教室用太阳光导入照明装置设计.docx
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1、湖南省第六届大学生机械创新设计大赛参赛作品阳光下的教室教室用太阳光导入照明装置作品说明书梦之队科技创新团队2. 3. 3.追日电机驱动系统设计我们选用42BYCH403AA减速步进电机(步进角为7.5自带1:75减速器)与一个1:100 减速器进行级联,即最小输出精度为0.001。通过伞齿输入到追日机械中提供驱动动力, 步进电机由单片机进行控制。图2-8为东西轴向驱动电机。图2-8:东西轴向驱动电机2. 3. 4.追日系统校准设计校准器装置的设计,目的是为追日装置的旋转角度进行校准,追日装置由高精度步进电 机驱动,理论上不存在误差。但是由于步进电机驱动器的转动输出过程经过多级,所以必然 存在很
2、大的由于减速器齿轮啮合不准而产生的回程间隙,进而造成机械误差。这种误差往往 在启动瞬间或正反转调整时表达,所以每天早上在追日前需要对方位角追日轴角度进行校准 (高度角那么需要半年校准一次),在连续转动追FI过程中一般不会出现新产生的误差,但仍 然需要一段时间校验一次(如每10。校验一次)。如图2-9所示:方位轴追日轨迹图2-9:追日系统校准装置原理示意图方位轴每天自东往西追日,但并非180。半球追日,而是120。追日。每日的校准需要再 起始追日角度之前某处完成。迫日透镜梅动轴圆周传动圆盘方攸番日食止极方位闭日起郑I度120,步进电机番动粗输出轴图2T0:圆周传动圆盘校准设计原理示意图图2-10
3、所示的是步进电机驱动装置最终输出的传动圆盘,步进电机卵动装置的输出轴 会带动圆盘旋转,通过刚性拉杆再将转动力矩传至追日透镜机械装置。根据校准的目的, 我们易于在传动圆盘校准位置上打一个小孔(1mm),然后在孔的两侧加装个光电门 对孔的位置进行检测,进而对圆盘的转动角度进行校准。经过实践制作,可.以实现校准精 度为0.001。的校准目标。2. 3. 5.室外集光器的安装如前文所述,追日机械系统可以在两个轴向上进行120。/60。的自动追日。这样,室外集 光器的安装就变得十分方便自由,无需南北向固定角度的支架来支撑集光器对准太阳。我们 可以将室外集光器安装在建筑的顶部或侧面。将阳光导入室内进行照明
4、。图2-11:室外集光器在顶部上安装的效果图图2-12:室外集光器在墙面上安装的效果图如图2-112-12所示,我们可以十分自由地将室外集光器安装在水平顶部、倾斜但朝 阳一面的顶部、朝阳一面的垂直墙面、朝阳一面的倾斜墙面上。然后将光导纤维装入室内,2.4. 测控设计图2T3:测控设计程序框图2.4.1 电路原理图 上电复位电路、外部时钟晶振电路和电源滤波指示电路上电复位电路、外部晶振电路和电源指示电路如图2-14示,图左为主控单片机外部 6MHz时钟晶振,其网络端口是XTAL1和XTAL2。图中为上电复位电路,当上电时,由于 C7充电,RST点电位接近于VCC为高电平,为主控单片机及Cysne
5、i通信电路中的两块单 片机提供复位电位,C7充电完成后,RST点电位接近于GND为低电平,完成复位操作,其 网络端口是RSTo图右为电源滤波指示电路,Cysnet定义的弱电网络提供5V和12V的4 种电源,本电子设计中使用+5V和+12V电源,+5V电源由C1和C2进行滤波,由D1指示, 网络端口是VCC; +12V电源由C3和C4进行滤波,由D2指示,网络端口是+12V。单R2_ JC3GNDGNDXTAL2Y1 ,_1QHXTAU 土c524MHz =C6 30pF30pFci100uF- vRIEF 京 “gRIEF 京 “gGNDGND图2-14:复位电路、外部时钟晶振电路和电源滤波指
