基于壓電效應的智能控制廣場自發電系統

王超，張研，王文雨，邵琦，趙剛

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱，150040）

基于壓電效應的智能控制廣場自發電系統

王超，張研，王文雨，邵琦，趙剛

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱，150040）

本文介紹了一種基于壓電效應的智能控制廣場自發電系統，核心技術是通過壓電材料的壓電效應將機械能轉化為電能，并通過能量轉換模塊和能量儲存模塊將電能儲存于鋰電池中，給主控制器模塊即Arduino供電，主控制器模塊驅動燈光和音頻輸出模塊。整個裝置所需的電能都通過壓電效應產生，起到節能環保的作用。

壓電效應；能量轉換；能量儲存；Arduino

0 引言

隨著社會的發展，各行各業對于能源的需求越來越大。若只依賴于傳統能源例如煤、天然氣、石油等，因為其不可再生性，這些能源終將被耗盡。同時，傳統能源的開發以及消耗過程中也伴隨著環境污染等問題。因此，尋找并開發新能源是必要且迫切的。壓電發電技術的誕生符合新能源的環保、可再生要求，其發展受到越來越多的關注，應用也越來越廣泛。

基于對壓電發電技術的應用與探索，本文設計一種基于壓電效應的智能控制廣場自發電系統，采集廣場上健身人群對于壓電材料制地板踩踏所產生的機械能，利用壓電效應將其轉化為電能并通過能量收集裝置儲存起來，為控制模塊供電進而驅動照明裝置及音樂播放裝置。

1 系統硬件設計

本系統硬件部分包括五個模塊：發電裝置模塊、能量轉換模塊、能量存儲模塊、主控制器模塊、燈光及音頻輸出模塊。通過發電裝置模塊利用壓電材料將機械能轉化為電能，但此時得到是頻率不同的低交流電壓、微弱的電流，利用能量轉換模塊將這種頻率不同的交流電轉化為穩定直流電壓并將之升高到一定數值，通過能量存儲模塊將電量收集成為可供主控制器工作的直流穩壓電源。主控制器模塊通過燈光及音頻輸出模塊播放音樂并使燈光隨音樂節奏閃動以適宜廣場這種健身愉悅的環境。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

1.1 發電裝置模塊

壓電材料受到外力作用時會在兩端間出現電壓，在本系統中，發電裝置模塊采用常見的懸臂梁式壓電振子，并且為了使模塊的發電量提高使用壓電雙晶梁結構。人們在廣場上健身或者走動都伴隨著腳的抬起和落下，壓電振子在壓力作用下產生振動。由于壓電效應，這種振動的能量被轉化為頻率不同的低交流電壓和微弱電流。

1.2 能量轉換模塊

為了能將壓電裝置模塊所產生的交流電儲存起來，需要通過能量轉換模塊將交流電轉換為穩定的直流電壓。能量轉換模塊分為以下兩部分：整流濾波電路、直流升壓電路。

1.2.1 整流濾波電路

倍壓整流電路可以把較低的交流電利用耐壓較高的整流二極管和電容器，輸出一個較高的直流電壓。它利用二極管的整流作用，將電壓貯存在各自的電容上，然后按極性相加的原理串接起來，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路輸出的直流電壓波形還不夠好，因此需要濾波電路進行濾波以減小輸出電壓的紋波。在本系統設計中使用四倍壓整流電路，其電路上電容還起到濾波的作用，因此兼具整流和濾波的作用。

1.2.2 直流升壓電路

系統設計中選擇ME2111穩壓芯片，它是一款高效率同步整流升壓DC/DC轉換器，只需要三個外圍器件（兩個電容，一個電感）。它的啟動電壓低，0.95V以上就可以工作，效率達94%，輸出電壓精度為±2.5%。其輸出具有兩種模式：3.3V固定輸出和5.0V固定輸出。系統利用5V可調輸出電壓為能量儲存模塊充電。如圖2所示。

