江赛标 曾里博 杨祺 庞钧 陈海涛

（吉林大学珠海学院电子信息工程学院 广东省珠海市 519041）

1 引言

雨伞是现代社会中最常用的一种挡雨工具，它最大的特点就是便携程度高。在下雨天时，人手一把雨伞的情况非常普遍。但由于雨水沾在伞面上的缘故，当人们收伞进入室内时，会将大量的雨水带进室内，使得室内变得过于湿滑，严重危害人体步行安全。同时雨后雨伞上的积水落到室内地面，使得地面被踩踏之后污渍现象明显，提升了人力成本。本设计希望开发一种低成本速干伞来改善或解决目前已知的一些问题。

目前来说，市面上专门以速干为特性的雨伞产品几乎没有，少部分以速干为卖点的雨伞大抵是通过改良雨伞伞面材料提高疏水性实现速干效果，但由于研发成本较高故相关雨伞售卖价格较贵。故本设计的实现有望将速干伞价格降低。

影响雨伞干燥速度的因素主要有两个，一个是温度，一个是湿度。温度较高湿度较低的情况下，可以提高雨伞伞面的干燥效率。基于此，我们通过提高温度降低湿度的方法对雨伞进行重新设计。经过测试，该设计有着较好的干燥效果。雨伞架构

1.1 开合方案

不同于普通的正向开合伞以及折叠伞，本设计采用的是反叠伞的开合方案。如图1所示。对比正向开合与折叠伞，反叠伞的主要优势在于回收时将淋雨面放置于雨伞内部而非外部，可以降低使用者沾到雨水的可能性。同时由于向内回收的回收方式，可以让伞面粘附的雨水汇聚成成股的水流顺着伞布面流下，既可以快速排水，又不会影响到使用者，是一个较好的物理实现方案。

该方案相对普通方案而言，其物料成本提高了。普通方案一般使用单层伞布便可，该方案为了得以方便开合，需要使用两层骨架以及两层伞布，这是其制造成本提高的主要原因。

但同时因为该两层伞布的方案，让本设计中的速干方案中的夹层制热方案得以实现。

1.2 速干方案

1.2.1 伞叶加热膜夹层

伞叶分为三层，最外层为防水层，最里层为防晒层，而中间则为柔性低压制热层。如图2所示，图中为制热膜的示意。在伞叶原二层结构中间增加加热膜夹层。由于水的蒸发效率与温度呈正相关，故通过加热的方式提高雨伞干燥的速度。

该加热膜贴合最外层的防水层，主要适用于加热防水层。使用柔性电热膜可以更好的贴合外层，比较有效的提高热能的利用效率。同时由于其柔性特性，可以使得电热膜的耐用程度提高，降低使用过程中的损耗率。

1.2.2 风机模块

图1：雨伞开合示意图

图2：电热膜夹层示意图

图3：风机出风示意图

图4：速干伞控制系统示意图

在使用电热膜时，随着使用时间的变长，伞叶存在过热的可能性。因此，为了散热，我们在伞顶设计了一个大功率风机，其作用有两个：其一是在电热膜过热的时候，通过打开风机加大空气流动，降低电热膜温度，使得电热膜的温度处于较为稳定的状态之下，减少因温度过高带来的烫伤、着火等危险情况出现的可能性；其二是通过加快空气流动的速度，加快附着在伞面的雨水能够更快的蒸发，以达到速干的设计目的。风机运行的示意图如图3所示，图中绘制了风机在启动时气流的流动方向（蓝色箭头为气流流动方向，红色线条为伞面示意），通过顶部风机旋转带动空气流动实现速干目的。

图5：电热模块电路图

图6：控制系统控制流程图

关于风机，该设计中设计了手动和自动两个方式，在温度达到设定温度时，风机自动启动，实现将温度稳定在一个温度区间之内；也可手动启动，适用于一些用户观感上可以启动的环境模式下。

1.3 其它设计

在设计的过程中，考虑到夜间用伞等使用环境，我们使用光敏电阻配合其他数字芯片，实现在光线强度低于设定值时，位于伞上的照明LED 灯会自动启动，起到照明或警示（指夜间提醒他人此处有人持伞行走）的作用。

2 硬件设计

在搭建实物前，将整体设计方案中非机械结构部分抽象为一个新型速干伞智能控制系统。将各个部分抽象成模块，按照设计目标进行模型搭建。

图7：速干伞控制系统

图8：静置时的相对湿度变化

图9：装置运行下的相对湿度变化

模块结构示意图如图4所示。

整个系统由主控芯片STC89C52、温度传感器ds18b20、电压比较器lm393 以及其配套光敏电阻、模数转换adc0832、显示屏LCD1602、LED 照明模块、马达控制驱动芯片l9110、电热膜以及一个电源模块构造而成。

主控芯片STC89C52 具有成本低廉、开发环境完善、接口丰富、便携方便等众多优点。经过成本核算之后，最终选择其为此系统的主控芯片。

电源模块分两路供电，一路对主控MCU 供电，带动其他芯片工作，一路通过单独给电热膜供电，主控通过控制继电器开闭来控制电热膜导通。

电热模块为石墨烯电热膜，通过继电器由按键控制，5V 电源单独供电，PNP 型三极管9012 起放大电流作用，驱动继电器。三极管基极接主控芯片。其电路图如图5所示。

