毕业设计（论文）-环境振动噪声能量回收系统设计

PAGE武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义随着近代工业的发展，使人们的生活质量有了长足的提高，但同时环境污染也随着产生，同时对人们的生活质量有了很大的破坏。噪声污染由于其对人们日常的生活的影响越来越大，而被看成是世界范围内三个主要环境问题之一。从物理上说噪声属于声音的一种，是由于声源做无规则振动时而发出的。而在实际生活中，只要是影响人们正常的学习、生活等的，都可以称之为噪声。它可以对人、动物、仪器仪表以及建筑物均构成危害，损坏听力，诱发疾病，还会干扰人们正常的工作。正如我们每天在道路上行走时，就会时不时听到刺耳的声音，若在繁华的地段，就会一直忍受这种不舒服甚至扰心的感觉。但同时我们又不得不承认，这些噪声只能在某种程度上削弱，而并不可能真正意义上的消除，所以当我们听到这些噪声时，只能任由他影响我们的生活。与其没有办法消除，不如想办法来利用它的振动原理来提供能量。现在世界的能源紧缺，开发各种新能源亟不可待。对于随处可遇的噪声，根据其声音所具有的振动原理，加以研究实验，相信可以通过某种方式来将其收集起来，利用在某些特殊的环境下，来应急紧缺的能源危机。如果能实现噪声利用，那就能变废为宝，同时也解决了我们噪声界被动治理，无法回用的缺点，从而提高噪声治理在整个环保板块中的地位。目前，欧洲各国已有实验室投入精力来实现对于噪声的回收利用，通过研究使利用率超过某一下限，具有实用价值，在与实践的相结合中，得到能量，从而应用于某些小资源需求的特定环境。环境振动噪声能量回收系统的设计对于能源的回收利用有着重要的实用意义和经济价值。本文的主要设计目的是试图通过声音的振动特性，来使噪声可以转化为能源来利用。环境振动噪声能量回收系统要求是个简单实用的系统。首先由于噪声属于声音的一种，它的特点就是通过声源的无规则运动产生振动，然后通过压电材料的正压电效应，将机械振动转化为电能，这样就可以加以利用了。同时为了最有效的回收噪声能源，根据声电转换器的指向性原理，必须使声电转换器始终对着噪声源。这样本文设计了噪声源定位模块，来确定噪声源的方位，并用步进电机进行自动跟踪。同时，将声电转换器外面罩上一个开口向外的外壳（形状和喇叭一样），这样可以防风、防雨、防潮、防灰尘。由于整个系统最关键的就是能效比的问题，而本设计中的一些主要芯片工作都要消耗掉能量。所以，本文利用了现在已经研究的比较成熟的太阳能电池来作为这些芯片的工作电源。这样，由于太阳能是很丰富的，利用太阳能来回收噪声能，系统的储能肯定会大于耗能。设计的意义是（理论或实际）：环境振动噪声能量是一部分很大的能源，在能源紧缺的今天，利用起来很有实际应用意义。国际上，一直有专家在进行环境噪声能量回收利用的研究尝试，但并没达到可以大量应用实际生活中的例子，还需要进一步的减小成本。太阳能是一种清洁可再生能源，用太阳能来回收噪声能，既减少了噪声污染，又达到了能源的循环利用，具有环保意义。设计环境振动噪声能量回收系统，本文将不仅在论文中给出理论方案，而且将结合实际，尽量的使其可以有应用于实践的价值。2、基本内容和技术方案设计的基本任务是：（1）完成环境振动噪声能量回收系统中噪声源定位方面处理算法设计；（2）完成硬件电路设计；（3）完成软件设计；（4）完成系统制作、调试（5）提交软硬件和全部资料；主要技术方案是：(1)软件设计方案：用汇编语言对单片机进行编程，控制步进电机，完成噪声定位模块中对噪声源的自动跟踪。(2)硬件设计方案：用两路压电式声电转换器来检测收集噪声，分噪声源定位模块和能量回收模块来共同来实现环境振动噪声能量回收系统。3、进度安排1.准备阶段（1—2周）本阶段对大量相关资料或文献进行研究，在深入学习的基础上，逐步找出自己可以选用的声音传感器，并对各类传感器进行深入了解与学习。2.完成研究阶段（3-9周）本阶段已经在扎实知识积累的基础上，正式进入该课题的研究，在大概六周的时间内，完成规划方案的设计并对方案进行综合评价，并且由指导老师进行修正，不断改进自己研究，最终订出结果，设计出硬件电路模型和相关软件程序。3.毕业报告形成阶段（10-14周）本阶段集中精力完成毕业报告，由指导老师修改完善，且根据学校要求，完成封面装订工作。4.毕业设计答辩阶段（15周）根据自己的毕业设计，以及学校的要求，完成与之对应的毕业设计答辩。4、指导教师意见指导教师签名：年月日目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 IAbstract .II绪论 11噪声回收系统原理 31.1声电转换器 31.1.1常见声电转换器的原理 3动圈式声电转换器 3电容式声电转换器 4驻极体声电转换器 4压电式声电转换器 51.1.2声电转换器的选择和使用 61.1.3声电转换器的指向性 71.2噪声源定位原理 71.2.1仿人双耳的声源定位方法 71.2.2基于到达时间差的声源定位方法 71.2.3基于声压幅度比的声源定位方法 81.3太阳能电池工作原理和特性 91.3.1太阳能电池工作原理 91.3.2太阳能电池的电学特性 112噪声源定位模块设计 122.1方案论证 122.2硬件设计 132.2.1单片机 132.2.2两相步进电机 152.2.3步进电机驱动电路 162.2.4单片机晶振 172.2.5电压比较器 172.3系统实物模型 183能量转换及收集模块设计 203.1整流电路的设计 203.1.1桥式整流电路 203.1.2三倍压整流电路 223.1.3整流电路的选择 243.2DC-DC升压电路的设计 243.2.1Max1678芯片介绍 243.2.2DC-DC转换器原理 253.2.3电路设计 273.2.4元件的选择 283.3能量收集电路的设计 293.3.1电容储能电路 293.3.2锂电池储能电路 304软件设计 334.1方案论证 334.2主程序 334.3中断子程序 345结论与展望 355.1结论 355.2展望 36致谢 37参考文献 38附录1噪声源定位硬件原理图 40附录2能量回收硬件原理图 41附录3系统总硬件原理图 42附录4声源定位程序 43武汉理工大学毕业设计（论文）PAGEPAGE44摘要在近代工业高速发展的今天，环境噪声污染对人们的生活影响越来越大。而同时，现代的全球能源日趋紧缺，开发各种新能源亟不可待。这两点问题的结合，让我们很自然的开始考虑一个新的问题：是否可以将环境噪声加以利用，变废为宝。这样不仅减少了噪声污染，也可以为能源危机找到一条新的出路。正是出于这些目的，本设计开始了探索和研究。首先，本文对噪声能量回收系统相关方面的原理做了个大致的介绍，这其中包括各种声电转换器的工作原理、噪声源定位技术原理和天阳能电池的工作原理简介。通过简单的介绍、比较，本设计的相关元器件和控制方法基本确定了下来。接着，本文分模块详细介绍了环境振动噪声能量回收系统的硬件和算法、软件方面的设计。为了能够最大效率的回收噪声能源，本文特意设计了噪声源定位模块。通过采用基于声压幅度比的声源定位算法，我们能够精确定位噪声源的方向，并自动调整声电转换器的位置。最后，本文设计了能量回收模块，通过三倍压整流电路，DC-DC升压电路和能量收集电路，很好的将压电式声电转换器产生的微小的电能储存在了锂电池中。