一種太陽能供電遙控電動(dòng)窗簾的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閔成凱

（姜堰三水培訓(xùn)中心，江蘇 姜堰 225500）

窗簾用來遮蔽或調(diào)節(jié)室內(nèi)光照，它已成為居室不可缺少的、功能性和裝飾性相結(jié)合的室內(nèi)裝飾品。目前市場(chǎng)上的窗簾一般都是純機(jī)械的，不具有自動(dòng)控制的能力。隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)窗簾開始走入家庭。文獻(xiàn)[1]提出了一種簡(jiǎn)易實(shí)用的電動(dòng)窗簾的設(shè)計(jì)，以52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了人控、光控和定時(shí)控制三重功能的電動(dòng)窗簾；而文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步加入了紅外遙控模塊，使得可以通過遙控器來控制窗簾開關(guān)。為了在有障礙物的情況下也能遙控控制，文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了基于NRF905的無線窗簾控制器。隨著智能家居的發(fā)展，文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)窗簾控制。但目前的電動(dòng)窗簾大多需要市電供電，對(duì)于現(xiàn)有的窗簾，重新布線較為麻煩。如果能提供一種太陽能供電的電動(dòng)窗簾，則大大方便現(xiàn)有窗簾的電動(dòng)化改造，且有利于節(jié)能環(huán)保。于是本文提供了一種太陽能供電遙控電動(dòng)窗簾的設(shè)計(jì)思路，不需市電供電和布線，能夠方便地用于窗簾的開合控制，特別是現(xiàn)有窗簾的改造，而且具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

此種太陽能供電的遙控電動(dòng)窗簾，主要由太陽能板、儲(chǔ)能電池和太陽能控制器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、遙控器和控制器等組成（圖1）。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

工作原理：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能傳輸給太陽能控制器，太陽能控制器控制對(duì)儲(chǔ)能電池充電和對(duì)系統(tǒng)供電，控制器接收遙控器的信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與停止，步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械上通過傳動(dòng)裝置與窗簾相連，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)將控制窗簾的開合。

本裝置不需要市電布線，裝置的供電將由儲(chǔ)能電池或太陽能電池提供，當(dāng)太陽能電池工作時(shí)，太陽能電池輸出電能經(jīng)過功率變換器給儲(chǔ)能電池充電，同時(shí)給負(fù)載供電；當(dāng)陰雨天氣時(shí)，則由儲(chǔ)能電池單獨(dú)供電。

2 模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)其中一種實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)了模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、太陽能供電子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)。

2.1 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定底座、拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和窗簾軌道等組成（圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

圖中：1-太陽能電池板；2-太陽能變換器與儲(chǔ)能電池；3-步進(jìn)電機(jī)；4-驅(qū)動(dòng)器；5-控制器；6-太陽能電池板固定支架與連線；7-固定底座；8-拖動(dòng)機(jī)構(gòu)；81-左同步帶；82-右同步帶；83-左同步帶的左齒輪；84-左同步帶的右齒輪；85-右同步帶的左齒輪；86-右同步帶的右齒輪；87-左同步帶的驅(qū)動(dòng)齒輪；88-右同步帶的驅(qū)動(dòng)齒輪；9-窗簾軌道；10-左窗簾布；11-左夾子；12-右夾子；13-窗簾合限位開關(guān)；14-窗簾開限位開關(guān)；15-左外側(cè)窗簾合限位凸起物；16-右內(nèi)側(cè)窗簾開限位凸起物；17-遙控器；18-右窗簾布。

工作流程：當(dāng)遙控器17下達(dá)指令時(shí)，控制器5接收指令并控制驅(qū)動(dòng)器4的輸出信號(hào)，從而控制電機(jī)3的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。以電機(jī)3正轉(zhuǎn)為例，電機(jī)3正轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)右驅(qū)動(dòng)齒輪88和右同步帶的左齒輪85逆時(shí)針轉(zhuǎn)（俯視角度），右同步帶82將逆時(shí)針傳動(dòng)，帶動(dòng)右窗簾18打開，此時(shí)左驅(qū)動(dòng)齒輪87順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶動(dòng)左窗簾10打開，最后右內(nèi)側(cè)窗簾開限位凸起物16將觸碰窗簾開限位開關(guān)14，導(dǎo)致電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，窗簾開控制完成。電機(jī)3反轉(zhuǎn)時(shí)與此情況相反，將完成窗簾合控制。同時(shí)也可以通過遙控器控制電機(jī)停止，從而自定義窗簾的開合程度。

2.2 太陽能供電子系統(tǒng)

由于目前電動(dòng)窗簾大多需要市電供電，對(duì)于現(xiàn)有的窗簾，重新布線較為麻煩，而且太陽能作為新興清潔能源，節(jié)能環(huán)保，于是本系統(tǒng)采用太陽能供電。太陽能供電子系統(tǒng)包括：太陽能電池板、太陽能控制器以及蓄電池，原理圖如圖3所示。

圖3 太陽能供電子系統(tǒng)

