基于声压发电的KTV自给供电照明系统研究

段学涛 成思雨 李琦 张婕 许瀚予

摘要：本系统将声压发电技术、单片机屏、红外感应装置、声压检测装置、无线数据传输GSM器联系在一起。当红外装置感应到室内有人时，利用蓄电池余量的电量自动开启照明灯，当声压检测装置检测到一定分贝的声音时单片机控制发电装置开启，随后通过稳压模块将电储存在蓄电池中，同时液晶显示屏可显示蓄电池电量及工作状态，并将工作状态反馈给前台。本作品不仅可以降低部分噪声，又可节省电能和成本。利用声压发电技术，利用噪声发电自给娱乐场所内的照明系统，迎合了高效节能、环保公益的新型社会的发展要求，响应国家节能减排的理念。

关键词：声压发电;红外感应;无线数据传输GSM器;噪声降低;节能减排

0 引言

随着经济的增长，人民对于音乐消费的需求不断增大，但噪声污染也随之扩大，如果利用噪声发电应用对这些噪声声能进行有效利用，可以起到一定的节能减排的作用。本作品将噪声发电应用于KTV 、酒吧等噪声集中的娱乐场所，这些场所采用的噪声控制和处理装置成本较贵，于是本作品根据声的振动原理将噪声的能量转化，利用能量回收技术实现对噪声能量的回收并用可回收蓄电池将电能储存，用于该场所的照应用技术、蓄电池充放电技术、传感器技术、无线通信技术、GSM控制技术有机结合在一起。主要由声压发电材料、发电模块换能器、铅酸蓄电池、液晶显示明灯，前台可通过单片机和GSM模块对本作品和照明灯进行远程控制，同时可收到系统的问题反馈以便及时对系统进行维护，达到节能和智能控制的目的。

1 设计方案

系统的基本组成包括发电模块、充电模块、储能模块、单片机主控模块、远程通信模块和数据显示模块六个模块。涉及到GSM、噪音发电等多种技术。

系统主要是利用噪音发电，在KTV等噪音较大的地方将噪音转化为电能储存起来，CPU主控模块由MSP430F149单片机结合控制开关部分组成，在系统检测到声音信号达到一定程度后会自动开启噪音发电装置，并将发电信息及时发送给前台工作人员。

2 系统模块选择

2.1 CPU主控芯片

本系統主要采用MSP430F149芯片。MSP430F149是新一代16位高性能低功耗单片机，由于其性价比高价钱较ARM系列的处理器低许多，能高速运行，集成度高，硬件内部拥有精密乘法运算器，具备具备多类存储器件，能较好的进行程序开发。MSP430F149具有64引脚的贴片式小型芯片，且外设拓展能力强，可作为工业环境控制系统的主控CPU。

2.2储能装置

系统用的是铅酸铁锂电池。

蓄电池可以反复使用，比同体积超级电容储电量要大，价格相对锂电池较低，经济实惠，铅酸蓄电池技术成熟，安全性能高，容易回收，且具有电压电流稳定，可大电流放电，供电可靠、安装方便等优点，在各个供电领域被广泛使用。本设计选用12V7AH的铅酸蓄电池作为储能装置。

在发电模块正常工作时，先通过耦合电容滤波，再经由开关稳压芯片LM2577—ADJ设计而成的升压稳压电路，先将发电模块输出的电压升到一个稳定的直流电压值+15V，升压部分电路原理图如图3.3所示;再将输出的直流电压降压至蓄能装置的充电额定直流电压+12V，从而实现稳定可靠的充电过程。

2.3声音传感器

声音传感器的作用相当于麦克风，是一种声-电转换装置，能将空间中的振动的声音信号转换成电压或者电流等模拟信号，通过单片机内部A/D转换电路进行模数转换，可对其完成强度计算。本装置采用电容式麦克风，电容式麦克风是指工作原理以及结构跟电容一样的麦克风，声源作用下，其中一极响应声波振动，内部电容发生改变，产生微弱的电信号，对它进行放大，在对其进行测量可以得知电容变化，可知声压强度。

2.4噪音发电模块压电陶瓷片

压电陶瓷片（piezoelectric ceramic piece）是一种结构简单，抗电磁干扰强，容易加工制作的同时具有有机无机压电材料性能的高聚合复合材料产品。

现今压电技术主要受材料的限制，压电式声电转换器的制作成本高，单块的声电转换压电陶瓷材片价格比较高，声音振动作用于单片压电陶瓷片上，而产生的电压电流比较微弱，需要一定数量的同一型号声电材料压电陶瓷片并联或串联成大面积的声音受体，才能在声音振动下产生稳定的电压，目前的新型压电材料除了在一定的压力作用下产生电荷，已经能够在超声波、次声波作用下产生较稳定的电压电流。由此系统结合聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜以及PZT5压电陶瓷发电晶片设计一款压电常数相对较好的微型声电转换器。

3.理论设计计算

通常在铅蓄电池设计时，荷电态的电解液密度要求1.28-1.30g/cm3，当其放出100%额定容量时又希望电解液密度为1.07-1.09g/cm3，这就要求电池中电解液总量至少必须满足能够维持电池在一定条件下放出其额定容量所必须消耗的电解液总量，因此铅蓄电池的最低用酸量可根据电池反液压方程式推到如下：

PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

根据电池充放电反应的方程式，结合充放电态物质各自的电化学当量值可知，电池每放出1AH的电量，要消耗纯的H2SO4 3.66g，生成水0.67g。

设放电开始时电池的电解液密度为ρ1（15℃），对应的质量百分比浓度为m%，放电终了时电解液密度为ρ2，对应的质量百分比浓度为n%。当电解液浓度由ρ1降到ρ2时，反应开始时加入的密度为ρ1的酸的体积为Vml。则根据电池反应式中每放出1AH电量所消耗的硫酸量为3.66g，生成水的质量为0.67g，经过方程式两边等值计算，整理得出铅蓄电池中每放出1AH电量的最低用酸体积V的表达式为：

V=（3.66-2.99n）/[（m-n）ρ1]

如果设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm3，放电态的电解液密度为1.08g/cm3，则将各自对应的质量百分比数值代入最低用酸体积V的表达式中可以得出放电容量为C的电池的最低用酸体积为：

V=（3.66-2.99*11.5%）/[（36.8-11.5）%*1.28]C=10.24C

10.24C就是在15℃下设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm3，放电态为1.08g/cm3的最低加酸体积。

4.工作原理及其性能分析

系统的核心原理就是把KTV等噪音比较大的场所的噪音通过一定的装置转化为电能，然后供给其他需要用电的电器，以达到节能的目的。系统可以通过声压的检测来确定是否有必要打开发电装置，以免在没有必要的时候开着装置，造成不必要的浪费。发出的电能会储存在蓄电池中，供给点歌台等设备，在电池电量低于某个阀值的时候我们会自动切换为外部供电，以保证电池的使用寿命。系统的发电情况也会通过无线模块发送给前台，工作人员可以通过手机端实时的查看系统的工作情况。

参考文献

[1]王亚宁，王锡宁.噪声污染的危害及控制利用[J].潍坊教育学院学报，2000（04）：18-19.

[2]周浩.浅谈城市噪声污染及其防治[J].中国环境管理丛书，2005（01）：38-40.

[3]陈飞. 基于轨道车辆运行诱发的噪声能量回收方法研究[D].上海工程技术大学，2016.