由于整个系统最关键的就是能效比的问题，而本设计中的一些主要芯片工作都要消耗掉能量。所以，本文利用了现在已经研究的比较成熟的太阳能电池来作为这些芯片的工作电源。这样，由于太阳能是很丰富的，利用太阳能来回收噪声能，系统的储能肯定会大于耗能。本文的软件设计主要是放在了噪声源定位方面，通过用汇编语言编写了噪声定位模块，用单片机控制步进电机完成了对噪声源的自动定位追踪。通过对这些软件的设计，加深对单片机控制作用的实现的认识。在硬件电路图的设计中，为了让自己的设计更具有说服力，对一些电路图本文用Proteus软件进行了仿真。通过波形分析，使大家对结果一目了然。关键词：声源定位能量回收能效比太阳能电池Proteus AbstractInthemodernindustrialdevelopmenttoday,environmentalnoisepollutionaffectspeople'slives.Butatthesametime,themodernglobalenergyisofshortageanddevelopmentofincreasinglyeagertonewenergyisserious.Thesetwoproblemsletusverynaturallybegintoconsideranewquestion:whetherwecanuseandreuseenvironmentalnoise.Thisnotonlyreducesthenoisepollution,butalsocanfindanewwayofenergycrisis.Itisoutoftheobjective,thedesignandresearchisstarted.Firstly,thepaperonenergyrecoverysystemrelatedtoaspectsofthenoisemadeageneralknowledgeoftheintroductionincludingvariousmicrophonescomparisonandselection,technologyprincipleprofileandthenoiseofpiezoelectricenergyrecoverytechnology.Throughtheintroductionandcomparison,thesimpletherelatedcomponentsanddesignofcontrolmethodisdetermined.Then,thepaperintroducednoiseenergyrecoverysystemhardwareandsoftwaredesignaccordingtomodules.Formaximumefficiencyofenergyrecovery,wespeciallydesignedthenoisesourceorientationmodule.Byusingthealgorithmbasedontimearrive,wecanaccuratelydeterminethenoise,andcorrespondinglyadjustmentmicrophones.Finally,Idesignedthepiezoelectricenergyrecoverymodule.Throughfourtimesrectifiercircuit,DC-DCpressureboostcircuitandenergycollectingcircuit,finallytinyenergyproducedbypiezoelectricmicrophoneproduceisstoredinthelithiumbatterywell.Becausethewholesystemisthekeyoftheproblem,andthemajorchipsinthedesignneedtoconsumeenergytowork,Iuseacomparativestudyofthenowmaturesolarbatteryasthesechip’sworkingpower.Thus,becausesolarisveryrich,usingsolarenergytorecyclingsystem,theenergycanmustbecollectedmorethanconsumption.ThissoftwareisdesignedonthenoisesourceorientationandthefirmwaremodulesprogramanduserapplicationprogramtohostiswritteninC.ThroughthedesignofthesoftwareIknowofthecommunicationsbetweenPCandperipheralequipmentsmoreclearly.Inthehardwarecircuitdesign,inordertomakethemselvesmorepersuasive,IsimulateddesignsofsomediagramwithmyProteussoftware.Throughthewaveformanalysis,Imadetheresultsclear.Keywords:beamformerenergyrecoveryeersolarcellsProteus武汉理工大学毕业设计（论文）绪论随着近代工业的发展，使人们的生活质量有了长足的提高，但同时环境污染也随着产生，同时对人们的生活质量有了很大的破坏。噪声污染由于其对人们日常的生活的影响越来越大，而被看成是世界范围内三个主要环境问题之一。噪声主要来源于城市的道路、车站、码头、机场、体育场和工地。为了减少噪声对市民健康的危害，一些城市在噪声源的周围（比如道路两旁）安装了隔音屏。但是，隔音屏的效果并不好，因为它们只能阻挡噪声向周边扩散，而不能有效消除噪声。英国剑桥大学研究人员对隔音屏进行研究后发现，当噪声冲击隔音屏时，会让隔音屏产生轻微的振动，会产生危害性更大的次声波。从物理上说噪声属于声音的一种，是由于声源做无规则振动时而发出的。而在实际生活中，只要是影响人们正常的学习、生活等的，都可以称之为噪声。它可以对人、动物、仪器仪表以及建筑物均构成危害，损坏听力，诱发疾病，还会干扰人们正常的工作。正如我们每天在道路上行走时，就会时不时听到刺耳的声音，若在繁华的地段，就会一直忍受这种不舒服甚至扰心的感觉。但同时我们又不得不承认，这些噪声只能在某种程度上削弱，而并不可能真正意义上的消除，所以当我们听到这些噪声时，只能任由他影响我们的生活。与其没有办法消除，不如想办法来利用它的振动原理来提供能量。现在世界的能源紧缺，开发各种新能源亟不可待。对于随处可遇的噪声，根据其声音所具有的振动原理，加以研究实验，相信可以通过某种方式来将其收集起来，利用在某些特殊的环境下，来应急紧缺的能源危机。研究人员表示，噪声的能量是很大的，一架噪声达到160分贝的喷气式飞机在20米之内的噪声功率可达到10千瓦，也就是说1小时可以发10度电。如果在机场安装噪声发电机，每天飞机起降产生的电能十分可观。在上海体育场观看比赛或演出，8万人一起欢呼或鼓掌，产生的能源是相当大的。如果能实现噪声利用，那就能变废为宝，同时也解决了我们噪声界被动治理，无法回用的缺点，从而提高噪声治理在整个环保板块中的地位。