具有溫控聲控藍牙功能的拍拍燈智能移動電源設計

沈曄超，孫青鋒

（安徽機電職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

移動電源是一種通過有線或無線方式與其他電子產品連接，能夠為其他電子產品提供充電服務同時自身又具備儲電功能的電子設備。個人使用的小型移動電源也俗稱充電寶，一般由鋰電池組、供電模塊和充電模塊等部分構成［1］。隨著智能手機的大量普及，各種移動支付手段的不斷涌現(xiàn)，人們對于手機等移動設備的依賴性也大大增加［2］。移動電源作為當今時代一種常用電子設備，由于其便攜性，能夠在出門在外無法取用固定電源的情況下作為臨時電源給人們帶來方便，廣泛使用移動電源的現(xiàn)象在年輕群體中尤為顯現(xiàn)［3］。在使用頻率不斷提升的同時，人們對移動電源的性能要求也越來越趨于多樣化，而非僅僅局限于充電功能本身。近年來，許多專家學者對移動電源及其相關技術進行了研究，文獻［4-7］分別利用USB_PD 協(xié)議、DC/DC 轉換器芯片、不同時間尺度解耦的均衡控制、多種規(guī)格移動電源的性能實驗，解決和驗證了快速充放電過程中的安全性、太陽能板面積較小發(fā)電功率不足、配電網(wǎng)發(fā)生故障時的應急供電、電源容量隨著使用時間衰減嚴重等方面的問題。文獻［8-10］通過建立動態(tài)能量隨需應變距離矢量路由協(xié)議（DE-AODV），合成MgO2浸漬電活性和高介電性聚偏氟乙烯薄膜復合材料，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測銅箔的腐蝕特征，研究了集流器對電化學機理的影響，實現(xiàn)了路由協(xié)議外部電源、自充電光電源（SPPB）的高效輸出。但目前采用基于藍牙模塊的擴展，融合溫控、聲控功能的智能移動電源的設計研究還比較少見。

結合儲能模塊特點，采用溫控、聲控、藍牙技術，通過溫度、紅外測距、語音控制、觸摸、發(fā)熱導熱、WiFi、藍牙等不同模塊與微控制器連接，開發(fā)設計了一款適合個人使用的多功能便攜式移動電源，在滿足充電寶基本功能的前提下，還可以作為臺燈、暖手寶等其他電子產品使用，豐富了充電寶的功能，增加了充電寶的實用價值。

1 智能移動電源構架原理

市面上現(xiàn)存的常規(guī)充電寶主要包括殼體以及設置在殼體內的儲能模塊。為實現(xiàn)充電寶的智能化設計和改造，在充電寶內設置開關模塊K1、微控制器，在殼體上設置LED 燈模塊、觸控模塊，儲能模塊作為供電模塊與微控制器連接，微控制器采用AT89C51 單片機來實現(xiàn)。智能移動電源的構架原理如圖1 所示。微控制器的輸出端連接開關模塊K1，儲能模塊通過開關模塊K1與LED 燈模塊連接，觸控模塊與微控制器的輸入端連接。開關模塊K1 采用繼電器來實現(xiàn)電控控制，通過單片機驅動繼電器觸點的閉合來實現(xiàn)控制儲能模塊與LED 燈之間的連接供電，從而控制LED 照明啟動與否。觸控模塊采用電容觸控傳感器或壓力傳感器，其輸出端連接單片機的輸入IO 口，通過觸控方式給出開啟和關閉照明LED 燈的控制信號，當單片機采集到該信號后可以通過控制開關模塊K1 的開啟閉合實現(xiàn)對于LED 燈照明的控制。內置在殼體內的微控制器、開關模塊K1 集成設置在PCB 上然后固定在殼體內部。開關模塊K2 與發(fā)熱模塊相連，在微控制器的作用下，控制導溫發(fā)熱片的啟動和停止。

圖1 智能移動電源構架原理圖Fig.1 Schematic diagram of smart mobile power architecture

2 智能移動電源控制結構原理

2.1 微控制器與藍牙模塊

微控制器是智能移動電源的控制核心。智能移動電源設計采用的AT89C51 單片機是一種低功耗、高性能、以經(jīng)典MCS-51 為內核的微控制器，具備32 個I/O 接口，經(jīng)復位后，P0 ～ P3 是準雙向口，另有T0 ～T2 三組16 位定時器。微控制器通過USB 公頭由外界電源向VCC 供電，藍牙收發(fā)模塊分別通過TX/RX 兩個引腳與微控制器P3.0/RXD、P3.1/TXD 相連，從而實現(xiàn)藍牙模塊和微控制器之間的通信控制功能。微控制器接口與藍牙收發(fā)模塊連接如圖2 所示。

