CN111697875A - 一种公共场所人流踩踏压力与噪声能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，包括能量输入单元、能量存储单元、能量输出控制单元。采用LTC‑3588能量收集模块收集微弱能量并输出给电能存储单元，实现对压电陶瓷片产生的电能进行充分收集；采用自动升降压模块是对超级电容中的电能进行充分利用；采用MSP430主控芯片，是由于其低功耗模式在其系统处于未工作状态能够大幅度减小能量损耗；在显示屏和按键组成的人机交互系统中，根据不同的外界环境，通过按键调节显示屏中各种检测数据，在实现完整功能的同时也能降低整个系统的输出功耗，来达到节能的目的。本发明的有益效果：对各个单元的进行电路设计及模块选型，在保证整个系统能完整实现功能的条件下，使得电能输出功耗降低。

Description

一种公共场所人流踩踏压力与噪声能量收集装置

技术领域

本发明属于压电原理能量收集装置系统，尤其是一种利用新型压电陶瓷片发电并通过各种降损电能技术缓解公共场所用电的装置。

背景技术

根据世界发展的现状，由于人口压力造成了资源短缺现象，尤其是将来人类必须面对天然能量资源枯竭的问题，使得如今从事能源领域的技术人员一直在寻找一种可替代天然矿产能量不可再生资源的可再生能源，如：研发更高效环保的太阳能板、风力发电、潮汐发电、探索可控核聚变的可行方式……等。目前，压电陶瓷片已经出现以及在工业生产制造生产中各个领域中出来了，根据压电材料的正压电效应，其可将其上的受到的压力与机械形变将机械能转换为电能，而产生的能量是一种可再生能源，此能源用于公共场所，能有效缓解我国公共能源的部分紧缺问题。

目前，现有的压电发电装置的电量收集主要利用二极管整流电路或许效率较低的能量管理芯片，此外在存储收集好的能量在利用上并没有进行完整的低功耗处理和利用。而本发明中采用了超低功耗的LTC-3588能量收集芯片，启动电流极低，能够很好地收集来自压电陶瓷片的交流电量。同时我们采用的MSP430单片机具备超低功耗模式，根据外界环境的不同，同时采用智能化的人机交互系统调整各种检测数据，最后通过程序以及相关硬件的调整，可以将电能损耗降至最低，尽量延长用电设备的使用时间。

发明内容

为了克服以上所述的问题，本发明公开了一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置。本发明的技术方案是：一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，包括能量输入单元、能量存储单元和能量输出控制单元三部分。其中发电装置分为两种，一种为四块压电陶瓷片组成的可供人流踩踏的压电平面，其二是基于亥姆霍兹共鸣器吸收噪声进行发电的噪声发电装置，压电陶瓷片与能量收集模块收集端相连，能量收集模块输出端与超级电容相连，并串联二极管防止充进超级电容的电流逆流。超级电容经稳压后对MSP430主控模块、红外热释电模块、语音播报模块、光强传感器模块、显示模块、电量检测模块等供电。超级电容同时也通过继电器模块直接给大功耗器件供电完成需要的电能输出。主机单元包括MSP430微控制器、语音播报模块、蜂鸣器模块、红外热视点模块、光强传感器模块；能量收集单元包括压电陶瓷片、噪声发电模块、LTC-3588能量稳定收集模块、超级电容储能模块。压电瓷片和噪声发电片与2588能量收集模块收集端相连，2588能量输出端与超级电容相连。超级电容经稳压后对MSP430、语音播报模块、蜂鸣器模块、红外热释电模块、光强传感器模块供电。超级电容也可直接给需要供电的大功耗原件供电完成需要的电能输出。

在本发明中，所述的一种基于人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征是：所述的发电设备包括两种，利用四块压电陶瓷片制成可踩压的平面以及根据亥姆霍兹声共振原理制成亥姆霍兹共鸣器用于发电和吸收噪声。噪声发电部分则是在共鸣腔内合适位置安装压电陶瓷片，由于声音共振，共鸣腔内的压电陶瓷片会产生形变，从而使装置产生交流电。因此两者结合制成发电装置，给系统提供电能。

在本发明中，所述的一种基于人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征是：

所述的LTC-3588能量收集模块将交流电整流后，其电压稳定输出端直接与超级电容相连，实现电能的存储。

在本发明中，所述的一种基于人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征是：所述外部传感器包括光强传感器、感应人体的红外热释电传感器以及检测电量模拟电压的AD转换器。

