阅读说明：本技术 一种多功能单兵太阳能背包装置 (Multifunctional individual solar backpack device ) 是由 尹文刚 杨勇 唐松 王浩 史洋 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多功能单兵太阳能背包装置,涉及军警设备技术领域,解决了传统电池供给方案成本高、便携性差、使用麻烦、功能单一的问题,其技术方案要点是：包括电源模块、碰水监测模块、气压测量模块、充气控制模块、打火模块以及主控模块；碰水监测模块、气压测量模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接,主控模块的信号输出端与充气控制模块的信号输入端连接。本发明采集并存储野外的太阳光,将其转换为电能,可为其它电子设备补充电能；碰水监测可以测量出救生气囊是否遇水,气压测量和控制能够测量出救生气囊内的气压值,救生气囊实现自动化控制,打火功能为士兵野外取暖做饭提供火种,取火方便、快捷,稳定性强。(The invention discloses a multifunctional individual solar backpack device, relates to the technical field of military and police equipment, and solves the problems of high cost, poor portability, troublesome use and single function of the traditional battery supply scheme, wherein the technical scheme is as follows: the device comprises a power supply module, a water collision monitoring module, an air pressure measuring module, an inflation control module, an ignition module and a main control module; the signal output ends of the water collision monitoring module and the air pressure measuring module are connected with the signal input end of the main control module, and the signal output end of the main control module is connected with the signal input end of the inflation control module. The invention collects and stores the sunlight in the field, converts the sunlight into electric energy and can supplement the electric energy for other electronic equipment; whether the lifesaving air bag meets water can be measured through water collision monitoring, the air pressure value in the lifesaving air bag can be measured through air pressure measurement and control, the lifesaving air bag achieves automatic control, the ignition function provides fire species for soldiers to get warm and cook in the field, and the fire is convenient and rapid to get and high in stability.)

一种多功能单兵太阳能背包装置

技术领域

本发明涉及军警设备技术领域，更具体地说，它涉及一种多功能单兵太阳能背包装置。

背景技术

太阳能作为一种节能环保的绿色能源，在军事领域有着非常广泛的应用。目前，军警背包在部队现代战争中和军事训练中具有重要作用，主要用于携带武器装备、电子产品、生活用品以及野外生存用品等。随着科技技术不断发展，大规模战争不会轻易爆发，但单局部战争与摩擦不断发生，所以现代化战争对单兵作战能力的要求不断提高。然而，现有的仅作为用品储存的军警用背包难以满足现代化单兵作战环境复杂性、高强度军事训练标准的需求。因此，如何研究设计一种多功能单兵太阳能背包装置是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决传统电池供给方案成本高、便携性差、使用麻烦、功能单一的问题，本发明的目的是提供一种多功能单兵太阳能背包装置。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多功能单兵太阳能背包装置，包括电源模块、碰水监测模块、气压测量模块、充气控制模块、打火模块以及主控模块；碰水监测模块、气压测量模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，主控模块的信号输出端与充气控制模块的信号输入端连接；

电源模块，用于将采集的太阳能转换成电能储存，并为各模块和外接设备工作提供电能；

碰水监测模块，用于监测判断背包主体配备的救生气囊是否遇水，并在遇水后发出碰水监测信号；

气压测量模块，用于实时监测救生气囊内的气压值，并在气压值达到预设阈值后发出气压测量信号；

主控模块，用于根据碰水监测信号生成启动控制命令，以及根据气压测量信号生成关闭控制命令；

充气控制模块，用于根据启动控制命令打开背包主体配备的气泵向救生气囊充气，以及根据关闭控制命令关闭气泵充气状态；

打火模块，用于产生瞬间高压释放出电弧以提供火种。

优选的，所述电源模块包括依次电性连接的太阳能电池板、蓄电池、供电电路，太阳能电池板安装在背包主体背面；

供电电路包括LM7812变压芯片、LM7809变压芯片、LM7805变压芯片、指示灯D5以及指示灯D5；

太阳能电池板输出20V直流电压，经P3端子输入LM7812变压芯片降压后转化成12V直流电压输出，为蓄电池充电；当太阳能电池板向蓄电池充电时，指示灯D5亮起；

LM7809变压芯片和LM1805变压芯片将蓄电池输出的12V直流电压转化成5V直流电压输出，为外接设备工作提供电能；当负载接入5V输出回路时，指示灯D6亮起。

优选的，所述碰水监测模块包括P1端子、电阻R2，P1端子的1脚和2脚分别向外连出一根电引线；P1端子的1脚，通过电阻R2与5V直流电压端连接，以及与主控模块的P3.7 引脚连接；通过监测P3.7引脚的输出电压判断救生气囊是否遇水。

