創(chuàng)新實踐課程

萬能電燈遙控開關(guān)1背景隨著生活水平的提高，“樓上樓下，電燈電話”的構(gòu)想早已實現(xiàn)，且遠遠超越了毛主席當(dāng)年的設(shè)想。家家戶戶對于燈具的應(yīng)用可謂“爐火純青”，嵌頂燈、吸頂燈、吊燈、壁燈、活動燈等各式各樣的燈具早已深入人心。然而隨著社會的發(fā)展，環(huán)境、能源問題與日俱增，電燈作為日常電力消耗品引起了廣泛的關(guān)注。政府對節(jié)能燈管的提倡、太陽能路燈的普及以及“地球1小時”等活動的展開，充分說明了電燈與能源的關(guān)系。目前，電燈的控制結(jié)構(gòu)基本采用機械式按鈕開關(guān)，雖然延時開關(guān)、聲控開關(guān)、光感開關(guān)等智能開關(guān)有所應(yīng)用，但范圍比較局限，一般應(yīng)用于特定的場合，如樓道、門口等，對于家用電燈，還是以機械式為主，一個電燈由一個或多個固定的機械式按鈕開關(guān)控制，需要到固定的地方進行開關(guān)操作，且每個房間擁有獨立的控制開關(guān)。在應(yīng)用過程中，特別是在寒冷的冬季，往往會出現(xiàn)這種情況：回到房間，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生間或者廚房或者陽臺的燈沒關(guān)，房間外寒冷和房間內(nèi)溫暖的對比往往使人產(chǎn)生懶惰心理，任憑電燈肆虐地亮著，能源的浪費由此產(chǎn)生！此時，如果能有一個開關(guān)控制任何一個房間的電燈那該多好啊！基于此，本方案提出了一個萬能電燈遙控器的設(shè)想，即在房子的任何地方都可以控制任何一盞電燈的開或關(guān)。利用TRIZ理論完成了該萬能電燈遙控器的設(shè)計，并給出了設(shè)計原理圖、程序面板圖、仿真視頻以及關(guān)鍵部件選型要點。2創(chuàng)新原理根據(jù)TRIS創(chuàng)新理論和方法，要解決上述問題，首先需要確定其物理矛盾，應(yīng)用4個分離原理加以解決，然后將解決過程中出現(xiàn)的技術(shù)矛盾應(yīng)用40個創(chuàng)新原理、結(jié)合矛盾矩陣加以解決。2.1物理矛盾與分離原理對于上述問題的物理矛盾，體現(xiàn)為：電燈開關(guān)的固定性和人所處位置的流動性之間的矛盾。對此，根據(jù)空間分離原理，將矛盾雙方在不同的空間隔離，即改變電燈開關(guān)的固定性，使其可以隨著人所環(huán)境位置的流動而流動，即可移動的開關(guān)。此時，又出現(xiàn)了新的物理矛盾，體現(xiàn)為：電燈開關(guān)的流動性和電燈的固定性之間的矛盾。對此，根據(jù)整體與部分分離原理，將矛盾雙方在不同層次上分離，即將電燈與電燈開關(guān)分離，即遠程控制的開關(guān)。2.2技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理根據(jù)TRIZ理論，對于空間分離原理，一般可應(yīng)用分割、抽取、局部質(zhì)量等10個創(chuàng)新原理。結(jié)合實際情況，對于上述問題，可采用借助中介物原理（使用中介物傳送某一物體或某一種中間物體）解決，即將原本使用人與開關(guān)按鈕接觸的力量來控制電燈開關(guān)的情況轉(zhuǎn)換為利用電磁波將這種力量傳遞至開關(guān)按鈕，借助無線發(fā)射器、無線接收器以及繼電器完成。對于部分與整體分離原理，一般可應(yīng)用等勢、多孔材料、改變顏色等9個創(chuàng)新原理。結(jié)合實際情況，對于上述問題，可采用機械系統(tǒng)替代原理（電場、磁場及電磁場完成物體間的相互作用）解決，即用繼電器點觸式開關(guān)代替原來的機械0p按鈕開關(guān)。3設(shè)計思路及整體構(gòu)想根據(jù)上述分析，本方案所設(shè)計的“萬能開關(guān)遙控器”是在原有機械式按鈕開關(guān)的基礎(chǔ)上加以改造實現(xiàn)的，其原理圖如圖1所示。圖1萬能電燈遙控器電路原理圖在原有開關(guān)的基礎(chǔ)上加裝電磁繼電器，繼電器由無線接收模塊控制，無線接收模塊接收無線發(fā)射模塊即遙控器發(fā)出的信號，實現(xiàn)開關(guān)控制。