基于光伏发电的智能公园座椅设计

［摘 要］文章阐述了一种以光伏发电为基础的智能公园座椅设计，其目的在于打造更为便捷且可持续的公园休闲体验。座椅主要依赖光伏太阳能板作为电力供应，通过光伏效应将太阳能转换为电能，实现座椅电量的自给自足。这款智能公园座椅具备多项实用功能，包括有线及无线充电设施。用户可利用座椅配备的无线充电器为手机等电子设备充电，省去充电线的繁琐，提供更便捷的充电方式。此外，座椅还配备语音识别助手，用户可通过语音指令与座椅互动。语音识别助手能提供公园相关信息，如景点介绍、活动安排等，为游客提供更优质的导览服务。为确保用户的使用体验，座椅还具备照明功能，提供充足的照明，提升使用的便利性和安全性。通过运用光伏发电技术，这款智能公园座椅实现了可持续能源的利用，降低了对传统电力的依赖。座椅的多功能设计为公园游客提供了更为便利和舒适的休闲体验。这种设计理念将为公园提供一种智能化、环保且可持续发展的解决方案。

［关键词］光伏发电；公园座椅；智能；单片机

［中图分类号］TK81 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0029–03

1 总体设计

太阳能智能座椅的设计主要分为光伏发电模块、语音模块、无线充电模块、有线充电模块、显示模块、电源管理模块及照明模块。

本设计方案旨在高效利用光伏太阳能发电技术，通过电源管理系统为锂电池储能机构提供电力，并进一步将锂电池输入电压升至5 V，以供电给单片机、充电装置、显示装置、语音装置及照明装置。设计要求如下：①优化太阳能光伏发电技术，实现有效供能；②确保通信传感器高效收集声音；③无线与有线充电模块共同满足充电需求；④照明与语音装置实现便捷控制；⑤系统稳定可靠，可长期使用；⑥座椅上方设避雨设施，增加使用场景多样性。

以上设计方案旨在满足功能需求，确保稳定可靠，提供便捷高效体验。

2 硬件设计

2.1 单片机的选型

针对太阳能智能座椅整体系统需求，本方案采用了2 块单片机。

通过Arduino UNO 单片机对整个系统进行控制，涵盖充电模块、显示模块及语音模块。

在照明模块方面，单独采用Arduino NANO 单片机作为系统控制器。

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2.2 语音模块

本设计基于WEGASUN-M6 语音模块，打造了一款太阳能智能公园座椅，实现语音控制功能，适用于日常生活和公园场景，提供便捷舒适的体验。座椅设计全部采用语音控制，实用性强。使用板载LED 时，3 个脚悬空，LED 亮起时引脚为低电平。测试时，启动调试后，2 个LED 灯同时亮起。

2.3 DC/DC升压模块

太阳能智能座椅设计中，考虑到太阳能资源的随机性，电池板发电效果存在不确定性。日出日落时，电池板电压较低，发电量小。正午时，电压较高，发电量大。直接使用不稳定电压为锂电池充电会损害电池，缩短寿命。因此，为确保锂电池的安全与持久使用，在充电过程中必须采用稳定电压。

设计过程中，采用升压电路模块MT3608，将单节锂电池电压提升至约5.5 V，最大输出电流约300 mA。MT3608是6脚封装的DC/DC 升压集成电路，内置MOS 场效应管驱动电路，简化了外围电路设计。输出电压与电阻阻值相关。

2.4 手机充电模块

太阳能智能座椅配备了手机及各类电子产品的充电设施，包括有线充电和无线充电两种方式。

（1）有线充电模块。座椅上设有USB 充电母座，与DC/DC 升压模块的输出端相连。最大电压为5～5.1 V，最大电流为2 A，实测最大功率为10 W。在实测过程中，最大电压稳定在5.1 V，电流稳定在1.5 A左右，功率稳定在7.7 W 左右，可满足市面上所有型号手机的充电需求。

（2）无线充电模块。磁波能量传输实现无线充电，这一设计无需电线连接，有助于推动技术发展，节省成本，提高充电便利性和速度。本设计采用电磁谐振技术，使用DC 5 V、2 A 输入的无线充电模块，为支持无线充电的移动电话充电。

太阳能智能座椅的手机无线充电模块优势如下：①轻薄小巧，座椅空间占用少；②发射端使用220 V交流电；③接收端稳定输出5 V直流电，额定电流0.5 A；④额定状态下，无线充电系统传输效率高；⑤发射端在无接收或无需充电时，自动待机；⑥待机功耗较低。

2.5 太阳能充电管理模块的选型

太阳能智能座椅设计中，为满足便携、无线、低功耗需求，需选用大容量、续航强的锂电池。电源管理电路包括充电、保护及电压转换3 部分，确保座椅稳定、高效运行。

锂电池充电电路方面，采用了MAX1555 芯片，并结合相应的电阻和电容来实现。锂离子电池保护电路则由 FS8820P 电池保护芯片、电阻及电容共同构成。

2.6 太阳能光伏板的选型

目前常见的太阳能光伏板包括单晶硅和多晶硅。

选择光伏电池前，需计算其功率。光伏电池的功率计算如下：故选择最小功率为1 W、锂电池电压为12 V、规格为60 mm×110 mm、工作电压5 V、短路电流1 A、功率为1 W 的单晶硅太阳能光伏板，2 块并联，能加大电流，具有高转化率、高效率输出的特点，弱光效果好。