优选的，所述气压测量模块包括D3B压力传感器和ADC0832模数转换芯片，D3B压力传感器、ADC0832模数转换芯片均与5V直流电压端连接；

模数转换芯片的IN1通道接收D3B压力传感器输出的气压测量信号；

主控模块的P3.4引脚与模数转换芯片的SCLK引脚连接，用于将两个器件间通信的时钟信号输入到模数转换芯片；

主控模块的P3.6引脚与模数转换芯片的CS引脚连接，用于将转换开始信号发送给模数转换芯片；

主控模块的P3.5引脚与模数转换芯片的DI/DO引脚连接，用于将转换命令传输至模数转换芯片，并通过读取P3.5引脚返回的数据计算出救生气囊内的气压值。

优选的，所述充气控制模块包括继电器K2、三极管Q3、绿色指示灯D7、红色指示灯D8 以及电阻；

主控模块的P2.1引脚与REPLY引脚连接，REPLY引脚通过电阻R9与三极管Q3的基极连接；三极管Q3的发射极接地，集电极与继电器K2一端连接，继电器K2的另一端与5V直流电压端连接；

继电器K2并联有二极管D3，二极管D3的输出端通过串联的红色指示灯D8、电阻R11与气泵连接；

继电器K2的常开触点与绿色指示灯D7、电阻R10依次串联后，一端与5V直流电压端连接，另一端与气泵连接。

优选的，所述主控模块包括主控芯片、复位电路以及晶振电路；

复位电路包括按键S2、电容C1、电阻R1；按键S2与电容C1并联后，一端与5V直流电压端连接，另一端与主控芯片的RST引脚连接以及通过电阻R1接地；

晶振电路包括电容C2、电容C3、无源晶振X1；无源晶振X1两输出端分别与主控芯片的 XTAL1引脚、XTAL2引脚连接，电容C2、电容C3串联后与无源晶振X1并联，电容C2、电容 C3之间连接点接地。

优选的，所述打火模块包括开关管Q1、按键S1、高压包T1、整流二极管D1、整流二极管D2、滤波电容C7、稳压电容C5和稳压电容C6；

按键S1控制高压包T1的输出，按键S1接通时开关管Q1导通；

C5电容确保按键S1接通时，初级侧线圈输入恒定的5V直流电压；

整流二极管D1、整流二极管D2串联后将交流电压变为整流电压；

整流电压经稳压电容C6稳压后在次级侧线圈的A、B间输出脉动直流高压；

滤波电容C7滤除次级侧线圈工作时产生的高频干扰信号。

优选的，所述主控模块连接有按键测量模块，按键测量模块包括按键S3、按键S4、按键 S5、按键S6，按键S3、按键S4、按键S5、按键S6一端分别与主控模块的P1.0引脚、P1.1引脚、P1.2引脚、P1.3引脚连接，另一端接地；

按键S3，用于接收用户输入的设置命令；

按键S4，用于接收参数增加输入命令；

按键S5，用于接收参数减小输入命令；

按键S6，用于接收确定输入命令。

优选的，所述主控模块连接有提示模块，提示模块包括指示灯D2、蜂鸣器LS、三极管 Q2以及电阻R3；

三极管Q2的基极通过电阻R3与主控模块的P2.0引脚连接，集电极连接5V直流电压；

指示灯D2的一端与三极管Q2的基极连接，另一端与蜂鸣器LS以及接地；

蜂鸣器LS的另一端与三极管Q2的发射极连接。

优选的，所述主控模块连接有用于显示救生气囊碰水状态及救生气囊内气压值的显示模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采集并存储野外的太阳光，将其转换为电能，可为其它电子设备补充电能，为部队野外小型设备的电力补充提供了一个可靠性高、实用性强、易于推广的电能供给平台，为提高野外训练作业的效率提供了基础条件。

2、碰水监测可以测量出救生气囊是否遇水，测量结果转换成数字信号进行显示；气压测量和控制能够测量出救生气囊内的气压值，如果救生气囊与水接触，系统可以打开气泵向气囊充气，当气囊内的气压值和预设阈值相同时充气操作自动结束，救生气囊实现自动化控制，为野外训练提供基础的泅渡和自救设备，携带方便；

