刘冠琛 智能光控百叶窗申报书

序号： 编码： 第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛华南农业大学选拔赛作品申报书 作品名称： 智能光控百叶窗 所在学院： 工程学院 申报者姓名 （集体名称）： 刘冠琛 陈国标 戴成亮 骆伟川 钟福泉 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类A2申报者情况（集体项目）说明：1.必须由申报者本人按要求填写； 2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列； 3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名 刘冠琛性别 男出生年月 1987.11学院 工程学院系别、专业、年级 06级自动化学历 本科学制 4年入学时间 2006.9作品名称 智能光控百叶窗毕业论文题目通讯地址 华南农业大学华山宿舍区5栋102邮政编码 510642办公电住地通讯地址 华南农业大学华山宿舍区5栋102邮政编码 510642住宅电他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位陈国标 男 21 本科华南农业大学工程学院06级自动化 戴成亮 男21本科华南农业大学工程学院06级自动化 骆伟川 男 21 本科华南农业大学工程学院06级自动化 钟福泉 男 21本科华南农业大学工程学院06级自动化资格认定学院学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍本科生、硕士研究生或博士研究生。是 否 （学院盖章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是 否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结 构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称智能光控百叶窗作品分类（A）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标作品设计和发明目的：该智能百叶窗是能够根据环境的光强度变化调整窗叶开度以满足外界光线入射环境所产生的光度基本稳定。基于现在市面上的这种自动调节室内环境光强度的装置不多，本制作具有实用价值，尤其是应用于比较大的公共场合比如需要自然采光条件好的场合，如体育馆，写字楼等，若是严格要求光度稳定的场合也适用。应用此装置只需要一些电源提供给电路能量，就能满足室内的采光需求，充分利用外界的光资源，达到节能、高效、环保的目的。 图1 作品设计基本思路：（如图1）所示，为智能百叶窗调整装置的方框图。原本电路中的平衡电阻桥已经达到平衡状态（这需要根据人们的采光需求设置具体的电阻值），当外界的光度变化影响到室内环境的光度变化时，平衡电桥就会在两引出端产生电位差，该电位差通过一个电压比较器（如图2）可以比较出来，输出的电压正负则视环境的光强度是减小还是增大。该输出电压要经过一个动作判断电路（如图3），因为若环境的光度变化得实在微小得不至于后面的执行器动作的话，则不需要调节百叶窗叶片的开度，节约能源并以免执行器频繁运转。确认这个电压的绝对值是足够大时，才通过运放输出一个电压值，并且无论之前的电压是正还是负，这时运放输出的值均是负的。然后通过一逐步形成共射极电压放大电路，使放大的电压足以提供工作电压给后面的555定时器（如图4），但为了防止前面的电压放大得过大而损坏555器件，所以地电压输出端并联一个稳压管以稳定555的工作电压。555电路一旦有外部电源供电，便自行产生周期性的时钟脉冲，脉冲频率可以由555电路中的电阻值调节，产生的脉冲信号是提供给T触发器（如图5）的时钟信号，而T触发器的输入则由动作电路的运放输出端提供。这样，一旦T触发器有了输入信号和时钟脉冲，就会在输出端产生电平相反的脉冲，这一对电平相反的脉冲用来控制步进电机驱动电路（如图6和7）中的两相绕组轮流通电，由于环境的光度变化增加或者减小；比较器输出的电压有负有正，从而选择电路给步进电机两相绕组通电脉冲的顺序不同，既而实现电机的正反转，并带动传动机构动作使百叶窗叶片调节开度，从而自动调节室内的光度以满足人们对光度的需求。