太陽能智能降溫可充電太陽傘設計

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下還是酷熱難耐。為了解決這個問題，筆者設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，然后過風扇將水霧通送出，使其快速蒸發吸熱達到降溫的目的。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接口為手機充電。使用者還可以根據自身的情況，設置該傘自動降溫的溫度上限；不但如此該傘還留有物聯網接口，為以后功能升級和物聯提供支持。

【關鍵詞】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，于是就有人發明了太陽傘。然而傳統的太陽傘有很大的缺陷，在烈日下傳統的太陽傘只能遮陽而不能消暑，并且價格昂貴。通過對傳統太陽傘的不足進行分析和改進，筆者設計出了一款節能環保的智能降溫太陽傘，使智能降溫太陽傘不但兼備了傳統太陽傘的功能，而且還可以智能降溫和實現物聯功能。

1 結構設計和原理方法

1.1 結構設計

傘體設計本著方便實用的設計原則，使傘的整體結構與傳統太陽傘的結構并無太大的差異。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個柔性扇葉小風扇，在風扇的側上方3個是超聲波霧化換能片和3個個方便拆卸的儲水盒；在傘的上彈片處設置有一個安全開關，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，實時監控傘下溫濕度，以便實現智能降溫控制；在傘柄上設定有風速控制按鍵，噴霧量控制按鍵兩個按鍵和一個電源開關；在傘柄底部有一個用于充電的micro USB接口和一個標準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，然后滑動下巢撐開傘，在下巢觸動上彈片上的安全開關后，系統自動啟動風扇系統和噴霧系統。在陽光的照射下，太陽能薄膜電池將光能轉換為電能，通過開關電源升壓輸出標準的5v直流電源為控制系統和為鋰電池充電。當需要為外部供電時，插上USB公頭后，系統會自動將鋰電池的電能轉化為USB輸出，為外部設備供電。傘柄底部的micro USB接口為電池充電。使用者可以根據自身的情況，通過傘柄上的風速設置安鈕和噴霧量安鈕去設置風速和霧量。在系統工作的時候系統會實時的去采集傘下的溫度和濕度，并通過藍牙4.0將數據傳送至手機，使用戶能直觀的了解當前環境參數。結合回傳給手機的參數，用戶也可以通過手機控制傘的工作狀態（圖1）。

2 硬件設計及實現

2.1 降溫系統設計

2.1.1 電路設計

降溫系統采用的是電風扇和霧化降溫。其中主要涉及兩個部分，電機驅動和超聲波換能片的驅動。電機的驅動控制采用的是用單片機通過PWM方式去驅動一個N型MOS管從而控制電機的轉動和轉速。超聲波換能片的驅動采用的是逆變的方式，首先是單片機輸出特定頻率113kHz的方波去控制MOS管，使其在變壓器的輸入端產生一個頻113kHz，幅度為5v的高頻交流電，經變壓器升壓波形整形后輸出一個113kHz的正弦信號去驅動超聲波換能片（圖2、圖3）。

2.1.2 材料選取

電機的選取。風扇驅動電機，我們選取的是130小馬達，其主要特點有，體積小、重量輕、價格便宜、易于安裝；其工作參數為，工作電壓1-6V，在3v空載的條件下轉速為17000-18000轉/分鐘。相比于同等大小的空心杯電機來說成本更低，易于安裝便于維修。其缺點在于，噪音大在重負荷下發熱量相對較大。因其低廉的價格和易安裝性我們選擇了130小馬達。

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。

2.2 太陽能充電系統設計

太陽能充電系統由量大部分組成，第一是太陽能電池，第二是充電電路。

太陽能電池的設計，采用的是多片太陽能能電池片串并聯的方法組合而成的，這樣組合的好處在于能提供較大的工作電流以滿足系統的正常工作。在結構組成上是由5片太陽能薄膜電池片并聯，然后六組串聯組合而成。最終合成的太陽能電池的參數是，工作電壓在3.6V，工作電流在理想光照條件下能達到1.2A。組合圖（圖4）。

太陽能充電電路設計，太陽能充電電路采用的外接充電和太陽能充電兩種結合在一起的方式。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板上留有標準的microUSB充電接口。外部5V直流電源輸入經過TP4056鋰電電池充電管理芯片后輸出標準的4.2V電壓，然后經過由8205A和DW01組成的鋰電池過放過充保護電路為鋰電池充電。其電路設計圖（圖5）。

太陽能充電電路設計，由于太陽能電池輸出的電壓為3.6V，不能達到鋰電池的充電標準。因此在充點電路之前需將其通過開關電源進行升壓變換輸出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。在具體的電路設計中升壓芯片采用的是FP6291，其體積小工作電壓寬為2-16v，內置MOS管，低導通電阻，最大輸出電流為2A。其設計電路圖（圖6）。

2.3 對外供電系統設計

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標準電源，為外部電子設備提供充電服務。其電路設計由前面所提到的鋰電保護電路和升壓電路組成。

2.4 控制系統設計

系統控制是采用的是STM32F103C8T6作為主控芯片。STM32F103C8T6芯片帶有豐富的外接擴展功能。其中包含4個獨立定時器，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，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換效率較柔性太陽能電池片高，但是其有一個缺點就是很脆弱容易弄碎，不過在組裝合適的情況下也能達到較高的強度。從經濟實用的角度去考慮，我們選擇的是單晶硅的太陽能電池片，其參數如（表1）。

鋰電池的選擇。通過對市面上的鋰電池的調查，根據價格、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、環保無毒、輕便。表2為鋰聚合物電池參數。

3 結語

智能太陽傘的經過人性化設計，在功能方面實現了自動溫度上限降溫，太陽能充電存儲和對電子產品充電等功能。在外觀上由于實驗條件合技術的關系，設計的效果跟理想狀態下的有一定的差別。充分利用了夏日豐富的太陽能資源，在能源方面做到了環保無污染實現了資源的可持續發展。綜上所訴，只要做好了結構外觀設計，霧化降溫太陽傘在現實生活中定會有廣闊的前景和市場潛力。

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[責任編輯：王偉平]