組合式智能野外探測(cè)系統(tǒng)

張春光

摘要：本文主要是為野外探險(xiǎn)業(yè)余愛(ài)好者和職業(yè)野外探險(xiǎn)者進(jìn)行設(shè)計(jì)的。組合式野外探測(cè)系統(tǒng)包括超聲波探測(cè)系統(tǒng)，鋰電池手電筒，工兵鏟和太陽(yáng)能電池板。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;鋰電池手電筒;超聲波探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）01-0121-01

1 設(shè)計(jì)思路

組合式野外探測(cè)系統(tǒng)主要由電能供給系統(tǒng)、工兵鏟、鋰電池筒和超聲波探測(cè)系統(tǒng)組成。太陽(yáng)能電池板為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。電筒一方面具有儲(chǔ)存電能的作用，另一方面具有在夜晚照明的功能。由于野外地形和環(huán)境等多方面因素的影響下無(wú)法判斷一些崎嶇路段的狀況。這時(shí)就需要超聲波探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量出路段的距離給野外行動(dòng)提供更加標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)。減少不幸的事件發(fā)生提高野外的安全性和可靠性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要有以下功能

太陽(yáng)能電池板可以在白天吸收太陽(yáng)能，然后將其轉(zhuǎn)化為電能供組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的其他電子設(shè)備使用。鋰電池電筒可以在電量充足的情況下在野外充分發(fā)揮作用，由于使用太陽(yáng)能充電，節(jié)能環(huán)保。工兵鏟在野外可以發(fā)揮鏟、鋸、撬棍（刺），刀、鎬的功能，提升野外生存能力和自我保障能力。超聲波探測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量為崎嶇危險(xiǎn)路段的行動(dòng)提高更加準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，有了超聲波探測(cè)系統(tǒng)不僅可以提高野外探險(xiǎn)的便攜性，而且可以提升探險(xiǎn)愛(ài)好者們的人身安全。

組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的電能供應(yīng)選擇了太陽(yáng)能[1]，因?yàn)樵陔娏┙o不方便的野外，太陽(yáng)能作為一種易于采集的能源是我們的最好選擇。就目前來(lái)看主要有以下幾個(gè)類(lèi)型。

太陽(yáng)能電池板的工作原理是：由p-n結(jié)接受太陽(yáng)輻射能量，在p-n結(jié)上形成電子對(duì)。在電子產(chǎn)生的電場(chǎng)下，電子從p端流動(dòng)到n端，而其中的其他物質(zhì)從n端移動(dòng)到p端。這時(shí)將太陽(yáng)能電池板接入電路，就會(huì)產(chǎn)生電能[2]。太陽(yáng)能電池利用其材料的特殊性將接收到的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)太陽(yáng)輻射到太陽(yáng)能電池上被太陽(yáng)能電池吸收后，在p端和n端之間就會(huì)產(chǎn)生電子。可以在p端和n端連接萬(wàn)能表，這就解決了電源的問(wèn)題[3]。

2.1 太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池是一種吸收太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的元件。為了滿(mǎn)足野外探測(cè)對(duì)穩(wěn)定性的要求我們選擇了相對(duì)安全可靠的機(jī)械式逐日軌跡自動(dòng)追蹤發(fā)電設(shè)備。其能夠隨太陽(yáng)光的移動(dòng)方向，隨時(shí)對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行調(diào)整使其能最大限度的吸收太陽(yáng)輻射能量。它由機(jī)械支架，計(jì)算組件，電控組件和光感應(yīng)器組成。光感應(yīng)器感受陽(yáng)光照射的角度變化后將所接受的信息傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出太陽(yáng)光照射的方向與軌跡后給控制系統(tǒng)發(fā)出指令，由電控組件對(duì)支架做相應(yīng)移動(dòng)來(lái)追隨陽(yáng)光。

2.2 工兵鏟

在野外，由于受到環(huán)境和地形的影響，所以常規(guī)的鏟類(lèi)工具已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足野外的使用。組合式野外探測(cè)系統(tǒng)選擇了軍隊(duì)和特種部隊(duì)使用的工兵鏟。

鋰電池電筒與組成原理：由于LED的發(fā)光原理與傳統(tǒng)白熾燈的原理差別很大，所以其產(chǎn)生的熱量會(huì)非常的小，從而不會(huì)有過(guò)熱的情況發(fā)生。相對(duì)于白熾燈而言，LED燈采用無(wú)毒材料制作而成，可以多次使用，節(jié)能環(huán)保。由于其封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里，其結(jié)構(gòu)非常的的堅(jiān)固。劇烈的運(yùn)動(dòng)也不會(huì)使LED產(chǎn)生松動(dòng)，滿(mǎn)足了組合式野外探險(xiǎn)系統(tǒng)對(duì)其穩(wěn)定性的要求。LED的功耗非常的低，且亮度也很高，在野外使用非常的方便。

