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智能型多功能户外休闲桌的设计方案探究

2020-07-01 238 上传者：管理员

摘要：设计了一种智能型多功能户外休闲桌，其安装有双轴太阳跟踪器，能够实现东西方向和南北方向跟踪；太阳能遮阳伞采用柔性光伏组件，将太阳能转换成电能，在提供遮阳、挡雨的同时，可通过控制器将电能存储在蓄电池中，作为整个独立系统的电源，最大限度地实现了节能减排；可通过触碰控制面板的按钮，实现光照强度显示、温湿度显示、LED灯照明、太阳能遮阳伞角度调节等多项功能，从而实现休闲桌的多功能及个性化需求。

关键词：
光伏组件
单片机
双轴太阳跟踪器
户外休闲桌
木材加工
节能减排
遮阳伞
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引言

随着人们生活水平日益提高，园林式城市变得越来越普遍，休闲桌、椅在大多数园林设计中较为常见，是人们在户外休闲时经常使用的设施。目前，常见的休闲桌、椅普遍采用木头、竹子或水泥等材质，存在档次不高、舒适度低、功能单一、使用不便等缺点，导致休闲桌、椅的利用率一直偏低，有的甚至沦为摆设，从而造成社会公共资源的浪费。

本文针对以上问题，对现有的户外休闲桌进行了改进，设计了一种智能型多功能户外休闲桌，其在保留传统休闲桌主要功能的基础上，利用光伏发电及单片机控制技术，使休闲桌具有智能、多功能等优点，最大限度地提高了产品利用率。

1、本设计休闲桌的构成

本文设计的智能型多功能户外休闲桌(下文简称“本设计休闲桌”)除包括常见的休闲桌之外，还包括太阳能遮阳伞、太阳跟踪器、控制面板、单片机、步进电机及驱动器、蓄电池及控制器、液晶显示屏、LED灯，以及相关电路，其构成如图1所示。

图1本设计的休闲桌的构成

1)太阳能遮阳伞。本设计的休闲桌上部的太阳能遮阳伞由柔性光伏组件制成，在遮阳、挡雨的同时，还可以吸收太阳能，并将其转换成电能。

2)太阳跟踪器。为了最大化利用太阳能，本方案设计了双轴太阳跟踪器，能够有效实现东西方向和南北方向的跟踪。

3)控制面板。为了方便休闲桌的使用人员在冬天时能够晒太阳，设计了切换功能，使用人员可以根据自身需求，通过触碰控制面板上的切换按钮，调节遮阳伞角度，以满足个性化的需求；此外，控制面板还可控制光照强度显示、温湿度显示、照明等功能。

4)单片机。单片机可实现本设计休闲桌的机电一体化，提升其自动化水平。

5)步进电机及驱动器。步进电机由上万细分步/转的驱动器控制，控制精度可以达到±0.03°。步进电机及驱动器主要起执行作用，用来驱动太阳能遮阳伞朝正对太阳的方位移动。

6)蓄电池及控制器。光伏组件将太阳能转换成电能，然后将电能通过控制器存储在蓄电池中，为本设计休闲桌提供电源，使其可以独立于电网之外。这一设计可满足休闲桌所用电力自给自足，且电力清洁、可再生，具有节能减排的优势[1,2]。除此之外，本设计休闲桌还设有USB接口，可用于充电。

7)液晶显示屏。用于显示光照强度、温度、湿度等信息。

8)LED灯。用于夜间照明，提高了本设计休闲桌在夜晚的使用率。

2、双轴太阳跟踪器的构成及其跟踪功能的实现

2.1双轴太阳跟踪器的构成

为了使太阳能遮阳伞更准确地跟踪太阳方位，本方案中设计了双轴太阳跟踪器。该跟踪器由4个光敏电阻、2块隔板及圆形底座组成，其俯视图与侧视图如图2所示。

圆形底座由亚克力材料制成，重量轻且切割方便。将圆形底座用2块相互垂直的隔板等分为4个区域，每个区域布置1个光敏电阻，分别朝向东、西、南、北4个方向，用于南北方向和东西方向跟踪，构成双轴太阳跟踪器；将双轴太阳跟踪器按照4个光敏电阻与地理方位上东、西、南、北4个方向一致的方式固定在太阳能遮阳伞外部的顶部；布置好后，将4个光敏电阻与信号采集电路相连[3]。

图2双轴太阳跟踪器的俯视图与侧视图

2.2双轴太阳跟踪器跟踪功能的实现

双轴太阳跟踪器的跟踪方式为：当太阳方位发生变化时，由于隔板的遮挡，光线不再平均照射在4个光敏电阻上，引起4个光敏电阻的阻值发生相应变化；随之信号采集电路的输出信号发生变化，并将信号传送至单片机；单片机进行程序运算后，向步进电机的驱动器输出控制信号，推动步进电机朝预定的方向转动，从而带动太阳能遮阳伞转动；当太阳能遮阳伞正对太阳时，4个光敏电阻的阻值重新恢复一致，此时信号采集电路的输出信号为零，步进电机停止转动，从而实现双轴太阳能跟踪器的跟踪功能。

