CN104578894A - 窗用抗噪声压电检测闭环控制装置 - Google Patents

Abstract

窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，属于居室内除噪领域。解决了现有噪声多是由窗户传入居室，无法减少噪声通过玻璃传入室内的问题。它包括1号压电传感器、2号压电传感器、控制器、1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片；1号压电传感器和2号压电传感器的形状相同，且二者分别固定在玻璃的两个表面上，1号压电传感器和2号压电传感器以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片的形状相同，且二者分别黏贴在玻璃的两个表面上，1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电传感器与1号压电陶瓷片位于玻璃的同侧。本发明主要用于窗户玻璃上。

Description

窗用抗噪声压电检测闭环控制装置

技术领域

本发明属于居室内除噪领域。

背景技术

居室经常出现外部环境的噪声干扰的情况。这些噪声多是由窗户传入的，是由外部噪声作用于的窗户玻璃，使其振动产生的室内噪声。所以，降低居室窗户噪声的一种主要方法是减少窗户因外部噪声而引起的振动。

科学实验证明：压电陶瓷材料具有正压电效应和逆压电效应，分别参见图1和图2。当压电陶瓷材料受到外力挤压时，压电陶瓷材料上会有正负电荷产生，就是正压电效应，型变产生电压,这就产生了压电传感器。当在压电材料上加电时，压电陶瓷材料上会有型变，就是逆压电效应，电压产生型变,这就产生了压电致动的功能。

发明内容

本发明是为了解决现有噪声多是由窗户传入居室，无法减少噪声通过玻璃传入室内的问题，本发明提供了一种窗用抗噪声压电检测闭环控制装置。

窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，它包括1号压电传感器、2号压电传感器、控制器、1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片；

所述的1号压电传感器和2号压电传感器的形状相同，且二者分别固定在玻璃的两个表面上，所述1号压电传感器和2号压电传感器以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片的形状相同，且二者分别黏贴在玻璃的两个表面上，所述1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电传感器与1号压电陶瓷片位于玻璃的同侧，

控制器用于采集1号压电传感器输出的电压信号和2号压电传感器输出的电压信号以获得1号压电传感器和2号压电传感器的压差信号，并根据该压差信号产生两个PWM驱动信号用于分别驱动1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片；

1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片的形变方向为沿平行于玻璃表面的方向。

所述的控制器包括控制单元和驱动单元，

其中，控制单元用于采集1号压电传感器输出的电压信号和2号压电传感器输出的电压信号用以获得1号压电传感器和2号压电传感器的压差信号，

还用于根据所述压差信号获得1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片的驱动电压，并根据1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片的驱动电压产生相应占空比的PWM驱动信号输出给驱动单元；

驱动单元用于发送驱动信号给1号压电陶瓷片和2号压电陶瓷片。

所述的控制单元采用单片机实现，所述单片机型号为C8051F120型单片机，驱动单元包括1号场效应管、2号场效应管、1号电感、2号电感、1号电容C1和2号电容C2；

所述的C8051F120型单片机的管脚AIN0.0与1号压电传感器的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚AIN0.1与2号压电传感器的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚COM与1号压电传感器的接地端、2号压电传感器的接地端、1号场效应管的源极、2号场效应管的源极、1号电容C1的一端、2号电容C2的一端、1号压电陶瓷片的一个电极和2号压电陶瓷片的一个电极同时连接电源地GND；

C8051F120型单片机的管脚P3.0与1号场效应管的栅极连接，1号场效应管的漏极同时与1号电感的一端、1号电容C1的另一端和1号压电陶瓷片的另一个电极连接，

1号电感的另一端与+5V电源连接；

C8051F120型单片机的管脚P3.5与2号场效应管的栅极连接，2号场效应管的漏极同时与2号电感的一端、2号电容C2的另一端和2号压电陶瓷片的另一个电极连接，

2号电感的另一端与+5V电源连接。

所述控制单元内部嵌入有控制模块，该控制模块的信号处理过程为：

步骤一：系统初始化：关闭看门狗,设置中断优先级,设置使用内部晶振或外部晶振,设置管脚P3.0和P3.1,设置定时器1和定时器2均为PWM工作方式,设置交叉开关使定时器1从管脚P3.0输出,使定时器2从管脚P3.1输出，使管脚AIN0.0和AIN0.1均为单端输入方式，用以接收1号压电传感器、2号压电传感器发送的信号，玻璃处于平直位置时的1号压电传感器输出的电压值和2号压电传感器输出的电压值的差的绝对值为初始电压差，执行步骤二；