创新点:利用较简单的控制原理实现对室内光度的控制。进而还可以对室内温度进行补偿控制。本作品的目的是保证室内的光度保持在一定,使室内环境更宜人理想。技术关键点:利用平衡电桥光敏电阻对信号进行判定,这里要求光敏电阻置于光度测量地方。再选用两个比较器与分压电路进行信息处理,使产生最初步的控制信号;把初信号经过一个系统进行放大整形,变换成我们所需要的终端的控制信号。电路中的器件灵敏度和脉冲产生是否准确很关键，因为涉及电机能否转动问题。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）作品的科学性先进性：本作品实现的是利用光控的百叶窗来保持室内光强在需要的范围内的功能，在国内并不多见同样功能的产品。而在国家专利网上有个光控百叶窗的专利，要实现的功能和本作品差不多，是通过测量室外的光强来控制百叶窗开启的转角的。该专利的缺点是测量室外的光强；百叶窗的闭合程度只是随光强改变；用太阳能做能量原不够稳定。而我们的作品是通过测量室内的光强来实现控制的，是一个负反馈控制，能更准确的控制室内光强。而且我们设计了一个档位控制功能，控制器会根据我们输入的档位来调节，使室内光强是我们所真正需要的。从能源方面来考虑，我们采用的是电机，有稳定的动力。在比较严格要求的场合更合适。我们的作品并不是光强一改变就会有动作的，而是根据人对光的敏感程度来设置百叶窗的动作条件，从而避免了电动机经常运动而造成大量用电的情况。参考文献： 中华人民共和国国家知识产权局作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果作品所处阶 段（ ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D 理论模型 （自填）技术转让方式作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围、推广前景的技术性说明、市场分析和经济效益预测光控智能百叶窗推广前景的技术性说明、市场分析和了可以按照我们的设计利用对光线的敏感度对室内进经济效益预测推广前景的技术性说明：我们发明的此类光控智能百叶窗它除行调节使室内保持适宜的光线，它还可以推广到温度、湿度、空气的含氧度、空气污染度等等。进而生产出一系列同原理的装置。它的推广主要在于它的系统的原理应用比较广泛，它可以适用于的上面所述的系列装置。除此之外我们的系统还可以在原来的基础上加入某些次要系统就可以大大加强它的应用，譬如：防尘、防雨水、防紫外线、防噪音等。由此可见智能百叶窗它的推广前景是很大的无论是在技术上的改进还是在生活上的应用。市场分析和经济效益预测：市面上出现的百叶窗不下百种，而每一种都有它的优势。我们的百叶窗的优势主要在于它的智能系统。虽然我们的系统比市面上的智能系统较为复杂，但我们比它适用得范围更加广泛，调节得更加细腻。它尤其适用于大场合的调节，充分利用光线令室内有足够的光线进行活动，譬如：办公室、高级餐厅、体育馆等。进而帮助它们省下不少的一笔费用。它还比一般智能百叶窗控制得更加细腻。因而我们对我们的产品很有信心，它会在百叶窗市场上占据一地的地位。我们的智能百叶窗它的造价可能会比一般的百叶窗稍微高一点点，但它的效益会比一般的高出不少，但由于它的市场占有率与它的利润值都会比其他的高，因而它的市场经济效益还是很客观的。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。本小组人员在一些资料源里进行了查找，发现在国内市面上这样的产品还很罕见，有些产品虽然命名“智能百叶窗”，但是功能与作用不尽相同，甚至和我们的课题完全没有关系。国内对“智能百叶窗”或者“光控百叶窗”的研究也比较少。我们尝试在中国国家知识产权局的网页里查找有关我们课题的专利，其中发现了一个叫“光控百叶窗”的专利。“该专利的目的是提供一种可根据室外光线强弱自动调整角度的百叶窗。包括百叶窗体，还包括光敏电阻、太阳能电池板、电磁铁、铁块、拉杆；所述的拉杆与百叶窗体的窗叶连接；所述的拉杆的底部装有铁块；所述的光敏电阻、太阳能电池板、电池铁依次连接；所述的电磁铁和铁块对应安装。”该专利实现了根据室外光强而改变百叶窗相应闭合程度的功能。