基于溫差發(fā)電的應(yīng)急裝置的設(shè)計(jì)

題目：基于溫差發(fā)電的應(yīng)急裝置的設(shè)計(jì)緒論1.1課題研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀能源問(wèn)題是21世紀(jì)世界各國(guó)面臨的一個(gè)主要的問(wèn)題。邊緣能源的開發(fā)和利用是緩解這一問(wèn)題的有效方法[1]。雖然目前，世界對(duì)太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能等自然能源的研究非常的多，在世界各地的應(yīng)用也十分的廣泛，但是對(duì)其領(lǐng)域的技術(shù)還并不是太成熟，想徹底解決能源給我們帶來(lái)的問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此開發(fā)可以利用的新能源十分迫切，因此，熱電發(fā)電是繼核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能之后的又一種新能源[2]。隨著科技的進(jìn)步經(jīng)濟(jì)生活水平的發(fā)展，物資需求的提高[3]，手機(jī)等隨身攜帶的東西越來(lái)越貴重，也使得做違法的事件的概率逐漸增加。最近幾年中，各大媒體都報(bào)道了關(guān)于旅游業(yè)的可怕消息，這已經(jīng)毀了無(wú)數(shù)家庭，與類似案件一起帶來(lái)不可磨滅的傷害受害者的家庭，也影響社會(huì)穩(wěn)定。本文研究的意義在于對(duì)于解決生活中的這些現(xiàn)象，對(duì)自身的安全增加一層保障，減少類似事件發(fā)生的幾率。現(xiàn)今社會(huì)上的報(bào)警器非常普遍，也越來(lái)越高端，無(wú)線報(bào)警器，智能報(bào)警器，層出不窮，然而這些應(yīng)急裝置都存在一個(gè)致命的短板，就是會(huì)沒電。試想一下，當(dāng)你遇到緊急情況需要啟動(dòng)報(bào)警器，恰巧報(bào)警器的電量又不足怎么辦。為了解決這一問(wèn)題，就有必要做一個(gè)利用溫差發(fā)電的應(yīng)急裝置，只要你能給它提供熱能，讓它的熱端與冷端有足夠大的溫差，它就能一直給報(bào)警器供電。溫差發(fā)電是一種繼核能，太陽(yáng)能和風(fēng)能之后新能源利用方法。可以預(yù)言，作為一種對(duì)環(huán)保節(jié)能技術(shù)，熱電發(fā)電將在21世紀(jì)能源技術(shù)方面起到十分重要的作用[4]。溫差發(fā)電將不會(huì)被天氣所影響，無(wú)噪音，壽命長(zhǎng)，只要有一個(gè)溫差，就可以發(fā)電，溫差越大，則電流越大[5]。1.2研究的目的和意義生活水平提升，城市內(nèi)的現(xiàn)代化逐漸涌現(xiàn)，智能化也逐漸走進(jìn)到了人們的生活，手機(jī)錢包等隨身攜帶的物品含金量也越來(lái)越高同樣伴隨著犯罪率也在不斷的攀升，人們對(duì)家庭財(cái)產(chǎn)以及生命安全都有了強(qiáng)烈的保護(hù)意愿。伴隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在人們的需求。因此，有必要從簡(jiǎn)單的，單一的、局部的和繁瑣的報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展到集成化，智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種智能的應(yīng)急裝置。能夠?qū)崿F(xiàn)智能遇險(xiǎn)報(bào)警功能。當(dāng)按下報(bào)警按鈕它會(huì)將現(xiàn)場(chǎng)位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到事先預(yù)設(shè)好的手機(jī)上，可以有效的預(yù)防危險(xiǎn)的事情發(fā)生，及時(shí)采取有效的措施，確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全。遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)的電源將采用的是溫差發(fā)電的形式。溫差發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)基于塞貝克效應(yīng)，在無(wú)需能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)的情況下，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，無(wú)消耗、無(wú)排放、綠色節(jié)能環(huán)保的技術(shù)[6-7]。1.3研究的總體思想及技術(shù)路線1.3.1總體思想通過(guò)對(duì)溫差發(fā)電與報(bào)警器的研究背景提出采用溫差發(fā)電與應(yīng)急裝置相結(jié)合的方式。本次的設(shè)計(jì)將分為兩個(gè)部分：溫差發(fā)電部分和發(fā)送短信報(bào)警的部分。首先，溫差發(fā)電部分將利用塞貝克效應(yīng)的原理，提升熱端的溫度與冷端形成溫度差從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)升壓模塊輸出5V的穩(wěn)壓為板子上的鋰電池提供電源。其次，發(fā)送報(bào)警短信部分，電源采用可充電式電池，而溫差發(fā)電則是給鋰電池供電。報(bào)警部分實(shí)現(xiàn)的功能是可以把當(dāng)前所在位置的經(jīng)緯度以短信的方式發(fā)送給手機(jī)接收端。1.3.2技術(shù)路線本文的研究技術(shù)方案如下圖1-1所示：圖圖1-1本研究設(shè)計(jì)路線第一章：闡述了國(guó)內(nèi)外對(duì)溫差發(fā)電研究的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究的背景；并講解了溫差發(fā)電技術(shù)研究目的和意義；同時(shí)還介紹了研究的主要內(nèi)容和制定了設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。