摘 要 ：火災(zāi)報(bào)警器可以有效地探測、報(bào)警火災(zāi)，以便人們及時(shí)控制火勢蔓延。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，且電池會對環(huán)境造成污染。針對這一問題，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 無線模塊供電。

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。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。

以 PZT1 為例說明振動(dòng)能量收集過程。振動(dòng)過程中，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。

3 控制、檢測、無線模塊

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)，以此來降低功耗，如圖 4 所示。

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。

3.3 煙霧傳感器

本文采用 MQ-2 模塊作為煙霧檢測傳感器，其體積小、成本低，并適用于檢測液化石油氣、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。

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。

當(dāng)傳感器檢測到煙霧濃度較大時(shí)，Con2 輸出低電平，GSM 模塊開始工作 ；通過初始化之后，MCU 通過串口與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

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