目前，欧洲各国已有实验室投入精力来实现对于噪声的回收利用，通过研究使利用率超过某一下限，具有实用价值，在与实践的相结合中，得到能量，从而应用于某些小资源需求的特定环境。韩国研究人员金智勋等人利用人耳吸收声波的原理，制造出了仿照人耳吸收声音的鼓膜的噪声发电机。这种发电机是一种名为“声雷”（Sonea）的概念机，外表像一个盒子，长宽各45厘米，厚8厘米，净重7公斤。这个概念机内储存有碳酸盐、丙烯腈等化学物质，可以将噪声冲击波对仿生鼓膜的振动能转化为化学能储存起来，当和电器相连时就可释放出电能。“声雷”发电机可以利用带状的电源线相互串联在一起，也可以按照需求进行组装，尽可能地吸收更多的噪声。它们就像是一些特大号的电池一样，在需要的时候可以释放出电能，目前已经可以为手机、电视机和笔记本电脑等电器供电。研究人员希望进一步改进它们的发明，希望能把长段的隔音屏改造为“声雷”发电机。环境振动噪声能量回收系统的设计对于能源的回收利用有着重要的实用意义和经济价值。本文的主要设计目的是试图通过声音的振动特性，来使噪声可以转化为能源来利用。环境振动噪声能量回收系统要求是个简单实用的系统。首先由于噪声属于声音的一种，它的特点就是通过声源的无规则运动产生振动，然后通过压电材料的正压电效应，将机械振动转化为电能，这样就可以加以利用了。同时为了最有效的回收噪声能源，根据声电转换器的指向性原理，必须使声电转换器始终对着噪声源。这样本文设计了噪声源定位模块，来确定噪声源的方位，并对声电转换器方位做自动地调整。同时，将声电转换器外面罩上一个开口向外的外壳（形状和喇叭一样），这样可以防风、防雨、防潮、防灰尘。由于整个系统最关键的就是能效比的问题，而本设计中的一些主要芯片工作都要消耗掉能量。所以，本文利用了现在已经研究的比较成熟的太阳能电池来作为这些芯片的工作电源。这样，由于太阳能是很丰富的，利用太阳能来回收噪声能，系统的储能肯定会大于耗能。通过以上分析，本文将系统大致分为噪声源定位模块和能量回收模块来进行了设计。通过软件仿真，所设系统理论上是可行的。1噪声回收系统原理1.1声电转换器声电转换器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。声电转换器按换能原理大致可以分为：电动式（动圈式、铝带式），电容式（直流极化式）、压电式（晶体式、陶瓷式）、以及电磁式、碳粒式、半导体式等；按指向性分为：心型、锐心型、超心型、双向（8字型）、无指向（全向型）。1.1.1常见声电转换器的原理动圈式声电转换器动圈式声电转换器的构造如图1.1所示。由磁铁和软铁组成磁路,磁场集中于芯柱和外圈软铁所形成的缝隙中。在软铁前面装有振动膜，它上面带有线圈，正好套在芯柱上，位于强磁场中。当振动膜受声波压力前后振动时，线圈便切割磁力线，产生感应电动势。即把声波转换成了电能。图1.1动圈式声电转换器但由于线圈（通常称为音圈）圈数很少，阻抗很低，输出的电压小，不能满足（与之相连接的）扩音机对输入信号的要求。因此，动圈式声电转换器中都装有升压变压器，初级接振动膜线圈（音圈），次级接输出线，将电压增大。根据升压变压器初、次级圈数比不同，动圈式声电转换器有两种输出阻抗：低阻抗为200～600Ω，高阻抗为几十千Ω。动圈式声电转换器频率响应一般50～10000Hz，输出电平为-50—-70dB，无方向性。组合式动圈式声电转换器频率响应可达35～15000Hz，并具有不同的方向特性供使用时选择。电容式声电转换器电容式声电转换器在整个音频范围内具有很好的频率响应特性，灵敏度高、失真小，多用在要求高音质的扩音、录音工作中。电容式声电转换器的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其湿度性能好，产生的表面电荷多，受湿度影响小。普通电容式声电转换器的构造如图1.2所示。图1.2电容式声电转换器振动膜是一块质量很轻、弹性很强的薄膜，表面经过金属化处理，它与另一极板构成一只电容器。由于它们之间的间隙很小，虽然振动膜面积不大，但仍可获得一定的电容量。当有声波传到振动膜上时，它便随之振动，改变了它与另一极板之间的距离，从而使电容量发生变化。在这个电容器的两端，经过电阻R接上一直流电压E，称为极化电压。那么，电容量随声音变化时，电阻R两端便得到交变的电压降，即把声波转换成了电能.电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，电压变化的频率反映了外界声音的频率。驻极体声电转换器驻极体声电转换器由声电转换和阻抗转换两部分组成，如图1.3所示。声电转换部分的关键元件是驻极体振动膜，它是一个极薄的塑料膜片，在它上面蒸发一层纯金薄膜，然后经高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外与金属外壳相连通，膜片的另一面用薄的绝缘垫圈隔开，这样蒸金膜面与金属极板之间就形成了一个电容器。阻抗转换部分由场效应管担任，它的主要作用就是把几十兆欧的阻抗转变为与放大器匹配的阻抗。图1.3驻极体声电转换器场效应管的G极接金属极板，D和S极与外接电路连接，其输出形式如图1.4所示。图1.4(a)为源极输出接法，这种接法的输出阻抗小于2kΩ，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号较弱。图1.4(b)为漏极输出接法，这种接法增益较高，但动态范围较源极输出接法要小。图1.4驻极体声电转换器的输出形式压电式声电转换器压电式声电转换器又称晶体式声电转换器。其特点是灵敏度较高、构造简单、造价低，可作语言传输使用。其工作原理为：当振膜受声波的作用而振动时，膜的中心连杆便带动晶片中心，使晶片产生振动，使晶体的两个面上产生微小的电压，并通过两电极将此音频电压输出。其结构如图1.5所示，主要由振动膜和晶体构成，晶体一般由钦酸钡等材料制成，它是利用晶体的压电效应制成的。图1.5压电式声电转换器1.1.2声电转换器的选择和使用应根据用途和音响设备的性能选择合适的声电转换器，如声电转换器的指向性、灵敏度、频率响应，特别要注意阻抗匹配。在需要高质量的扩音和录音时，应选择电容式声电转换器、铝带式声电转换器、电池式晶体声电转换器、高质量的动圈式声电转换器；作一般语言扩音时，可选用普通动圈式声电转换器、驻极体电容式声电转换器或膜片式晶体声电转换器；当环境嘈杂，或需要突出某一声音时，可选用方向性较强的（如心形指向）声电转换器；其他场合可使用手持式无线声电转换器。

使用时，高质量的声电转换器应选用以双绞线为芯线的金属屏蔽线，一般声电转换器可以使用单芯金属屏蔽线，不可用普通导线。

