王超，張研，王文雨，邵琦，趙剛

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

基于壓電效應(yīng)的智能控制廣場(chǎng)自發(fā)電系統(tǒng)

王超，張研，王文雨，邵琦，趙剛

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

本文介紹了一種基于壓電效應(yīng)的智能控制廣場(chǎng)自發(fā)電系統(tǒng)，核心技術(shù)是通過(guò)壓電材料的壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)能量轉(zhuǎn)換模塊和能量?jī)?chǔ)存模塊將電能儲(chǔ)存于鋰電池中，給主控制器模塊即Arduino供電，主控制器模塊驅(qū)動(dòng)燈光和音頻輸出模塊。整個(gè)裝置所需的電能都通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

壓電效應(yīng)；能量轉(zhuǎn)換；能量?jī)?chǔ)存；Arduino

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于能源的需求越來(lái)越大。若只依賴于傳統(tǒng)能源例如煤、天然氣、石油等，因?yàn)槠洳豢稍偕?，這些能源終將被耗盡。同時(shí)，傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)以及消耗過(guò)程中也伴隨著環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，尋找并開(kāi)發(fā)新能源是必要且迫切的。壓電發(fā)電技術(shù)的誕生符合新能源的環(huán)保、可再生要求，其發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

基于對(duì)壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與探索，本文設(shè)計(jì)一種基于壓電效應(yīng)的智能控制廣場(chǎng)自發(fā)電系統(tǒng)，采集廣場(chǎng)上健身人群對(duì)于壓電材料制地板踩踏所產(chǎn)生的機(jī)械能，利用壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能并通過(guò)能量收集裝置儲(chǔ)存起來(lái)，為控制模塊供電進(jìn)而驅(qū)動(dòng)照明裝置及音樂(lè)播放裝置。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包括五個(gè)模塊：發(fā)電裝置模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊、能量存儲(chǔ)模塊、主控制器模塊、燈光及音頻輸出模塊。通過(guò)發(fā)電裝置模塊利用壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但此時(shí)得到是頻率不同的低交流電壓、微弱的電流，利用能量轉(zhuǎn)換模塊將這種頻率不同的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電壓并將之升高到一定數(shù)值，通過(guò)能量存儲(chǔ)模塊將電量收集成為可供主控制器工作的直流穩(wěn)壓電源。主控制器模塊通過(guò)燈光及音頻輸出模塊播放音樂(lè)并使燈光隨音樂(lè)節(jié)奏閃動(dòng)以適宜廣場(chǎng)這種健身愉悅的環(huán)境。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 發(fā)電裝置模塊

壓電材料受到外力作用時(shí)會(huì)在兩端間出現(xiàn)電壓，在本系統(tǒng)中，發(fā)電裝置模塊采用常見(jiàn)的懸臂梁式壓電振子，并且為了使模塊的發(fā)電量提高使用壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)。人們?cè)趶V場(chǎng)上健身或者走動(dòng)都伴隨著腳的抬起和落下，壓電振子在壓力作用下產(chǎn)生振動(dòng)。由于壓電效應(yīng)，這種振動(dòng)的能量被轉(zhuǎn)化為頻率不同的低交流電壓和微弱電流。

1.2 能量轉(zhuǎn)換模塊

為了能將壓電裝置模塊所產(chǎn)生的交流電儲(chǔ)存起來(lái)，需要通過(guò)能量轉(zhuǎn)換模塊將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。能量轉(zhuǎn)換模塊分為以下兩部分：整流濾波電路、直流升壓電路。

1.2.1 整流濾波電路

倍壓整流電路可以把較低的交流電利用耐壓較高的整流二極管和電容器，輸出一個(gè)較高的直流電壓。它利用二極管的整流作用，將電壓貯存在各自的電容上，然后按極性相加的原理串接起來(lái)，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路輸出的直流電壓波形還不夠好，因此需要濾波電路進(jìn)行濾波以減小輸出電壓的紋波。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用四倍壓整流電路，其電路上電容還起到濾波的作用，因此兼具整流和濾波的作用。

1.2.2 直流升壓電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇ME2111穩(wěn)壓芯片，它是一款高效率同步整流升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，只需要三個(gè)外圍器件（兩個(gè)電容，一個(gè)電感）。它的啟動(dòng)電壓低，0.95V以上就可以工作，效率達(dá)94%，輸出電壓精度為±2.5%。其輸出具有兩種模式：3.3V固定輸出和5.0V固定輸出。系統(tǒng)利用5V可調(diào)輸出電壓為能量?jī)?chǔ)存模塊充電。如圖2所示。

1.3 能量?jī)?chǔ)存模塊

系統(tǒng)采用HM4601芯片作為主控芯片，HM4601通過(guò)恒壓控制環(huán)和恒流控制環(huán)來(lái)調(diào)整鋰電池充電電壓和恒流充電電流，同時(shí)還集成了溫度保護(hù)、最大充電時(shí)間限制、輸出短路功能，兩個(gè)LED指示燈指示充電狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

