基于光伏發(fā)電的智能公園座椅設(shè)計(jì)

［摘 要］文章闡述了一種以光伏發(fā)電為基礎(chǔ)的智能公園座椅設(shè)計(jì)，其目的在于打造更為便捷且可持續(xù)的公園休閑體驗(yàn)。座椅主要依賴光伏太陽能板作為電力供應(yīng)，通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)座椅電量的自給自足。這款智能公園座椅具備多項(xiàng)實(shí)用功能，包括有線及無線充電設(shè)施。用戶可利用座椅配備的無線充電器為手機(jī)等電子設(shè)備充電，省去充電線的繁瑣，提供更便捷的充電方式。此外，座椅還配備語音識(shí)別助手，用戶可通過語音指令與座椅互動(dòng)。語音識(shí)別助手能提供公園相關(guān)信息，如景點(diǎn)介紹、活動(dòng)安排等，為游客提供更優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)覽服務(wù)。為確保用戶的使用體驗(yàn)，座椅還具備照明功能，提供充足的照明，提升使用的便利性和安全性。通過運(yùn)用光伏發(fā)電技術(shù)，這款智能公園座椅實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)能源的利用，降低了對(duì)傳統(tǒng)電力的依賴。座椅的多功能設(shè)計(jì)為公園游客提供了更為便利和舒適的休閑體驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)理念將為公園提供一種智能化、環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

［關(guān)鍵詞］光伏發(fā)電；公園座椅；智能；單片機(jī)

［中圖分類號(hào)］TK81 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）05–0029–03

1 總體設(shè)計(jì)

太陽能智能座椅的設(shè)計(jì)主要分為光伏發(fā)電模塊、語音模塊、無線充電模塊、有線充電模塊、顯示模塊、電源管理模塊及照明模塊。

本設(shè)計(jì)方案旨在高效利用光伏太陽能發(fā)電技術(shù)，通過電源管理系統(tǒng)為鋰電池儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)提供電力，并進(jìn)一步將鋰電池輸入電壓升至5 V，以供電給單片機(jī)、充電裝置、顯示裝置、語音裝置及照明裝置。設(shè)計(jì)要求如下：①優(yōu)化太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效供能；②確保通信傳感器高效收集聲音；③無線與有線充電模塊共同滿足充電需求；④照明與語音裝置實(shí)現(xiàn)便捷控制；⑤系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可長期使用；⑥座椅上方設(shè)避雨設(shè)施，增加使用場景多樣性。

以上設(shè)計(jì)方案旨在滿足功能需求，確保穩(wěn)定可靠，提供便捷高效體驗(yàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選型

針對(duì)太陽能智能座椅整體系統(tǒng)需求，本方案采用了2 塊單片機(jī)。

通過Arduino UNO 單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，涵蓋充電模塊、顯示模塊及語音模塊。

在照明模塊方面，單獨(dú)采用Arduino NANO 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。

2.2 語音模塊

本設(shè)計(jì)基于WEGASUN-M6 語音模塊，打造了一款太陽能智能公園座椅，實(shí)現(xiàn)語音控制功能，適用于日常生活和公園場景，提供便捷舒適的體驗(yàn)。座椅設(shè)計(jì)全部采用語音控制，實(shí)用性強(qiáng)。使用板載LED 時(shí)，3 個(gè)腳懸空，LED 亮起時(shí)引腳為低電平。測試時(shí)，啟動(dòng)調(diào)試后，2 個(gè)LED 燈同時(shí)亮起。

2.3 DC/DC升壓模塊

太陽能智能座椅設(shè)計(jì)中，考慮到太陽能資源的隨機(jī)性，電池板發(fā)電效果存在不確定性。日出日落時(shí)，電池板電壓較低，發(fā)電量小。正午時(shí)，電壓較高，發(fā)電量大。直接使用不穩(wěn)定電壓為鋰電池充電會(huì)損害電池，縮短壽命。因此，為確保鋰電池的安全與持久使用，在充電過程中必須采用穩(wěn)定電壓。

設(shè)計(jì)過程中，采用升壓電路模塊MT3608，將單節(jié)鋰電池電壓提升至約5.5 V，最大輸出電流約300 mA。MT3608是6腳封裝的DC/DC 升壓集成電路，內(nèi)置MOS 場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，簡化了外圍電路設(shè)計(jì)。輸出電壓與電阻阻值相關(guān)。

