王桂蘭++索怡宣++徐澤宇++佟猛++馬哲++郭萬民

摘 要：基于水流發(fā)電機的節(jié)能照明系統(tǒng)由水流發(fā)電機、蓄電池、光照傳感器、聲音傳感器、LED燈組成。通過電路設(shè)計，在有水流通過的時候，水流發(fā)電機進行發(fā)電并存儲在蓄電池中，對燈具實行聲光自動控制，且將蓄電池中的電量來供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洗衣服或者供家庭用水等傳統(tǒng)應(yīng)用，并沒有開發(fā)出其他的應(yīng)用。對此，我們利用水流發(fā)電機、光照傳感器、聲音傳感器等模塊實現(xiàn)了一套利用水流壓力進行發(fā)電并提供給所在場所的燈具照明使用的系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計方案

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

將水流發(fā)電機安放在水流向下流動的管道上，當(dāng)管道通過水流時，利用管道的水流驅(qū)動水流發(fā)電機，即機械能轉(zhuǎn)化成電能，將獲得的電能存儲在蓄電池中。光照傳感器檢測室內(nèi)光線，當(dāng)室內(nèi)光線低于預(yù)設(shè)值，并且聲控開關(guān)檢測到聲音時，燈開啟；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

3.1 水流發(fā)電機模塊

水流發(fā)電機基于供水管道中的水流壓力來發(fā)電，其設(shè)置在水流經(jīng)過的管道內(nèi)。發(fā)電機由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成。由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過接線端子引出，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，連接穩(wěn)壓模塊和蓄電池。

3.2 光控開關(guān)模塊

此系統(tǒng)采用光照度傳感器（BH1750FVI），此傳感器是一個光電集成傳感器，其主要特點如下：（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）通過降低功率功能，實現(xiàn)低電流化[2]。傳感器與STC89C52單片機連接，單片機主控電路判斷是否滿足閾值，若滿足，則電路接通。實現(xiàn)了實時采集光照強度的數(shù)據(jù)，接口簡單易用，液晶顯示器使用方便、體積較小，其反應(yīng)速度靈敏。

3.3 聲控開關(guān)模塊

此系統(tǒng)采用CZN-15E傳聲器，傳感器內(nèi)置一個對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，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應(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，會輸出低電平給單片機I/O口。

3.4 單片機控制模塊

此系統(tǒng)采用的是STC89C52開發(fā)板，板子功能包括四位共陽數(shù)碼管、8個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，該單片機是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

首先對系統(tǒng)進行初始化，通過聲音傳感器和光照傳感器采集數(shù)據(jù)，判斷光照強度是否小于閾值并且是否有聲音，若滿足條件，燈開啟，延時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 測試與結(jié)果

將水流發(fā)電機與水龍頭相連，打開水龍頭，水流經(jīng)過水流發(fā)電機，電機正常發(fā)電。發(fā)出的電可以正常供給蓄電池；經(jīng)檢驗，蓄電池可以正常供電。依次給聲/光控LED燈模塊進行測試，只有當(dāng)光線強度低于閾值并且聲音達(dá)到閾值時燈亮，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)電機的節(jié)能照明系統(tǒng)有以下創(chuàng)新點：

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

（2）對照明燈具實行聲光雙重自動控制，使本系統(tǒng)智能更加節(jié)能。

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

（4）后期養(yǎng)護簡便，維護要求低。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]郭強，劉志峰，張愛平，等.基于STC89C52單片機的智能交通燈控系統(tǒng)設(shè)計[J].機電一體化，2008，11.

作者簡介：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。