6、示电路原理图 驱动电路驱动电路如图2-152-16所示,驱动电路为整个电路中的三局部器件提供大电流的信号, 选用ULN2003A集成晶体管放大电路。分别是用于发出提示音和报警音的蜂鸣器,单片机 发出的信号由ALARM经过驱动后从P2的6脚输出,连接到蜂鸣器。K1K4是控制循环水 泵和制冷制热半导体的继电器信号,分别是控制循环系统水泵工作的继电器、发电半导体电 极连入弱电网络开关的继电器、制冷制热半导体通电工作的继电器和制冷和制热切换电源方 向的双刀继电器,信号经过ULN2003A驱动后以咏1*1 XTAL1GNDSTC12C5A08S2VCC P0.0AD0 PO.i ADI P0.2 AD2
7、 P0.3 AD3 P0.4 AD4 P0.5 AD5ALEP4.5NAP4.4 P2.7A15 P2.6A14 P2.5 A13 P2.4 A12 P2.3 All P2.2A10P2.1A9P2.0A8VCC 40 T 39 DO gpbi36 D3 D4D5 D6匕2 C1 -R 5EP0.6AD6P0.7AD7LT P4.6RST2DET1 DET22CLKOUT2ADC0P1.0ADC1P1.1RxD2 ECI ADC2P1.2VCC PO.O ADO P0.1 ADI40 nDETmTxDZ CCPO ADC3 Pl.3 SSCCP1 ADC4 Pl.4MOS1ADC5P1.5P0
8、.2AD2P0.3 AD3P0.4 AD4不MISO ADC6P1.6P0.5 AD5SCLKADC7P1.7P0.6 AD6P4 KSIPU.7 AD7INT RxDP3.0 EX_LVD P4.6 RST2TrDP 1AT F P4INT0P3.2KfTP3.3 _CLKOUTOINTTOP3.4NAP4.4P2.7/A15P2.6A14COM1D? CONIZCLKOUT1INTT1 P3.5WRP3.6RDP3.7 XTAL2 VTAT 1P2.S/A13P2.4 A12P2.3 AllP2.2/A10P2.1 A9P2.0A8-XTALfcr XTAL19:tLCl CLC220X1
9、 AL. 1 zxrrxCLC3STC12C5A08S2U3 VCCGND图2-19:控单片机电路原理图1602液晶电路如图2-20所示,P3是1602液晶屏的排针接口,其中514脚为1602液晶的数据口,6 脚为使能E, 4脚为RS。R1为调节液晶比照度的电位器。1602液晶屏使用VCC供电。1602 液晶用于显示太阳位置、光强度值以及装置运行情况等信息。图2-20: 1602液晶电路原理图及实物图 PCB图2-21: PCB设计图软件设计图2-22: MCU1程序流程图中断服务程序流程图主程序流程图图2-23: MCU2程序流程图STM32上电后,进行初始化设置。从DSI3O2读取实时时间
10、,然后从内部E2PR0M中 读取当天高度角对应的PWM数据和步进电机正转、反转起点时间。并赋给内部PWMO、 PWM1 (不占用CPU)驱动舵机调整追日高度角。然后循环读取时间,比对是否到达电机正 转、反转起点时间。当到达正转起点时间那么发出电平信号触发STM32外部中断0。当到达 反转起点时间那么向STM32发出返回电平信号。STM32上电后初始化定时器0,进入掉电模式。接收到STM32发出的外部中断。触 发信号时,进如中断唤醒STM32并开启定时器0。步进电机驱动追日装置以15 /h的速 度追日,并循环扫描STM32是否发出返回信号,但接到返回信号给flag赋值1关闭定时 器。步进电机反转