圖2 微控制器接口與藍牙收發(fā)模塊連接圖Fig.2 Connection diagram between microcontroller interface and Bluetooth transceiver module

2.2 語音控制模塊

語音控制模塊與存儲模塊連接后接入微控制器。語音控制模塊采用信號為REC-V2 的語音芯片來實現(xiàn)，其輸入端與麥克風或拾音器連接，用于獲取語音控制信號。語音芯片REC-V2根據(jù)獲取的語音識別出開燈關燈信號并發(fā)送至微控制器中，由微控制器實現(xiàn)LED 燈開關K1 的控制。利用語音模塊，可以使用“開燈”“關燈”等預設關鍵字實現(xiàn)燈光的聲控開啟和關閉。語音芯片可與微控制器集成在同一塊PCB 上，在殼體上設置拾音孔，內置麥克風經(jīng)引線與語音芯片相連。

語音控制模塊REC-V2 的引腳連接揚聲器，用于驅動揚聲器發(fā)出語音信號，揚聲器集成在殼體內壁上，經(jīng)殼體上設置的發(fā)音孔散播出語音信號。語音芯片支持SD 存儲卡，可以將音頻數(shù)據(jù)存儲在SD 卡中，使智能移動電源獲得支持音樂播放的功能。在殼體上設置SD 卡卡槽，卡槽內設置與SD 卡相適配的連接組件，當SD 卡插入卡槽內的連接組件后就可以實現(xiàn)SD 卡與芯片REC-V2 的連接。為了更好地適應音樂播放的控制功能，智能移動電源的殼體上設置與微控制器連接的按鍵模塊和顯示器。用戶可以通過按鍵模塊調節(jié)選擇需要播放的音頻文件并在顯示器上實時顯示，微控制器與音頻芯片REC-V2 通信交互數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)對于音頻文件的讀取播放控制。殼體內部的PCB 上集成設置ESP8266 WiFi 模塊和HC-06 藍牙模塊，WiFi 模塊和藍牙模塊與微控制器相連同時實現(xiàn)了和智能手機之間的即時通信。智能移動電源的語音控制模塊原理如圖3 所示。

圖3 智能移動電源的語音控制模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of the voice control module of the smart mobile power supply

2.3 發(fā)熱模塊

為了集成暖手寶功能，在智能移動電源殼體上設置與開關模塊K2 相連的發(fā)熱模塊。發(fā)熱模塊包括導溫片以及內嵌在導溫片內的發(fā)熱片。導溫片采用導熱硅脂等材料固定在殼體外表面形成導溫層。為了實現(xiàn)自動控制加熱的進程，在殼體上設置溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，其輸出端與微控制器連接。在微控制器上擴展紅外測距傳感器，通過手阻擋紅外測距傳感器產生信號，有效避免了智能移動電源發(fā)熱模塊的誤觸發(fā)，在溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度滿足條件時，微控制器控制開關模塊K2 閉合，對加熱片供電，從而實現(xiàn)暖手寶的功能。開關模塊K2 可以選用繼電器來實現(xiàn)。溫度控制原理如圖4 所示。

圖4 溫度控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of temperature control

2.4 藍牙模塊控制功能的軟件設計

為實現(xiàn)上述不同控制模式之間的轉換和功能實現(xiàn)，進行軟件設計，以藍牙模塊控制功能實現(xiàn)為核心的控制程序設計如下：

通過藍牙串口通信助手軟件給藍牙模塊發(fā)送一個字符串可實現(xiàn)程序中預定義的功能，通過打開對應的繼電器即可在開關燈、語音音樂、溫度控制等功能之間進行切換，給對應的繼電器一個恒定高電平，并返回“l(fā)ock successfully！”的鎖定成功字符串，則可確認當前功能的實現(xiàn)并反饋正常運行狀態(tài)。

