组合式智能野外探测系统

张春光

摘要：本文主要是为野外探险业余爱好者和职业野外探险者进行設计的。组合式野外探测系统包括超声波探测系统，锂电池手电筒，工兵铲和太阳能电池板。

关键词：太阳能;锂电池手电筒;超声波探测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0121-01

1 设计思路

组合式野外探测系统主要由电能供给系统、工兵铲、锂电池筒和超声波探测系统组成。太阳能电池板为整个系统进行供电。电筒一方面具有储存电能的作用，另一方面具有在夜晚照明的功能。由于野外地形和环境等多方面因素的影响下无法判断一些崎岖路段的状况。这时就需要超声波探测系统测量出路段的距离给野外行动提供更加标准的判断依据。减少不幸的事件发生提高野外的安全性和可靠性。

2 系统结构设计，系统主要有以下功能

太阳能电池板可以在白天吸收太阳能，然后将其转化为电能供组合式野外探测系统的其他电子设备使用。锂电池电筒可以在电量充足的情况下在野外充分发挥作用，由于使用太阳能充电，节能环保。工兵铲在野外可以发挥铲、锯、撬棍（刺），刀、镐的功能，提升野外生存能力和自我保障能力。超声波探测系统可以对距离进行测量为崎岖危险路段的行动提高更加准确的判断依据，有了超声波探测系统不仅可以提高野外探险的便携性，而且可以提升探险爱好者们的人身安全。

组合式野外探测系统的电能供应选择了太阳能[1]，因为在电力供给不方便的野外，太阳能作为一种易于采集的能源是我们的最好选择。就目前来看主要有以下几个类型。

太阳能电池板的工作原理是：由p-n结接受太阳辐射能量，在p-n结上形成电子对。在电子产生的电场下，电子从p端流动到n端，而其中的其他物质从n端移动到p端。这时将太阳能电池板接入电路，就会产生电能[2]。太阳能电池利用其材料的特殊性将接收到的太阳辐射转换为电能，当太阳辐射到太阳能电池上被太阳能电池吸收后，在p端和n端之间就会产生电子。可以在p端和n端连接万能表，这就解决了电源的问题[3]。

2.1 太阳能电池板的设计

太阳能电池是一种吸收太阳光辐射能量转化为电能的元件。为了满足野外探测对稳定性的要求我们选择了相对安全可靠的机械式逐日轨迹自动追踪发电设备。其能够随太阳光的移动方向，随时对太阳能电池板进行调整使其能最大限度的吸收太阳辐射能量。它由机械支架，计算组件，电控组件和光感应器组成。光感应器感受阳光照射的角度变化后将所接受的信息传送给计算机系统。由计算机系统计算出太阳光照射的方向与轨迹后给控制系统发出指令，由电控组件对支架做相应移动来追随阳光。

2.2 工兵铲

在野外，由于受到环境和地形的影响，所以常规的铲类工具已经无法满足野外的使用。组合式野外探测系统选择了军队和特种部队使用的工兵铲。

锂电池电筒与组成原理：由于LED的发光原理与传统白炽灯的原理差别很大，所以其产生的热量会非常的小，从而不会有过热的情况发生。相对于白炽灯而言，LED灯采用无毒材料制作而成，可以多次使用，节能环保。由于其封装在环氧树脂里，其结构非常的的坚固。剧烈的运动也不会使LED产生松动，满足了组合式野外探险系统对其稳定性的要求。LED的功耗非常的低，且亮度也很高，在野外使用非常的方便。

电筒不仅具有照明的作用，而且具有储存电的功能，因为其采用的高聚合度的18650锂电池，在满足轻便要求的同时，能够将电量保存起来。在接受太阳辐射能量强的时侯，太阳能电池板可以将太阳辐射能量转化为电能以用于超声波探测系统的供电和其自身调节机制的需求，剩余部分则储存于电筒电池之中，用于夜晚使用。

3 超声波探测系统

3.1 超声波系统原理

相较与计算机而言，单片机的体积非常小，只需要一小部分空间就能安装。并且其制作简单，应用成本也非常的低。符合组合式野外探测系统设计要求的便携性和可靠性。因此超声波探测系统的控制部分选用单片机来进行控制。单片机选择了容易使用，性价比合理的51单片。控制原理为由单片机控制系统发出超声波，然后接收超声波遇到物体而返回的反馈波。

对于本系统而言，有几个重要的因素会影响其最终测量值：首先是接收器的灵敏度。灵敏度的不同会导致测量结果产生很大误差。第二个就是反射的质地。超声波的反射在经过不同的质地时反射回来的反馈是不同的，从而对结果产生严重影响。第三个就是入射超声波和反射超声波之间夹角。本系统是通过超声波传出之后遇到障碍物反馈而计算的。在遇到障碍物之后由于与障碍物接触面不同从而导致入射超声波和反馈超声波的夹角不同，使测量结果发生改变。最后就是超声波的幅度，不同幅度的超声波其速度和方向等一些其它性质不同，从而使测量结果发生变化。

超声波探测系统接收电路由锁相环电路，传感器和放大电路组成。在收到特定的信号时。将会由锁相环电路发出断开信号。起到中断作用。传感器的作用是传导信号。而由于传感器的接收的信号会很弱，不能够发挥其作用，所以由放大电路进行放大从而使电路正常运转。

3.2 超声波探测系统结构设计

为适应复杂的野外环境，便携性、稳定性的要求，内部元器件的选取与设计必须满足以下特性。

高集成度：较高的元器件设计集成度能使组合式野外探测系统的设计更精简，在满足必须功能需求的同时满足轻便易携的特性。

高可靠性：野外苛刻的使用条件使我们的设计产品必须有较高的可靠性，若是极易损坏，则不能满足我们的使用要求。

由于组合式野外探测系统的应用场景非常特殊，多为野外使用，因此其外形设计不应过分臃肿，要轻便易携，我们将其设为背负的形式，这样更有利于组合式野外探测系统的适应性。

4 结论

本次设计主要包括了太阳能电池板，锂电池电筒，工兵铲和超声波探测系统。对于爱好野外探险的冒险者，使用组合式野外探测系统可以让他们在野外探险的过程中减少很多的负担，让他们在野外更加的方便快捷。由于有太阳能电池板的存在可以在没有电源的野外中充分发挥锂电池手电筒的作用，使他们在漆黑的的夜晚有足够的探索能力和自我保护能力。组合式野外探测系统还有一些能够拓展的地方，可以在系统之中添加sos求救系统，也可以在其中增加探矿设备。探测矿源大多数在地形复杂的山沟，矿洞进行，大多数情况下光线较弱。这时组合式野外探测系统的锂电池电筒就会起到很大的作用，而且本系统中的工兵铲和超声波探测系统也能够为复杂环境的行动增加了很多的方便性和安全性。

参考文献

[1] 赵雨，朱燕艳.太阳能电池的分类问题[J].应用能源技术，2019（01）：46-47.

[2] 翟金叶.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].电子技术与软件工程，2018（04）：76.

[3] 李俊泓.晶硅太阳能电池发展状况及趋势分析[J].科技创新与应用，2017（01）：18.