双轴太阳跟踪器的跟踪功能由单片机控制系统来实现，控制系统的主程序流程图如图3所示。

主程序中的信号采集主要包括采集双轴太阳跟踪器输出信号、温度及光照检测信号，但此处仅分析双轴太阳跟踪器输出信号。

本文以仿真电路来测试单片机控制系统的功能，仿真电路如图4所示。

仿真电路中以4个电阻R1、R2、R3、R6来代替双轴太阳跟踪器的4个光敏电阻，构成了直流差动全桥电路，通过手动改变阻值来验证信号采集电路的输出信号。

图3控制系统主程序流程图

通过仿真程序可以发现，当改变电阻R1、R2、R3、R6的阻值(模拟太阳方位改变引起东西方向和南北方向光敏电阻的阻值发生变化)时，信号采集电路的输出信号发生改变。

直流差动全桥电路输出与太阳方位角相对应的2个电压信号，经过放大器放大后，引入到电压比较器LM339芯片的输入端；通过集成电路转换成高电平信号(约为4V)或转换成低电平信号(约为96.136mV)，仿真结果如图5所示。

将上述高、低电平信号传送至单片机的数字量输入端，经过预定程序的判断，输出相应的脉冲控制信号，并传送至步进电机的驱动器，从而带动步进电机转动，实现“输入为高电平信号时，步进电机正转；输入为低电平信号时，步进电机反转”的操作，直至太阳能遮阳伞正朝着太阳时，单片机输出脉冲信号变为零，步进电机停止运动，从而实现双轴太阳跟踪器对太阳的跟踪功能[4]。

图4仿真电路图

图5仿真结果

通过仿真程序的验证发现，控制系统运行准确，精度满足要求，可以实现预期的跟踪目的。

3、本设计休闲桌的效果图

本设计休闲桌安装了双轴太阳跟踪器后，采用单片机控制系统能够最大限度地吸收太阳能，同时还具有良好的遮阳效果，其3D效果图如图6所示。

图6本设计休闲桌的3D效果图

4、本设计休闲桌的经济效益与社会效益

本设计休闲桌投入使用后，可以利用太阳能来满足自身的用电需求，节约了市区亮化工程中大量的电能消耗，从而也可降低二氧化碳、二氧化硫、粉尘等污染物的排放。1台本设计休闲桌的光伏组件的容量为200W，当该休闲桌应用在南方地区时，若按照年发电小时数约1000h计算，则单台本设计休闲桌的年发电量可达200kWh。若1座城市能够普及摆放2000台此种休闲桌，则1年可节约电量为4×105kWh；按照目前企业用电价格0.76元/kWh计算，累计可创造经济效益4×105×0.76≈30.4万元/年[5]。

而且，本设计休闲桌可满足多功能及个性化需求，灵活性、实用性大幅增强，因此，采用此种休闲桌可以提高设备使用率，大幅减少目前户外休闲桌因实用性不强所导致的社会公共资源的浪费现象，具有较高的社会效益。

5、结论

本文设计了一种智能型多功能户外休闲桌，其遮阳伞由光伏组件制成，在实现遮阳、挡雨的同时，还可以通过控制器将电能存储在蓄电池中，作为整个休闲桌的电源，最大限度地实现了节能减排；本方案还设计了照明、USB充电、光照强度显示、温湿度显示等多项功能，并且使用者可以通过控制面板实现多功能及个性化需求，灵活性、实用性大幅增强。因此，本设计休闲桌可以提高设备使用率，减少目前户外休闲桌存在的社会公共资源浪费的现象。通过对我国休闲桌市场进行调研分析后发现，本设计休闲桌具有较高的社会效益和经济效益，市场应用前景广大，值得推广利用。

目前本设计方案所开发的功能尚有限，之后可根据需求陆续增加新的功能，从而进一步实现此种休闲桌的功能升级。

参考文献：

[1]张红斌,赵玲,熊庆丰.硅太阳能电池用铝浆的现状和发展趋势[J].金属功能材料,2010,17(4):72-74.

[2]茹敬雨,贾子熙,吴成东.一种基于阳光的运动轨迹简化算法[J].东北大学学报(自然科学版),2019,40(8):1070-1074.

[3]袁正兵,肖清泉,廖杨芳,等.Mg2Si薄膜的光敏电阻特性研究[J].低温物理学报,2017,39(5):33-37.

[4]刘忠强,张立,张春晓,等.双轴步进电机驱动控制系统设计[J].自动化与仪表.2019,34(8):29-33.

[5]姜凯,顾凤英,李想,等.铜铟镓硒光伏幕墙技术的经济性分析[J].建筑学报,2019(S2):92-95.

陈文仪,孙震堃,林浩正,林栩蕾,孙扬,黄非凡,杜仕豪,陈雨桐.一种智能型多功能户外休闲桌的设计[J].太阳能,2020(06):65-69.

基金:福建省2018~2019学年大学生创新创业训练计划省级项目