3 智能移動電源樣機制作

樣機制作過程綜合考慮性能和成本，電子元器件和傳感器做如下選型。儲能模塊選用18650充電電池。充電電池通過電壓轉換電路為各模塊供電，18650 電池通過升降壓模塊分別連接微控制器、語音芯片等部件，并將電池電壓轉換成適應的電壓為其供電。經(jīng)過6009 升壓模塊將電壓升至9 V 以滿足ESP8266 WiFi 模塊、藍牙模塊的供電需求。語音模塊通過串口通信傳遞口令命令，由18650 電池組直接供電，開關K3 控制語音模塊通斷電狀態(tài)，實現(xiàn)對揚聲器供電的啟動和停止。開關K4 控制DS18B20 溫度傳感器通斷電狀態(tài)，通過感受外界溫度，改變輸出電壓，實現(xiàn)對發(fā)熱片既定溫度的補償調節(jié)。LED 燈的狀態(tài)共有聲控和手動兩種方式，聲控通過向語音控制模塊發(fā)出打開LED 燈的口令，控制繼電器閉合，導通LED 燈和電源接通；手動則是通過K3 開關來直接控制 LED 燈的亮滅，閉合 K3，LED 燈亮，打開 K3，LED 燈滅。

智能移動電源樣機的燈體外殼采用PLA 塑料，使用3D 打印設計制作而成，既兼顧了內部電路的走線和布局形態(tài)，又能實現(xiàn)燈體外殼的個性化定制，樣品中采用的月球燈的設計方案（見圖5）。

圖5 智能移動電源實物圖Fig.5 The physical picture of smart power

4 實驗結果

使用220 V 家用電源或汽車車載12 V 電源向智能移動電源充滿電后，智能移動電源即可通過USB 方式向外提供穩(wěn)定的電能輸出，在滿足距離和預設溫度的條件下，智能移動電源外殼發(fā)熱，起到暖手寶的效果，為了防止意外燙傷，可以在微控制器中預置程序，設定溫度上限65 ℃。LED 采用變光設計，可以使用聲控方式在黃、粉、綠、紅、白、藍等多種顏色之間進行切換（見圖6），在滿足充電寶功能的前提下，還能在寒冷的冬天和漆黑的夜晚為用戶帶去光明和溫暖。

圖6 智能移動電源LED 變光切換圖Fig.6 LED dimming switch diagram of smart mobile power

智能移動電源樣機在實驗過程中的主要測試數(shù)據(jù)和參數(shù)見表1。

表1 樣機試驗主要測試數(shù)據(jù)和參數(shù)Fig.1 The main data and parameters of the prototype test

在智能移動電源使用安全性能方面，電源總開關采用了額定電壓5 V 的配置，遠低于人體安全電壓36 V，不會造成用戶意外觸電的危險；充電電流的上限為2.5 A，高于1 A 和2.1 A 等常見手機USB 充電器的穩(wěn)定輸出電流，使用常見手機充電器即可對智能移動電源實施快速安全充電，不必擔心充電電流過大次生的充電風險；內置溫度傳感器，可以在微控制器中預置程序，設定65 ℃溫度上限，接近溫度上限時加熱系統(tǒng)強制停止工作，有效防止了用戶意外燙傷；控制電路中選用小容量電容，在低壓狀態(tài)下工作，意外過載情況下僅會造成小電容本身的擊穿，過載保護具有自限性，不會對電路板造成損傷。綜合看來，具有溫控聲控藍牙功能的拍拍燈智能移動電源能夠穩(wěn)定運行在預設功能區(qū)間，工作性能安全、穩(wěn)定、可靠。

5 結語

具有溫控聲控藍牙功能的拍拍燈移動電源包括殼體、儲能模塊、LED 燈、開關、微控制器（AT89C51 單片機）、語音、觸控、WiFi、紅外測距、溫控、發(fā)熱等模塊。在微控制器的統(tǒng)一協(xié)調控制下，能夠在傳統(tǒng)充電寶既有性能的基礎上擴展觸控、聲控LED 照明系統(tǒng)的開啟和調色、自動感知人體有效接觸后實施供暖、手機藍牙、WiFi 連接后的遠程控制、語音播報等方面的功能，其外形可根據(jù)用戶需求進行個性化的定制。該智能移動電源體積小、重量輕、便于攜帶、安全性能可靠，具有一定的實用價值。