第二章：闡述應(yīng)急裝置的總體設(shè)計(jì)，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)，溫差發(fā)電模塊，GPS定位模塊，GSM短信模塊四部分進(jìn)行選擇，深入探究系統(tǒng)模型。第三章：根據(jù)對(duì)應(yīng)急裝置總體的設(shè)計(jì)框圖，對(duì)遇險(xiǎn)報(bào)警器進(jìn)行初步硬件設(shè)計(jì)，包括主控電路，GPS定位模塊的電路，溫差發(fā)電電路，GSM模塊的電路四部分。第四章：根據(jù)之前對(duì)應(yīng)急裝置的硬件電路的設(shè)計(jì)，開始對(duì)各部分電路針對(duì)所要達(dá)到的功能進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。第五章：設(shè)計(jì)完成之后開始對(duì)應(yīng)急裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，查看總體完成的情況，對(duì)實(shí)物的制作，調(diào)試以及成果進(jìn)行闡述。第七章：總結(jié)全文，展望未來(lái)。分析整個(gè)技術(shù)研究過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)與不足之處。

2遇險(xiǎn)報(bào)警器的總體設(shè)計(jì)及模塊的選擇2.1總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)為供電方式為鋰電池供電，以STM32F103單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，當(dāng)按壓觸發(fā)按鈕時(shí)，蜂鳴器響同時(shí)GPS獲取的經(jīng)度緯度和報(bào)警信息開始通過(guò)GSM模塊發(fā)送到之前默認(rèn)手機(jī)號(hào)碼上，如果短信消息已發(fā)送成功，則蜂鳴器停止鳴響。在發(fā)送短信消息的過(guò)程中，警報(bào)器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的位置通過(guò)GPS定位。該系統(tǒng)的硬件主要有溫差發(fā)電模塊、GPS定位模塊、無(wú)線模塊、GSM模塊等部分組成，各部分之間相輔相成。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2-1所示。圖2-1總體框圖圖2-1總體框圖2.2模塊的選擇2.2.1單片機(jī)的簡(jiǎn)介STM32單片機(jī)，ST代表的是意法半導(dǎo)體M就是Microelectronics的簡(jiǎn)稱，而32就是代表32位，所以STM32就是意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的32位的微電子控制器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM

Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列[8]。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型系列時(shí)鐘頻率能達(dá)到36MHz，16位的性價(jià)比較好，通過(guò)16位的產(chǎn)品的價(jià)錢能達(dá)到比它本身還要好的性能，是16位中最好的選擇。STM32系列微控制器有不同的配套軟件和開發(fā)工具。意法半導(dǎo)體還將推出一個(gè)新的評(píng)估電路板，這是目前采樣STM32F105和STM32F107互連家庭提供主要客戶。STM32運(yùn)行速度快十倍左右，外圍接口功能比51強(qiáng)得多。STM32的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，超低價(jià)格。其次，很多外設(shè)。三，豐富的模型。四，優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能。五，出色的動(dòng)力控制。六，極低的開發(fā)成本[9]。本設(shè)計(jì)使用的是STM32F103“增強(qiáng)型”系列單片機(jī)為主控芯片，如下圖2-2所示。圖2-2圖2-2STM32F103單片機(jī)2.2.2溫差發(fā)電模塊目前，對(duì)半導(dǎo)體熱電發(fā)電技術(shù)的研究集中在使用太陽(yáng)能，地?zé)?，海洋能等具有比環(huán)境溫度更高低品位能源;熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有移動(dòng)部件，無(wú)噪音，堅(jiān)固耐用，等的特性。目前在國(guó)外已廣泛研究，但在我國(guó)鮮見相關(guān)研究報(bào)道；隨著溫差發(fā)電材料優(yōu)值的發(fā)展，溫差發(fā)電的前景非常廣闊[10-11]。溫差發(fā)電是通過(guò)冷熱兩端產(chǎn)生的溫度差從而形成電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流的綠色環(huán)保節(jié)能的新型技術(shù)。塞貝克效應(yīng)的工作原理是將連接起來(lái)形成一個(gè)緊閉的回路的兩種不同的金屬導(dǎo)熱材料相互接觸，兩個(gè)接觸面上產(chǎn)生電子，當(dāng)一端接觸面溫度逐漸增加時(shí)，接觸面上電子的濃度增大，等電子濃度達(dá)到一定量時(shí)，電子將開始向溫度低的一端擴(kuò)散，形成電動(dòng)勢(shì)。兩個(gè)接觸端之間的溫度差越大其電子移動(dòng)的速度越快，產(chǎn)生的電壓也越大。從某種意義上來(lái)說(shuō)，塞貝克效應(yīng)就是當(dāng)兩種不同的金屬接觸在接觸面上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的大小由不同的金屬材料，產(chǎn)生的溫度以及電子運(yùn)動(dòng)的速度等來(lái)決定。由半導(dǎo)體溫差所產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，這是一種新型的節(jié)能，環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，它具有性能可靠，無(wú)污染，能源可再生，無(wú)噪音，形式自由等優(yōu)點(diǎn)。