基于水流發電機的節能照明系統

王桂蘭++索怡宣++徐澤宇++佟猛++馬哲++郭萬民

摘 要：基于水流發電機的節能照明系統由水流發電機、蓄電池、光照傳感器、聲音傳感器、LED燈組成。通過電路設計，在有水流通過的時候，水流發電機進行發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。此系統可以應用在家庭或公共水房里，讓節能應用在實際生活中達到節能減排并方便人們生活的效果。

關鍵詞：水流發電；節能；傳感器

1 概述

目前在眾多學校、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應用，并沒有開發出其他的應用。對此，我們利用水流發電機、光照傳感器、聲音傳感器等模塊實現了一套利用水流壓力進行發電并提供給所在場所的燈具照明使用的系統。

2 總體設計方案

本系統由四大部分組成：發電單元、儲能單元、控制單元、感知單元。發電單元主要由水流發電機構成，負責將機械能轉化成電能；儲能單元由蓄電池構成，負責將電能存儲起來；控制單元由單片機構成，負責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，控制燈具的開啟關閉狀態。

將水流發電機安放在水流向下流動的管道上，當管道通過水流時，利用管道的水流驅動水流發電機，即機械能轉化成電能，將獲得的電能存儲在蓄電池中。光照傳感器檢測室內光線，當室內光線低于預設值，并且聲控開關檢測到聲音時，燈開啟；否則燈處于關閉狀態。系統框圖如圖1所示。

3 硬件設計

3.1 水流發電機模塊

水流發電機基于供水管道中的水流壓力來發電，其設置在水流經過的管道內。發電機由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成。由軸承及端蓋將發電機的定子、轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線的運動，從而產生感應電動勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流[1]。由于產生的電流電壓不穩定，后增加穩壓電路。本文采用5v水壓發電機，連接穩壓模塊和蓄電池。

3.2 光控開關模塊

此系統采用光照度傳感器（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（相當于1-65535lux）；（2）光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素燈、白光LED、日光燈）；（3）通過降低功率功能，實現低電流化[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。實現了實時采集光照強度的數據，接口簡單易用，液晶顯示器使用方便、體積較小，其反應速度靈敏。

3.3 聲控開關模塊

此系統采用CZN-15E傳聲器，傳感器內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容的變化，而產生與之對應變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉化成0-5V的電壓，經過A/D轉換被數據采集器接受。聲傳感器與STC89C52連接，當聲源大于60dB時，會輸出低電平給單片機I/O口。

3.4 單片機控制模塊

此系統采用的是STC89C52開發板，板子功能包括四位共陽數碼管、8個LED燈、復位按鈕、串口RS232接口及電平轉換芯片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 軟件設計

首先對系統進行初始化，通過聲音傳感器和光照傳感器采集數據，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，繼續循環；否則，一直循環。系統軟件流程圖如圖2所示。

5 測試與結果

將水流發電機與水龍頭相連，打開水龍頭，水流經過水流發電機，電機正常發電。發出的電可以正常供給蓄電池；經檢驗，蓄電池可以正常供電。依次給聲/光控LED燈模塊進行測試，只有當光線強度低于閾值并且聲音達到閾值時燈亮，其他情況均不亮。

6 結論

此系統達到了水資源再利用的目的，能有效的降低電能的損耗，基于水流發電機的節能照明系統有以下創新點：

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

（2）對照明燈具實行聲光雙重自動控制，使本系統智能更加節能。

（3）此系統結構簡單，易安裝，具有了很好的推廣性。

（4）后期養護簡便，維護要求低。

參考文獻

[1]王郎.多功能自來水充電發電節能系統[J].科學技術，2015，01.

[2]駱華，黃勇堅，劉偉，等.基于ZigBee和STM32的室內智能照明系統的設計[J].電子技術，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設計[J].機電一體化，2008，11.

作者簡介：王桂蘭（1995，11-），女，河北滄縣，河北農業大學，本科生，物聯網工程。