組合式智能野外探測系統

張春光

摘要：本文主要是為野外探險業余愛好者和職業野外探險者進行設計的。組合式野外探測系統包括超聲波探測系統，鋰電池手電筒，工兵鏟和太陽能電池板。

關鍵詞：太陽能;鋰電池手電筒;超聲波探測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0121-01

1 設計思路

組合式野外探測系統主要由電能供給系統、工兵鏟、鋰電池筒和超聲波探測系統組成。太陽能電池板為整個系統進行供電。電筒一方面具有儲存電能的作用，另一方面具有在夜晚照明的功能。由于野外地形和環境等多方面因素的影響下無法判斷一些崎嶇路段的狀況。這時就需要超聲波探測系統測量出路段的距離給野外行動提供更加標準的判斷依據。減少不幸的事件發生提高野外的安全性和可靠性。

2 系統結構設計，系統主要有以下功能

太陽能電池板可以在白天吸收太陽能，然后將其轉化為電能供組合式野外探測系統的其他電子設備使用。鋰電池電筒可以在電量充足的情況下在野外充分發揮作用，由于使用太陽能充電，節能環保。工兵鏟在野外可以發揮鏟、鋸、撬棍（刺），刀、鎬的功能，提升野外生存能力和自我保障能力。超聲波探測系統可以對距離進行測量為崎嶇危險路段的行動提高更加準確的判斷依據，有了超聲波探測系統不僅可以提高野外探險的便攜性，而且可以提升探險愛好者們的人身安全。

組合式野外探測系統的電能供應選擇了太陽能[1]，因為在電力供給不方便的野外，太陽能作為一種易于采集的能源是我們的最好選擇。就目前來看主要有以下幾個類型。

太陽能電池板的工作原理是：由p-n結接受太陽輻射能量，在p-n結上形成電子對。在電子產生的電場下，電子從p端流動到n端，而其中的其他物質從n端移動到p端。這時將太陽能電池板接入電路，就會產生電能[2]。太陽能電池利用其材料的特殊性將接收到的太陽輻射轉換為電能，當太陽輻射到太陽能電池上被太陽能電池吸收后，在p端和n端之間就會產生電子。可以在p端和n端連接萬能表，這就解決了電源的問題[3]。

2.1 太陽能電池板的設計

太陽能電池是一種吸收太陽光輻射能量轉化為電能的元件。為了滿足野外探測對穩定性的要求我們選擇了相對安全可靠的機械式逐日軌跡自動追蹤發電設備。其能夠隨太陽光的移動方向，隨時對太陽能電池板進行調整使其能最大限度的吸收太陽輻射能量。它由機械支架，計算組件，電控組件和光感應器組成。光感應器感受陽光照射的角度變化后將所接受的信息傳送給計算機系統。由計算機系統計算出太陽光照射的方向與軌跡后給控制系統發出指令，由電控組件對支架做相應移動來追隨陽光。

2.2 工兵鏟

在野外，由于受到環境和地形的影響，所以常規的鏟類工具已經無法滿足野外的使用。組合式野外探測系統選擇了軍隊和特種部隊使用的工兵鏟。

鋰電池電筒與組成原理：由于LED的發光原理與傳統白熾燈的原理差別很大，所以其產生的熱量會非常的小，從而不會有過熱的情況發生。相對于白熾燈而言，LED燈采用無毒材料制作而成，可以多次使用，節能環保。由于其封裝在環氧樹脂里，其結構非常的的堅固。劇烈的運動也不會使LED產生松動，滿足了組合式野外探險系統對其穩定性的要求。LED的功耗非常的低，且亮度也很高，在野外使用非常的方便。

電筒不僅具有照明的作用，而且具有儲存電的功能，因為其采用的高聚合度的18650鋰電池，在滿足輕便要求的同時，能夠將電量保存起來。在接受太陽輻射能量強的時侯，太陽能電池板可以將太陽輻射能量轉化為電能以用于超聲波探測系統的供電和其自身調節機制的需求，剩余部分則儲存于電筒電池之中，用于夜晚使用。

3 超聲波探測系統

3.1 超聲波系統原理

相較與計算機而言，單片機的體積非常小，只需要一小部分空間就能安裝。并且其制作簡單，應用成本也非常的低。符合組合式野外探測系統設計要求的便攜性和可靠性。因此超聲波探測系統的控制部分選用單片機來進行控制。單片機選擇了容易使用，性價比合理的51單片。控制原理為由單片機控制系統發出超聲波，然后接收超聲波遇到物體而返回的反饋波。

對于本系統而言，有幾個重要的因素會影響其最終測量值：首先是接收器的靈敏度。靈敏度的不同會導致測量結果產生很大誤差。第二個就是反射的質地。超聲波的反射在經過不同的質地時反射回來的反饋是不同的，從而對結果產生嚴重影響。第三個就是入射超聲波和反射超聲波之間夾角。本系統是通過超聲波傳出之后遇到障礙物反饋而計算的。在遇到障礙物之后由于與障礙物接觸面不同從而導致入射超聲波和反饋超聲波的夾角不同，使測量結果發生改變。最后就是超聲波的幅度，不同幅度的超聲波其速度和方向等一些其它性質不同，從而使測量結果發生變化。

超聲波探測系統接收電路由鎖相環電路，傳感器和放大電路組成。在收到特定的信號時。將會由鎖相環電路發出斷開信號。起到中斷作用。傳感器的作用是傳導信號。而由于傳感器的接收的信號會很弱，不能夠發揮其作用，所以由放大電路進行放大從而使電路正常運轉。

3.2 超聲波探測系統結構設計

為適應復雜的野外環境，便攜性、穩定性的要求，內部元器件的選取與設計必須滿足以下特性。

高集成度：較高的元器件設計集成度能使組合式野外探測系統的設計更精簡，在滿足必須功能需求的同時滿足輕便易攜的特性。

高可靠性：野外苛刻的使用條件使我們的設計產品必須有較高的可靠性，若是極易損壞，則不能滿足我們的使用要求。

由于組合式野外探測系統的應用場景非常特殊，多為野外使用，因此其外形設計不應過分臃腫，要輕便易攜，我們將其設為背負的形式，這樣更有利于組合式野外探測系統的適應性。

4 結論

本次設計主要包括了太陽能電池板，鋰電池電筒，工兵鏟和超聲波探測系統。對于愛好野外探險的冒險者，使用組合式野外探測系統可以讓他們在野外探險的過程中減少很多的負擔，讓他們在野外更加的方便快捷。由于有太陽能電池板的存在可以在沒有電源的野外中充分發揮鋰電池手電筒的作用，使他們在漆黑的的夜晚有足夠的探索能力和自我保護能力。組合式野外探測系統還有一些能夠拓展的地方，可以在系統之中添加sos求救系統，也可以在其中增加探礦設備。探測礦源大多數在地形復雜的山溝，礦洞進行，大多數情況下光線較弱。這時組合式野外探測系統的鋰電池電筒就會起到很大的作用，而且本系統中的工兵鏟和超聲波探測系統也能夠為復雜環境的行動增加了很多的方便性和安全性。

參考文獻

[1] 趙雨，朱燕艷.太陽能電池的分類問題[J].應用能源技術，2019（01）：46-47.

[2] 翟金葉.晶硅太陽能電池發展狀況及趨勢[J].電子技術與軟件工程，2018（04）：76.

[3] 李俊泓.晶硅太陽能電池發展狀況及趨勢分析[J].科技創新與應用，2017（01）：18.