溫差發(fā)電是一種基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)開發(fā)的發(fā)電技術(shù)[12]。通過(guò)形成PN結(jié)來(lái)連接一個(gè)閉合回路的兩種不同的金屬導(dǎo)熱材料，如圖2-3所示，將其中一段放在高溫的狀態(tài)下，則另一端處于低溫環(huán)境，隨著高溫的那一端溫度不斷的升高，里面的電離子濃度便不停的上升，當(dāng)濃度達(dá)到飽和的時(shí)候，電離子開始向低溫端緩慢移動(dòng)，由此就形成了電流，這就是利用熱端與冷端產(chǎn)生溫度差從而形成電壓的原理。通過(guò)一個(gè)PN結(jié)就可以產(chǎn)生電壓，但是其電壓很微弱，想要形成更大的電壓將可以采用多個(gè)PN結(jié)串聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電壓足夠大時(shí)就可以當(dāng)做發(fā)電器來(lái)使用。圖2-3溫差發(fā)電原理圖圖2-3溫差發(fā)電原理圖2.2.3GPS定位模塊GPS模塊是集成模塊，它集成了RF射頻芯片、\t"/item/GPS%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)\t"/item/GPS%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"集成電路[13]。到目前為止，能在市面上普遍看到的GPS模塊的GPS芯片是采用SIRFIII系列，這是世界上最大的市場(chǎng)份額。由于它們?cè)谛阅芎蛢r(jià)格上差異，模塊當(dāng)中所使用的芯片也都將不同，它的GPS模塊芯片比其他的模塊芯片的價(jià)格便宜很多，性價(jià)比很高，同時(shí)又具有最佳的性能，如MTK或MSTAR昂貴得多，所以采用SiRF系列模塊比較好。在這個(gè)階段，芯片的升級(jí)也在繼續(xù)。用戶通過(guò)用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的[14]。有實(shí)驗(yàn)表明，想要實(shí)現(xiàn)定位的功能，只要三顆衛(wèi)星就能做到，但是缺陷是其獲取的數(shù)據(jù)不夠精確，所以一般第一次定位通常需要用到4顆衛(wèi)星來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。GPS模塊連續(xù)地輸出通過(guò)對(duì)收件人串行通訊端口定位在所述NMEA格式信息和輔助信息來(lái)選擇一個(gè)應(yīng)用程序。一般情況下，冷啟動(dòng)時(shí)間意味著沒有保存在模塊中，以幫助定位數(shù)據(jù)，通常在1分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)。熱啟動(dòng)時(shí)間是指在模塊內(nèi)一個(gè)較新的衛(wèi)星，星歷表（一般不超過(guò)2小時(shí)），通常在45秒內(nèi)，不會(huì)超過(guò)20分鐘就會(huì)關(guān)閉；而RTC的時(shí)間誤差是非常小的情況就是熱啟動(dòng)時(shí)間了。GPS有源天線：由于GPS模塊和使用的設(shè)備之間的距離再加上考慮到安裝上的操作流程越容易越好，一般都會(huì)選擇超過(guò)1米的有源GPS天線。它的信號(hào)是通過(guò)天線的長(zhǎng)短來(lái)進(jìn)行相互補(bǔ)充以提高整體的效益，電纜同時(shí)提供低噪聲放大器所需要的直流電壓，由于接收到的信號(hào)是在天線內(nèi)部進(jìn)行接收和放大的，而且周圍并沒有其他任何設(shè)備，因此它受到的干擾是最小的。通過(guò)有源天線的長(zhǎng)短可以選擇一個(gè)比較好的來(lái)環(huán)境安裝。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，信號(hào)很少出現(xiàn)被干擾的狀態(tài)，下圖2-4為GPS有源天線。圖2-4GPS有源天線圖2-4GPS有源天線本設(shè)計(jì)的GPS模塊將采用Air530模塊芯片，如圖2-5所示。它的特點(diǎn)是體積小，耗能低，功能比較強(qiáng)大；它即使在信號(hào)微弱的環(huán)境下，也能準(zhǔn)確的搜索到衛(wèi)星進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。該模塊增加放大電路，有利于天線快速搜索到衛(wèi)星[15]。GPS模塊設(shè)置各種參數(shù)是通過(guò)串行端口來(lái)運(yùn)行的，并可以保存在EEPROM方便使用。模塊都有自己的SMA接口，可連接各種有源天線，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。與此同時(shí)，該模塊具有3.3V/5V的電平，用于連接各種單芯片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該模塊內(nèi)部自帶備用電池，當(dāng)電源被切斷后，可以由電池提供供電，最多可以使用30分鐘左右的電路用于存放衛(wèi)星數(shù)據(jù)。圖2-5GPS模塊圖2-5GPS模塊2.2.4GSM短信模塊GSM模塊將具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)等并且為該操作系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)串口的功能模塊[16]。GSM模塊除了具有基于GSM網(wǎng)絡(luò)的所有基本功能外，還有語(yǔ)音呼叫，發(fā)送短信消息，GPRS數(shù)據(jù)傳輸和等功能。所以GSM模塊在某種意義上來(lái)說(shuō)，它就是一部手機(jī)[17]。