3、打火功能为士兵野外取暖做饭提供火种，取火方便、快捷，稳定性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的整体功能框图；

图2是本发明实施例中供电电路的工作原理图；

图3是本发明实施例中碰水监测模块的工作原理图；

图4是本发明实施例中气压测量模块的工作原理图；

图5是本发明实施例中充气控制模块的工作原理图；

图6是本发明实施例中主控模块的工作原理图；

图7是本发明实施例中打火模块的工作原理图；

图8是本发明实施例中按键测量模块的工作原理图；

图9是本发明实施例中提示模块的工作原理图；

图10是本发明实施例中显示模块的工作原理图；

图11是本发明实施例中的整体工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-11，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：一种多功能单兵太阳能背包装置，如图1与图11所示，包括电源模块、碰水监测模块、气压测量模块、充气控制模块、打火模块以及主控模块；碰水监测模块、气压测量模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，主控模块的信号输出端与充气控制模块的信号输入端连接。电源模块将采集的太阳能转换成电能储存，并为各模块和外接设备工作提供电能。碰水监测模块监测判断背包主体配备的救生气囊是否遇水，并在遇水后发出碰水监测信号。气压测量模块实时监测救生气囊内的气压值，并在气压值达到预设阈值后发出气压测量信号。主控模块根据碰水监测信号生成启动控制命令，以及根据气压测量信号生成关闭控制命令。充气控制模块根据启动控制命令打开背包主体配备的气泵向救生气囊充气，以及根据关闭控制命令关闭气泵充气状态。打火模块产生瞬间高压释放出电弧以提供火种。

如图1与图2所示，电源模块包括依次电性连接的太阳能电池板、蓄电池、供电电路，太阳能电池板安装在背包主体背面。其中，供电电路包括LM7812变压芯片、LM7809变压芯片、LM7805变压芯片、指示灯D5以及指示灯D5。太阳能电池板输出20V直流电压，经P3 端子输入LM7812变压芯片降压后转化成12V直流电压输出，为蓄电池充电；当太阳能电池板向蓄电池充电时，指示灯D5亮起。LM7809变压芯片和LM1805变压芯片将蓄电池输出的 12V直流电压转化成5V直流电压输出，为外接设备工作提供电能；当负载接入5V输出回路时，指示灯D6亮起。

蓄电池上焊接两个接线端子BATin和BATout，BATin端子的作用是接收电池板的输出电压，为蓄电池补充电能；BATout端子的作用是输出12V的电压，为控制板的工作提供电源。OUT5V 端子的作用是输出5V直流电压，Fire端子的作用是为打火模块中打火器的工作提供5V直流电压。开关K1的作用是对电路输入的5V直流电压进行管理，当开关K1接通时，5V直流电压会正常为电路板提供电能。

如图1与图3所示，碰水监测模块包括P1端子、电阻R2，P1端子的1脚和2脚分别向外连出一根电引线。P1端子的1脚，通过电阻R2与5V直流电压端连接，以及与主控模块中主控芯片的P3.7引脚连接；通过监测P3.7引脚的输出电压判断救生气囊是否遇水。

如图1与图4所示，气压测量模块包括D3B压力传感器和ADC0832模数转换芯片，D3B压力传感器、ADC0832模数转换芯片均与5V直流电压端连接。模数转换芯片的IN1通道接收D3B压力传感器输出的气压测量信号。主控芯片的P3.4引脚与模数转换芯片的SCLK引脚连接，用于将两个器件间通信的时钟信号输入到模数转换芯片。主控芯片的P3.6引脚与模数转换芯片的CS引脚连接，用于将转换开始信号发送给模数转换芯片。主控芯片的P3.5引脚与模数转换芯片的DI/DO引脚连接，用于将转换命令传输至模数转换芯片，并通过读取P3.5引脚返回的数据计算出救生气囊内的气压值。

D3B是一款高性能的数字式气压传感器，器件的工作电压为5V，气压监测范围0-255kpa，监测结果以0-5V的电压信号输出。传感器共有3个外连的引线，其中红色引线是电源正极接入线，绿色引脚是电源负极接入线，灰色引线是测量结果输出线。相比两种传感器，MPX4115 和D3B的精度相差不大，但MPX4115的价格要高于D3B，而且测量时要经过复杂的运算后才能计算出真实测量结果，这在一定程度上影响了监测结果的实时性。因此，从降低软件开发难度和设计成本两方面考虑，本发明选择D3B压力传感器来实现对气囊压力的测量。