在需要同时使用多只声电转换器的情况下，应配备调音台，每一路声电转换器信号单独放大后，再混合到一起。不要把多只声电转换器简单地并联在一起，这样会减小输出、增加失真，效果反而不好。另外，要选用稳固的声电转换器支架；传输线应留有余量，不要绷得太紧；布线时，应把传输线放到人不易踢到的地方；同时注意不要和电源线、扩音机输出线靠近或平行，以防啸叫声和交流声。有人喜欢用吹气或敲击的方法试验声电转换器，这是最不好的习惯。这样做很容易损坏声电转换器，应注意避免。而且，为了防止说话时的气流声，还要在声电转换器上套上话筒罩。基于压电式声电转换器灵敏度较高、构造简单、造价低等特点，出于经济成本考虑，本毕业设计选用压电式声电转换器。1.1.3声电转换器的指向性按对声源方位的灵敏度，声电转换器可分成全向、双向和单向（心形指向）三种。不论哪种方向特性的声电转换器，只有声源对准它的中心线（声轴）时，如图1.6所示，灵敏度最高、失真最小；两者之间的偏角越大、高音损失越大。使用声电转换器有时会出现“咝咝”声，这时只要把声电转换器偏转一些角度，“咝咝”声即可以减弱或消失。图1.6声电转换器的方向特性而且，当声电转换器始终指向声源时，其振动膜接收到的噪声引起的机械振动能量是最大的。为了使系统能充分回收噪声能，所以有必要确定噪声源的方向，来相应调整声电转换器的方向。1.2噪声源定位原理1.2.1仿人双耳的声源定位方法人是我们最熟悉的一个声源定位系统，人的两只耳朵是这个系统的主角。由于耳廓具有非常特殊的形状，声音经过耳廓的处理后，大脑只需要根据两只耳朵所接收到的声音强度就能大致定位某一个声源的位置。然而要模拟制作出耳廓这样具有特殊结构的传感器是比较费劲的。1.2.2基于到达时间差的声源定位方法人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的声电转换器的相位不同，根据这些声电转换器对同一声音录制的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对声电转换器的时间差值。如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对声电转换器的时间差，则这个声源就处于以这对声电转换器所处的位置为焦点，到达时间差所对应的声音传输距离为参数的双曲面上。使用多对声电转换器得到多个时间差，也就得到了多个双曲面，声源位置就处于这些双曲面的相交点。合适的安排声电转换器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这点就是我们要的声源位置。对于室内声源定位系统中，一般使用基于到达时间差的声源定位算法。室内环境中墙面或者其他物体产生的反射声与直达声会混迭。但是，一般来说，声音信号中起始音附近的一小段存在不含反射声的纯直达声部分，我们可以通过分析各路声音信号中起始音附近直达声的到达时间差来定位声源的位置。大多数声源定位是基于到达时间差的方法，提高对到达时间差估计的准确程度是这种方法的关键。而对到达时间差的估计方法有很多，比如基于仿生学的方法、基于构造相关性度量函数的方法等。图1.7到达时间差t示意图1.2.3基于声压幅度比的声源定位方法这种方法利用不同声电转换器接收到的来自同一个声源的声音信号在强度上的差异实现声源定位。图1.8为根据声压幅度比定位平面上一个声源的示意图。图1.8平面上基于声压幅度比声源定位示意图设第i个声电转换器上接收到的声压幅度为，经过推理可以得到：（1-1）（1-2）根据位置关系有：（1-3）（1-4）（1-5）（1-6）联合以上式子，可以解出声源的两个位置。再根据对声源的先验知识(也就是事先大致知道声源在哪个方向)，可以确定出声源的最终位置。而对于三维空间中的定位，只需要使用不在同一个平面中的四个声电转换器，便可以唯一的确定出声源在三维空间中的位置。但是，对于实际环境中的声源定位，噪声、声电转换器的不匹配、声电转换器头安装不一致等都会带来一些误差，具体效果如何还要实验验证。1.3太阳能电池工作原理和特性1.3.1太阳能电池工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。这种现象，就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。众所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道围绕着原子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的，硅原子的最外电子壳层中有4个电子，每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如受到太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴”。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那么就构成了空穴型半导体，简称P型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么就构成了电子型的半导体，简称N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处的电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射PN结时，在半导体内的原子由干获得了光能而释放电子，同时相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴。于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场，如图1.9所示。光生电场的一部分抵销势垒电场，其余部分使P型区带正电，N型区带负电；于是，就使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。P型层P型层PN结区域N型层入射光表面电极势垒费米能级背面电极图1.9太阳能电池的能级图1.3.2太阳能电池的电学特性CellhvIscRsVschvPNIscCellhvIscRsVschvPNIscRsRshILRL(a)太阳能电池的电路图（b）太阳能电池的等效电路图图1.10太阳能电池的电路及等效电路图RL=O时，所测的电流为电池的短路电流Isc。所谓短路电流Isc就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法是，用内阻小于l欧的电流表接在太阳能电池的两端。Isc值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc值越大。一般来说，一平方厘米太阳能电池的Isc值约为16～30mA。同一块太阳能池,其Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，Isc值略有上升，一般温度每升高1度，Isc值约上升78uA。当RL趋于无穷时，所测得的电压为电池的开路电压Voc。太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比；环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升1度，Voc值约下降2～3mv。ID(二极管电流)为通过PN结的总扩散电流，其方向与Isc相反。Rs为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，Rs很小，而Rsh很大。由于Rs和Rsh是分别串联与并联在电路中的，所以在进行理想电路计算时，它们都可以忽略不计。2噪声源定位模块设计2.1方案论证由第一章介绍的声源定位的三种方法可知，选择不同的定位方法，硬件电路图相差是很大的。