶觀感上可以啟動(dòng)的環(huán)境模式下。

1.3 其它設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到夜間用傘等使用環(huán)境，我們使用光敏電阻配合其他數(shù)字芯片，實(shí)現(xiàn)在光線強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，位于傘上的照明LED 燈會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，起到照明或警示（指夜間提醒他人此處有人持傘行走）的作用。

2 硬件設(shè)計(jì)

在搭建實(shí)物前，將整體設(shè)計(jì)方案中非機(jī)械結(jié)構(gòu)部分抽象為一個(gè)新型速干傘智能控制系統(tǒng)。將各個(gè)部分抽象成模塊，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行模型搭建。

圖7：速干傘控制系統(tǒng)

圖8：靜置時(shí)的相對(duì)濕度變化

圖9：裝置運(yùn)行下的相對(duì)濕度變化

模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

整個(gè)系統(tǒng)由主控芯片STC89C52、溫度傳感器ds18b20、電壓比較器lm393 以及其配套光敏電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換adc0832、顯示屏LCD1602、LED 照明模塊、馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)芯片l9110、電熱膜以及一個(gè)電源模塊構(gòu)造而成。

主控芯片STC89C52 具有成本低廉、開(kāi)發(fā)環(huán)境完善、接口豐富、便攜方便等眾多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)成本核算之后，最終選擇其為此系統(tǒng)的主控芯片。

電源模塊分兩路供電，一路對(duì)主控MCU 供電，帶動(dòng)其他芯片工作，一路通過(guò)單獨(dú)給電熱膜供電，主控通過(guò)控制繼電器開(kāi)閉來(lái)控制電熱膜導(dǎo)通。

電熱模塊為石墨烯電熱膜，通過(guò)繼電器由按鍵控制，5V 電源單獨(dú)供電，PNP 型三極管9012 起放大電流作用，驅(qū)動(dòng)繼電器。三極管基極接主控芯片。其電路圖如圖5所示。

溫度傳感器選用ds18b20，它具有體積小，開(kāi)銷低，精度高的特點(diǎn)。其與主控芯片進(jìn)行通信時(shí)僅需一個(gè)I/O 口，可以大大節(jié)省通信資源。同時(shí)，多個(gè)ds18b20 可以并聯(lián)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫功能，在本設(shè)計(jì)中，由于傘面面積較大，可能出現(xiàn)局部溫度較高但單個(gè)溫度傳感器沒(méi)有測(cè)量到溫度過(guò)高的情況，使用多個(gè)傳感器進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫可以保證散熱開(kāi)啟的及時(shí)性。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)之后，控制電熱膜導(dǎo)通的繼電器閉合，電熱膜開(kāi)始工作。此時(shí)，ds18b20 開(kāi)始工作。多個(gè)溫度傳感器同時(shí)測(cè)溫，當(dāng)存在有一個(gè)傳感器出現(xiàn)溫度高于設(shè)定閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制芯片l9110 控制風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)散熱。在散熱過(guò)程中，當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，l9110 控制風(fēng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，散熱工作停止。

而在實(shí)現(xiàn)光控的模塊，本設(shè)計(jì)通過(guò)使用電壓比較器芯片lm393加上高靈敏度光敏電阻及其外圍電路構(gòu)成。光敏電阻由于其器件特性，其阻值會(huì)隨著光線強(qiáng)弱而變化，光線越強(qiáng)阻值越小。而電壓比較器lm393 是使用運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種應(yīng)用電路，它通過(guò)比較輸入電壓和參考電壓的大小，從而輸出相應(yīng)的高低電平。將參考電壓加于運(yùn)算放大器的反相輸入端，輸入電壓加于同相輸入端中，當(dāng)輸入電壓的數(shù)值低于參考電壓時(shí)，運(yùn)放輸出端輸出邏輯1，即高電平，反之輸出低電平0。通過(guò)在外圍電路增加一個(gè)可變電阻器進(jìn)行分壓來(lái)調(diào)節(jié)參考電壓，從而調(diào)整光敏電阻的靈敏度。

將lm393 的輸出信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0832 中，可實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為8 位數(shù)字信號(hào)。通過(guò)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)在LCD 顯示屏LCD1602 中顯示實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度的功能，同時(shí)可以較為直觀對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)定，起到貼合更多應(yīng)用場(chǎng)景的作用。當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，主控芯片控制LED 燈點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)照明功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

