基于STC89C52的新型速干傘的設(shè)計與實現(xiàn)

江賽標 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)代社會中最常用的一種擋雨工具，它最大的特點就是便攜程度高。在下雨天時，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，當人們收傘進入室內(nèi)時，會將大量的雨水帶進室內(nèi)，使得室內(nèi)變得過于濕滑，嚴重危害人體步行安全。同時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)計希望開發(fā)一種低成本速干傘來改善或解決目前已知的一些問題。

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

影響雨傘干燥速度的因素主要有兩個，一個是溫度，一個是濕度。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?，我們通過提高溫度降低濕度的方法對雨傘進行重新設(shè)計。經(jīng)過測試，該設(shè)計有著較好的干燥效果。雨傘架構(gòu)

1.1 開合方案

不同于普通的正向開合傘以及折疊傘，本設(shè)計采用的是反疊傘的開合方案。如圖1所示。對比正向開合與折疊傘，反疊傘的主要優(yōu)勢在于回收時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，又不會影響到使用者，是一個較好的物理實現(xiàn)方案。

該方案相對普通方案而言，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。

但同時因為該兩層傘布的方案，讓本設(shè)計中的速干方案中的夾層制熱方案得以實現(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，降低使用過程中的損耗率。

1.2.2 風(fēng)機模塊

圖1：雨傘開合示意圖

圖2：電熱膜夾層示意圖

圖3：風(fēng)機出風(fēng)示意圖

圖4：速干傘控制系統(tǒng)示意圖

在使用電熱膜時，隨著使用時間的變長，傘葉存在過熱的可能性。因此，為了散熱，我們在傘頂設(shè)計了一個大功率風(fēng)機，其作用有兩個：其一是在電熱膜過熱的時候，通過打開風(fēng)機加大空氣流動，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，減少因溫度過高帶來的燙傷、著火等危險情況出現(xiàn)的可能性；其二是通過加快空氣流動的速度，加快附著在傘面的雨水能夠更快的蒸發(fā)，以達到速干的設(shè)計目的。風(fēng)機運行的示意圖如圖3所示，圖中繪制了風(fēng)機在啟動時氣流的流動方向（藍色箭頭為氣流流動方向，紅色線條為傘面示意），通過頂部風(fēng)機旋轉(zhuǎn)帶動空氣流動實現(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，該設(shè)計中設(shè)計了手動和自動兩個方式，在溫度達到設(shè)定溫度時，風(fēng)機自動啟動，實現(xiàn)將溫度穩(wěn)定在一個溫度區(qū)間之內(nèi)；也可手動啟動，適用于一些用戶觀感上可以啟動的環(huán)境模式下。

1.3 其它設(shè)計

在設(shè)計的過程中，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，實現(xiàn)在光線強度低于設(shè)定值時，位于傘上的照明LED 燈會自動啟動，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

在搭建實物前，將整體設(shè)計方案中非機械結(jié)構(gòu)部分抽象為一個新型速干傘智能控制系統(tǒng)。將各個部分抽象成模塊，按照設(shè)計目標進行模型搭建。

圖7：速干傘控制系統(tǒng)

圖8：靜置時的相對濕度變化

圖9：裝置運行下的相對濕度變化

模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

整個系統(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、馬達控制驅(qū)動芯片l9110、電熱膜以及一個電源模塊構(gòu)造而成。

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

電源模塊分兩路供電，一路對主控MCU 供電，帶動其他芯片工作，一路通過單獨給電熱膜供電，主控通過控制繼電器開閉來控制電熱膜導(dǎo)通。

電熱模塊為石墨烯電熱膜，通過繼電器由按鍵控制，5V 電源單獨供電，PNP 型三極管9012 起放大電流作用，驅(qū)動繼電器。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，開銷低，精度高的特點。其與主控芯片進行通信時僅需一個I/O 口，可以大大節(jié)省通信資源。同時，多個ds18b20 可以并聯(lián)實現(xiàn)多點測溫功能，在本設(shè)計中，由于傘面面積較大，可能出現(xiàn)局部溫度較高但單個溫度傳感器沒有測量到溫度過高的情況，使用多個傳感器進行多點測溫可以保證散熱開啟的及時性。

當系統(tǒng)啟動之后，控制電熱膜導(dǎo)通的繼電器閉合，電熱膜開始工作。此時，ds18b20 開始工作。多個溫度傳感器同時測溫，當存在有一個傳感器出現(xiàn)溫度高于設(shè)定閾值時，驅(qū)動馬達控制芯片l9110 控制風(fēng)機旋轉(zhuǎn)散熱。在散熱過程中，當溫度低于設(shè)定閾值時，l9110 控制風(fēng)機停止旋轉(zhuǎn)，散熱工作停止。

