一种太阳能供电遥控电动窗帘的设计与实现

闵成凯

（姜堰三水培训中心，江苏 姜堰 225500）

窗帘用来遮蔽或调节室内光照，它已成为居室不可缺少的、功能性和装饰性相结合的室内装饰品。目前市场上的窗帘一般都是纯机械的，不具有自动控制的能力。随着科技的进步，电动窗帘开始走入家庭。文献[1]提出了一种简易实用的电动窗帘的设计，以52单片机实现了人控、光控和定时控制三重功能的电动窗帘；而文献[2]进一步加入了红外遥控模块，使得可以通过遥控器来控制窗帘开关。为了在有障碍物的情况下也能遥控控制，文献[3]实现了基于NRF905的无线窗帘控制器。随着智能家居的发展，文献[4]实现了基于ZigBee无线传输网络的电动窗帘控制。但目前的电动窗帘大多需要市电供电，对于现有的窗帘，重新布线较为麻烦。如果能提供一种太阳能供电的电动窗帘，则大大方便现有窗帘的电动化改造，且有利于节能环保。于是本文提供了一种太阳能供电遥控电动窗帘的设计思路，不需市电供电和布线，能够方便地用于窗帘的开合控制，特别是现有窗帘的改造，而且具有节能环保的特点。

1 总体设计方案

此种太阳能供电的遥控电动窗帘，主要由太阳能板、储能电池和太阳能控制器、电机和驱动器、遥控器和控制器等组成（图1）。

图1 总体结构框图

工作原理：太阳能电池板将太阳能转换为电能传输给太阳能控制器，太阳能控制器控制对储能电池充电和对系统供电，控制器接收遥控器的信号控制驱动器，从而控制步进电机的正反转与停止，步进电机在机械上通过传动装置与窗帘相连，电机的正反转将控制窗帘的开合。

本装置不需要市电布线，装置的供电将由储能电池或太阳能电池提供，当太阳能电池工作时，太阳能电池输出电能经过功率变换器给储能电池充电，同时给负载供电；当阴雨天气时，则由储能电池单独供电。

2 模拟系统设计

在总体设计方案的基础上，根据其中一种实现设计了模拟系统，模拟系统包括结构子系统、太阳能供电子系统和遥控子系统。

2.1 结构子系统

机械结构包括固定底座、拖动机构和窗帘轨道等组成（图2）。

图2 结构子系统

图中：1-太阳能电池板；2-太阳能变换器与储能电池；3-步进电机；4-驱动器；5-控制器；6-太阳能电池板固定支架与连线；7-固定底座；8-拖动机构；81-左同步带；82-右同步带；83-左同步带的左齿轮；84-左同步带的右齿轮；85-右同步带的左齿轮；86-右同步带的右齿轮；87-左同步带的驱动齿轮；88-右同步带的驱动齿轮；9-窗帘轨道；10-左窗帘布；11-左夹子；12-右夹子；13-窗帘合限位开关；14-窗帘开限位开关；15-左外侧窗帘合限位凸起物；16-右内侧窗帘开限位凸起物；17-遥控器；18-右窗帘布。

工作流程：当遥控器17下达指令时，控制器5接收指令并控制驱动器4的输出信号，从而控制电机3的正转、反转或停止。以电机3正转为例，电机3正转时，驱动右驱动齿轮88和右同步带的左齿轮85逆时针转（俯视角度），右同步带82将逆时针传动，带动右窗帘18打开，此时左驱动齿轮87顺时针转动，将带动左窗帘10打开，最后右内侧窗帘开限位凸起物16将触碰窗帘开限位开关14，导致电机停止转动，窗帘开控制完成。电机3反转时与此情况相反，将完成窗帘合控制。同时也可以通过遥控器控制电机停止，从而自定义窗帘的开合程度。

2.2 太阳能供电子系统

由于目前电动窗帘大多需要市电供电，对于现有的窗帘，重新布线较为麻烦，而且太阳能作为新兴清洁能源，节能环保，于是本系统采用太阳能供电。太阳能供电子系统包括：太阳能电池板、太阳能控制器以及蓄电池，原理图如图3所示。

图3 太阳能供电子系统

其中太阳能控制器是用来对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个光伏供电系统的核心控制部分[5]。当有太阳光照射太阳能板时，太阳能电池将太阳能转化为电能，通过太阳能控制器对蓄电池进行充电，此时太阳能电池和蓄电池一起为系统供电；当夜间或阴雨天时，太阳能控制器控制蓄电池对系统供电。

