基于天气控制的路灯伞结构设计

胡志强，王学康，李长青，程　祯，王　兴

（1.安徽三联学院机械工程学院，安徽合肥　230601；2.安徽三联学院电气工程学院，安徽合肥　230601）



基于天气控制的路灯伞结构设计

胡志强1，王学康2，李长青1，程祯2，王兴1

（1.安徽三联学院机械工程学院，安徽合肥230601；2.安徽三联学院电气工程学院，安徽合肥230601）

摘要：设计一种雨滴和温度感应自动打开的路灯伞装置，主要有雨滴传感器、温度传感器、步进电机、机械部分及控制系统组成。实现了路灯伞的自动开启,可发挥照明、遮阳、避雨的作用。

关键词：路灯伞；总体结构；自动感应

1　路灯伞总体结构

众所周知，路灯是道路的重要设施。现实生活中路灯只起照明的作用，研制一套能感应天气变化的路灯伞，可发挥遮阳避雨的作用。如图1所示,本路灯伞主要由丝杠、丝杠螺母、伞面、伸缩架、电机、传感器、控制系统等组成。

1.雨量传感器；2.温度传感器；3.控制系统；4.步进电机；5.雨伞伸缩架；6.灯杆；7.丝杠及丝杠螺母图1　路灯伞总体结构

2　电气控制部分设计

2.1微控制部分

使用AVR单片机（微控制器）作为控制核心，对雨滴传感器、温度传感器、步进电机等部件的信号接收和控制。控制原理如图2所示。

图2　微控制器原理

控制原理：所使用的温湿度控制系统可利用单片机对所采集的温湿度数据进行检测和分析并及时作出判断，实现温湿度控制的自动化。

微控制器实时扫描来自雨滴和温度的传感器信号：当雨滴传感器发送有效信号给微控制器时，微控制器初步判断，再次扫描，若在一段时间后再次接受到效信号则响应中断程序，对步进电机进行控制，达到程序设计效果，从而展开或收起伞；同理，当温度传感器发送有效信号给微控制器时，微控制器初步判断，再次扫描，若在一段时间后再次接受到有效信号则响应中断程序，对步进电机进行控制，达到程序设计效果，从而展开或收起伞。程序控制说明，如图3所示。

图3　程序控制说明

2.2雨滴传感器设计

内部原理：如图4所示，当检测到雨滴时，雨滴传感器的电导率升高，从而使电路中电流增大，Vout输出的电压增大。

图4　雨滴传感器工作原理

工作过程：当有雨滴落到雨滴传感器上时，传感器输出电压改变，该有效信号实时传送到微控制器（AVR单片机控制器）。随着雨增加，传感器电压增大，当增大到微控制器的设定值时，微控制器初步判断，再次扫描，若在一段时间后电压任然大于设定值则响应中断程序，对步进电机进行控制使其展开伞，同时循环程序，直到一段时间内多次扫描到电压低于设定值，则再次对步进电机控制使其收起伞。

2.3温度传感器设计

温度传感器（DS18B20）是测量温度信息的主要载体，通过传感器把经过的温度信息放大到电路，先转换成为毫伏级的电压信号，把弱电压信号慢慢放大到单片机能够自由处理的可调控范围之内，然后再通过输入A/D转换器把电压信号转换成为数字信号，然后通过相应的软件把得到的数字信号成功地输入到主机中去。

内部原理：如图5所示,低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图5　温度传感器工作原理

工作过程：当天气温度改变时，传感器输出对应脉冲信号，该有效信号实时传送到控制器（AVR单片机控制器）并被微控制器转换成代码。随着温度增加，传感器输出的脉冲发生变化，所对应的信号也随之变化，当信号变化到微控制器设定代码值范围内时，微控制器初步判断，再次扫描，若在一段时间后信号任然处于设定值范围内则响应中断程序，对步进电机进行控制使其展开伞，同时循环程序，直到一段时间内多次扫描到信号不在设定值范围内，则再次对步进电机控制使其收起伞。

3　机械控制部分设计

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度,无位置累积误差;特有的开环运行机制,与闭环控制系统相比降低了系统成本,提高了可靠性,在数控领域得到了广泛的应用。由单片机实现的步进电机控制系统如图6所示。

图6　步进电机控制系统

如图7所示,将步进电机上的丝杠和收缩架上的丝杠螺母链接，当步进电机收到信号时，旋转将收缩架收紧或伸展。

图7　伸缩架结构

如图8所示，雨伞用螺钉固定在伸缩架上，丝杠螺母安装在伸缩架上，丝杠螺母可在伸缩架上转动。

图8　丝杠螺母的结构

4　创新特色及结语

（1）创新特色。本路灯伞可广泛用于公路路灯、公园路灯以及小区路灯等。本设计具有遮阳避雨的作用:在高温的天气下，路人可以暂时在张开的路灯伞下遮阳；在雨季，路人可以在路灯伞下暂时避雨。路灯伞安装在人行道上方，晚上不会影响到灯光对车辆的照明，不影响正常的交通秩序。

（2）结语。通过对路灯伞的总体结构、机械传动方式、系统控制方式、控制程序等的设计,所研制的一套雨滴、温度感应自动开启关闭装置，实现了防雨防晒的功能，其结构及操作简单、性能稳定、抗干扰能力强、成本低廉，有着十分重要的现实意义和具有广阔的市场应用前景。

参考文献

［1］郭大川，张鹏.基于单片机的温湿度控制系统［J］.广播电视信息，2009，（9）：63-67.

［2］夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现［J］.煤炭技术, 2013，（2）：191-193.

［3］董晓庆，黄杰贤，张顺扬.步进电机驱动器的关键技术研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008，（6）：14-17.

［4］丁伟雄，杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现［J］.煤矿机械,2005，（6）：127-129.

Lampshade Structure Design Based on Weather Control

HU Zhi-qiang1，WANG Xue-kang2，LI Chang-qing1，CHEN zhen2，WANG xing1
（1.College of Mechanical Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei，Anhei 230601，China；2.College of Electrical Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei，Anhei 230601，China）

Abstract:This paper introduces a kind of raindrop and temperature sensing device to automatically open the umbrella, mainly include raindrop sensor，temperature sensor, stepper motor，mechanical parts and control system.The road lampshade can be automatically open.Discussed the rain prevent bask in the way the general structure of the lampshade device and transmission mode, working principle and design method.

Key words:Road lampshade；The overall structure；Automatic induction

作者简介：胡志强（1993-），男，大学本科，主要研究方向：机械设计制造及其自动化专业。

基金项目：安徽省教育厅省级学生创新创业项目（201510959026）

收稿日期：2015-12-15

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0065-02