開發(fā)者通常采用的GSM通信是用ARM的開發(fā)板或者M(jìn)CU的單片機(jī)的串行接口GSM模塊。像撥打電話，發(fā)送短信，撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)等無(wú)線通信功能都是GSM模塊結(jié)合AT指令能實(shí)現(xiàn)的。開發(fā)GSM模塊產(chǎn)品一般都是在ARM的開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，都是用于開發(fā)一些嵌入式的功能，有一部分的GSM模塊上就有研發(fā)這樣一個(gè)功能，可以讓使用者將自己編寫的程序放到GSM模塊之中。GSM模塊在最初的時(shí)候就是運(yùn)用在手機(jī)中的，制作手機(jī)的廠家只要在加上鍵盤，顯示器等外部器件就是一架手機(jī)，所以GSM模塊在某種意義上來(lái)說(shuō)，它就是一部手機(jī)?！笆謾C(jī)”是最常見的移動(dòng)終端，它可完成話音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調(diào)制和解調(diào)信息發(fā)射和接收[18]。GSM模塊大大的完成了制作手機(jī)過(guò)程中帶來(lái)的難題，如信號(hào)的發(fā)送與接收的問(wèn)題。而且還為解決這些問(wèn)題提供特定的串口。商家在制作手機(jī)時(shí)不用再?gòu)念^開始設(shè)計(jì)，這大大縮短了制作的時(shí)間。幾年以前，GSM模塊幾乎是被國(guó)產(chǎn)的手機(jī)市場(chǎng)公司給壟斷，因?yàn)樵诖酥八械氖謾C(jī)制作都離不開GSM模塊，都是在GSM的基礎(chǔ)上完成的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的手機(jī)發(fā)展的越來(lái)越好，制作的技術(shù)越來(lái)越成熟，許多生產(chǎn)手機(jī)的公司已經(jīng)不需要GSM模塊，將可以直接生產(chǎn)芯片式的手機(jī)。圖2-6GSM模塊圖2-6GSM模塊此次實(shí)驗(yàn)裝置中的短信部分將采用GSM模塊系列的SIM800C，如圖2-6所示。它是四頻GSM/GPRS模塊，它擁有穩(wěn)定的性能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和語(yǔ)音信息的傳輸，它的體積非常的小非常適合各種小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，此外它的性價(jià)比也是很高的，各種用戶的需求都能滿足。

3應(yīng)急裝置的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103最小系統(tǒng)STM32系列微控制器是ST公司制作的，而STM32系列ARMCortex-M3內(nèi)核是專門為需要性價(jià)比高，能耗很低的嵌入式應(yīng)用研制的。主控制電路是整個(gè)系統(tǒng)電路的核心部件，主控電路的正常工作是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)將采用STM32F103作為總控制器，其最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3-1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路和時(shí)鐘電路構(gòu)成了一個(gè)單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時(shí)鐘電路是整個(gè)模塊開始運(yùn)作之前最重要的一部分。單片機(jī)的每一個(gè)命令處理和操作都需要時(shí)鐘相應(yīng)的振蕩頻率。所以，單片機(jī)的工作的狀態(tài)都依賴于時(shí)鐘，其工作穩(wěn)定性與提供的時(shí)鐘有關(guān)系。該微控制器STM32有三個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘源。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)鐘使用了一個(gè)外部高速時(shí)鐘。時(shí)鐘輸入將通過(guò)兩個(gè)電容器和8M晶振再加上OSC_IN和OSC_OUT兩個(gè)引腳完成。單片機(jī)的復(fù)位方式被劃分成為系統(tǒng)復(fù)位，上電復(fù)位，備份區(qū)域復(fù)位。本次在電路中使用的是最常用的復(fù)位-系統(tǒng)復(fù)位。就是給單片機(jī)的NRST腳一個(gè)低電平來(lái)觸發(fā)復(fù)位。在電路中有兩個(gè)引腳連接到了SWDIO和SWCLK這兩個(gè)腳，其作用就是調(diào)試程序是燒寫程序的。另外，還有兩個(gè)引腳BOOT0和BOOT1，這兩個(gè)腳的作用就是復(fù)位的狀態(tài)。它們的狀態(tài)不同導(dǎo)致了復(fù)位的地方也不同。正常工作下，BOOT1=x，BOOT0=0。其他另外幾種狀態(tài)并不是經(jīng)常用到，它們一般都是在特定的情況下才會(huì)使用。例如需要調(diào)試程序或者以開發(fā)者進(jìn)行設(shè)置的情況。3.2供電電路3.2.1溫差發(fā)電電路本設(shè)計(jì)采用TEP-300-2.0-1.240*40的溫差發(fā)電組件。它是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上。新開發(fā)的半導(dǎo)體熱電發(fā)電組件，其內(nèi)部電阻小于0.09Ω。具有耐高溫，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。完全符合需求。該溫差發(fā)電組件它由上散熱器作為冷面、溫差發(fā)電芯片采用4片TEP-300-2.0-1.240*40串聯(lián)關(guān)聯(lián)帶組成，由管道導(dǎo)熱作為熱面熱源通過(guò)鋁制管道就能吸收。冷端是由一個(gè)使用自然散熱和良好的導(dǎo)熱性，以形成的散熱片，在靜止空氣中自由散熱。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體熱電發(fā)電模塊與直流電壓源一樣，隨著環(huán)境溫度的變化其內(nèi)阻也發(fā)生變化從而導(dǎo)致輸出的電壓也跟著產(chǎn)生變化。它的串聯(lián)與并聯(lián)的特性和直流電壓源也相差無(wú)幾。串聯(lián)時(shí)，電流不變，電壓是各部分模塊電壓的和，電阻是各部分模塊內(nèi)阻相加的和。