其中太陽能控制器是用來對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)光伏供電系統(tǒng)的核心控制部分[5]。當(dāng)有太陽光照射太陽能板時(shí)，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過太陽能控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，此時(shí)太陽能電池和蓄電池一起為系統(tǒng)供電；當(dāng)夜間或陰雨天時(shí)，太陽能控制器控制蓄電池對(duì)系統(tǒng)供電。

2.3 遙控子系統(tǒng)

遙控子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)遙控窗簾的開合，在房間的任意地方也可以實(shí)現(xiàn)控制窗簾。遙控一般分為兩種方式：紅外遙控方式和無線電遙控方式，本系統(tǒng)采用無線電遙控方式，因?yàn)榧t外遙控一般要求中間沒有障礙物。無線電遙控系統(tǒng)設(shè)備包括無線電發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和繼電器三個(gè)部分[6]。發(fā)射機(jī)由指令鍵、指令編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射電路等幾部分組成，接收機(jī)由接收電路、放大電路、解調(diào)電路、指令譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行電路幾部分組成[7]。無線電發(fā)射機(jī)即為遙控器，接收機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般合并在一起為控制器，原理圖如圖4所示。

圖4 遙控子系統(tǒng)

遙控器發(fā)出指令，控制器接收指令并控制COM+引腳和COM-引腳之間的電平。當(dāng)控制器按下A鍵時(shí)COM+和COM-之間電壓為-12V，按下B鍵時(shí)COM+和COM-之間電壓為+12V，當(dāng)按下C鍵時(shí)COM+和COM-之間電壓為0V。

2.4 系統(tǒng)連線

系統(tǒng)連線圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)連線圖

當(dāng)按下A鍵時(shí)，將控制窗簾開，具體：COM+和COM-之間電壓為-12V，繼電器1不導(dǎo)通，繼電器2導(dǎo)通，從而觸點(diǎn)①斷開，觸點(diǎn)②閉合，而限位開關(guān)為常閉開關(guān)，從而繼電器3導(dǎo)通，觸點(diǎn)③將導(dǎo)通，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器引腳DIR-懸空將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制窗簾開，當(dāng)窗簾完全打開時(shí)將觸碰開限位開關(guān)，開限位開關(guān)14將斷開，繼電器3將不導(dǎo)通，觸點(diǎn)③斷開，驅(qū)動(dòng)器不工作，步進(jìn)電機(jī)停止。

當(dāng)按下B鍵時(shí)，將控制窗簾合，具體：COM+和COM-之間電壓為+12V，繼電器1導(dǎo)通，繼電器2不導(dǎo)通，從而觸點(diǎn)①閉合，觸點(diǎn)②斷開，而限位開關(guān)為常閉開關(guān)，從而繼電器3導(dǎo)通，觸點(diǎn)③將導(dǎo)通，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器引腳DIR-接地將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制窗簾合，當(dāng)窗簾完全合閉時(shí)將觸碰關(guān)限位開關(guān)，關(guān)限位開關(guān)13將斷開，繼電器3將不導(dǎo)通，觸點(diǎn)③斷開，驅(qū)動(dòng)器不工作，步進(jìn)電機(jī)停止。

在工作過程當(dāng)中按下C鍵，COM+和COM-之間電壓為0V，繼電器3將不導(dǎo)通，觸點(diǎn)③斷開，驅(qū)動(dòng)器不工作，步進(jìn)電機(jī)停止，窗簾按需開合。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，根據(jù)圖2所述結(jié)構(gòu)搭建了實(shí)物模擬系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 模擬系統(tǒng)

在此模擬系統(tǒng)上進(jìn)行了調(diào)試，綜合考慮采用+12V供電，用+12V蓄電池，遙控裝置選用+12V供電，太陽能充電控制器+12/+24V自動(dòng)切換。步進(jìn)電機(jī)需要脈沖來控制速度，脈沖模塊有三個(gè)按鍵，能設(shè)置脈沖頻率和占空比，使步進(jìn)電機(jī)的速度合適，按下開關(guān)，電機(jī)可正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。電池板接到太陽能充電控制器的輸入端，接上蓄電池，有太陽時(shí)電壓最高約為+18.3V，蓄電池電壓約+12.5V，輸出電壓約為+12.35V。限位開關(guān)安裝在電機(jī)兩側(cè)，左邊的靠里，用于開窗簾的限位，右邊的靠外，用于關(guān)窗簾的限位，按圖5連線。按一下遙控器A鍵，窗簾開，到限位后，電機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)再按A鍵，電機(jī)不動(dòng)；按一下B鍵，窗簾關(guān)，到位后，電機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)再按B鍵電機(jī)不動(dòng)；按一下A鍵，窗簾打開；任何時(shí)刻，按一下C鍵，電機(jī)停轉(zhuǎn)，窗簾可停在當(dāng)前位置。

4 結(jié)語

以電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)窗簾已經(jīng)逐漸走入家庭，但針對(duì)現(xiàn)有窗簾的電動(dòng)化改造需求，需要市電供電，重新布線較為麻煩。本文設(shè)計(jì)的基于太陽能的電動(dòng)窗簾，避免了市電布線的麻煩，同時(shí)節(jié)能環(huán)保。搭建了模擬系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過遙控器控制窗簾的開合，也能自定義開合程度，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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