1.3 能量儲存模塊

系統采用HM4601芯片作為主控芯片，HM4601通過恒壓控制環和恒流控制環來調整鋰電池充電電壓和恒流充電電流，同時還集成了溫度保護、最大充電時間限制、輸出短路功能，兩個LED指示燈指示充電狀態。如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

1.4 主控制模塊

系統主控制器模塊采用Arduino uno作為主控制模塊，Arduino是一款使用方便的開源電子原型平臺，開發界面簡約、編程環境為Arduino IDE，下載程序簡單、方便。Arduino單片機采用Atemga328微處理器，同時具有14路數字輸入/輸出口，6路模擬輸入，一個16Mhz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。Arduino工作電壓為5V，由鋰電池提供。

1.5 燈光及音頻輸出模塊

音頻輸出模塊采用無源蜂鳴器，燈光模塊采用彩色LED燈，均連接至同一個單片機數字量輸出口使燈光跟隨輸出音樂的節奏亮滅，帶來不一樣的視聽體驗。

2 系統軟件設計

系統利用主控制器Arduino播放音樂并控制燈光隨音樂節奏有規律地亮滅，音樂是由若干音符組成，每一音符唯一對應一個頻率，Arduino播放音樂的原理就是將頻率輸出給無源蜂鳴器，因為無源蜂鳴器聲音頻率可控，因此無源蜂鳴器受到Arduino向其發送的特定頻率的方波驅動下，可以發出不同音調的聲音。

音樂是由音符組成，每個音符由音調和節奏決定。音調在物理上對應不同頻率的音波，因此可以通過Arduino數字量輸出口輸出不同頻率的方波來實現音調的不同，Arduino自帶的頭文件“pitches.h”中以宏定義的形式一一給出了音調與頻率的關系表，可以通過查表的方式確定Arduino數字輸出接口的輸出頻率。節奏表示每個音符都會播放一定的時間，音樂上，音符節奏為1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍，假設一拍音符時間為1，則半拍為0.5、1/4拍為0.25……。只有兼顧音調與節奏，才能演奏出音樂。編程分為三個步驟。

（1）通過頭文件“pitches.h”找到與音符音調對應的頻率，存入一個數組frequency[]中。

（2）確定音樂的節奏，將演奏時間存入一個數組duration[]中。

（3）frequency與duration連續賦值給Arduino自帶的Tone(pin,frequency,duration)函數，實現音樂的播放，同時LED隨接受方波頻率不同其亮暗也不同，隨音樂閃動。

3 結語

本文設計一種基于壓電效應的智能控制廣場自發電系統，壓電材料通過其壓電效應采集廣場上人群的機械能并轉化為電量，通過能量轉換、儲存裝置將能量儲存起來。供應給主控制器工作，用以播放音樂且隨著節奏調節LED的亮暗。對于本系統的音頻輸出模塊可以采用通過SD存儲卡與單片機之間的通信播放SD存儲卡中音樂的形式，那么播放音樂更加豐富靈活。同時本文對于壓電發電技術的應用與探索以及Arduino平臺在其他場合的應用也有一定的參考價值。

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The square from the power generation system based on the Piezoelectric effect

Wang Chao,Zhang Yan,Wang Wenyu,Shao Qi,Zhao Gang
(Collegeof Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang,150040)

This paper introduces the square from the power generation system based on the Piezoelectric effect.The system converts mechanical energy into electrical energy through the Piezoelectric effect,and stores the electrical energy in the lithium battery through the energy conversion module and the energy storage module.The lithium battery supplies power to the main controller module, Arduino.The main controller module drives the lighting and audio output modules.The entire device required by the power generated by the piezoelectric effect, play the role of energy saving and environmental protection.

Piezoelectric effect;Energy conversion;Energy storage;Arduino

國家級大學生創新創業訓練項目（201610225038）。