電筒不僅具有照明的作用，而且具有儲(chǔ)存電的功能，因?yàn)槠洳捎玫母呔酆隙鹊?8650鋰電池，在滿(mǎn)足輕便要求的同時(shí)，能夠?qū)㈦娏勘４嫫饋?lái)。在接受太陽(yáng)輻射能量強(qiáng)的時(shí)侯，太陽(yáng)能電池板可以將太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)化為電能以用于超聲波探測(cè)系統(tǒng)的供電和其自身調(diào)節(jié)機(jī)制的需求，剩余部分則儲(chǔ)存于電筒電池之中，用于夜晚使用。

3 超聲波探測(cè)系統(tǒng)

3.1 超聲波系統(tǒng)原理

相較與計(jì)算機(jī)而言，單片機(jī)的體積非常小，只需要一小部分空間就能安裝。并且其制作簡(jiǎn)單，應(yīng)用成本也非常的低。符合組合式野外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的便攜性和可靠性。因此超聲波探測(cè)系統(tǒng)的控制部分選用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制。單片機(jī)選擇了容易使用，性?xún)r(jià)比合理的51單片。控制原理為由單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出超聲波，然后接收超聲波遇到物體而返回的反饋波。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，有幾個(gè)重要的因素會(huì)影響其最終測(cè)量值：首先是接收器的靈敏度。靈敏度的不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。第二個(gè)就是反射的質(zhì)地。超聲波的反射在經(jīng)過(guò)不同的質(zhì)地時(shí)反射回來(lái)的反饋是不同的，從而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。第三個(gè)就是入射超聲波和反射超聲波之間夾角。本系統(tǒng)是通過(guò)超聲波傳出之后遇到障礙物反饋而計(jì)算的。在遇到障礙物之后由于與障礙物接觸面不同從而導(dǎo)致入射超聲波和反饋超聲波的夾角不同，使測(cè)量結(jié)果發(fā)生改變。最后就是超聲波的幅度，不同幅度的超聲波其速度和方向等一些其它性質(zhì)不同，從而使測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化。

超聲波探測(cè)系統(tǒng)接收電路由鎖相環(huán)電路，傳感器和放大電路組成。在收到特定的信號(hào)時(shí)。將會(huì)由鎖相環(huán)電路發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)。起到中斷作用。傳感器的作用是傳導(dǎo)信號(hào)。而由于傳感器的接收的信號(hào)會(huì)很弱，不能夠發(fā)揮其作用，所以由放大電路進(jìn)行放大從而使電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 超聲波探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)復(fù)雜的野外環(huán)境，便攜性、穩(wěn)定性的要求，內(nèi)部元器件的選取與設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足以下特性。

高集成度：較高的元器件設(shè)計(jì)集成度能使組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更精簡(jiǎn)，在滿(mǎn)足必須功能需求的同時(shí)滿(mǎn)足輕便易攜的特性。

高可靠性：野外苛刻的使用條件使我們的設(shè)計(jì)產(chǎn)品必須有較高的可靠性，若是極易損壞，則不能滿(mǎn)足我們的使用要求。

由于組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常特殊，多為野外使用，因此其外形設(shè)計(jì)不應(yīng)過(guò)分臃腫，要輕便易攜，我們將其設(shè)為背負(fù)的形式，這樣更有利于組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)主要包括了太陽(yáng)能電池板，鋰電池電筒，工兵鏟和超聲波探測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于愛(ài)好野外探險(xiǎn)的冒險(xiǎn)者，使用組合式野外探測(cè)系統(tǒng)可以讓他們?cè)谝巴馓诫U(xiǎn)的過(guò)程中減少很多的負(fù)擔(dān)，讓他們?cè)谝巴飧拥姆奖憧旖荨Ｓ捎谟刑?yáng)能電池板的存在可以在沒(méi)有電源的野外中充分發(fā)揮鋰電池手電筒的作用，使他們?cè)谄岷诘牡囊雇碛凶銐虻奶剿髂芰妥晕冶Ｗo(hù)能力。組合式野外探測(cè)系統(tǒng)還有一些能夠拓展的地方，可以在系統(tǒng)之中添加sos求救系統(tǒng)，也可以在其中增加探礦設(shè)備。探測(cè)礦源大多數(shù)在地形復(fù)雜的山溝，礦洞進(jìn)行，大多數(shù)情況下光線(xiàn)較弱。這時(shí)組合式野外探測(cè)系統(tǒng)的鋰電池電筒就會(huì)起到很大的作用，而且本系統(tǒng)中的工兵鏟和超聲波探測(cè)系統(tǒng)也能夠?yàn)閺?fù)雜環(huán)境的行動(dòng)增加了很多的方便性和安全性。

參考文獻(xiàn)

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