对于仿人耳的声源定位方法，由于人耳所具有的特殊结构及功能很复杂，硬件电路不好设计，故本文不加以考虑。方案一：基于到达时间差的声源定位方法系统结构框图如下所示：图2.1基于到达时间差的声源定位框图上图中，13a是两个相同的压电声电转换器，来接受及转换声音信号；151/152是运算放大器，用来放大声电转换器输出的微小电压；153/154可以选择555定时器来作为单稳态触发器；155单片机可以选择AT89C51单片机，控制步进电机的运转。11驱动器可以选ULN2003A驱动芯片，用来驱动步进电机转动。工作原理：当一个声音传感器在t1时刻接受到声音，对应的单稳态触发器153将输出一个脉冲。当另一个声音传感器在t2时刻接受到声音，对应的单稳态触发器153将也输出一个脉冲。单片机判断两个声音传感器接收到声音时刻的差异值（t1-t2）。如果（t1-t2）<0，则单片机控制步进电机往第一个传感器方向转动，直到（t1-t2）=0停止。相反，若（t1-t2）>0，则单片机控制步进电机往第二个传感器方向转动，直到（t1-t2）=0停止。可以理解，两个声电转换器相距越远，越有利于侦测两个不同时刻，从而使定位精确。方案二：基于声压幅度比的声源定位方法。系统结构框图如下所示：图2.2基于声压幅度比的声源定位框图上图中，156为电压比较器，可以采用差动放大器。工作原理：第一个声音传感器接收到的声音强度为e1,第二个声音传感器接收到的声音强度为e2。比较器156用来比较两个声强的大小，若（e1-e2）<0，则单片机控制步进电机往第二个传感器方向转动，直到（e1-e2）=0停止。相反，若（e1-e2）>0，则单片机控制步进电机往第一个传感器方向转动，直到（t1-t2）=0停止。理论上，上面两种方案都是可行的。但是，由于我们所测的对象是噪声，是持续存在的，而不是点声音。所以，在第一种方案中，当步进电机在转动调整的过程中，两个传感器接收到声音的时刻是不好确定的，所以比较声音的方法是很难实现的。若是点声音，只需要比较555定时器刚开始产生的两个脉冲时间差即可。然而，不管是噪声还是点声音，第二种方案都是可行的。因为尽管声音是持续的，但是它到达两个声电转换器的强度不同，在步进电机转动调整的过程中，可以不断测量比较，直至两个声强相等，电机停止转动。所以，通过比较，本设计中，本文选择方案二基于声压幅度比的声源定位方法来设计电路。2.2硬件设计2.2.1单片机AT89C51为一系列单片机的总称，该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计，由先进CMOS工艺制造，并带有非易失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作存储器。寻址范围为64K字节ROM和64K字节RAM，电源控制模式为时钟可停止和恢复、空闲模式、掉电模式三种模式。4个中断优先级、6个中断源、4个8位I/O通用端口、3个16位定时/计数器T0/T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）可编程时钟输出和异步端口复位等功能。AT89C5单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。由于对51单片机比较熟悉，而采用AT89C51。它的管脚图如下：图2.3单片机管脚图表1管脚功能名称管脚号名称功能DIPLCCQFPVss202216I地Vcc404438I电源：提供掉电、空闲、正常工作电压P0.0-0.739-3243-3637-30I/OP0口：P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入P0也可以，在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P1.0-1.71-8122-92340-441-3I/OP1口：P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P1口第2功能：T2(P1.0)定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。T2EX(P1.1)定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制续表1P2.0-2.721-2824-3118-25I/OP2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时，分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX@DPTR)，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(MOV@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。P3.0-3.710-1710111213141516171113-1911131415161718195，7-13578910111213I/OP3口：P3口是带内部上拉的双向I/O口。向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。P3口还具有以下特殊功能：RxD(p3.0)串行输入口TxD(P3.1)串行输出口INT0(P3.2)外部中断0INT1(P3.3)外部中断T0(P3.4)定时器0外部输入T1(P3.5)定时器1外部输入WR(P3.6)外部数据存储器写信号RD(P3.7)外部数据存储器读信号XTAL1192115I晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL2182014O晶体2:反相振荡放大器输出2.2.2两相步进电机两相步进电机的工作原理示意图如2.4所示，它有2个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照ABCDA四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电时序为DCBAD时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。二相的每一个电机的端口与四相的端口的对应关系，可以认为为A+为A相，B+为B相，A-为C相，B-为D相。图2.4两相步进电机工作原理图两相步进电机分双极性和单极性两种接法，我们选择单极性控制法,将两个绕组的中心抽头均与高电平相连，从绕组抽出4个输出端子。单极性步进电机按四相单四拍运行时时序图如下：图2.5四相单四拍时序图正转时，控制信号为为1000→0100→0010→0001。2.2.3步进电机驱动电路图2.6步进电机驱动电路这种接法是步进电机的单极性控制。ULN2003A是其驱动器，它的输入端接到P2口上。输出接到步进电机的四相A+,A-,B-,B-。控制步进电机各相通电顺序，便可以使它工作在不同的方式下。二相的每一个电机的端口与四相的端口的对应关系，可以认为为A+为A相，B+为B相，A-为C相，B-为D相。