国外对“智能百叶窗”或者“光控百叶窗”的研究似乎更少，在国外一些工程网站如EI里查找，极少发现类似的作品。因此我们觉得国外对同类型产品的研究不多。由于资料来源比较少，大多都是通过互联网得到的，所以以上分析不太全面，仅供参考。 研究报告电路原理结构图说明： 图1 智能百叶窗系统方框图 图2 电阻电桥及电压比较电路图3 动作判断及共射极反相放大电路图4 555脉冲产生电路图5 T触发器由（D触发器构成）选择电路（供电机两相绕组触发脉冲）图6 变压整流滤波电路图7 步进电机（单极性，两相）驱动电路如图2所示，当环境的光度减小时，光敏电阻R3的阻值会增大，从而UA不再等于UB，而是UAUB，经过比较运放，又因为比较运放的比较公式为u=-R6/R5（UA-UB），从而此时输出的u0。若环境的光度是增大的，则同理可得R3阻值变小，UA0。如图3所示，两运放的参考电压取自电阻R7和R8分压正负5V，只有当外面输入电压的绝对值大于参考电压正负5*(R8/R7)V时，运放才有输出，于是避免了外界光度变化微小时电机频繁运转耗能的不必要的情况。当u0时，上面的运放工作但输出的电压仍是负的，即U3，U4均小于0。上下两个三极管各自组成共射极反相放大电路，两管射极电阻之间接地。若前面输出信号为U3则是上面三极管工作，信号U4则下面三极管工作，但是输出V5，V6均是正值，并且三极管的放大倍数是品名大，使得起步输入电压（U3或U4）经输出均大于等于5V，以供后面的555工作电压使用。如图4所示，V的电压供给555工作电压，又因恐前面U3或U4电压放大过大，设置一个稳压管在555的工作电压输入端，以保证555工作电压稳定在5V。555一旦给了工作电压则在输出端得到周期性的脉冲，脉冲的频率可以由图中RA，RB电阻调节。如图5所示，两个T触发器的时钟输入端CP边在一起，由555的输出端提供脉冲，T触发器的数据输入端则与图3的运放输出端连接，上下两个T触发器分别与图3的上下两个运放输出端连接，一旦U5或U6输入触发器且此时CP端有脉冲提供，便在Q和Q端得到电平相反的脉冲，来一个CP脉冲则U3或U4的电平高低改变一次输出。如图6和图7所示，变压器将220V交流电压变小，并经二极管整流桥输出直流电，并且滤波后，提供这个正负电压组反应式步进电动机，南昌步进电动机的两相绕组（A相和B相）则由T触发器的Q和Q端相位相反的脉冲来控制轮流通电，Q和Q端的电压需经三极管放大后才能驱动电路。由于之前电路中选择不同的T触发器工作，则会有电机的A相和B相绕组按不同顺序导通。若上面的T触发器工作，则通电次序为ABA，电机正转；若下面的T触发器工作，则变为BAB，电机反转。从而实现百叶窗叶片开度开度控制。综上所述，当环境光度下降lx，UA-UB0，U=-R6/R5(UA-UB)0，若U-R8/(R8+R7)Vcc，U4=U0，V6=-U40，V=5V（稳压），Vo为脉冲供给CP，得Q, Q，电机反转，开度开大；反之电机正转，开度开小。光度的一些分析和应用：光照度(illuminance)是从光源照射到单位面积上的光通量,以E表示,照度的单位为勒克斯(Lux,简称lx)。光照度E勒克斯Lux(lx)：光照度是表明物体被照明程度的物理量。光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，写为lux 。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。以下是各种环境照度值：单位 lux黑夜 0.001 - 0.02 月夜 0.02 - 0.3阴天室内 5 - 50 阴天室外 50 - 500晴天室内 100 - 1000 夏季中午太阳光下照度约为109阅读书刊时所需的照度 50 - 60 电视演播室所需照度 3002000家用摄像机所需最小照度 0.3 - 1 家用摄像机标准照度 1400视力下降的原因之一是阅读、书写环境的光线太暗，加速眼肌疲劳，时间长了，便造成近视眼。由眼保健知识可知，阅读、书写时，桌面的照度应不低于100 1x。通常人们凭目测并不能衡量其照度是否满足要求。电路中所以选用光敏电阻作光电转换元件，除了它价格便宜外，还因为光敏电阻的光谱特性曲线与人眼对可见光的响应曲线比较接近。在选用光敏电阻时，应尽可能选择光谱特性曲线的峰值在波长为555nm绿光附近。以下是常