2.4 手機(jī)充電模塊

太陽能智能座椅配備了手機(jī)及各類電子產(chǎn)品的充電設(shè)施，包括有線充電和無線充電兩種方式。

（1）有線充電模塊。座椅上設(shè)有USB 充電母座，與DC/DC 升壓模塊的輸出端相連。最大電壓為5～5.1 V，最大電流為2 A，實(shí)測最大功率為10 W。在實(shí)測過程中，最大電壓穩(wěn)定在5.1 V，電流穩(wěn)定在1.5 A左右，功率穩(wěn)定在7.7 W 左右，可滿足市面上所有型號(hào)手機(jī)的充電需求。

（2）無線充電模塊。磁波能量傳輸實(shí)現(xiàn)無線充電，這一設(shè)計(jì)無需電線連接，有助于推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，節(jié)省成本，提高充電便利性和速度。本設(shè)計(jì)采用電磁諧振技術(shù)，使用DC 5 V、2 A 輸入的無線充電模塊，為支持無線充電的移動(dòng)電話充電。

太陽能智能座椅的手機(jī)無線充電模塊優(yōu)勢如下：①輕薄小巧，座椅空間占用少；②發(fā)射端使用220 V交流電；③接收端穩(wěn)定輸出5 V直流電，額定電流0.5 A；④額定狀態(tài)下，無線充電系統(tǒng)傳輸效率高；⑤發(fā)射端在無接收或無需充電時(shí)，自動(dòng)待機(jī)；⑥待機(jī)功耗較低。

2.5 太陽能充電管理模塊的選型

太陽能智能座椅設(shè)計(jì)中，為滿足便攜、無線、低功耗需求，需選用大容量、續(xù)航強(qiáng)的鋰電池。電源管理電路包括充電、保護(hù)及電壓轉(zhuǎn)換3 部分，確保座椅穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

鋰電池充電電路方面，采用了MAX1555 芯片，并結(jié)合相應(yīng)的電阻和電容來實(shí)現(xiàn)。鋰離子電池保護(hù)電路則由 FS8820P 電池保護(hù)芯片、電阻及電容共同構(gòu)成。

2.6 太陽能光伏板的選型

目前常見的太陽能光伏板包括單晶硅和多晶硅。

選擇光伏電池前，需計(jì)算其功率。光伏電池的功率計(jì)算如下：故選擇最小功率為1 W、鋰電池電壓為12 V、規(guī)格為60 mm×110 mm、工作電壓5 V、短路電流1 A、功率為1 W 的單晶硅太陽能光伏板，2 塊并聯(lián)，能加大電流，具有高轉(zhuǎn)化率、高效率輸出的特點(diǎn)，弱光效果好。

2.7 鋰電池的選型

在設(shè)計(jì)太陽能智能座椅時(shí)，選擇電池充電速度快、使用時(shí)間長、功率密度較高、體積小的鋰離子電池。

假設(shè)最大連續(xù)陰雨天數(shù)為4 d， 采用鋰電池， 轉(zhuǎn)換效率為90%， 工作時(shí)長為24 h， 放電深度為80%。選用兩塊1 W 太陽能電池板并聯(lián)， 一塊3.7 V、10 000 AH 鋰電池。鋰電池型號(hào)為3.7 V、10 000 MAH，共兩節(jié)，分別供電給語音模塊和照明裝置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

太陽能智能座椅整體系統(tǒng)正常供電時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，Arduino 單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)檢測，當(dāng)檢測到信號(hào)時(shí)顯示模塊進(jìn)行運(yùn)行，當(dāng)發(fā)送聲音信號(hào)時(shí)Arduino 單片機(jī)在一定范圍內(nèi)檢測到信號(hào)，接下來執(zhí)行指令，如果信號(hào)較遠(yuǎn)或者模糊不清，系統(tǒng)重新進(jìn)行尋找。

3.2 WEGASUN-M6語音模塊程序設(shè)計(jì)

為提升居民生活品質(zhì)，本設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程語音控制，可實(shí)現(xiàn)燈具操控與語音對(duì)話功能。通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)照明、供電及語音對(duì)話，具備一定實(shí)用價(jià)值。雖然語音識(shí)別技術(shù)不斷進(jìn)步，詞匯量及語氣識(shí)別產(chǎn)品日益豐富，但現(xiàn)有系統(tǒng)距理想完美系統(tǒng)尚存距離。