四相单四拍工作方式为ABCDA。微机控制只能代替脉冲分配器，而步进电机驱动电源的驱动电路是必不可省的。我就选用了ULN2003.ULN2003是单极性驱动芯片，高耐压，是大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。2.2.4单片机晶振图2.7单片机晶振电路单片机可以用片外振荡器，这时应将引脚XTAL1接地，外部振荡信号从XTAL2引脚输入。如果利用内部电路组成振荡器，要在XTAL1和XTAL2两个引脚上连接一组晶振和电容，晶振所用的电容C1，C2的推荐值为30pF左右，不过C1,C2的大小对频率的影响是很小的，仅对稳定性和启动时间有些影响。2.2.5电压比较器可以采用差分式放大电路，这样不仅可以起到放大从声电转换器出来的微小电压的作用，而且可以比较两个声电转换器出来的声音信号强度大小。差分式放大器是反相输入和同相输入相结合的放大电路。其电路图如下所示图2.8差分式放大电路由运放的虚短和虚断可知：，即（2-1），即（2-2）（2-3）由以上三式子，解得：（2-4）如果选取阻值满足的关系，则上式可以简化为（2-5）2.3系统实物模型系统实物模型如下页图：图2.9系统实物模型噪声源定位系统包括一个驱动器11、一个转动架12、两个声音传感器13a/13b及一个单片机处理器15a。驱动器11包括一个步进电机和一个转子，转动架12固定于该转子上。两个声音传感器对称的置于转动架上，用于收录噪声源发出的声音以产生两个电压信号。单片机15a用来处理两个声音信号，以得到两个声音信号强度的差异值，并依据该差异值来控制步进电机转动，始终追踪定位声源，响应快。3能量转换及收集模块设计压电声电转换器产生的是低交流电压、极其微弱的电流，而且产生的电流是瞬间和交替的，是以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应(当振动能传递到压电声电转换器时，由于压电效应而转化为电能，在声电转换器内部产生交流电压，而当声电转换器内部电阻太大(相当于断路)或电阻太小(相当于短路)时，产生的电能未消，会再次转化为振动能即产生阻碍压电材料进一步变形的反作用力)。因此需要设计压电发电电源电路，对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。本章根据前面研究的压电产生电能的特点以及电学等效模型，设计了三倍压整流电路，用来将压电材料振动产生的交流电整流后得一脉动直流电压，将此电压经由滤波电路输出一稳定直流电压；然后电流对超级电容器充电，这部分起缓冲电能的作用，驱动DC升压电路和电源管理电路工作；最后采用Max1678和Maxl811设计DC-DC升压电路和能量收集电路，用以收集和存储压电声电转换器产生的电量。3.1整流电路的设计3.1.1桥式整流电路图3.1桥式整流电路该电路是压电发电结构等效于一个电压源后接一整流电路，将产生的交流电整流后得一脉动直流电压。D2～D5构成桥式整流电路。V3正半周时，D3和D4导通；V3负半周时，D2和D5导通，负载上得到的始终是正向电压。通过Proteus软件进行仿真，其输出电压波形如下图3.2所示：图3.2桥式整流电路输出电压波形整流电路输出的电压是脉动的，含有较大的脉动成分。因此必须经过滤波，滤掉脉动成分，使输出电压趋于平滑，接近于理想的直流电压。将电压改成5V，将100欧姆电阻去掉，采用330uF大电容进行滤波，如下图3.3所示，从0～4.8ms电压急速上升为3.5V，大约在50ms时稳定在3.68～3.79V。说明了输出电压在一定范围内变化时，电路具有很好的稳压性能。图3.3改进的桥式整流电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性，滤掉整流电路输出电压中的交流成分，保留其直流成分，达到平滑输出电压波形的目的。图3.4整流后输出电压波形通过整流电路仿真分析了压电电源输出的性能，得出了此电路当输入电压或负载在一定范围变化时，能稳定输出直流电压。3.1.2三倍压整流电路倍压整流电路利用二极管单向导通和电容的充放电特性来实现电荷累积和高压输出。图3.5三倍压整流电路工作原理：（a）负半周(b)正半周图3.6三倍压整流电路工作原理图负半周时，D1、D3导通，D2截止，相当于开路，电容器C1及C3都充电到Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（a）所示。

正半周时，D1、D3截止，D2导通，这样电源Vm和电容器C1电压Vm相加得2Vm，全部加到电容器C2上，故C2充电到2Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（b）所示。

又由于C2与C3串联，故最后输出直流电压是电容C2和C3电压之和，为3Vm。图3.7三倍压整理电路输出电压波形如图3.7所示从电压三倍器输出的直流电压为3.3V。从压电声电转换器输出的电压一般为1.1V左右，经过三倍压电路后，理论上应该为升为3.3V。故所得结果与经验值相等。然而，由于每个小信号肖特基二极管L14148具有正向电压降，实际DC电压由图可以看出只达到2.6V。PiezoSource经过整流、滤波后，输出电压趋于平滑，非常接近于理想的直流电压，电路具有很好稳压性能。3.1.3整流电路的选择经过比较桥式整流电路和倍压整流电路，通过观察其仿真的输出波形，本设计选择使用输出滤波整流电路为三倍压整流电路，其优点如下：(1)把较低的交流电压用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压；(2)三倍压整流输出电压是输入电压的几倍，比桥式整流电路高；(3)三倍压整流电路输出电压大约是二倍压的2倍。3.2DC-DC升压电路的设计3.2.1Max1678芯片介绍Maxl678是一个具有转换效率高、输入电压低和内置了一个同步整流器的升压式DC/DC变换器集成电路芯片。该芯片在0.87V的输入电压下就能启动工作，并且还具有37uA的静态工作电流。该芯片内部包含了一个1Ω的N-MOSFET功率开关、一个可以作为整流二极管使用的同步整流器、一个高精度基准电压源和一个PFM控制器。该芯片具有3.3V固定输出式和可调范围为2～5.5v的输出可调式系列产品。该芯片在输出电流高达50mA的负载条件下，其转换效率高达90％。该芯片内部还闲置了一个能用作欠压封锁功能的比较器(PFI/PFO)，同时还具有静态电流仅为2uA的关闭模式。另外，该芯片还具有高度仅为1.1mm的小体积、轻重量uMAX-8封装形式。Maxl678不需要外接MOSFET和肖特基二极管，降低了系统成本和尺寸。另外，该芯片内还包括一个独立的比较器，可用于低电压检测，EMI抑制电路降低了系统噪声。Max1678采用恒峰值电流控制原理，使其不仅保持了传统PFM转换器的低静态电流，而且在满负荷下效率可达90％，具有极低的输出电压纹波。工作电压可低至0.7V，0.87V保证启动。将1．2V电压升至3.3V时最高输出电流为45mA。表2Maxl678的管脚引线功能编号符号管脚引线功能1BATT输入电源电压端2PFI电源失效检测输入端。当该端的电压低于614mV时，PFO端则吸收电流3PFO电源失效检测输出端。