步骤二：从管脚AIN0.0读取1号压电传感器输出的信号VIN1，从管脚AIN0.1读取2号压电传感器输出的信号VIN2，执行步骤三；

步骤三：将信号VIN1和信号VIN2的差值的绝对值与初始电压差进行比较，如果小于或等于初始电压差，执行步骤二，如果大于初始电压差，执行步骤四；

步骤四：判断信号VIN1的值是否大于信号VIN2的值，判断结果为是，调整定时器2输出的PWM波的占空比大于定时器1输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片，执行步骤五，

判断结果为否，调整定时器1输出的PWM波的占空比大于定时器2输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片，执行步骤五，

步骤五：判断是否接收结束命令，判断结果为是，结束本次控制，判断结果为否，执行步骤二。

本发明的基本思想是：用压电材料的逆压电效应来检测窗户玻璃的噪声引起的振动，通过微处理器所执行的控制过程，控制产生压电材料的正压电效应来阻止窗户玻璃的噪声引起的振动，以此减少和抑制窗户传递的噪声。

系统的总体布局图如图3所示，在窗玻璃的两面上均放有压电传感器和压电陶瓷片工作原理是：当窗户玻璃的噪声引起振动时，压电传感器1和2因振动瞬时偏向一方而使两者电压不相等，则可以反馈回到控制器中，两者之差就是玻璃的振动误差，并经分析判断后控制压电致动器1和2有相反的形变，而使玻璃不振动。

本发明带来的有益效果是，通过压电材料的逆压电效应来产生顶住窗户玻璃的力阻止窗户玻璃的噪声引起的振动，以此减少和抑制窗户传递的噪声，使由室外传入室内的噪声减少了60％以上，净化了室内的环境。本发明装置便于在原有窗户上安装，采用电子自动化技术自动闭环减少噪声。

附图说明

图1为压电陶瓷材料发生正压电效应的原理示意图；

图2为压电陶瓷材料发生负压电效应的原理示意图；

图3为本发明所述的窗用抗噪声压电检测闭环控制装置的原理示意图；其中，附图标记4表示玻璃，附图标记5表示窗户框；

图4为所述的控制器对信号处理过程的原理示意图；

图5为具体实施方式三所述窗用抗噪声压电检测闭环控制装置的电路连接图。

图6为具体实施方式四所述控制单元内部嵌入有的控制模块对信号进行处理的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，它包括1号压电传感器1-1、2号压电传感器1-2、控制器2、1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2；

所述的1号压电传感器1-1和2号压电传感器1-2的形状相同，且二者分别固定在玻璃的两个表面上，所述1号压电传感器1-1和2号压电传感器1-2以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的形状相同，且二者分别黏贴在玻璃的两个表面上，所述1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电传感器1-1与1号压电陶瓷片3-1位于玻璃的同侧，

控制器2用于采集1号压电传感器1-1输出的电压信号和2号压电传感器1-2输出的电压信号以获得1号压电传感器1-1和2号压电传感器1-2的压差信号，并根据该压差信号产生两个PWM驱动信号用于分别驱动1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2；

1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的形变方向为沿平行于玻璃表面的方向。

本实施方式，1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的形变带动玻璃形变，来增强玻璃的阻尼，1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的形变带动玻璃形变，玻璃处于拉伸状态，形变后的璃增强玻璃的阻尼，减少了该块玻璃的震荡，控制产生压电材料的逆压电效应来产生顶住窗户玻璃的力阻止窗户玻璃的噪声引起的振动，以此减少和抑制窗户传递的噪声。

本实施方式中1号压电陶瓷片的长度与玻璃的长度比例处于1:1500到1：1000之间。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种窗用抗噪声压电检测闭环控制装置的区别在于，所述的控制器2包括控制单元和驱动单元，

其中，控制单元用于采集1号压电传感器1-1输出的电压信号和2号压电传感器1-2输出的电压信号用以获得1号压电传感器1-1和2号压电传感器1-2的压差信号，

还用于根据所述压差信号获得1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的驱动电压，并根据1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2的驱动电压产生相应占空比的PWM驱动信号输出给驱动单元；