2.7 锂电池的选型

在设计太阳能智能座椅时，选择电池充电速度快、使用时间长、功率密度较高、体积小的锂离子电池。

假设最大连续阴雨天数为4 d， 采用锂电池， 转换效率为90%， 工作时长为24 h， 放电深度为80%。选用两块1 W 太阳能电池板并联， 一块3.7 V、10 000 AH 锂电池。锂电池型号为3.7 V、10 000 MAH，共两节，分别供电给语音模块和照明装置。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

太阳能智能座椅整体系统正常供电时，单片机进行系统初始化，Arduino 单片机进行信号检测，当检测到信号时显示模块进行运行，当发送声音信号时Arduino 单片机在一定范围内检测到信号，接下来执行指令，如果信号较远或者模糊不清，系统重新进行寻找。

3.2 WEGASUN-M6语音模块程序设计

为提升居民生活品质，本设计采用远程语音控制，可实现灯具操控与语音对话功能。通过软件编程，实现照明、供电及语音对话，具备一定实用价值。虽然语音识别技术不断进步，词汇量及语气识别产品日益丰富，但现有系统距理想完美系统尚存距离。

在程序启动之初，需先初始化外设等配置，随后对语音识别模块进行上电初始化。随后配置照明模块协议，包括数据读写与控制函数声明与调用。进入无限循环后，系统会不断检测语音识别串口的接收值。一旦接收到计时指令，语音识别模块即通过串口向单片机返回数据，主函数扫描判断后启动计时。若接收到语音对话指令，同样通过此方式实现对话功能。

本设计力求实现更智能、便捷的生活体验，虽现有系统仍有不足，但随技术不断进步，相信未来能实现更完美的语音识别与控制功能，为居民带来更优质的生活享受。

3.3 无线充电模块程序设计

随着智能设备的日益普及，以及屏幕尺寸扩大，导致耗电量、充电需求越来越大。在旅行或休闲娱乐时，智能设备电量不足是常见问题。因此，太阳能智能座椅配备充电装置非常必要。除了有线充电USB接口，还增加了无线充电功能，提高了传输效率，为居民出行和休闲娱乐带来便利。

3.4 显示模块程序设计

本设计采用LCD1602 显示屏。控制显示的过程包括将构成显示图像的数据放入数据寄存器，然后将指令放入指令寄存器。

4 实物模型搭建

软硬件设计完成后，进行实物模型搭建以验证系统可行性。通过实际操作和实时监测，检查各部分功能能否实现，语音模块电路连接是否正常，语音控制灯的灵敏度和公园详情解答功能是否有效，字节过长是否能录入语音程序，以及灯是否能及时开关。

当靠近通讯传感器时，发出“在吗”指令，系统会回复“在的”。在感应范围内发出“开灯”指令时，语音模块控制系统应接收指令，并通过433 无线通讯传感器在照明模块上接收指令。太阳能智能座椅顶部的4 个LED 铝基板灯应通过单片机控制并执行指令，灯亮表示系统正常运行。

uKTtTNwUMSKu0plokNFG4ifqCrtfRdida1er0Hbr4ws=完成语音模块硬件调试以后进行软件调试。

第一步：给语音识别模块设置词条和反馈语文本。

词条：@WriteKeywords# 开灯 001| 交通信息018|$ 反馈语文本：@WriteFlashText#|001 马上开灯|018 乘坐一路、七路、十七路等多路公共汽车可到红山公园。

第二步：设置模块识别模式为“对话模式”方便测试。

指令：@AsrMode#1$。

第三部：设置模块“返回值输出格式”为“单子节输出”格式。

指令：@AsrReturn#0$。

第四步：用KeilC51编译器编译源码，再把HEX文件下载到51 单片机中。

语音模块的Arduino UNO 单片机程序调试过程先打开WEGASUN-M6语音识别专家V1.70这个软件。打开串口，再进行寻找并上传源码在目录，下一步打开串口。

第五步：录入语音字节，看文本格式显示是否有误。

第六步：测试。

（1）喊“开灯”，回答“马上开灯”。

（2）喊“交通信息”，回答“乘坐一路、七路、十七路等公共汽车可到红山公园”。

第七步：测试正常。

Arduino UNO 单片机程序需要在Arduino 软件上进行调试。

5 结束语

文章设计的智能公园座椅基于光伏发电，实现自给自足，降低对传统电力的依赖。座椅提供便捷充电方式和语音识别助手等实用功能，为游客提供便利舒适的休闲体验。这一设计理念为公园提供智能化、环保且可持续发展的解决方案，运用光伏发电技术，实现可持续能源利用，符合绿色环保理念。

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