在程序啟動(dòng)之初，需先初始化外設(shè)等配置，隨后對(duì)語音識(shí)別模塊進(jìn)行上電初始化。隨后配置照明模塊協(xié)議，包括數(shù)據(jù)讀寫與控制函數(shù)聲明與調(diào)用。進(jìn)入無限循環(huán)后，系統(tǒng)會(huì)不斷檢測語音識(shí)別串口的接收值。一旦接收到計(jì)時(shí)指令，語音識(shí)別模塊即通過串口向單片機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，主函數(shù)掃描判斷后啟動(dòng)計(jì)時(shí)。若接收到語音對(duì)話指令，同樣通過此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)話功能。

本設(shè)計(jì)力求實(shí)現(xiàn)更智能、便捷的生活體驗(yàn)，雖現(xiàn)有系統(tǒng)仍有不足，但隨技術(shù)不斷進(jìn)步，相信未來能實(shí)現(xiàn)更完美的語音識(shí)別與控制功能，為居民帶來更優(yōu)質(zhì)的生活享受。

3.3 無線充電模塊程序設(shè)計(jì)

隨著智能設(shè)備的日益普及，以及屏幕尺寸擴(kuò)大，導(dǎo)致耗電量、充電需求越來越大。在旅行或休閑娛樂時(shí)，智能設(shè)備電量不足是常見問題。因此，太陽能智能座椅配備充電裝置非常必要。除了有線充電USB接口，還增加了無線充電功能，提高了傳輸效率，為居民出行和休閑娛樂帶來便利。

3.4 顯示模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LCD1602 顯示屏。控制顯示的過程包括將構(gòu)成顯示圖像的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)寄存器，然后將指令放入指令寄存器。

4 實(shí)物模型搭建

軟硬件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行實(shí)物模型搭建以驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。通過實(shí)際操作和實(shí)時(shí)監(jiān)測，檢查各部分功能能否實(shí)現(xiàn)，語音模塊電路連接是否正常，語音控制燈的靈敏度和公園詳情解答功能是否有效，字節(jié)過長是否能錄入語音程序，以及燈是否能及時(shí)開關(guān)。

當(dāng)靠近通訊傳感器時(shí)，發(fā)出“在嗎”指令，系統(tǒng)會(huì)回復(fù)“在的”。在感應(yīng)范圍內(nèi)發(fā)出“開燈”指令時(shí)，語音模塊控制系統(tǒng)應(yīng)接收指令，并通過433 無線通訊傳感器在照明模塊上接收指令。太陽能智能座椅頂部的4 個(gè)LED 鋁基板燈應(yīng)通過單片機(jī)控制并執(zhí)行指令，燈亮表示系統(tǒng)正常運(yùn)行。

uKTtTNwUMSKu0plokNFG4ifqCrtfRdida1er0Hbr4ws=完成語音模塊硬件調(diào)試以后進(jìn)行軟件調(diào)試。

第一步：給語音識(shí)別模塊設(shè)置詞條和反饋語文本。

詞條：@WriteKeywords# 開燈 001| 交通信息018|$ 反饋語文本：@WriteFlashText#|001 馬上開燈|018 乘坐一路、七路、十七路等多路公共汽車可到紅山公園。

第二步：設(shè)置模塊識(shí)別模式為“對(duì)話模式”方便測試。

指令：@AsrMode#1$。

第三部：設(shè)置模塊“返回值輸出格式”為“單子節(jié)輸出”格式。

指令：@AsrReturn#0$。

第四步：用KeilC51編譯器編譯源碼，再把HEX文件下載到51 單片機(jī)中。

語音模塊的Arduino UNO 單片機(jī)程序調(diào)試過程先打開WEGASUN-M6語音識(shí)別專家V1.70這個(gè)軟件。打開串口，再進(jìn)行尋找并上傳源碼在目錄，下一步打開串口。

第五步：錄入語音字節(jié)，看文本格式顯示是否有誤。

第六步：測試。

（1）喊“開燈”，回答“馬上開燈”。

（2）喊“交通信息”，回答“乘坐一路、七路、十七路等公共汽車可到紅山公園”。

第七步：測試正常。

Arduino UNO 單片機(jī)程序需要在Arduino 軟件上進(jìn)行調(diào)試。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的智能公園座椅基于光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)自給自足，降低對(duì)傳統(tǒng)電力的依賴。座椅提供便捷充電方式和語音識(shí)別助手等實(shí)用功能，為游客提供便利舒適的休閑體驗(yàn)。這一設(shè)計(jì)理念為公園提供智能化、環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展的解決方案，運(yùn)用光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源利用，符合綠色環(huán)保理念。

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