2.3 遥控子系统

遥控子系统用于实现遥控窗帘的开合，在房间的任意地方也可以实现控制窗帘。遥控一般分为两种方式：红外遥控方式和无线电遥控方式，本系统采用无线电遥控方式，因为红外遥控一般要求中间没有障碍物。无线电遥控系统设备包括无线电发射机、接收机和继电器三个部分[6]。发射机由指令键、指令编码电路、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成，接收机由接收电路、放大电路、解调电路、指令译码电路、驱动电路和执行电路几部分组成[7]。无线电发射机即为遥控器，接收机和执行机构一般合并在一起为控制器，原理图如图4所示。

图4 遥控子系统

遥控器发出指令，控制器接收指令并控制COM+引脚和COM-引脚之间的电平。当控制器按下A键时COM+和COM-之间电压为-12V，按下B键时COM+和COM-之间电压为+12V，当按下C键时COM+和COM-之间电压为0V。

2.4 系统连线

系统连线图如图5所示。

图5 系统连线图

当按下A键时，将控制窗帘开，具体：COM+和COM-之间电压为-12V，继电器1不导通，继电器2导通，从而触点①断开，触点②闭合，而限位开关为常闭开关，从而继电器3导通，触点③将导通，此时驱动器引脚DIR-悬空将驱动步进电机正转，控制窗帘开，当窗帘完全打开时将触碰开限位开关，开限位开关14将断开，继电器3将不导通，触点③断开，驱动器不工作，步进电机停止。

当按下B键时，将控制窗帘合，具体：COM+和COM-之间电压为+12V，继电器1导通，继电器2不导通，从而触点①闭合，触点②断开，而限位开关为常闭开关，从而继电器3导通，触点③将导通，此时驱动器引脚DIR-接地将驱动步进电机反转，控制窗帘合，当窗帘完全合闭时将触碰关限位开关，关限位开关13将断开，继电器3将不导通，触点③断开，驱动器不工作，步进电机停止。

在工作过程当中按下C键，COM+和COM-之间电压为0V，继电器3将不导通，触点③断开，驱动器不工作，步进电机停止，窗帘按需开合。

3 实验结果

为了验证本系统的可行性，根据图2所述结构搭建了实物模拟系统。模拟系统如图6所示。

图6 模拟系统

在此模拟系统上进行了调试，综合考虑采用+12V供电，用+12V蓄电池，遥控装置选用+12V供电，太阳能充电控制器+12/+24V自动切换。步进电机需要脉冲来控制速度，脉冲模块有三个按键，能设置脉冲频率和占空比，使步进电机的速度合适，按下开关，电机可正反向转动。电池板接到太阳能充电控制器的输入端，接上蓄电池，有太阳时电压最高约为+18.3V，蓄电池电压约+12.5V，输出电压约为+12.35V。限位开关安装在电机两侧，左边的靠里，用于开窗帘的限位，右边的靠外，用于关窗帘的限位，按图5连线。按一下遥控器A键，窗帘开，到限位后，电机停转，这时再按A键，电机不动；按一下B键，窗帘关，到位后，电机停转，这时再按B键电机不动；按一下A键，窗帘打开；任何时刻，按一下C键，电机停转，窗帘可停在当前位置。

4 结语

以电动机实现的电动窗帘已经逐渐走入家庭，但针对现有窗帘的电动化改造需求，需要市电供电，重新布线较为麻烦。本文设计的基于太阳能的电动窗帘，避免了市电布线的麻烦，同时节能环保。搭建了模拟系统，并进行了相关实验，实验结果表明本系统能够实现通过遥控器控制窗帘的开合，也能自定义开合程度，验证了系统的可行性，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]佘頔頔.实用简易电动窗帘的设计[J].数字技术与应用,2010(4):50-52.

[2]冯娟,李燕君.基于步进电动机的智能电动窗帘设计与实现[J].微特电机,2014,42(10):86-88.

[3]徐延海,黄鸿雁,关学忠,等.基于NRF905的无线窗帘控制器设计[J].通信与信息处理,2013,32(4):87-90.

[4]徐文,孟文,曾丽.基于ZigBee无线传输网络的智能家居系统设计[J].自动化与仪器仪表,2017(4):58-61.

[5]边森,张瑜,金磊,等.太阳能控制器相关技术研究:中国通信学会信息通信网络技术委员会,年会论文集[C].2009.

[6]陈永甫.无线电遥控入门[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[7]党建武,李翠然,谢健骊.认知无线电技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2012.