驱动单元用于发送驱动信号给1号压电陶瓷片3-1和2号压电陶瓷片3-2。

具体实施方式三：参见图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种窗用抗噪声压电检测闭环控制装置的区别在于，所述的控制单元采用单片机实现，所述单片机型号为C8051F120型单片机，驱动单元包括1号场效应管M1、2号场效应管M2、1号电感L1、2号电感L2、1号电容C1和2号电容C2；

所述的C8051F120型单片机的管脚AIN0.0与1号压电传感器1-1的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚AIN0.1与2号压电传感器1-2的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚COM与1号压电传感器1-1的接地端、2号压电传感器1-2的接地端、1号场效应管M1的源极、2号场效应管M2的源极、1号电容C1的一端、2号电容C2的一端、1号压电陶瓷片3-1的一个电极和2号压电陶瓷片3-2的一个电极同时连接电源地GND；

C8051F120型单片机的管脚P3.0与1号场效应管M1的栅极连接，1号场效应管M1的漏极同时与1号电感L1的一端、1号电容C1的另一端和1号压电陶瓷片3-1的另一个电极连接，

1号电感L1的另一端与+5V电源连接；

C8051F120型单片机的管脚P3.5与2号场效应管M2的栅极连接，2号场效应管M2的漏极同时与2号电感L2的一端、2号电容C2的另一端和2号压电陶瓷片3-2的另一个电极连接，

2号电感L2的另一端与+5V电源连接。

本实施方式中，P3.0和P3.5是单片机C8051F120的数字输入和输出口，这里都配置为数字输出口。压电传感器1和2的输出分别连到单片机C8051F120的输入端口AIN0.0和AIN0.1上。当窗户玻璃的噪声引起振动时，压电传感器1和2因振动瞬时偏向一方而使两者电压不相等，则可以分别反馈回到单片机C8051F120中的AIN0.0和AIN0.1脚，并经比较判断后,使定时器1和2的占空比有相反的变化,在数字输出口P3.0和P3.5输出后,会控制对应的场效应管M1和M2变化,经滤波后变位平稳直流,控制压1号电陶瓷片3-1和2号电陶瓷片3-2产生与1号压电传感器1-1和2号电陶瓷片1-2的检测值相反的形变，而使玻璃不振动。

具体实施方式四：参见图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种窗用抗噪声压电检测闭环控制装置的区别在于，所述控制单元内部嵌入有控制模块，该控制模块的信号处理过程为：

步骤一：系统初始化：关闭看门狗,设置中断优先级,设置使用内部晶振或外部晶振,设置管脚P3.0和P3.1,设置定时器1和定时器2均为PWM工作方式,设置交叉开关使定时器1从管脚P3.0输出,使定时器2从管脚P3.1输出，使管脚AIN0.0和AIN0.1均为单端输入方式，用以接收1号压电传感器1-1、2号压电传感器1-2发送的信号，玻璃处于平直位置时的1号压电传感器1-1输出的电压值和2号压电传感器1-2输出的电压值的差的绝对值为初始电压差，执行步骤二；

步骤二：从管脚AIN0.0读取1号压电传感器1-1输出的信号VIN1，从管脚AIN0.1读取2号压电传感器1-2输出的信号VIN2，执行步骤三；

步骤三：将信号VIN1和信号VIN2的差值的绝对值与初始电压差进行比较，如果小于或等于初始电压差，执行步骤二，如果大于初始电压差，执行步骤四；

步骤四：判断信号VIN1的值是否大于信号VIN2的值，判断结果为是，调整定时器2输出的PWM波的占空比大于定时器1输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片3-1，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片3-2，执行步骤五，

判断结果为否，调整定时器1输出的PWM波的占空比大于定时器2输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片3-1，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片3-2，执行步骤五，

步骤五：判断是否接收结束命令，判断结果为是，结束本次控制，判断结果为否，执行步骤二。

本实施方式，结束命令可以通过C8051F120型单片机的任意一个I/O管脚接收开关量信号。

Claims (4)

1.窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，其特征在于，它包括1号压电传感器(1-1)、2号压电传感器(1-2)、控制器(2)、1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)；

所述的1号压电传感器(1-1)和2号压电传感器(1-2)的形状相同，且二者分别固定在玻璃的两个表面上，所述1号压电传感器(1-1)和2号压电传感器(1-2)以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)的形状相同，且二者分别黏贴在玻璃的两个表面上，所述1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)以玻璃为镜面呈镜像对称设置；1号压电传感器(1-1)与1号压电陶瓷片(3-1)位于玻璃的同侧，

