基于聲壓發(fā)電的KTV自給供電照明系統(tǒng)研究

段學(xué)濤 成思雨 李琦 張婕 許瀚予

摘要：本系統(tǒng)將聲壓發(fā)電技術(shù)、單片機(jī)屏、紅外感應(yīng)裝置、聲壓檢測(cè)裝置、無線數(shù)據(jù)傳輸GSM器聯(lián)系在一起。當(dāng)紅外裝置感應(yīng)到室內(nèi)有人時(shí)，利用蓄電池余量的電量自動(dòng)開啟照明燈，當(dāng)聲壓檢測(cè)裝置檢測(cè)到一定分貝的聲音時(shí)單片機(jī)控制發(fā)電裝置開啟，隨后通過穩(wěn)壓模塊將電儲(chǔ)存在蓄電池中，同時(shí)液晶顯示屏可顯示蓄電池電量及工作狀態(tài)，并將工作狀態(tài)反饋給前臺(tái)。本作品不僅可以降低部分噪聲，又可節(jié)省電能和成本。利用聲壓發(fā)電技術(shù)，利用噪聲發(fā)電自給娛樂場(chǎng)所內(nèi)的照明系統(tǒng)，迎合了高效節(jié)能、環(huán)保公益的新型社會(huì)的發(fā)展要求，響應(yīng)國家節(jié)能減排的理念。

關(guān)鍵詞：聲壓發(fā)電;紅外感應(yīng);無線數(shù)據(jù)傳輸GSM器;噪聲降低;節(jié)能減排

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，人民對(duì)于音樂消費(fèi)的需求不斷增大，但噪聲污染也隨之?dāng)U大，如果利用噪聲發(fā)電應(yīng)用對(duì)這些噪聲聲能進(jìn)行有效利用，可以起到一定的節(jié)能減排的作用。本作品將噪聲發(fā)電應(yīng)用于KTV 、酒吧等噪聲集中的娛樂場(chǎng)所，這些場(chǎng)所采用的噪聲控制和處理裝置成本較貴，于是本作品根據(jù)聲的振動(dòng)原理將噪聲的能量轉(zhuǎn)化，利用能量回收技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲能量的回收并用可回收蓄電池將電能儲(chǔ)存，用于該場(chǎng)所的照應(yīng)用技術(shù)、蓄電池充放電技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、GSM控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起。主要由聲壓發(fā)電材料、發(fā)電模塊換能器、鉛酸蓄電池、液晶顯示明燈，前臺(tái)可通過單片機(jī)和GSM模塊對(duì)本作品和照明燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)可收到系統(tǒng)的問題反饋以便及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，達(dá)到節(jié)能和智能控制的目的。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的基本組成包括發(fā)電模塊、充電模塊、儲(chǔ)能模塊、單片機(jī)主控模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊六個(gè)模塊。涉及到GSM、噪音發(fā)電等多種技術(shù)。

系統(tǒng)主要是利用噪音發(fā)電，在KTV等噪音較大的地方將噪音轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來，CPU主控模塊由MSP430F149單片機(jī)結(jié)合控制開關(guān)部分組成，在系統(tǒng)檢測(cè)到聲音信號(hào)達(dá)到一定程度后會(huì)自動(dòng)開啟噪音發(fā)電裝置，并將發(fā)電信息及時(shí)發(fā)送給前臺(tái)工作人員。

2 系統(tǒng)模塊選擇

2.1 CPU主控芯片

本系統(tǒng)主要采用MSP430F149芯片。MSP430F149是新一代16位高性能低功耗單片機(jī)，由于其性價(jià)比高價(jià)錢較ARM系列的處理器低許多，能高速運(yùn)行，集成度高，硬件內(nèi)部擁有精密乘法運(yùn)算器，具備具備多類存儲(chǔ)器件，能較好的進(jìn)行程序開發(fā)。MSP430F149具有64引腳的貼片式小型芯片，且外設(shè)拓展能力強(qiáng)，可作為工業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的主控CPU。

2.2儲(chǔ)能裝置

系統(tǒng)用的是鉛酸鐵鋰電池。

蓄電池可以反復(fù)使用，比同體積超級(jí)電容儲(chǔ)電量要大，價(jià)格相對(duì)鋰電池較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，安全性能高，容易回收，且具有電壓電流穩(wěn)定，可大電流放電，供電可靠、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)供電領(lǐng)域被廣泛使用。本設(shè)計(jì)選用12V7AH的鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。

在發(fā)電模塊正常工作時(shí)，先通過耦合電容濾波，再經(jīng)由開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2577—ADJ設(shè)計(jì)而成的升壓穩(wěn)壓電路，先將發(fā)電模塊輸出的電壓升到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓值+15V，升壓部分電路原理圖如圖3.3所示;再將輸出的直流電壓降壓至蓄能裝置的充電額定直流電壓+12V，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的充電過程。