并聯(lián)時(shí)，電壓不變，電流是各部分模塊電流的和，而電阻是各部分并聯(lián)內(nèi)阻的乘積除以各部分并聯(lián)內(nèi)阻的和，與求并聯(lián)電阻的和計(jì)算方法一樣。本文采用兩個(gè)串聯(lián)兩個(gè)并聯(lián)的形式發(fā)電，如圖3-2所示。圖3-2圖3-2溫差發(fā)電電路圖V1-V4高溫TEP-300高溫溫差發(fā)電片(兩并兩串)，U1為升壓模塊充電模塊(0.8V-5VDC-dc升壓模塊1塊)，J1為USB接口。3.2.2穩(wěn)壓電路由賽貝克效應(yīng)原理可知，溫差可以產(chǎn)生電流，但如果熱端與冷端所產(chǎn)生的溫度差沒有處在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，那么它的其輸出的電壓也將是不太穩(wěn)定的。為了保證能穩(wěn)定輸出5V電壓使應(yīng)急裝置的正常工作，需要一個(gè)升壓穩(wěn)壓電路。本設(shè)計(jì)采用的是E16P芯片，其穩(wěn)壓電路電壓輸出為5v電壓，最大輸出電流為600ma，如圖3-3所示。該模塊較其他的模塊來(lái)說(shuō)性價(jià)比高，低功耗。輸入0.9V～5V的任何電壓，也都可以穩(wěn)定輸出5V直流電壓。升壓E16p芯片，在4腳和地之間集成一個(gè)開關(guān)管，然后芯片內(nèi)部還有產(chǎn)生方波的模塊。開關(guān)管的閉合與斷開取決于芯片內(nèi)部產(chǎn)生的方波形成的占空比來(lái)決定。（1）當(dāng)開關(guān)閉合的時(shí)候，輸入端輸入的電流將經(jīng)過(guò)電感，開關(guān)管，最終給電感充電，使電感儲(chǔ)存足夠的電量。（2）關(guān)閉開關(guān)電源停止供電時(shí)，電感立即產(chǎn)生電壓，電感線圈儲(chǔ)存的電能開始放電給二極管的負(fù)載供電，同輸入也通過(guò)電感器和二極管供電。所述電感器和所述輸入由疊加的效果升壓。（3）然后輸出電壓通R1、R2兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓反饋給芯片，芯片通過(guò)計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)輸出方波的占空比，從而使輸出電壓穩(wěn)定在5V。圖3-3升壓穩(wěn)壓電路圖3-3升壓穩(wěn)壓電路3.2.3TP5400供電電路此次實(shí)驗(yàn)實(shí)物將采用TP5400芯片為核心作為供電電路。它是一款能夠控制穩(wěn)定輸出電壓為5V，并且還是可以為電池充電的升壓控制芯片，該電路可以輸出1A的電流。升壓電路內(nèi)置了NMOS功率管，外部?jī)H需一個(gè)電感和肖特基二極管及少量電容即可完成5V升壓輸出。當(dāng)VOUT端接入負(fù)載時(shí)，TP5400可提供一個(gè)5V的穩(wěn)壓源，驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1A。它具有非常低的無(wú)負(fù)載消耗電力（小于1uA）和1A的升壓輸出驅(qū)動(dòng)電流能力。隨時(shí)隨地都能使用，無(wú)需外部按便可播放。TP5400芯片的充電部分采用的是線性降壓的方式，它不需要另外加元器件就可以調(diào)整電流穩(wěn)定電壓。在溫度較高的情況下或者在高功率的工作的狀態(tài)下都是通過(guò)熱反饋穩(wěn)定電壓來(lái)禁錮。采用TP5400芯片模塊充電，充滿時(shí)電壓為4.2V，充電過(guò)程中的電流是可調(diào)的，只要通過(guò)在外部設(shè)定就能調(diào)節(jié)，當(dāng)電池達(dá)到飽和狀態(tài)4.2V，TP5400可以自動(dòng)斷電停止給電池供電。升壓部份也有一個(gè)內(nèi)置電源，而較小的內(nèi)電阻能提供5V/1A的驅(qū)動(dòng)能力。高集成水平使TP5400只要有少數(shù)的外圍元件就可以工作。TP5400還擁有充電溫度保護(hù)的功能，它的輸入電壓功率有一定的限制，在負(fù)載條件下可以隨時(shí)調(diào)整電流的大小，一旦發(fā)生過(guò)流它就會(huì)停止供電起到了過(guò)流關(guān)斷的功能同時(shí)還擁有快速響應(yīng)的功能。升壓轉(zhuǎn)換器采用變頻的方法，它的空載功耗很小，所以它的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)有所增強(qiáng)，比同類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外的效率更高。圖3-4TP5400供電電路圖3-4TP5400供電電路3.3GPS模塊電路此次設(shè)計(jì)當(dāng)中的定位功能采用的是GPS系列模塊中的Air530模塊，它擁有體積小，低耗比等特點(diǎn)，一般都用在手機(jī)導(dǎo)航，車載導(dǎo)航等智能應(yīng)用定位當(dāng)中，它是一款性價(jià)比超高的定位導(dǎo)航模塊。而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開發(fā)周期。該模塊提供了超高的性能，即使在弱信號(hào)的地方，也能快速、準(zhǔn)確的定位。GPS模塊屬于室外定位系統(tǒng)，所以天線需要放室外才能定位。圖3-5圖3-5GPS模塊電路3.4GSM模塊電路Air208S模塊是四頻段GSM/GPRS模塊，采用的是RDA8955平臺(tái)。Air208S內(nèi)置32MbNorFlash+32MbSRAM，支持三種開發(fā)模式：Lua腳本開發(fā)模式，AT命令開發(fā)模式以及C語(yǔ)言SDK開發(fā)模式。其中，AT開發(fā)模式并封裝兼容SIM800C。Air208S和Air202模塊采用平臺(tái)完全一樣，所不同的是在Air208的基礎(chǔ)上刪掉了三代射頻座，同時(shí)屏蔽蓋補(bǔ)齊，兼容SIM800C。Air208S具有豐富的外圍接口，用來(lái)以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的要求。所述Air208S模塊使用節(jié)電技術(shù)，并且電流消耗在睡眠模式下低至1.14mA。圖3-6圖3-6GMS模塊電路本設(shè)計(jì)了采用一個(gè)板載電源方案的air208功能模塊，自帶電平轉(zhuǎn)換電路，可以與MCU直連，方便調(diào)試和應(yīng)用開發(fā)。若SIM卡接入并注冊(cè)成功，綠色LED會(huì)以3秒亮一次的狀態(tài)硬件通知。GSM模塊連接通過(guò)普通的串口就可以了，模塊間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用的是ASCII碼，9600的波特率。

