基于水流发电机的节能照明系统

王桂兰++索怡宣++徐泽宇++佟猛++马哲++郭万民

摘 要：基于水流发电机的节能照明系统由水流发电机、蓄电池、光照传感器、声音传感器、LED灯组成。通过电路设计，在有水流通过的时候，水流发电机进行发电并存储在蓄电池中，对灯具实行声光自动控制，且将蓄电池中的电量来供LED灯使用。此系统可以应用在家庭或公共水房里，让节能应用在实际生活中达到节能减排并方便人们生活的效果。

关键词：水流发电；节能；传感器

1 概述

目前在众多学校、单位等公共水房或家庭中的水资源只是单纯的用来洗衣服或者供家庭用水等传统应用，并没有开发出其他的应用。对此，我们利用水流发电机、光照传感器、声音传感器等模块实现了一套利用水流压力进行发电并提供给所在场所的灯具照明使用的系统。

2 总体设计方案

本系统由四大部分组成：发电单元、储能单元、控制单元、感知单元。发电单元主要由水流发电机构成，负责将机械能转化成电能；储能单元由蓄电池构成，负责将电能存储起来；控制单元由单片机构成，负责将采集到的信息进行处理；感知单元含有光照传感器和声音传感器，控制灯具的开启关闭状态。

将水流发电机安放在水流向下流动的管道上，当管道通过水流时，利用管道的水流驱动水流发电机，即机械能转化成电能，将获得的电能存储在蓄电池中。光照传感器检测室内光线，当室内光线低于预设值，并且声控开关检测到声音时，灯开启；否则灯处于关闭状态。系统框图如图1所示。

3 硬件設计

3.1 水流发电机模块

水流发电机基于供水管道中的水流压力来发电，其设置在水流经过的管道内。发电机由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。由轴承及端盖将发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流[1]。由于产生的电流电压不稳定，后增加稳压电路。本文采用5v水压发电机，连接稳压模块和蓄电池。

3.2 光控开关模块

此系统采用光照度传感器（BH1750FVI），此传感器是一个光电集成传感器，其主要特点如下：（1）广泛的输入光范围（相当于1-65535lux）；（2）光源依赖性弱（白炽灯、荧光灯、卤素灯、白光LED、日光灯）；（3）通过降低功率功能，实现低电流化[2]。传感器与STC89C52单片机连接，单片机主控电路判断是否满足阈值，若满足，则电路接通。实现了实时采集光照强度的数据，接口简单易用，液晶显示器使用方便、体积较小，其反应速度灵敏。

3.3 声控开关模块

此系统采用CZN-15E传声器，传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受。声传感器与STC89C52连接，当声源大于60dB时，会输出低电平给单片机I/O口。

3.4 单片机控制模块

此系统采用的是STC89C52开发板，板子功能包括四位共阳数码管、8个LED灯、复位按钮、串口RS232接口及电平转换芯片MAX232、ISP在线下载接口、液晶LCD1602接口（16脚液晶兼容）、液晶LCD12864接口（20脚液晶兼容）、继电器与输出端子、蜂鸣器等。同时，该单片机是8位高性能MCU（Micro Cntroller Unit），超低功耗：掉电模式下典型功耗<0.1？滋A，空闲模式下典型功耗2mA，正常工作模式下典型功耗4-7mA[3]。

4 软件设计

首先对系统进行初始化，通过声音传感器和光照传感器采集数据，判断光照强度是否小于阈值并且是否有声音，若满足条件，灯开启，延时10s，继续循环；否则，一直循环。系统软件流程图如图2所示。

5 测试与结果

将水流发电机与水龙头相连，打开水龙头，水流经过水流发电机，电机正常发电。发出的电可以正常供给蓄电池；经检验，蓄电池可以正常供电。依次给声/光控LED灯模块进行测试，只有当光线强度低于阈值并且声音达到阈值时灯亮，其他情况均不亮。

6 结论

此系统达到了水资源再利用的目的，能有效的降低电能的损耗，基于水流发电机的节能照明系统有以下创新点：

（1）应用在公共水房或家庭等场所，将管道中水流产生的能量，通过小型的发电装置，将机械能转化成电能，储存在蓄电池里，提供照明系统所需要的能量。

（2）对照明灯具实行声光双重自动控制，使本系统智能更加节能。

（3）此系统结构简单，易安装，具有了很好的推广性。

（4）后期养护简便，维护要求低。

参考文献

[1]王郎.多功能自来水充电发电节能系统[J].科学技术，2015，01.

[2]骆华，黄勇坚，刘伟，等.基于ZigBee和STM32的室内智能照明系统的设计[J].电子技术，2014，12：015.

[3]郭强，刘志峰，张爱平，等.基于STC89C52单片机的智能交通灯控系统设计[J].机电一体化，2008，11.

作者简介：王桂兰（1995，11-），女，河北沧县，河北农业大学，本科生，物联网工程。