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一種振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器

iotmag ? 來(lái)源:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ? 作者:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ? 2022-10-19 11:01 ? 次閱讀

摘 要 :火災(zāi)報(bào)警器可以有效地探測(cè)、報(bào)警火災(zāi),以便人們及時(shí)控制火勢(shì)蔓延。傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警器采用有線供電,但布線困難、移動(dòng)不靈活 ;而使用電池供電的火災(zāi)報(bào)警器又需要定期更換電池,且電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器,主要用于振動(dòng)能豐富的機(jī)械車間。它可以通過(guò)多個(gè)壓電片俘獲機(jī)器的振動(dòng)能量,并實(shí)時(shí)地向電池充電,不再需要頻繁更換電池,不需要布線,可以大大節(jié)省布線成本以及更換電池產(chǎn)生的人工成本。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬采用多源壓電片進(jìn)行振動(dòng)能量的收集,并向電池充電,大大降低電池成本和人工成本,如圖 1 所示。其多源壓電片可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展,收集更多的振動(dòng)能量。能量收集電路可以采用多個(gè)壓電片同時(shí)進(jìn)行能量收集。電池向煙霧傳感器、控制模塊、GSM 無(wú)線模塊供電。

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2 振動(dòng)能量俘獲

2.1 壓電片

本文采用壓電式振動(dòng)能量俘獲裝置,利用壓電材料的正壓電效應(yīng),將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。壓電片的一端固定在報(bào)警器上,另一端安裝一個(gè)質(zhì)量塊 [8-10]。

當(dāng)整個(gè)報(bào)警器振動(dòng)時(shí),壓電片輸出交流(AC信號(hào)。當(dāng)壓電片發(fā)生形變最大時(shí),電壓達(dá)到最大值 Vmax ;并且壓電材料形變幅度越大,Vmax 的值就越大,也表示輸出的電能越多。

2.2 多壓電片能量收集電路

單個(gè)壓電片所收集到的電能很微弱,因此可以增加壓電片的數(shù)量以提升收集功率。如圖 2 所示為多壓電片能量收集電路,PZT1 和 PZT2 為壓電片 1 和壓電片 2。

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以 PZT1 為例說(shuō)明振動(dòng)能量收集過(guò)程。振動(dòng)過(guò)程中,壓電片從平衡位置向極值位置移動(dòng),PZT1 兩端產(chǎn)生電荷,向內(nèi)部電容 Cp 充電,并向小電容 C1 充電。當(dāng)壓電片達(dá)到最大位移時(shí),電壓達(dá)到峰值 Vmax,隨后壓電片從最大位移處向平衡位置移動(dòng),Cp 上的電壓慢慢下降。當(dāng) Cp 上的電壓下降到Vmax-VBE-VD 時(shí),三極管 Q3 導(dǎo)通。C1 上的高電位通過(guò)導(dǎo)通的Q3 連接在 Q1 的基極使得三極管 Q1 導(dǎo)通。PZT1、Q1、L、D4 組成 LC 回路,內(nèi)部電容 Cp 上的電荷向電感轉(zhuǎn)移。當(dāng)內(nèi)部電容 Cp 上的電壓為 0 時(shí),電感上的電流達(dá)到峰值。二極管 D 導(dǎo)通,電感向電池充電。壓電片波形如圖 3 所示。

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3 控制、檢測(cè)、無(wú)線模塊

3.1 控制模塊

控制模塊采用 STC 公司的低功耗單片機(jī) STC15W204S,其具有寬工作電壓 2.0 ~ 5.5 V、256 B 的 SRAM、4 KB 的程序空間、低功耗掉電模式。

系統(tǒng)采用間斷式的工作模式,絕大多數(shù)時(shí)候單片機(jī)處于休眠狀態(tài),其他模塊處于關(guān)閉狀態(tài),以此來(lái)降低功耗,如圖 4 所示。

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3.2 電源模塊

電池可以直接給單片機(jī)供電,但 GSM 模塊和煙霧傳感器需要穩(wěn)定的 5 V 電壓供電,因此需要一個(gè) DC/DC 模塊實(shí)現(xiàn)升壓。本文采用 SX1308 升壓芯片,電路如圖 5 所示,輸入為電池電壓,輸出為 5 V。Con 為單片機(jī)控制端,Con 輸出低電平,P1 導(dǎo)通,則電源模塊開始工作 ;Con 輸出高電平,則電源模塊不工作,以節(jié)省電能消耗。

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3.3 煙霧傳感器

本文采用 MQ-2 模塊作為煙霧檢測(cè)傳感器,其體積小、成本低,并適用于檢測(cè)液化石油氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w引起的火災(zāi),其電路如圖 6 所示,輸出結(jié)果由單片機(jī)進(jìn)行 AD檢測(cè)。

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3.4 GSM 模塊

本文采用SIM900A模塊進(jìn)行報(bào)警通信,雖然其功耗很低,睡眠模式下僅消耗 1 mA 的電流,但還是大大超過(guò)了系統(tǒng)能承受的最大消耗。因此,平常情況下 Con2 輸出高電平 5 V,GSM 模塊處于斷電狀態(tài),如圖 7 所示。

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當(dāng)傳感器檢測(cè)到煙霧濃度較大時(shí),Con2 輸出低電平,GSM 模塊開始工作 ;通過(guò)初始化之后,MCU 通過(guò)串口與GSM 模塊通信,波特率通常選擇 9 600,并利用 AT 指令發(fā)送報(bào)警信息

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器,可通過(guò)多個(gè)壓電片俘獲機(jī)器的振動(dòng)能量,并實(shí)時(shí)地向電池充電,不再需要頻繁更換電池,其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)大部分時(shí)候處于休眠狀態(tài),以減少電路消耗。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:論文速覽 | 振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器

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