该端为漏极开始输出式电路结构，当PFI端的电压低于614mV时，该端则吸收电流4SHDN关闭控制输入端。当该端为高电平时，芯片处于启动工作状态；当该端为低电平时，芯片处于关闭模式。若要构成不需外部控制的应用电路，该端应直接连接到BATT5FB双模式反馈输入端。对于3.3v固定输出式应用电路，该端应连接到GND；对于2～5.5V的可调式应用电路，该端应连接到OUT与GND之间的一个分压器的输出端，该端应调节到1.23V6GND公共接地端7LXN-MOSFET功率开关的漏极和P-MOSFET同步整流器的漏极引出端8OUT芯片的电源输出端。对升乐式电路来说，该端为芯片的电源电压输入端；对3．3V固定输出式应用电路来说，该端为反馈输入端。该端到GND之间应就近连接一个滤波电容3.2.2DC-DC转换器原理图3.8升压型DC-DC工作原理升压型DC—DC转换器的电路结构如图3.8所示。首先，假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V出于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压U0为恒值。设V处于通态的时间为,此阶段电感L上积蓄的能量为。当V处于断态的时间为,则在此期间电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）式（3-2）中的，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。其中为开关占空比(导通时间占工作周期的比率)。控制电路监测输出电压并控制占空比，从而达到调节和稳定输出电压的目的。控制方式最常见的有PFM(脉冲频率调制)和PWM(脉冲宽度调制)两种。前者具有较小的静态电流，轻载情况下效率较高，但纹波稍大。后者在重载时具有较高效率，噪声小。Max1678系列升压型DC-DC转换器采用一种改进的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较重负载下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，利于降低电路的尺寸和成本。除了控制方式的改进之外，MAXl678还采用另外两种技术以获得更高的性能：提高效率的同步整流和降低EMI(电源干扰)的阻尼换流。另外，对于普通的DC-DC转换器，图3.7电路中L和D的连接点会出现振荡现象。这是由于电感中的能量全部释放给负载后整流器关断，而此时在电感自身的寄生电容和引脚分布电容还储存有一定的能量，这些电容和电感L构成的谐振电路在这些能量的作用下将发生振荡，部分能量将以电磁波的形式向外辐射出去，造成对其它电路的干扰，在对噪声敏感的应用中必须对其加以抑制。在MAXl678中采用了一种阻尼技术来抑制这种EMI。具体做法是，当电感中的能量释放完毕后，在电感两端接入一个电阻(200Ω)，使谐振电路处于临界阻尼或过阻尼状态，将剩余能量消耗在电感上，减小电磁辐射。3.2.3电路设计Max1678内部已经集成了功率开关、同步速流器和控制电路，外接元件只有一只储能电感和输入/输出滤波电容，设计的主要任务就是根据实际需要选择合适的元件，用这四种器件组成DC-DC转换器,电路如图3.9所示。其中，如需加入阻尼开关，Maxl678需将BATT引脚接到电感连接电源的一端。图3.9DC-DC升压电路三倍压整流电路输出的的电压给超级电容充电，当超级电容的值达到DC-DC芯片设定的门限值时，芯片就开始工作。若没有达到时，芯片就停止工作。所以，芯片的启停都是自动完成的，没有外交控制电路。故管脚应该应该直接与电源输入端BATT相连。PF1管脚用来确定DC-DC芯片的电压门限值，电路通过外接的两个分压取样电阻Rl和R2来对输入电源电压失效门限进行设置，关系满足下式：（3-5）式中=614mV,是可调的，选择范围为100KΩ～1MΩ。由于我们设定的电压门限值为1.4V,又由于，数值带入(3-2)式，可以求得：（3-6）FB管脚用来确定DC-DC芯片最后稳定输出的电压，电路通过外接的两个分压取样电阻R3和R4来设置钳位电压，关系满足下式：（3-7）式中=1.23V,是可调的，选择范围为100KΩ～1MΩ。由于我们设定的电压稳定输出值为5V,又由于，数值带入(3-7)式，可以求得：（3-8）3.2.4元件的选择储能电感是影响DC-DC转换器性能的关键器件，主要考虑的参数有电感量、饱和电流和直流电阻。一般22uH～47uH的电感可以满足大多数应用的要求。较大的饱和电感量有利于减小电流的脉动，降低输出纹波，并增大输出电流容量。在体积和成本允许的情况下应选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于轮换器的峰值电流。电感的直流电阻会消耗一会的功率，在体积和成本许可的情况下应选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用，为降低电源的EMI，最好选用具有闭合磁芯的电感。选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻(ESR)是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，应选用低ESR的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR，也可选用低ESR的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在10uF～100uF，对于较重的负载应选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。表3滤波电容的生产厂家及型号容量/uF型号及种类生产厂家4.7～47595D系列钽电容SpragueTAJ，TPS系列钽电容AVX4.7～10X7R系列磁片电TDK4.7～22TDK3.3能量收集电路的设计压电声电转换器产生的电能相对较小，还不能直接为大部分电路提供驱动能量。但是环境噪声振动是无处不在的，只要周围环境有噪声就可以用压电声电转换器产生电能。收集压电声电转换器产生的电量的方法主要有两种：第一种方法就是通过电容器收集并且储存产生的能量；第二种方法是利用可反复充电的锂／锂离子充电电池收集储存电能。3.3.1电容储能电路超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，适于做电动车的起步、加速、爬坡电源；高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。利用超级电容器来收集压电声电转换器产生的电能，图3.10是完整电路示意图，以用来为DC电路供电。图3.10电容充电电路原理图电路工作原理：首先压电声电转换器压电发电结构产生交流小电压，但不稳定，经全波桥式整流电路将交流电整流为稳定直流电压，再储存到超级电容器C中。在压电发电结构上施加一个任意频率的激励，声电转换器产生电能为电容器充电并驱动整个电路。但是，当用一个高频率的噪声信号作用在压电结构上时，一旦达到电容器的放电水平，电容器就会快速的充电与放电，电路输出为脉冲信号。