控制器(2)用于采集1号压电传感器(1-1)输出的电压信号和2号压电传感器(1-2)输出的电压信号以获得1号压电传感器(1-1)和2号压电传感器(1-2)的压差信号，并根据该压差信号产生两个PWM驱动信号用于分别驱动1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)；

1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)的形变方向为沿平行于玻璃表面的方向。

2.根据权利要求1所述的窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，其特征在于，所述的控制器(2)包括控制单元和驱动单元，

其中，控制单元用于采集1号压电传感器(1-1)输出的电压信号和2号压电传感器(1-2)输出的电压信号用以获得1号压电传感器(1-1)和2号压电传感器(1-2)的压差信号，

还用于根据所述压差信号获得1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)的驱动电压，并根据1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)的驱动电压产生相应占空比的PWM驱动信号输出给驱动单元；

驱动单元用于发送驱动信号给1号压电陶瓷片(3-1)和2号压电陶瓷片(3-2)。

3.根据权利要求2所述的窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，其特征在于，所述的控制单元采用单片机实现，所述单片机型号为C8051F120型单片机，驱动单元包括1号场效应管(M1)、2号场效应管(M2)、1号电感(L1)、2号电感(L2)、1号电容C1和2号电容C2；

所述的C8051F120型单片机的管脚AIN0.0与1号压电传感器(1-1)的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚AIN0.1与2号压电传感器(1-2)的数据信号输出端连接，

C8051F120型单片机的管脚COM与1号压电传感器(1-1)的接地端、2号压电传感器(1-2)的接地端、1号场效应管(M1)的源极、2号场效应管(M2)的源极、1号电容C1的一端、2号电容C2的一端、1号压电陶瓷片(3-1)的一个电极和2号压电陶瓷片(3-2)的一个电极同时连接电源地GND；

C8051F120型单片机的管脚P3.0与1号场效应管(M1)的栅极连接，1号场效应管(M1)的漏极同时与1号电感(L1)的一端、1号电容C1的另一端和1号压电陶瓷片(3-1)的另一个电极连接，

1号电感(L1)的另一端与+5V电源连接；

C8051F120型单片机的管脚P3.5与2号场效应管(M2)的栅极连接，2号场效应管(M2)的漏极同时与2号电感(L2)的一端、2号电容C2的另一端和2号压电陶瓷片(3-2)的另一个电极连接，

2号电感(L2)的另一端与+5V电源连接。

4.根据权利要求3所述的窗用抗噪声压电检测闭环控制装置，其特征在于，所述控制单元内部嵌入有控制模块，该控制模块的信号处理过程为：

步骤一：系统初始化：关闭看门狗,设置中断优先级,设置使用内部晶振或外部晶振,设置管脚P3.0和P3.1,设置定时器1和定时器2均为PWM工作方式,设置交叉开关使定时器1从管脚P3.0输出,使定时器2从管脚P3.1输出，使管脚AIN0.0和AIN0.1均为单端输入方式，用以接收1号压电传感器(1-1)、2号压电传感器(1-2)发送的信号，玻璃处于平直位置时的1号压电传感器(1-1)输出的电压值和2号压电传感器(1-2)输出的电压值的差的绝对值为初始电压差，执行步骤二；

步骤二：从管脚AIN0.0读取1号压电传感器(1-1)输出的信号VIN1，从管脚AIN0.1读取2号压电传感器(1-2)输出的信号VIN2，执行步骤三；

步骤三：将信号VIN1和信号VIN2的差值的绝对值与初始电压差进行比较，如果小于或等于初始电压差，执行步骤二，如果大于初始电压差，执行步骤四；

步骤四：判断信号VIN1的值是否大于信号VIN2的值，判断结果为是，调整定时器2输出的PWM波的占空比大于定时器1输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片(3-1)，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片(3-2)，执行步骤五，

判断结果为否，调整定时器1输出的PWM波的占空比大于定时器2输出的PWM波的占空比，所述定时器1输出的PWM波用于驱动1号压电陶瓷片(3-1)，所述定时器2输出的PWM波用于驱动2号压电陶瓷片(3-2)，执行步骤五，

步骤五：判断是否接收结束命令，判断结果为是，结束本次控制，判断结果为否，执行步骤二。