基于水流發(fā)電機(jī)的節(jié)能照明系統(tǒng)

王桂蘭++索怡宣++徐澤宇++佟猛++馬哲++郭萬(wàn)民

摘 要：基于水流發(fā)電機(jī)的節(jié)能照明系統(tǒng)由水流發(fā)電機(jī)、蓄電池、光照傳感器、聲音傳感器、LED燈組成。通過(guò)電路設(shè)計(jì)，在有水流通過(guò)的時(shí)候，水流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電并存儲(chǔ)在蓄電池中，對(duì)燈具實(shí)行聲光自動(dòng)控制，且將蓄電池中的電量來(lái)供LED燈使用。此系統(tǒng)可以應(yīng)用在家庭或公共水房里，讓節(jié)能應(yīng)用在實(shí)際生活中達(dá)到節(jié)能減排并方便人們生活的效果。

關(guān)鍵詞：水流發(fā)電；節(jié)能；傳感器

1 概述

目前在眾多學(xué)校、單位等公共水房或家庭中的水資源只是單純的用來(lái)洗衣服或者供家庭用水等傳統(tǒng)應(yīng)用，并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出其他的應(yīng)用。對(duì)此，我們利用水流發(fā)電機(jī)、光照傳感器、聲音傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)了一套利用水流壓力進(jìn)行發(fā)電并提供給所在場(chǎng)所的燈具照明使用的系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由四大部分組成：發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、控制單元、感知單元。發(fā)電單元主要由水流發(fā)電機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；儲(chǔ)能單元由蓄電池構(gòu)成，負(fù)責(zé)將電能存儲(chǔ)起來(lái)；控制單元由單片機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)將采集到的信息進(jìn)行處理；感知單元含有光照傳感器和聲音傳感器，控制燈具的開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)。

將水流發(fā)電機(jī)安放在水流向下流動(dòng)的管道上，當(dāng)管道通過(guò)水流時(shí)，利用管道的水流驅(qū)動(dòng)水流發(fā)電機(jī)，即機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，將獲得的電能存儲(chǔ)在蓄電池中。光照傳感器檢測(cè)室內(nèi)光線，當(dāng)室內(nèi)光線低于預(yù)設(shè)值，并且聲控開(kāi)關(guān)檢測(cè)到聲音時(shí)，燈開(kāi)啟；否則燈處于關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 水流發(fā)電機(jī)模塊

水流發(fā)電機(jī)基于供水管道中的水流壓力來(lái)發(fā)電，其設(shè)置在水流經(jīng)過(guò)的管道內(nèi)。發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成。由軸承及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái)，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流[1]。由于產(chǎn)生的電流電壓不穩(wěn)定，后增加穩(wěn)壓電路。本文采用5v水壓發(fā)電機(jī)，連接穩(wěn)壓模塊和蓄電池。

3.2 光控開(kāi)關(guān)模塊

此系統(tǒng)采用光照度傳感器（BH1750FVI），此傳感器是一個(gè)光電集成傳感器，其主要特點(diǎn)如下：（1）廣泛的輸入光范圍（相當(dāng)于1-65535lux）；（2）光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)?、白光LED、日光燈）；（3）通過(guò)降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流化[2]。傳感器與STC89C52單片機(jī)連接，單片機(jī)主控電路判斷是否滿足閾值，若滿足，則電路接通。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，接口簡(jiǎn)單易用，液晶顯示器使用方便、體積較小，其反應(yīng)速度靈敏。

3.3 聲控開(kāi)關(guān)模塊

此系統(tǒng)采用CZN-15E傳聲器，傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受。聲傳感器與STC89C52連接，當(dāng)聲源大于60dB時(shí)，會(huì)輸出低電平給單片機(jī)I/O口。

3.4 單片機(jī)控制模塊

此系統(tǒng)采用的是STC89C52開(kāi)發(fā)板，板子功能包括四位共陽(yáng)數(shù)碼管、8個(gè)LED燈、復(fù)位按鈕、串口RS232接口及電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、ISP在線下載接口、液晶LCD1602接口（16腳液晶兼容）、液晶LCD12864接口（20腳液晶兼容）、繼電器與輸出端子、蜂鳴器等。同時(shí)，該單片機(jī)是8位高性能MCU（Micro Cntroller Unit），超低功耗：掉電模式下典型功耗<0.1？滋A，空閑模式下典型功耗2mA，正常工作模式下典型功耗4-7mA[3]。

4 軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過(guò)聲音傳感器和光照傳感器采集數(shù)據(jù)，判斷光照強(qiáng)度是否小于閾值并且是否有聲音，若滿足條件，燈開(kāi)啟，延時(shí)10s，繼續(xù)循環(huán)；否則，一直循環(huán)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

5 測(cè)試與結(jié)果

將水流發(fā)電機(jī)與水龍頭相連，打開(kāi)水龍頭，水流經(jīng)過(guò)水流發(fā)電機(jī)，電機(jī)正常發(fā)電。發(fā)出的電可以正常供給蓄電池；經(jīng)檢驗(yàn)，蓄電池可以正常供電。依次給聲/光控LED燈模塊進(jìn)行測(cè)試，只有當(dāng)光線強(qiáng)度低于閾值并且聲音達(dá)到閾值時(shí)燈亮，其他情況均不亮。

6 結(jié)論

此系統(tǒng)達(dá)到了水資源再利用的目的，能有效的降低電能的損耗，基于水流發(fā)電機(jī)的節(jié)能照明系統(tǒng)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）應(yīng)用在公共水房或家庭等場(chǎng)所，將管道中水流產(chǎn)生的能量，通過(guò)小型的發(fā)電裝置，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，儲(chǔ)存在蓄電池里，提供照明系統(tǒng)所需要的能量。

（2）對(duì)照明燈具實(shí)行聲光雙重自動(dòng)控制，使本系統(tǒng)智能更加節(jié)能。

（3）此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝，具有了很好的推廣性。

（4）后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便，維護(hù)要求低。

參考文獻(xiàn)

[1]王郎.多功能自來(lái)水充電發(fā)電節(jié)能系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)，2015，01.

[2]駱華，黃勇堅(jiān)，劉偉，等.基于ZigBee和STM32的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2014，12：015.

[3]郭強(qiáng)，劉志峰，張愛(ài)平，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能交通燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2008，11.

作者簡(jiǎn)介：王桂蘭（1995，11-），女，河北滄縣，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科生，物聯(lián)網(wǎng)工程。