1.4 主控制模塊

系統(tǒng)主控制器模塊采用Arduino uno作為主控制模塊，Arduino是一款使用方便的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，開(kāi)發(fā)界面簡(jiǎn)約、編程環(huán)境為Arduino IDE，下載程序簡(jiǎn)單、方便。Arduino單片機(jī)采用Atemga328微處理器，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口，6路模擬輸入，一個(gè)16Mhz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino工作電壓為5V，由鋰電池提供。

1.5 燈光及音頻輸出模塊

音頻輸出模塊采用無(wú)源蜂鳴器，燈光模塊采用彩色LED燈，均連接至同一個(gè)單片機(jī)數(shù)字量輸出口使燈光跟隨輸出音樂(lè)的節(jié)奏亮滅，帶來(lái)不一樣的視聽(tīng)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用主控制器Arduino播放音樂(lè)并控制燈光隨音樂(lè)節(jié)奏有規(guī)律地亮滅，音樂(lè)是由若干音符組成，每一音符唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率，Arduino播放音樂(lè)的原理就是將頻率輸出給無(wú)源蜂鳴器，因?yàn)闊o(wú)源蜂鳴器聲音頻率可控，因此無(wú)源蜂鳴器受到Arduino向其發(fā)送的特定頻率的方波驅(qū)動(dòng)下，可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音。

音樂(lè)是由音符組成，每個(gè)音符由音調(diào)和節(jié)奏決定。音調(diào)在物理上對(duì)應(yīng)不同頻率的音波，因此可以通過(guò)Arduino數(shù)字量輸出口輸出不同頻率的方波來(lái)實(shí)現(xiàn)音調(diào)的不同，Arduino自帶的頭文件“pitches.h”中以宏定義的形式一一給出了音調(diào)與頻率的關(guān)系表，可以通過(guò)查表的方式確定Arduino數(shù)字輸出接口的輸出頻率。節(jié)奏表示每個(gè)音符都會(huì)播放一定的時(shí)間，音樂(lè)上，音符節(jié)奏為1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍，假設(shè)一拍音符時(shí)間為1，則半拍為0.5、1/4拍為0.25……。只有兼顧音調(diào)與節(jié)奏，才能演奏出音樂(lè)。編程分為三個(gè)步驟。

（1）通過(guò)頭文件“pitches.h”找到與音符音調(diào)對(duì)應(yīng)的頻率，存入一個(gè)數(shù)組frequency[]中。

（2）確定音樂(lè)的節(jié)奏，將演奏時(shí)間存入一個(gè)數(shù)組duration[]中。

（3）frequency與duration連續(xù)賦值給Arduino自帶的Tone(pin,frequency,duration)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的播放，同時(shí)LED隨接受方波頻率不同其亮暗也不同，隨音樂(lè)閃動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于壓電效應(yīng)的智能控制廣場(chǎng)自發(fā)電系統(tǒng)，壓電材料通過(guò)其壓電效應(yīng)采集廣場(chǎng)上人群的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電量，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存裝置將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。供應(yīng)給主控制器工作，用以播放音樂(lè)且隨著節(jié)奏調(diào)節(jié)LED的亮暗。對(duì)于本系統(tǒng)的音頻輸出模塊可以采用通過(guò)SD存儲(chǔ)卡與單片機(jī)之間的通信播放SD存儲(chǔ)卡中音樂(lè)的形式，那么播放音樂(lè)更加豐富靈活。同時(shí)本文對(duì)于壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與探索以及Arduino平臺(tái)在其他場(chǎng)合的應(yīng)用也有一定的參考價(jià)值。

[1]王強(qiáng).基于壓電材料的振動(dòng)能量采集技術(shù)的研究[D].江蘇大學(xué),2008.

[2]丁寶,王林月,吳智量.壓電材料的蓄電和放電系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,(03):63-65.

[3]文婷,寧鐸,孫博,陳國(guó)慶.基于壓電發(fā)電的生熱保溫鞋設(shè)計(jì)[J].電子器件,2014,(02):283-286.

[4]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,(16):155-157.

[5]趙云娥,吳振強(qiáng).基于Arduino的電子音樂(lè)發(fā)聲器設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2017,(Z1):36-37+17.

[6]趙云娥,吳振強(qiáng).Arduino助力美好生活——以音樂(lè)播放器的設(shè)計(jì)為例[J].甘肅科技縱橫,2016,(10):23-25+46.

The square from the power generation system based on the Piezoelectric effect

Wang Chao,Zhang Yan,Wang Wenyu,Shao Qi,Zhao Gang
(Collegeof Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang,150040)

This paper introduces the square from the power generation system based on the Piezoelectric effect.The system converts mechanical energy into electrical energy through the Piezoelectric effect,and stores the electrical energy in the lithium battery through the energy conversion module and the energy storage module.The lithium battery supplies power to the main controller module, Arduino.The main controller module drives the lighting and audio output modules.The entire device required by the power generated by the piezoelectric effect, play the role of energy saving and environmental protection.

Piezoelectric effect;Energy conversion;Energy storage;Arduino

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201610225038）。