11、驱动追FI装置返回起点,当到达预设的第二天起始位置触发光电门发 出外部中断1触发信号,进入中断将返回标志flag赋0,进入掉电模式。等待第二天 STM32唤醒。如此往狂追口。2. 5.光路设计2. 5.1光导纤维光导纤维(简称光纤)是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射现象而制成的 光传导工具。光在微细的光导纤维中传导,不但损耗低而且可以通过改变光纤的方向来改变 光传播的方向,从而解决了光只能直线传播在采光照明上造成的弊端。光纤柔软可弯曲,而且直径很细,十分适合进行光传导和安装,所以我们利用光纤将室 外集光器聚集的阳光导入室内进行照明。我们在初期实验品中每个聚光器上安装的光纤为直 径3m
12、m,密度7.5g/m的PMMA光纤进行导光。每个室外集光器中装有15个聚光器,即需 要13根3mm直径的光纤,这些光纤被一种防火材料包裹形成一根较粗的总光纤被导入室 内。PMMA光纤拥有95.6%/m的透光率,这样的光纤在传导距离为10m时仍然具有64%的 光强。光衰减特性曲线如图2-24所示。图2-24:光在光导纤维中的衰减特性曲线这样的光纤可以实现20m的光传导,并目.可以以最小5cm的半径进行弯折,确保其可 以通过建筑中狭小的弯角。图2-25:光导纤维及其接头2. 5. 2光控制器为了能够对光纤束引入光源进行光强度、色温度、颜色、显色性等进行调节,我们可以 设计一种光控制器实现这个目的。
13、:光控制器:III镜节温滤调色彩节置色调装源配置光分装振节度 偏调亮m 2-26:光控制器原理示意图如图2-26所示,输入光路进入光控制器后,先后经过用于调节光源冷暖的“色温控制 器”、用于调节颜色的“色彩调节器”、用于分配光源的“光源分配器”以及用于调节亮度 的“偏振调光器”。色温控制器的色温调节原理是利用冷色(蓝)滤镜和暖色(黄)滤镜将光源滤光进而得 到不同色温度的光;色彩调节器是利用三原色(RGB)滤镜将光源滤光进而得到不同颜色的 光;光源分配器是由折射光学器和透镜以及驱动它们运动的机械装置实现对光源的分配;偏 振调光器是利用两块偏振滤镜将光源滤光,改变两块偏振滤镜之间的角度即可改变输出
14、光的 亮度。通过这样的光控制器即可实现对输入光源全面的光学控制,输出人们需要的各种颜色、 色温度、亮度的光,更好的用于照明。1.1 5.3电灯交叉方案图2-27:电灯交叉方案及光控制器所谓电灯交叉方案就是将人造光源光路和光导纤维光路一起输入光控制器,由光控制器 进行合并控制,从一组光路输出用于照明。当阴天、夜晚时或者早晚照明缺乏时,我们可以 通过人造光源光路进行照明。在早晚照明缺乏时,我们也可以通过光控制器同时运用两种光 源进行照明。这样做的好处是,教室里无需在有太阳光光导照明灯具(室内光纤灯具)的同 时再安装电灯,大大节省了室内空间,光导纤维光源和人造光源可以在通过光控制器后合成 一路光,通
15、过室内光纤灯具照明。我们甚至可以直接将人造光源装入光控制器内,这样可以使安装更为简单,减少系统组 件,简化安装。2.6 室内光纤灯具设计高度集中的阳光被导入到光纤中,这样的光源是不能直接用于照明。我们可以利用不同 的室内光纤灯具将光导引入的光源进行光学处理,形成可用于照明的点光源,线光源,面光 源等,在重现阳光照明的效果和感觉。室内光纤灯具繁多,根据不同场合、不同情况的需求,我们可以设计出散度、尺寸、形 状各不相同的灯具,下列图是我们团队自己设计制作灯具:作品全称:阳光下的教室副 标 题:教室用太阳光导入照明装置图2-28:灯具的3D图及实物组装图2.7 紫外线计量功能设计紫外线是电磁波谱中波