流程圖圖6所示。根據(jù)實(shí)際操作環(huán)境的情況，在編寫控制軟件時(shí)設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式。由圖可知，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，可對(duì)自動(dòng)模式和手動(dòng)模式進(jìn)行選擇。選擇手動(dòng)模式則相關(guān)模塊由使用者手動(dòng)使用按鍵啟動(dòng)。若使用自動(dòng)模式，則流程如圖。自動(dòng)模式啟動(dòng)之后，電熱膜啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，干燥開(kāi)始。同時(shí)可設(shè)置閾值，在溫度傳感器檢測(cè)到某一個(gè)點(diǎn)的溫度超過(guò)設(shè)定值（未設(shè)定則為默認(rèn)值）時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)散熱，實(shí)現(xiàn)基本功能。同時(shí)，光敏傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度是否低于閾值，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)，控制照明模塊啟動(dòng)LED 燈，實(shí)現(xiàn)照明或警示功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)搭建如圖7所示。

4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

為了實(shí)際驗(yàn)證本設(shè)計(jì)是否有速干的功效，我們?cè)谙嗤h(huán)境下設(shè)計(jì)了一組對(duì)照試驗(yàn)用以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的實(shí)際功效。在室內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度67%，溫度26℃的環(huán)境下，使用探針式電子濕度測(cè)試儀進(jìn)行了以下對(duì)比試驗(yàn)。取相同面積的兩塊普通傘布，其中一塊覆蓋于電熱膜之上，另一塊放置于相同的室內(nèi)環(huán)境之中，使用清水均勻噴灑于傘面之上，至其測(cè)試相對(duì)濕度為99%。之后每30s 測(cè)試一次，在300s 的時(shí)間內(nèi)，測(cè)試兩者的濕度，并繪制成圖進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果如圖8（靜置時(shí)的相對(duì)濕度變化）和圖9（裝置運(yùn)行下的相對(duì)濕度變化）所示。

由圖可知，在無(wú)裝置運(yùn)行的情況下，傘面相對(duì)濕度維持在99%左右，并隨著時(shí)間變化濕度變化幅度非常小，而在裝置運(yùn)行的情況下，傘面相對(duì)濕度變化較快，由此可得出該裝置具有速干的功能。其運(yùn)行后期傘面相對(duì)濕度變化較小是因?yàn)樵诎踩珬l件下，電熱膜的溫度無(wú)法達(dá)到較高的水準(zhǔn)，只能在較低的溫度下進(jìn)行干燥處理，因此在實(shí)驗(yàn)中后期濕度變化較前期變化較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中詳細(xì)闡述了一種基于STC89C52 單片機(jī)的新型速干傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要實(shí)現(xiàn)功能為雨后快速實(shí)現(xiàn)雨傘傘面干燥。本文中詳細(xì)介紹了其機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其配套嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)相關(guān)實(shí)際模型搭建驗(yàn)證了方案的可行性。

不足之處：在模型搭建時(shí)，我們選用的主控芯片封裝為DIP40封裝，其優(yōu)點(diǎn)在于即插即用，同時(shí)可較好連接外部電路并進(jìn)行一定的修改。在實(shí)物搭建時(shí)，注意到雨傘可放置控制系統(tǒng)的物理位置并不多，主要集中在傘柄的握把以及支架上，難以放置整塊PCB 電路板，因此，我們將封裝類型調(diào)整為L(zhǎng)QFP44 封裝類型，以起到更好的節(jié)省空間的目的。因傳感器分布較廣，我們將走線放置于支架內(nèi)部，可以更好的起到保護(hù)線材的作用，同時(shí)可以使得布線更加的美觀大方。在實(shí)際操作中，我們發(fā)現(xiàn)，放置大電池會(huì)造成雨傘過(guò)于沉重，會(huì)使得雨傘握持較為不方便，在接下來(lái)的研究中，我們希望能夠合理利用大傘面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)借助新能源的理念，合理的利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)更好的續(xù)航，同時(shí)盡量減少電池的容量，以起到減重的目的。為了更好的實(shí)現(xiàn)速干的目的，我們未來(lái)將從相關(guān)算法出發(fā)，通過(guò)更精確的控制，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的除濕干燥操作，實(shí)現(xiàn)更好的速干效果。