如图1与图5所示，充气控制模块包括继电器K2、三极管Q3、绿色指示灯D7、红色指示灯D8以及电阻。主控模块的P2.1引脚与REPLY引脚连接，REPLY引脚通过电阻R9与三极管Q3的基极连接；三极管Q3的发射极接地，集电极与继电器K2一端连接，继电器K2的另一端与5V直流电压端连接。继电器K2并联有二极管D3，二极管D3的输出端通过串联的红色指示灯D8、电阻R11与气泵连接。继电器K2的常开触点与绿色指示灯D7、电阻R10依次串联后，一端与5V直流电压端连接，另一端与气泵连接。

充气控制电路中，绿色指示灯D7用于指示气泵工作状态，红色指示灯D8是继电器K2 的通电指示灯。P4端子为气泵的电源接线引脚，1N4148二极管D3起到续流的作用，用于消除继电器通/断时产生的感应电压。

充气控制电路工作时，指示灯D8的供电回路接通，指示灯D8开始工作，输出供电提示信息。当救生气囊碰水时，主控芯片会通过P2.1引脚输出5V直流电压，此时三极管Q3的发射极和集电极两极导通，继电器K1的常开引脚和公共端接通，使得指示灯D7的供电回路接通，输出气泵工作提示信息。此时气泵的正极引脚输入5V直流电压，气泵开始工作，向救生气囊内充气。

当救生气囊未碰水或救生气囊内气压达到设置值时，主控芯片会通过P2.1引脚输出0V 电压，此时三极管的发射极和集电极两极截止，继电器的常开引脚和公共端断开，使得指示灯D7的供电回路断开，输出气泵停止工作提示信息，此时气泵的正极引脚和5V直流电压断开，气泵停止工作，不再向救生气囊内充气。

如图1与图6所示，所述主控模块包括STC89C52RC主控芯片、复位电路以及晶振电路。复位电路包括按键S2、电容C1、电阻R1；按键S2与电容C1并联后，一端与5V直流电压端连接，另一端与主控芯片的RST引脚连接以及通过电阻R1接地。晶振电路包括电容C2、电容C3、无源晶振X1；无源晶振X1两输出端分别与主控芯片的XTAL1引脚、XTAL2引脚连接，电容C2、电容C3串联后与无源晶振X1并联，电容C2、电容C3之间连接点接地。

复位电路中，按键S2的作用是接收手动复位命令，当有手动复位命令输入时，按键S2 的两端将处于接通状，使得RST引脚和5V直流电压直连，该连接状态保持10us以上时主控芯片将自动执行复位操作。电容C1和电阻R1实现了自动复位功能，自动复位电路中，C1电容和按键S2的作用类似，当电容C1两端电压差0-2.7V时(相当于按键接通)，主控芯片执行复位操作；当电容C1两端的压差比2.7V大时(相当于按键断开)，电容C1和电阻R1值的选择决定自动复位的完成时间，电路设计时，电容C1值通常选则10uf，电阻R1值通常选择10K。

晶振电路中，无源晶振X1的作用是输出振荡信号，信号输入到主控芯片内部时钟电路后，经过电路分频处理，即可得到主控芯片内各个单元的工作时钟。电容C2、电容C3在电路中的作用是微调晶振的输出频率，滤除电路工作时产生的高频干扰信号。通常情况下，无源晶振X1值选择11.0592M，电容C2和电容C3的值选择30pf。

相比两款芯片的性能，STM32芯片的控制能力、数据处理能力等方面都要优于STC89C52RC 芯片，但是STM32芯片内包含的基础寄存器较多，软件设计起来相对较为复杂，而且STM32 都是扁平贴片结构封装，如果不设计对应的PCB板将引脚引出，芯片将无法正常的工作。因此，从降低开发难度和设计成本两方面考虑，本设计选择STC89C52RC芯片来作为太阳能背包的控制核心。