16、长从10nm到400nm辐射的总称,虽然不能引起人的视觉,但是 却对人的皮肤危害较大。紫外线的波长越短,对人类的皮肤伤害越大,短波紫外线可以穿过 真皮,中波那么可以进入真皮直接对人体其他组织产生伤害。人类对自然环境的破坏口益加重,使人们对太阳产生的紫外线逐渐恐惧起来。由此,人 类对防止太阳光中的紫外线对肌肤造成伤害的研究成为了一个永恒的课题。在日常生活中, 我们最关注的那么是每日室外紫外线的强度,这一定会决定我们外出是否需要打遮阳伞,擦防 晒霜等。我们所设计的该装置就具有测量室外紫外线强度的功能,通过安装在室外集光器上 的紫外线模块来测量紫外线强度。下列图为实物图:图2-29:紫外线模块块及组
17、装图3 实物制作为了验证该设计方案,我们专门制作了一个15个聚光器的室外集光器自动追日机械系 统,其中有13个聚光器可以集光,可以收集0.0325m2的阳光,提供大约50W纯照明功率 的光源。另有2个聚光器上安装的CCD感光系统和紫外线模块,用于紫外线计量。我们 安装了两个轴向的驱动系统,制作的单片机自动追日硬件系统。据实验推算,这50W的阳光光源可以轻易把一个25m2的无光房间照的通明,或者为 75m2的有采光房间提供补充照明。下面展示一些实物模型的制作过程:图3-1: G3nlm PMMA光导纤维和自制的灯具图3-2: 50nlmX50mm(焦距90mln)菲涅尔透镜图3-3:完成打孔的南
18、北向列联动杆图3-4:工程成员正在制作聚光器支架图3-5:南北方向逐日组件完成组装图3-5:南北方向逐日组件完成组装图3-6: 42步进电机安装完成图3-9:机电局部的供电系统布线完毕图3-8:队员正在为装置的机电局部他线图370:完成装置逐日局部的机械组装图3T1:步进电机与机械组件完成组装图3T2:完成东西方向连杆的安装于调试图3T3:安装红外线-紫外线滤镜(IR-UV滤镜)图3T4:阳光下安装菲涅尔透镜图376:不锈钢保护外壳图3T5:阳光顺利通过光导纤维导出图3-17:室外集光器装置组装完成图3-18:机电小组正在编写系统程序图3-19:7存液晶显示屏显示信息图3-20:设计加工的照明
19、灯具(棱镜的散射)图3-21:模拟教室采光的场景图3-22:完成系统所有组装,取名“阳光卜的教室”图3-26:工程组成员商量问题解决方案图3-26:工程组成员商量问题解决方案图3-27:工作室的一角图3-28:工程组所有成员集体合照4问题分析与总结工程过程中经常被质疑的问题以及解答 在一个教室中,需要多少这样的教室用太阳光导入照明装置?这取决于预期的照明效果、照明面积的大小以及所需照明的亮度等因素。按照一般标准, 一件室外集光器(有效集光面积为1m?)能为房间提供20%30%良好的光照。根据所处的 地理位置,安装用途,所需照亮的区域,电缆的长度不同,所需要的室外集光器的数量也不 同。 在太阳光
20、照明下,我会被晒黑吗?不会,教室用太阳光导入照明装置己经过滤掉了会晒黑你的紫外线(还包括红外线), 这样不但能保证人不会晒黑。 系统会把热量一起导入房屋内吗?不会,红外线也被系统过滤掉甚至反射会太空了,相比拟于其他自然采光技术以及电器 照明会产生多余热量,这是一个巨大的优势。对于那些自然采光的教室,15%的能源消耗用 于冷却由于阳光产生的热量,这在建筑物的能量消耗中占了很大一局部,然而教室用太阳光 导入照明装置那么不需要消耗这局部能量。 这样的教室用太阳光导入照明装置使用寿命有多久?如果制造工艺良好,整个系统两年内不会出现问题。所有用于设计的材料和零部件都能 确保使用寿命到达30年。 教室用太
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