基于EVK1105和UC/OS-II操作系統(tǒng)的自主能量開發(fā)(一)

1.1 引言

該系統(tǒng)基于EVK1105平臺和UC/OS操作系統(tǒng)進(jìn)行制作和開發(fā)，以太陽能和振動能量作為系統(tǒng)主要的能量來源，并通過低功耗的電路實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的理念。系統(tǒng)所有電源提供的電能用來提供給一個音樂播放器(MP3)，該播放器以無線雙向通信方式與耳機(jī)連接，并且支持多用戶同時利用該播放器聽不同的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)多用戶的播放功能。

1.2 項目背景

1.2.1 新能源技術(shù)

隨著世界能源危機(jī)的不斷發(fā)展，以及科學(xué)進(jìn)步的不斷進(jìn)步，石油、煤和天然氣等這些礦物資源不再是人類唯一的能量來源。人類意識到礦產(chǎn)資源的有限性以及地球本身的巨大能源潛力。環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、開發(fā)新能源日益成為全球科技工作者共同關(guān)注的問題，同時這一目標(biāo)和思想也深入到了所有人的意識當(dāng)中。

在面對能源危機(jī)最初的階段中，人們試圖通過減少人類活動中的能量消耗(即低功耗)的方法來解決能源，于是產(chǎn)生了一系列方案，例如：對工廠、作業(yè)現(xiàn)場能源管理的各種條例進(jìn)行了整合;在運(yùn)輸領(lǐng)域引進(jìn)節(jié)能方案;強(qiáng)化對建筑物的節(jié)能管理;生產(chǎn)節(jié)能冰箱、汽車等日用產(chǎn)品。

但是一味地減少能源消耗的方法是不足的，因此人類開始開發(fā)新能源以彌補(bǔ)礦產(chǎn)能源不足所帶來的能源危機(jī)，其中，這些能源包括：核能、太陽能、水力、風(fēng)能、廢棄物發(fā)電、海洋熱能、生物發(fā)電、綠色能源汽車、燃料電池等。這些新能源的開發(fā)在一定程度上緩解了對礦產(chǎn)能源的消耗。之后，隨著科技的不斷發(fā)展，又產(chǎn)生了人工光合作用固定二氧化碳、利用化學(xué)物質(zhì)的生物分解技術(shù)、再生能源技術(shù)、化石燃料應(yīng)用技術(shù)、能源輸送與儲存技術(shù)、系統(tǒng)化技術(shù)、基礎(chǔ)性節(jié)能技術(shù)、高效與革新性能源技術(shù)、環(huán)境技術(shù)等一系列專門的技術(shù)。

由此可見，節(jié)約能源成為當(dāng)今能源使用的一大主題，并且與之相關(guān)的各種科學(xué)技術(shù)也越來越受廣泛關(guān)注。

1.2.2 太陽能采集技術(shù)

太陽能作為一種重要的新型能源，在目前的新能源開發(fā)進(jìn)程中有著廣泛的應(yīng)用和很好的利用價值。太陽能是可再生能源，取之不盡，用之不竭，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。通過測量和計算，地球獲得的太陽發(fā)出的能量可達(dá)173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/㎡，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/㎡，相當(dāng)于有102000TW 的能量。

同時，太陽能在能源技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用。除了太陽能熱水器、光生物利用、光化學(xué)分解等用途之外，太陽能也大范圍地被運(yùn)用到發(fā)電之中。目前太陽能發(fā)電的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，已獲得應(yīng)用的主要有以下兩種。

1、光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。

2、光—電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用“光生伏打”效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。

太陽能電池的基本原理是由半導(dǎo)體硅材料構(gòu)成P-N結(jié)，并制作成太陽能電池。當(dāng)光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

因此，利用發(fā)展較為成熟的太陽能技術(shù)成為該項目的一個重要部分。

1.2.3 振動能量采集技術(shù)

振動能量采集技術(shù)作為一種新型的能量采集方式，現(xiàn)在正越來越受到廣泛關(guān)注，并且逐漸得到應(yīng)用。在熱電、光電和振動等多種新型能源中，振動的能量轉(zhuǎn)換效率最高，而現(xiàn)在的微處理器和傳感器的低功耗化，也使振動能量更加有用武之地。

目前，將振動能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)逐漸趨于成熟，主要的方式有以下幾種：

1、最傳統(tǒng)的做法：和大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組相似，利用電磁感應(yīng)原理，將磁鐵懸掛在線圈中，系統(tǒng)振動時則會產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電能。

2、壓電轉(zhuǎn)換方式。使用壓電元件，施加壓力后會產(chǎn)生相應(yīng)電壓，從而將振動能變成電能。該元件雖然作為檢測壓力的傳感器已得到廣泛使用，但是隨著能量采集技術(shù)的發(fā)展，壓電元件被賦予了全新的用途。

1.2.4 音樂播放器技術(shù)

MP3既指一種數(shù)字音樂，也指一種音頻壓縮技術(shù)，即將原來的音頻壓縮成很小的音樂文件，正是這種小型文件形式的誕生，使得人們的日常生活發(fā)生了一次革命性的變化。

從第一款硬盤式的MP3開始(可以支持MP3、WMA和MAV三種格式)，一直到如今的中文觸摸式MP3以及拍照MP3的誕生，MP3作為一種音樂播放器，其音質(zhì)和可以支持的音樂文件格式以及存儲空間的大小都有了很大程度的發(fā)展。

因此，日漸成熟的MP3技術(shù)也成為項目組提出該方案的一個重要背景。