4應(yīng)急裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件的介紹Keil軟件是一種編寫語(yǔ)言的軟件，它的容量非常的小，小到足以被存儲(chǔ)在MCU的存儲(chǔ)器中。KEIL公司（現(xiàn)已經(jīng)是ARM公司的一個(gè)子公司）的軟件恰好可以提供這樣的功能，并且工程易于管理，自動(dòng)加載啟動(dòng)代碼，集編輯、編譯、仿真一體，調(diào)試功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)勢(shì)[19]。uVision它是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，與它相似的有Eclispe，Eclispe也是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，很多用戶都喜歡將它當(dāng)做Java的集成開發(fā)環(huán)境來(lái)使用。到目前為止uVision已經(jīng)出了四個(gè)版本的集成開發(fā)環(huán)境uVision2，uVision3，uVision4，uVision5，現(xiàn)在用戶使用的最新版本就是uVision5。這一版本與之前不同的是它只提供了一個(gè)環(huán)境并不會(huì)提供下載程序進(jìn)行編譯的功能，想要編譯程序必須通過(guò)J-Link等驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編譯。本次軟件部分采用KeiluVision5軟件來(lái)進(jìn)行。本設(shè)計(jì)將采用C語(yǔ)言來(lái)編寫程序。因?yàn)镃語(yǔ)言有擁有精煉簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言，操作和運(yùn)用都不會(huì)死板相反十分的靈活，數(shù)據(jù)庫(kù)中具有非常豐富的運(yùn)算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，C語(yǔ)言編程方面的限制比較少，編寫更加自由。4.2主程序的設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)中采用C語(yǔ)言程序進(jìn)行編寫，圖4-1為主程序流程圖。圖4-1主程序流程圖圖4-1主程序流程圖第一，通上電源各個(gè)模塊進(jìn)行復(fù)位到最初的狀態(tài)，GPS模塊開始查找和獲取實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度信息。當(dāng)該按鈕下被按下以觸發(fā)報(bào)警，蜂鳴器響同時(shí)GPS獲取的經(jīng)度緯度和報(bào)警信息開始通過(guò)GSM模塊發(fā)送到之前默認(rèn)手機(jī)號(hào)碼上，如果信息已經(jīng)發(fā)送成功，蜂鳴器就會(huì)停止鳴響。

5實(shí)物的制作與實(shí)驗(yàn)調(diào)試成果5.1實(shí)物的制作通過(guò)上述對(duì)各個(gè)模塊功能的介紹講解，已經(jīng)對(duì)最終的實(shí)物有了一定的構(gòu)架。將系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)好后，接下來(lái)開始實(shí)物制作了。報(bào)警器部分將采用的是PCB腐蝕板，若采用萬(wàn)能洞洞板，由于是自己手動(dòng)焊線制作出來(lái)的系統(tǒng)將不穩(wěn)定，故將采用PCB腐蝕板。熱電發(fā)電模塊通過(guò)使用熱電發(fā)電芯片和一個(gè)升壓模塊制造。使用萬(wàn)用表對(duì)元器件進(jìn)行檢查，繪出原理圖，制作出PCB圖，熱轉(zhuǎn)印，對(duì)PCB進(jìn)行腐蝕，安裝元器件，焊錫，最后進(jìn)行調(diào)試。圖5-1為制作出來(lái)的最終成品。圖5-1實(shí)物圖5-1實(shí)物5.2實(shí)驗(yàn)的調(diào)試與成果實(shí)物制作完成后，接下來(lái)就該開始進(jìn)行調(diào)試了。調(diào)試的工作將預(yù)示著當(dāng)初設(shè)想的功能是否可以一一實(shí)現(xiàn)的重要步驟。實(shí)踐是檢驗(yàn)真相的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在調(diào)試的過(guò)程當(dāng)中思路一定要清晰，具備強(qiáng)硬的電路知識(shí)，做到神形具備才能很好的完成調(diào)試的工作。5.2.1溫差發(fā)電模塊調(diào)試溫差發(fā)電模塊主要給應(yīng)急裝置供電，調(diào)試主要用到的工具有熱風(fēng)槍、溫差發(fā)電模塊、數(shù)據(jù)線、手機(jī)。調(diào)試方法：用熱風(fēng)槍吹出的熱風(fēng)通過(guò)管道，管壁產(chǎn)生熱量使溫差發(fā)電片兩邊形成溫差而有電壓輸出，通過(guò)升壓模塊使輸出電壓穩(wěn)定在5V。當(dāng)冷熱兩端產(chǎn)生足夠大的溫差時(shí)，USB升壓模塊上的紅燈亮，如圖5-2所示。圖5-2溫差發(fā)電模塊圖5-2溫差發(fā)電模塊5.2.2發(fā)送短信模塊調(diào)試緊急裝置的主電源模式由一個(gè)鋰電池，它是一種可再充電電池供電，利用溫差發(fā)電給鋰電池充電。當(dāng)鋰電池亮起，紅燈亮，當(dāng)它是充滿后，綠色的燈開始亮起來(lái)。調(diào)試的環(huán)境需要在室外沒有遮擋物的空曠地帶。在測(cè)試過(guò)程中，首先將一張可以用的SIM卡放入GSM模塊當(dāng)中（目前只支持聯(lián)通和移動(dòng)的SIM卡），給系統(tǒng)上電，上電后GSM模塊上有一個(gè)藍(lán)燈一秒閃一次，表示沒有連接到基站，等到連接上GPS，白的面朝天空，藍(lán)色的燈3秒閃一次，表示已連接到基站，可以開始測(cè)試功能。