而在實現(xiàn)光控的模塊，本設(shè)計通過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，其阻值會隨著光線強弱而變化，光線越強阻值越小。而電壓比較器lm393 是使用運算放大器構(gòu)成的一種應(yīng)用電路，它通過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。將參考電壓加于運算放大器的反相輸入端，輸入電壓加于同相輸入端中，當輸入電壓的數(shù)值低于參考電壓時，運放輸出端輸出邏輯1，即高電平，反之輸出低電平0。通過在外圍電路增加一個可變電阻器進行分壓來調(diào)節(jié)參考電壓，從而調(diào)整光敏電阻的靈敏度。

將lm393 的輸出信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0832 中，可實現(xiàn)將模擬信號轉(zhuǎn)化為8 位數(shù)字信號。通過轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)在LCD 顯示屏LCD1602 中顯示實時光照強度的功能，同時可以較為直觀對閾值進行設(shè)定，起到貼合更多應(yīng)用場景的作用。當光照強度低于設(shè)定閾值時，主控芯片控制LED 燈點亮，實現(xiàn)照明功能。

3 軟件設(shè)計

流程圖圖6所示。根據(jù)實際操作環(huán)境的情況，在編寫控制軟件時設(shè)計了自動模式以及手動模式。由圖可知，在系統(tǒng)啟動之后，可對自動模式和手動模式進行選擇。選擇手動模式則相關(guān)模塊由使用者手動使用按鍵啟動。若使用自動模式，則流程如圖。自動模式啟動之后，電熱膜啟動運轉(zhuǎn)，干燥開始。同時可設(shè)置閾值，在溫度傳感器檢測到某一個點的溫度超過設(shè)定值（未設(shè)定則為默認值）時啟動風(fēng)機散熱，實現(xiàn)基本功能。同時，光敏傳感器檢測光照強度是否低于閾值，當?shù)陀陂撝禃r，控制照明模塊啟動LED 燈，實現(xiàn)照明或警示功能。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與分析

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)搭建如圖7所示。

4.2 對比實驗與分析

為了實際驗證本設(shè)計是否有速干的功效，我們在相同環(huán)境下設(shè)計了一組對照試驗用以驗證該設(shè)計的實際功效。在室內(nèi)環(huán)境相對濕度67%，溫度26℃的環(huán)境下，使用探針式電子濕度測試儀進行了以下對比試驗。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，至其測試相對濕度為99%。之后每30s 測試一次，在300s 的時間內(nèi)，測試兩者的濕度，并繪制成圖進行對比。測試結(jié)果如圖8（靜置時的相對濕度變化）和圖9（裝置運行下的相對濕度變化）所示。

由圖可知，在無裝置運行的情況下，傘面相對濕度維持在99%左右，并隨著時間變化濕度變化幅度非常小，而在裝置運行的情況下，傘面相對濕度變化較快，由此可得出該裝置具有速干的功能。其運行后期傘面相對濕度變化較小是因為在安全條件下，電熱膜的溫度無法達到較高的水準，只能在較低的溫度下進行干燥處理，因此在實驗中后期濕度變化較前期變化較小。

5 結(jié)語

本文中詳細闡述了一種基于STC89C52 單片機的新型速干傘系統(tǒng)設(shè)計，其主要實現(xiàn)功能為雨后快速實現(xiàn)雨傘傘面干燥。本文中詳細介紹了其機械設(shè)計結(jié)構(gòu)及其配套嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方案，并通過相關(guān)實際模型搭建驗證了方案的可行性。

不足之處：在模型搭建時，我們選用的主控芯片封裝為DIP40封裝，其優(yōu)點在于即插即用，同時可較好連接外部電路并進行一定的修改。在實物搭建時，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LQFP44 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線材的作用，同時可以使得布線更加的美觀大方。在實際操作中，我們發(fā)現(xiàn)，放置大電池會造成雨傘過于沉重，會使得雨傘握持較為不方便，在接下來的研究中，我們希望能夠合理利用大傘面的優(yōu)勢，同時借助新能源的理念，合理的利用太陽能實現(xiàn)更好的續(xù)航，同時盡量減少電池的容量，以起到減重的目的。為了更好的實現(xiàn)速干的目的，我們未來將從相關(guān)算法出發(fā)，通過更精確的控制，實現(xiàn)更加準確的除濕干燥操作，實現(xiàn)更好的速干效果。