其中，對于不同電燈，可對其無線接收模塊進行頻段設(shè)置，對應(yīng)遙控器的不同按鈕，從而實現(xiàn)差異化控制。4設(shè)計方案根據(jù)原理圖所示，本方案運用LabView虛擬儀器軟件進行了該原理模型的仿真驗證，給出了仿真原理圖、仿真面板圖、仿真視頻，并結(jié)合功能需求對關(guān)鍵模塊進行了相應(yīng)的實物描述。4.1仿真程序面板圖根據(jù)實際情況描繪了如圖2所示的面板圖：廚房、客廳、衛(wèi)生間、陽臺各有一盞燈具，并分別由各自獨立的雙控開關(guān)系統(tǒng)控制，其中手動開關(guān)即傳統(tǒng)的機械式按鈕開關(guān)，遙控開關(guān)則是在手動開關(guān)的基礎(chǔ)上加裝了本方案所設(shè)計的繼電器和無線接收模塊，結(jié)合遙控面板的無線發(fā)射模塊，實現(xiàn)遙控控制；遙控面板的各按鈕可控制發(fā)射不同頻段的電磁波，完成對不同房間的開關(guān)控制。圖2仿真程序面板圖4.2仿真程序原理圖圖3所示為仿真程序的原理圖，描繪了其工作原理。圖3仿真程序原理圖4.2仿真效果視頻利用LabView實現(xiàn)的效果仿真結(jié)果見《附件2：“萬能電燈遙控器”仿真視頻文件（110010032周琳）》。4.3關(guān)鍵部件選型要點本方案所設(shè)計的“萬能電燈遙控器”的關(guān)鍵部件主要有兩方面，一是替代機械按鈕開關(guān)的繼電器開關(guān)，二是實現(xiàn)信號傳遞的無線收發(fā)模塊，根據(jù)功能需求，其選型要點具體如下：繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。根據(jù)作用原理的不同，一般可分為電磁繼電器、固態(tài)繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、風(fēng)速繼電器、加速度繼電器、光繼電器等。根據(jù)功能需求，本方案應(yīng)采用電磁繼電器，即在輸入電路內(nèi)電流的作用下，由機械部件的相對運動產(chǎn)生預(yù)定響應(yīng)的一種繼電器。電磁繼電器又包括直流電磁繼電器、交流電磁繼電器、磁保持繼電器、極化繼電器、舌簧繼電器和節(jié)能功率繼電器。由于本方案設(shè)計的繼電器需要完成開關(guān)的功能，因此應(yīng)選用磁保持繼電器，該繼電器將磁鋼引入磁回路，繼電器線圈斷電后，繼電器的銜鐵仍能保持在線圈通電時的狀態(tài)，具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。如圖4所示為市場上的磁保持繼電器示例。圖4磁保持繼電器無線收發(fā)模塊隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，無線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來越被各行各業(yè)所接受。其常用的傳輸模式有藍牙、ZigBee、射頻等，且各有特點。藍牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進行無線信息交換，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。無線射頻譯（RFID）是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的磁卡及IC卡技術(shù)具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點，能在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的，與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點和具有防沖突功能，能同時處理多張卡片。通過比較分析，由于本方案設(shè)計的模塊不需要大量無線數(shù)據(jù)收發(fā)，只需要實現(xiàn)信號控制，因此采用無線射頻傳輸模式比較適合。如圖5所示為無線射頻收發(fā)模塊產(chǎn)品圖。圖5無線射頻收發(fā)模塊5