按下觸發(fā)按鈕，在發(fā)送短消息的過(guò)程中，應(yīng)急裝置將實(shí)現(xiàn)用戶的當(dāng)前位置的通過(guò)GPS定位，并與短消息內(nèi)容一起發(fā)送所述位置數(shù)據(jù)。在測(cè)試開始時(shí)，你需要等待GPS搜星獲取經(jīng)緯度之前預(yù)熱5?10分鐘。5.2.3調(diào)試的結(jié)果溫差發(fā)電部分：根據(jù)上面的調(diào)試，溫差發(fā)電模塊利用熱風(fēng)槍吹出的熱風(fēng)后的溫差發(fā)電，其輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，可以產(chǎn)生5V的電壓完全可以充當(dāng)緊急情況下的電源。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中熱端是用了熱風(fēng)槍吹出來(lái)的熱風(fēng)，由于使用熱風(fēng)槍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較安全，操作容易上手，使熱端溫度上升比較快，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的效果，所以此次試驗(yàn)溫差發(fā)電熱端采用熱風(fēng)槍進(jìn)行。當(dāng)然本設(shè)計(jì)是用做應(yīng)急裝置的供電，若在野外熱端可以采用火，熱水等能源，如下圖5-3所示。在動(dòng)手制作測(cè)試中還充分了解了：放置在熱源和冷源之間的熱電功率芯片并用螺栓按它，想產(chǎn)生電壓冷端與熱端之間必須要有溫度差。而且想要產(chǎn)生的電壓足夠大，只要知道以下幾點(diǎn)：（1）如果可能，讓冷源溫度盡可能的低，相同溫差下，冷源溫度低，發(fā)電量大；（2）接負(fù)載最好是匹配；（3）無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，根據(jù)電源電壓，所述串聯(lián)電壓，并將該輸出電流是恒定的。并行輸出電流被添加到輸出電壓，并且功率是相同的。并聯(lián)還有一個(gè)好處，如果一個(gè)溫差片損壞了也不會(huì)影響其它溫差片工作。應(yīng)急裝置部分：按下按鍵，蜂鳴器響同時(shí)GPS獲取的經(jīng)度緯度和報(bào)警信息開始通過(guò)GSM模塊發(fā)送到之前默認(rèn)手機(jī)號(hào)碼上，默認(rèn)手機(jī)號(hào)和短信內(nèi)容則由用戶在此之前自行設(shè)置好的，如果消息已發(fā)送成功，則蜂鳴器停止鳴響。GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位、實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度信息，GSM模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送報(bào)警短信，手機(jī)接收端收到短信，如下圖5-4所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，溫差發(fā)電部分與應(yīng)急裝置部分基本完成預(yù)期的功能實(shí)現(xiàn)要求。圖5-3溫差發(fā)電功能演示圖5-3溫差發(fā)電功能演示圖5-4手機(jī)接收?qǐng)?bào)警短信圖5-4手機(jī)接收?qǐng)?bào)警短信6總結(jié)和感想6.1總結(jié)本文采用溫差發(fā)電為供電方式，以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片的應(yīng)急裝置。其主要功能就是當(dāng)人們?cè)谝巴猓谝估锏任ｋU(xiǎn)的環(huán)境下，可以通過(guò)應(yīng)急裝置的按鍵來(lái)觸發(fā)報(bào)警，來(lái)告訴你的家人和重要的人你的地理位置以及你遭遇危險(xiǎn)的消息，由于它采用溫差發(fā)電，所以你根本無(wú)需擔(dān)心應(yīng)急裝置有沒電的情況發(fā)生。只要保證熱端與冷端之間的溫差足夠大，它就會(huì)一直給應(yīng)急裝置供電。熱端與冷端之間相差100℃就可以產(chǎn)生5V的電壓。所以如果在野外，熱端則可采用火或者水這種可以隨地取材的材料。溫差增大，發(fā)電量明顯增加[20]。此外，對(duì)于這個(gè)應(yīng)急裝置還有很多不足之處：（1）由于使用熱風(fēng)槍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較安全，操作容易上手，所以此次試驗(yàn)溫差發(fā)電熱端采用熱風(fēng)槍進(jìn)行，但缺點(diǎn)就是體現(xiàn)不出它的獨(dú)特之處，若是條件允許熱端采用火源或者水源會(huì)更好。（2）對(duì)于報(bào)警器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)按下按鍵能錄下現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音發(fā)送給手機(jī)的語(yǔ)音錄音功能。由于實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信的功能是采用GSM模塊，GSM模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸語(yǔ)音的功能。（3）手機(jī)接收的短信界面，對(duì)短信界面的設(shè)想是接收到的經(jīng)緯度能以手機(jī)地圖的形式展現(xiàn)，由于自身能力有限，還沒辦法做到這個(gè)設(shè)想，這將作為后續(xù)重點(diǎn)研究的部分。溫差發(fā)電這個(gè)鄰域在國(guó)內(nèi)學(xué)者可能很少涉及，但在國(guó)外，外國(guó)學(xué)者們?cè)谶@一方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)外已經(jīng)研究出了通過(guò)體溫發(fā)電的手電筒，運(yùn)動(dòng)手表等產(chǎn)品。由此可見，溫差發(fā)電并不是不可能實(shí)現(xiàn)的，它將是未來(lái)綠色能源的主力軍，有著不可預(yù)估的發(fā)展前景。