如图1与图7所示，所述打火模块包括开关管Q1、按键S1、高压包T1、整流二极管D1、整流二极管D2、滤波电容C7、稳压电容C5和稳压电容C6。按键S1控制高压包T1的输出，按键S1接通时开关管Q1导通。C5电容确保按键S1接通时，初级侧线圈输入恒定的5V直流电压。整流二极管D1、整流二极管D2串联后将交流电压变为整流电压。整流电压经稳压电容C6稳压后在次级侧线圈的A、B间输出脉动直流高压。滤波电容C7滤除次级侧线圈工作时产生的高频干扰信号。在本实施例中，打火模块选择脉冲打火器实现打火。初级测线圈匝数为20，次级侧线圈匝数为2000。

如图1与图8所示，主控模块连接有按键测量模块，按键测量模块包括按键S3、按键S4、按键S5、按键S6，按键S3、按键S4、按键S5、按键S6一端分别与主控模块的P1.0引脚、P1.1引脚、P1.2引脚、P1.3引脚连接，另一端接地。按键S3，用于接收用户输入的设置命令。按键S4，用于接收参数增加输入命令。按键S5，用于接收参数减小输入命令。按键S6，用于接收确定输入命令。

按键电路工作时，主控芯片内烧录的控制程序会定时地读取P1.0-P1.3引脚的输入的状态，哪个引脚检测到0V电压，就表示用户输入了对应的设置命令。比如P1.0引脚变为0V电压，表示用户输入了参数设置控制命令。

如图1与图9所示，所述主控模块连接有提示模块，提示模块包括指示灯D2、蜂鸣器LS、三极管Q2以及电阻R3。三极管Q2的基极通过电阻R3与主控模块的P2.0引脚连接，集电极连接5V直流电压。指示灯D2的一端与三极管Q2的基极连接，另一端与蜂鸣器LS以及接地。蜂鸣器LS的另一端与三极管Q2的发射极连接。

三极管Q2起到开关的作用，开关的导通或截止决定了是否需要输出提示信息。当检测到用户按下按键时，软件会将P2.0引脚输电压变为5V，型号为S9013的三极管Q2的C极和E极直连，使得蜂鸣器LS和指示灯D2同时处于工作状态，将声音和灯光提示信息输出。当按键被释放后，软件会将P2.0引脚输电压变为0V，三极管Q2的C极和E极断开，使得蜂鸣器LS和指示灯同时停止工作，控制提示电路不再输出声音和灯光提示信息。

如图1与图10所示，所述主控模块连接有用于显示救生气囊碰水状态及救生气囊内气压值的显示模块。显示模块采用型号为LCD1602的字符型液晶显示器。其工作电压为3.3V～3.5V，预留11个外接引脚建立与其它芯片的数据通信。液晶显示器包括：屏幕的供电引脚，VCC(正极)和GND(负极)是屏幕及控制器的电源引脚，BLA(正极)和BLK(负极)是背光源的供电引脚。数据传递引脚，DB0(数据低位)～DB7(数据高位)，它们用于实现与外接芯片的数据交换。控制引脚，RS(寄存器选择控制引脚)、RW(数据选择控制引脚)和E(数据发送使能控制引脚)。亮度调节引脚，调节VO引脚的输入电压，可以改变屏幕的显示亮度。

在液晶屏驱动电路中，主控芯片选择P2.5(E)、P2.4(RW)和P2.3(RS)引脚实现对液晶屏工作状态的控制，选择P0口(DB0～DB7)扩展出上拉电阻电路，建立与液晶屏间的数据传递。屏幕的供电引脚、背光源的供电引脚分别连接到5V电源的两端，VO引脚连接一个可变电阻，用来调整屏幕的显示亮度。

当主控芯片需要1602显示数据时，首先主控芯片会通过P2.3-P2.4引脚向液晶屏发送命令，控制1602液晶屏执行数据显示操作，然后将位置数据及显示内容信息分两次通过P0口写入到液晶屏的数据线上，并通过改变E引脚将数据传递给液晶屏，反复执行以上操作两次，即可将一个数据显示在液晶屏上。

工作过程：采集并存储野外的太阳光，并能将其转换为电能，可以为其它电子设备补充电能。碰水监测可以测量出救生气囊是否遇水，测量结果转换成数字信号。气压测量和控制功能，能够测量出救生气囊内的气压值，如果救生气囊与水接触，系统可以打开气泵向救生气囊充气，当救生气囊内的气压值和设置值相同时充气操作自动结束。信息交互功能，可以显示出救生救生气囊的遇水状态、气压测量值及系统的工作状态。另外，救生气囊内的目标气压设置值可以根据使用需要设置。打火功能，可以为士兵野外取暖做饭提供火种。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。