2.3聲音傳感器

聲音傳感器的作用相當(dāng)于麥克風(fēng)，是一種聲-電轉(zhuǎn)換裝置，能將空間中的振動(dòng)的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流等模擬信號(hào)，通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可對(duì)其完成強(qiáng)度計(jì)算。本裝置采用電容式麥克風(fēng)，電容式麥克風(fēng)是指工作原理以及結(jié)構(gòu)跟電容一樣的麥克風(fēng)，聲源作用下，其中一極響應(yīng)聲波振動(dòng)，內(nèi)部電容發(fā)生改變，產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，對(duì)它進(jìn)行放大，在對(duì)其進(jìn)行測(cè)量可以得知電容變化，可知聲壓強(qiáng)度。

2.4噪音發(fā)電模塊壓電陶瓷片

壓電陶瓷片（piezoelectric ceramic piece）是一種結(jié)構(gòu)簡單，抗電磁干擾強(qiáng)，容易加工制作的同時(shí)具有有機(jī)無機(jī)壓電材料性能的高聚合復(fù)合材料產(chǎn)品。

現(xiàn)今壓電技術(shù)主要受材料的限制，壓電式聲電轉(zhuǎn)換器的制作成本高，單塊的聲電轉(zhuǎn)換壓電陶瓷材片價(jià)格比較高，聲音振動(dòng)作用于單片壓電陶瓷片上，而產(chǎn)生的電壓電流比較微弱，需要一定數(shù)量的同一型號(hào)聲電材料壓電陶瓷片并聯(lián)或串聯(lián)成大面積的聲音受體，才能在聲音振動(dòng)下產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，目前的新型壓電材料除了在一定的壓力作用下產(chǎn)生電荷，已經(jīng)能夠在超聲波、次聲波作用下產(chǎn)生較穩(wěn)定的電壓電流。由此系統(tǒng)結(jié)合聚偏氟乙烯（PVDF）壓電膜以及PZT5壓電陶瓷發(fā)電晶片設(shè)計(jì)一款壓電常數(shù)相對(duì)較好的微型聲電轉(zhuǎn)換器。

3.理論設(shè)計(jì)計(jì)算

通常在鉛蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，荷電態(tài)的電解液密度要求1.28-1.30g/cm3，當(dāng)其放出100%額定容量時(shí)又希望電解液密度為1.07-1.09g/cm3，這就要求電池中電解液總量至少必須滿足能夠維持電池在一定條件下放出其額定容量所必須消耗的電解液總量，因此鉛蓄電池的最低用酸量可根據(jù)電池反液壓方程式推到如下：

PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

根據(jù)電池充放電反應(yīng)的方程式，結(jié)合充放電態(tài)物質(zhì)各自的電化學(xué)當(dāng)量值可知，電池每放出1AH的電量，要消耗純的H2SO4 3.66g，生成水0.67g。

設(shè)放電開始時(shí)電池的電解液密度為ρ1（15℃），對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分比濃度為m%，放電終了時(shí)電解液密度為ρ2，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分比濃度為n%。當(dāng)電解液濃度由ρ1降到ρ2時(shí)，反應(yīng)開始時(shí)加入的密度為ρ1的酸的體積為Vml。則根據(jù)電池反應(yīng)式中每放出1AH電量所消耗的硫酸量為3.66g，生成水的質(zhì)量為0.67g，經(jīng)過方程式兩邊等值計(jì)算，整理得出鉛蓄電池中每放出1AH電量的最低用酸體積V的表達(dá)式為：

V=（3.66-2.99n）/[（m-n）ρ1]

如果設(shè)定電池荷電態(tài)的電解液密度為1.28g/cm3，放電態(tài)的電解液密度為1.08g/cm3，則將各自對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分比數(shù)值代入最低用酸體積V的表達(dá)式中可以得出放電容量為C的電池的最低用酸體積為：

V=（3.66-2.99*11.5%）/[（36.8-11.5）%*1.28]C=10.24C

10.24C就是在15℃下設(shè)定電池荷電態(tài)的電解液密度為1.28g/cm3，放電態(tài)為1.08g/cm3的最低加酸體積。

4.工作原理及其性能分析

系統(tǒng)的核心原理就是把KTV等噪音比較大的場(chǎng)所的噪音通過一定的裝置轉(zhuǎn)化為電能，然后供給其他需要用電的電器，以達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)可以通過聲壓的檢測(cè)來確定是否有必要打開發(fā)電裝置，以免在沒有必要的時(shí)候開著裝置，造成不必要的浪費(fèi)。發(fā)出的電能會(huì)儲(chǔ)存在蓄電池中，供給點(diǎn)歌臺(tái)等設(shè)備，在電池電量低于某個(gè)閥值的時(shí)候我們會(huì)自動(dòng)切換為外部供電，以保證電池的使用壽命。系統(tǒng)的發(fā)電情況也會(huì)通過無線模塊發(fā)送給前臺(tái)，工作人員可以通過手機(jī)端實(shí)時(shí)的查看系統(tǒng)的工作情況。

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