二十一世紀(jì)是人類尋找新能源，開發(fā)利用新能源的世紀(jì)，發(fā)展的腳步永遠(yuǎn)不會(huì)停歇，溫差電池這一小小的發(fā)明將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)新的能源革命，補(bǔ)充傳統(tǒng)電力供應(yīng)不足，它將使人類的生命之樹常青，煥發(fā)新的生命活力[21]。6.2心得體會(huì)四年的大學(xué)生活即將要畫上一個(gè)句號(hào)，畢業(yè)設(shè)計(jì)就是我自己對(duì)在大學(xué)四年中所學(xué)習(xí)到的知識(shí)的一份總結(jié)。我將會(huì)在這份作業(yè)中畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)。在完成這份作業(yè)的過(guò)程中，使我加深了對(duì)C語(yǔ)言編程的能力，讓我對(duì)編程有了新的認(rèn)識(shí)。我還新接觸了一款以前從未接觸過(guò)的單片機(jī)STM32，學(xué)習(xí)了與它相關(guān)的知識(shí)。32單片機(jī)的功能更加的齊全，它在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了很多功能，而且更加容易實(shí)現(xiàn)。由于時(shí)間太倉(cāng)促，經(jīng)驗(yàn)不足，理論方面也相應(yīng)的存在欠缺，再加上條件有限，還有一些在設(shè)計(jì)上的不足之處和本身能力方面需要加以改進(jìn)加強(qiáng)。理論知識(shí)，應(yīng)鞏固和加強(qiáng)。但是寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在今后的學(xué)習(xí)和工作中給我?guī)?lái)了很大的幫助。參考文獻(xiàn)[1]張哲.基于塞貝克效應(yīng)的熱電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].北京林業(yè)大學(xué)，2016[2]嚴(yán)李強(qiáng)，程江，劉茂元.淺談溫差發(fā)電[J].太陽(yáng)能，2015(01):11~15[3]梁華聰，楊作燕，劉安汝.基于藍(lán)牙4.0的防丟與防狼應(yīng)用的研究設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企[3]業(yè)，2017(04):19~20[4]許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2004(01):41~42[5]張肇富.利用體溫發(fā)電、充電的電子表[J].廣西輕工業(yè)，1994(03):18[6]劉興娣，王雪，范倫禹，張玉立.智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(01):78[7]汪琴，王鳳琳，楊郁鑫.基于溫差發(fā)電的發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與制作[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018(05):7475[8]shuju345.STM32系列A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附錄附錄1圖1整體電路原理圖圖1整體電路原理圖附錄2圖2PCB圖圖2PCB圖附錄3主程序#include"Header.h"u8Phone[11]={1，3，0，7，3，9，2，6，5，6，7};//存儲(chǔ)電話號(hào)碼u16GPS_Len;//GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度u8LoLa[30]={0};//經(jīng)緯度信息u32IRQ_Time=0;//定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)//發(fā)送經(jīng)緯度voidSend_BJ(void){u8E_buff[57]={0x37，0x65，0x63，0x66，0x35，0x65，0x61，0x36，0x66，0x66，0x31，0x61，0x30，0x30，0x34，0x35，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，0x30，0x30，0x32，0x65，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，0};//經(jīng)度：E000.000000u8N_buff[53]={0x37，0x65，0x61，0x63，0x35，0x65，0x61，0x36，0x66，0x66，0x31，0x61，0x30，0x30，0x34，0x65，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，0x30，0x30，0x32，0x65，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，'0'，0}; //緯度：N00.000000 LoLa[3]-='0'; LoLa[4]-='0'; LoLa[5]-='0'; LoLa[7]-='0'; LoLa[8]-='0'; LoLa[9]-='0'; LoLa[10]-='0'; LoLa[11]-='0'; LoLa[12]-='0'; LoLa[13]-='0'; NumberToUnicode(&LoLa[3]，3，&E_buff[16]); NumberToUnicode(&LoLa[7]，6，&E_buff[32]); LoLa[18]-='0'; LoLa[19]-='0'; LoLa[21]-='0'; LoLa[22]-='0'; LoLa[23]-='0'; LoLa[24]-='0'; LoLa[25]-='0'; LoLa[26]-='0'; LoLa[27]-='0'; NumberToUnicode(&LoLa[18]，2，&N_buff[16]); NumberToUnicode(&LoLa[21]，6，&N_buff[28]); TIM_Cmd(TIM3，DISABLE); SIM800C_Command("AT+CMGF=1\r\n"); delay_ms(500); SIM800C_Command("AT+CSMP=17，167，2，25\r\n"); delay_ms(