在本发明中，所述的一种基于人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征是：所述的电量检测模块、红外热释电模块、光强传感器模块组成检测部分，语音播报、继电器模块组成电能主要输出部分，显示模块、按键模块组成人机交互部分直接和MSP430单片机相连。

在本发明中，所述的能量收集模块，其特征是：所述的LTC-3588能量收集模块将压电材料产生的不稳定的交流电进行滤波处理、整流处理、稳压处理后转换成稳定5V直流电能进行输出，模块中还有可供选择的其他输出电压以适应不同储能设备的需求。

在本发明中，所述的显示模块与按键模块组成的人机交互系统，其特征是：所述的显示屏中显示光照强度、储能设备电量、附近是否存在感应目标等相关信息，同时通过AD转换器将模拟量转换为数字量显示在显示屏上，由于环境不同，可通过按键调节各个模拟量的阈值以适应不同的环境，从而降低系统的能量损耗。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构框图

图2为本发明的主控模块实施例框图

图3为本发明的能量收集模块实施例框图

图4为本发明的光敏传感器电路实施例框图

图5为本发明的储能设备电量检测电路实施例框图

图6为本发明的继电器控制电路实施例框图

图7为本发明的自动升降压电路实施例框图

图8为本发明的稳压电路实施例框图

图9为本发明的语音播报模块实施例框图

图10为本发明的OLED显示模块实施例框图

图11为本发明的矩阵按键实施例框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图，图1是本发明的总体系统框图，一种公共场所人流踩踏压力与噪声能量收集装置，包括能量输入单元、能量存储单元、能量输出控制单元三部分。能量输入单元的电能通过能量存储单元的超级电容存储起来；能量存储单元的能量给能量输出控制单元的控制部分以及用电设备供电，同时能量输出控制单元的主控部分控制继电器模块的吸合与关闭，结合各种传感器电路控制以及单片机的超低功耗模式对用电设备进行智能化控制，以达到节能且耗能少的目的。

附图2是本发明的主控模块实施例框图，所述的主控芯片采用MSP430F149芯片，该芯片用于将传感器采集的信号进行处理、AD转换、继电器控制、数据传输、显示屏显示、电源电量管理等功能；单片机XIN、XOUT与XT2IN、XT2OUT分别于8M晶振、32K晶振相连；P6.3、P6.4分别于电量检测电路相连；单片机P3.2、P3.3、P4.0分别与继电器1、2、3相连；单片机P3.4、P3.5与语音播报模块相连；P5.4、P5.3、P5.2、P5.1、P5.0与OLED显示屏相连；单片机P1.7与红外热释电输出口相连；单片机P4.1、P6.5与光敏检测模块电平输出口相连；单片机P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P4.6、P4.7与按键模块相连。

附图3是本发明的能量收集模块实施例框图，所述的能量收集电路通过PZ1与PZ2接口收集来自压电陶瓷片的交流电流，经过内部稳定后从外部电路VDD口输出5V直流电，之后将直流电提供给超级电容存储起来，同时串联二极管在超级电容与能量收集电路之间，防止超级电容中的电量逆流。

附图4是本发明光敏传感器电路实施例框图，所述的光敏传感器有两个输出引脚，与单片机相连的P4.1、P6.5 I/O口分别为电平输出引脚和模拟量输出引脚，电路中的LM393比较器输出高低电平，将电平信号传输给单片机进行白天黑夜的判定；同时P65为模拟输出口，单片机将模拟量进行AD转换后，将数字量用显示屏进行显示。

附图5是本发明的储能设备电量检测电路实施例框图，所述的电量检测电路分别测量能量收集模块的输出电压与超级电容两端的电压，其引脚分别与单片机P6.3、P6.4引脚相连，经过MSP430单片机的AD转换引脚，将模拟量转换为数字量，并通过显示屏显示其数字量，同时超级电容两端的电压将作为一个继电器吸合的条件，只有电量达到设定阈值，则继电器吸合。

附图6是本发明的继电器控制电路实施例框图，所述的继电器控制电路图有三个继电器作为开关，单片机控制控制继电器的引脚分别为P3.6、P3.7、P4.0，只有三个继电器全部吸合，即电量充足、判定黑夜、附近有人三个条件同时满足时，超级电容给用电设备供电。单片机为高电平时控制三极管导通，则继电器一端接地、一端接5V，此时继电器则可吸合。