为了更好的说明电路的性能，采用低频率的正弦激励信号和小电阻时，电路会表现得比较好，这样可以允许电容器显著的放电与充电。这种方法收集压电材料产生的能量是瞬间的。而且，电路输出的能量受限于时间，这种方法给电子设备提供能量只是理论上的。3.3.2锂电池储能电路本文前面设计的整流电路和DC升压电路输出电压为5V，所以采用由以采用由Maxim公司（MAXIMUSA）推出的Max1811(图3.11为其功能引脚图)作为主控芯片设计电路对可充电电池进行电能收集。MAX1811是美信公司生产的USB接口单节锂电池充电控制器，它可以直接由USB端口供电，或由其他外部电源供电，电源电压可达+6.5V。MAX1811无须微处理器控制，最大充电电压可由引脚设置为4.1V或4.2V，最大误差为0.5%。Max1811体积小，尺寸为5.00mm×6.20mm×1.35mm，它是一种高集成度电池充电器IC，所需外围元件极少，易于控制电路体积。而且，它可以用于锂电池充电，而锂电池电池具有很多优于其他可充电电池的特性，包括高能量密度、重量轻、生命周期长、容量保持特性好、环境温度适应范围大和电流忍耐能力强等等。图3.11MAX1811功能引脚图表4MAX1811各引脚功能引脚名称功能1SELV电池充电终止电压设置端，<0.8V时充电终止电压为4.1V，>2V时为4.2V。2SELI电池充电电流设置端，<0.8V时充电电流为100mA，>2V时为500mA。3、6GND接地端4IN充电电流及芯片工作电源输入端。续表45BATT充电电池接入端。7EN充电控制端，>2V时充电，<0.8V时关断。8状态指示端，充电时为低电平，关断时为高电平。它可以直接从外部获取范围4.35～6.5V电压，它内置温度控制回路及电池过放电电压检测。它的运行无需微处理器控制，并且可将一节锂电池充电达500mA。各引脚功能见表4。它有两个设置端，其中SELV设置为高时，对电池的最终充电电压为4.2V，设置为低时最终充电电压为4.1V，可适应不同最终充电电压的锂电池。最终充电电压的精度可达到0.5%，能安全地对电池进行充电。另一个设置端是SELI，开关K合上设置成高时，充电电流为500mA，适用于高功率的端口(4.75V～5.25V，500mA)；开关断开为低电平时，充电电流为100mA，适用于低功率端口(4.4V～5.25V，100mA)。端在充电期间为低电平，可连接一只发光二极管作充电指示。从压电声电转换器振动得到的交流电电压大约为1.1V，这给超级电容器C5充电是不够的。所以我采用四倍压整流电路来进行整流，它能完成AC—DC整流、滤波，同时能增加直流电压的大小。然后将直流电储存到超级电容器中。由于从三倍压电路出来的电压是不断变化的，所以后面接了个DC-DC升压电路，来稳定输出+5V的电压。又因为MAXl811充电控制端输入电压要求输入电压>2V时，芯片才工作，给锂电池充电。若<0.8V时，芯片关断。所以，+5V电压能够满足要求。图3.11能量收集电路图当超级电容器C5上的电压超过1.4V时，DC芯片开始自启动，DC升压电路工作，输出电压钳位于+5V。另一方面，如果C5上的电压小于芯片的门限值，这个电源管理芯片将自行关闭，降低耗散的能量。超级电容器上的电压可能波动，只要它上面的电压高于1.4V，DC升压电路输出的电压便固定在恒定值。然后DC升压电路驱动电源管理电路工作，Maxl811输出电压固定于4.2V，这就是给单节锂离子电池充电所需的电压。4软件设计4.1方案论证方案一：查询方式可以将电压比较器输出的电平接到P2口。这样，P2口的状态会不停地改变，让单片机不停地去查询P0口的状态，然后通过不同的状态来让步进电机正转或是反转。这种方案优点是：硬件接线比较简单，软件编程比较方便。但是缺点也很明显：由于单片机要不停的查询P0口的状态，会占用大量的内存，浪费掉许多资源，工作效率不高。方案二：中断方式可以将电压比较器输出的电平接到口和通过一个非门接到口。只有当中断产生后，单片机才开始工作，然后让步进电机做出相应的反应。不必要去不停地查询P2口的状态。此方案优点是：单片机不用一运行程序就开始不断查询P2口状态，只有等到中断信号产生时，单片机才开始循环扫描工作。期间，单片机可以去做其他的工作，这样可以节省大量资源，提高工作效率。缺点是：硬件接线麻烦，软件编程复杂。考虑到要节约单片机资源，提高其工作效率，本设计中，本文选择方案二中断方式。4.2主程序初始化单片机打开所有中断初始化单片机打开所有中断等待中断开始图4.1主程序流程图程序进入主程序后，首先对单片机进行初始化，将外部中断0和外部中断1设为低电平触发方式，打开外部中断0和外部中断1，然后一直等待中断信号的请求。4.3中断子程序程序流程图如下：当=0，当=0，=1时，电机正转开始初始化P0口取控制字送控制字到P0口P3.2=1？NY结束开始初始化P0口取控制字送控制字到P0口P3.3=1？NY结束当=1，=0时，电机反转图4.2中断子程序流程图先取控制字表头地址，然后逐个扫描控制字，扫描到每一拍就输出去。调用延时子程序来控制步进电机的转速，由于声音的采集、转换和比较是要花费一定时间的，所以延时子程序中步进电机的转速应该不要太快。如果当步进电机转到一定角度后，时，就跳出中断0子程序中循环扫描程序，程序开始进入中断1子程序，开始反转。这样，通过不断调用两个中断子程序，来实现步进电机的动态平衡。5结论与展望5.1结论整个系统设计完成了，能效比的大小是系统最关键的问题。在系统中，主要耗能的元件有AT89C51单片机、ULN2003A驱动芯片、42HB22步进电机、MAX1678芯片和MAX1811芯片。通过查阅技术资料并计算，上述元件的消耗功率大致如下：AT89C51单片机工作电压为+5V，最大工作电流为20mA,消耗功率为（5-1）ULN2003A驱动芯片工作电压为+5V，工作电流为15mA,消耗功率为（5-2）42HB22步进电机工作电压为+5V，工作电流为500mA,消耗功率为（5-3）MAX1678芯片功率为0.33W,MAX1811芯片功率为0.35W。由于本设计中，系统中用了两个对称的声电转换器来回收能量，可以为两个声电转换器充电，能量回收系统也是对称的两个。所以MAX1678芯片和MAX1811芯片计算耗能是要加倍。系统总耗能如下：（5-4）由前面设计可知，锂电池充电电压为4.2V,充电电流为500mA,且有两个，故回收电能为：（5-5）系统能效比计算为：（5-6）尽管不是很大，但是超过了1，应该说本设计是有意义的。要是小于1也是无妨的，因为在前面，我们用到了太阳能蓄电池来为这些元器件供电，太阳能是很丰富的，能够源源不断地进来。利用太阳能来回收噪声能，系统的储能肯定大于耗能。本文中，本文主要完成了以下方面的工作：系统阐述了噪声回收系统所运用的技术及原理。设计了噪声源定位模块，给出了硬件和软件资料。设计了噪声能量回收模块，对其中的每部分电路进行了详细的设计分析。用太阳能完成对噪声的收集，验证系统是有意义的。这个学期的毕业设计中，我严格按照老师与学校的要求。在老师的指导下进行了大量的理论与实践知识的学习和探索，将大学四年里所学的知识很好的串联起来，较好的提高了我分析问题、解决问题的能力以及自己的动手能力。但是由于这实际上是我们在大学里的第一次比较系统的运用所学知识来解决一个实际的问题。加之我知识有限，经验