温度传感器选用ds18b20，它具有体积小，开销低，精度高的特点。其与主控芯片进行通信时仅需一个I/O 口，可以大大节省通信资源。同时，多个ds18b20 可以并联实现多点测温功能，在本设计中，由于伞面面积较大，可能出现局部温度较高但单个温度传感器没有测量到温度过高的情况，使用多个传感器进行多点测温可以保证散热开启的及时性。

当系统启动之后，控制电热膜导通的继电器闭合，电热膜开始工作。此时，ds18b20 开始工作。多个温度传感器同时测温，当存在有一个传感器出现温度高于设定阈值时，驱动马达控制芯片l9110 控制风机旋转散热。在散热过程中，当温度低于设定阈值时，l9110 控制风机停止旋转，散热工作停止。

而在实现光控的模块，本设计通过使用电压比较器芯片lm393加上高灵敏度光敏电阻及其外围电路构成。光敏电阻由于其器件特性，其阻值会随着光线强弱而变化，光线越强阻值越小。而电压比较器lm393 是使用运算放大器构成的一种应用电路，它通过比较输入电压和参考电压的大小，从而输出相应的高低电平。将参考电压加于运算放大器的反相输入端，输入电压加于同相输入端中，当输入电压的数值低于参考电压时，运放输出端输出逻辑1，即高电平，反之输出低电平0。通过在外围电路增加一个可变电阻器进行分压来调节参考电压，从而调整光敏电阻的灵敏度。

将lm393 的输出信号输入模数转换芯片adc0832 中，可实现将模拟信号转化为8 位数字信号。通过转换，可以实现在LCD 显示屏LCD1602 中显示实时光照强度的功能，同时可以较为直观对阈值进行设定，起到贴合更多应用场景的作用。当光照强度低于设定阈值时，主控芯片控制LED 灯点亮，实现照明功能。

3 软件设计

流程图图6所示。根据实际操作环境的情况，在编写控制软件时设计了自动模式以及手动模式。由图可知，在系统启动之后，可对自动模式和手动模式进行选择。选择手动模式则相关模块由使用者手动使用按键启动。若使用自动模式，则流程如图。自动模式启动之后，电热膜启动运转，干燥开始。同时可设置阈值，在温度传感器检测到某一个点的温度超过设定值（未设定则为默认值）时启动风机散热，实现基本功能。同时，光敏传感器检测光照强度是否低于阈值，当低于阈值时，控制照明模块启动LED 灯，实现照明或警示功能。

4 系统实现与分析

4.1 系统实现

系统搭建如图7所示。

4.2 对比实验与分析

为了实际验证本设计是否有速干的功效，我们在相同环境下设计了一组对照试验用以验证该设计的实际功效。在室内环境相对湿度67%，温度26℃的环境下，使用探针式电子湿度测试仪进行了以下对比试验。取相同面积的两块普通伞布，其中一块覆盖于电热膜之上，另一块放置于相同的室内环境之中，使用清水均匀喷洒于伞面之上，至其测试相对湿度为99%。之后每30s 测试一次，在300s 的时间内，测试两者的湿度，并绘制成图进行对比。测试结果如图8（静置时的相对湿度变化）和图9（装置运行下的相对湿度变化）所示。

由图可知，在无装置运行的情况下，伞面相对湿度维持在99%左右，并随着时间变化湿度变化幅度非常小，而在装置运行的情况下，伞面相对湿度变化较快，由此可得出该装置具有速干的功能。其运行后期伞面相对湿度变化较小是因为在安全条件下，电热膜的温度无法达到较高的水准，只能在较低的温度下进行干燥处理，因此在实验中后期湿度变化较前期变化较小。

5 结语

本文中详细阐述了一种基于STC89C52 单片机的新型速干伞系统设计，其主要实现功能为雨后快速实现雨伞伞面干燥。本文中详细介绍了其机械设计结构及其配套嵌入式系统设计方案，并通过相关实际模型搭建验证了方案的可行性。

不足之处：在模型搭建时，我们选用的主控芯片封装为DIP40封装，其优点在于即插即用，同时可较好连接外部电路并进行一定的修改。在实物搭建时，注意到雨伞可放置控制系统的物理位置并不多，主要集中在伞柄的握把以及支架上，难以放置整块PCB 电路板，因此，我们将封装类型调整为LQFP44 封装类型，以起到更好的节省空间的目的。因传感器分布较广，我们将走线放置于支架内部，可以更好的起到保护线材的作用，同时可以使得布线更加的美观大方。在实际操作中，我们发现，放置大电池会造成雨伞过于沉重，会使得雨伞握持较为不方便，在接下来的研究中，我们希望能够合理利用大伞面的优势，同时借助新能源的理念，合理的利用太阳能实现更好的续航，同时尽量减少电池的容量，以起到减重的目的。为了更好的实现速干的目的，我们未来将从相关算法出发，通过更精确的控制，实现更加准确的除湿干燥操作，实现更好的速干效果。