附图7是本发明的自动升降压电路实施例框图，所述的自动升降压模块主要是将超级电容中的电量进行充分利用。经过实际测试，此模块能够将2.2V~5.5V的电压稳定至5V，因此当超级电容电量开始低于5V时，也能够延长保证本设计的各部分功能的实现。

附图8是本发明的稳压电路实施例框图，所述的稳压模块包括三个部分。其一是稳压5V，使用AMS1117-5.0稳压芯片，以保证5V电压的稳定提供，使电压不会出现较大波动；其二是使用TPS7333稳压芯片给单片机供电，此芯片具备低纹波、高精度、稳定性好等优点。单独给MSP430单片机提供3.3V的电压，单片机功能的实现需要稳定的电压提供，单独提供以防止单片机因电压不足而无法工作；其三是给其他外设提供3.3V电压，使用AMS1117-3.3稳压芯片。

附图9是本发明的语音播报模块实施例框图，所述的语音播报模块通过RXD、TXD与单片机P3.4、P3.5引脚相连，两者进行通信。语音播报模块主要是进行语音提醒功能，其一是当系统三个判断条件满足时，语音提醒系统开始工作；其二是按下按键可以播报当前时刻的实时数据。

附图10是本发明的OLED显示模块实施例框图，所述的显示模块使用0.96寸OLED显示屏，主要是显示讲过单片机处理的各种信息，包括实时的光照强度、超级电容电量、附近是否有人、温湿度等等相关信息。同时可通过按键来调整各个数字量的阈值，选择合适的阈值，可以使系统适应不同的外界环境，增强了该设计的适用性。

附图11是本发明的矩阵按键实施例框图，所述的按键电路使用2*4矩阵电路，这样设计可以减少引脚使用。矩阵按键分别与单片机P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P4.6、P4.7引脚相连，各个按键功能分别为，按键S1和按键S2实现换行、按键S3和按键S4实现确认以及后退、按键S5和按键S6实现数字加减、按键S7和按键S8实现屏幕唤醒以及语音播报功能。

本发明的有益效果在于：本发明运用LTC-3588能量收集模块，对压电陶瓷片产生的不稳定交流电进行收集并输出稳定的直流电 ；并使用自动升降压模块对超级电容中的电压进行充分利用；同时选用超低功耗的MSP430单片机以及按键和显示屏组成的智能人机交互系统，可以应对不同的外界环境并通过调节阈值来实现功耗的降低。整个系统电能不仅能自给自足，还能给公共场所其他用电设备供电，能够有效缓解公共场所用电紧张问题。

Claims (4)

1.一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征在于：包括能量输入单元、能量存储单元、能量输出控制单元三部分；所述的能量输入单元中，通过LTC-3588能量收集芯片收集电能，此收集电路与超级电容相连并对超级电容进行充电；所述的能量存储单元包括超级电容、自动升降压电路以及稳压电路，稳压电路与能量输出控制单元相连并对能量输出控制单元内的模块进行供电；所述的能量输出控制单元包括各种信息检测电路和控制电路，通过调节各种检测阈值以及优化程序，有效实现能量的充分利用以及控制的智能化。

2.据权利要求1所述的一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征在于：所述的LTC-35882588能量收集模块为超低功耗能量管理芯片，能够高效地对交流电进行整流和滤波，且能够对极微弱能量进行收集；能电容与其直接相连，同时串联二极管防止超级电容电能逆流。

3.根据权利要求1所述的一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征在于：所述的自动升降压模块能够对超级电容的能量进行稳压以及充分利用，在超级电容的电压为2.2V~5.5V，自动升降压模块均能够将电压稳至5V给电能输出控制单元供电。

4.根据权利要求1所述的一种人流踩踏压力与噪声能量收集装置，其特征在于：所述的主控模块采用具有超低功耗模式的MSP430单片机，此单片机在休眠模式下功耗极低；所述的显示模块显示外界光强、储能设备电量、附近是否有人体等信息，同时利用按键模块调整显示屏中显示的数字量来实现调节阈值的功能,使系统可以在不同环境下实现功能，阈值同时也是系统开启耗电功能的临界开关，通过调节合适阈值可降低整个系统的功耗。

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