張曉倩，楊 琴（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，614000）

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基于多能量收集器的微能源系統(tǒng)研究

張曉倩，楊 琴
（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，614000）

摘要：針對傳統(tǒng)的采用市電或電池供電的方式無法滿足微型低功耗電子設(shè)備在條件惡劣、不易更換電池等環(huán)境中的現(xiàn)狀，提出了一種基于多能量收集器的微能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并借助測試平臺(tái)驗(yàn)證了基于多能量收集器的微能源系統(tǒng)能夠?yàn)闊o線傳感系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的能源，從而證明了此微能源系統(tǒng)為設(shè)備供電的可行性。

關(guān)鍵詞：能量收集器；微能源系統(tǒng)；無線傳感系統(tǒng)

0 前言

隨著微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用自然界廣泛存在的振動(dòng)能、太陽能、熱能等轉(zhuǎn)換為電能的能量收集器，被越來越多地用于條件惡劣的環(huán)境下代替常用的蓄電池為微型低功耗電子設(shè)備供能。由于太陽能需要光照，熱能必須存在與有溫度梯度的環(huán)境中，所以最為常見和最易獲取的振動(dòng)能成為可利用的最佳選擇。根據(jù)工作方式不同，振動(dòng)能量收集器可以分為壓電式、靜電式和電磁式三種類型。其中電磁式振動(dòng)能量收集器具有感測頻率高、發(fā)電量大等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

目前，微型低功耗電子設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無線傳感和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。但由于單個(gè)微型能量收集器所產(chǎn)生的功率較小，不足以滿足需要為多個(gè)微型低功耗電子設(shè)備供電或者需要大功率輸出的場合，因此，研究多能量收集器集成的微能源系統(tǒng)，具有非常重要的意義。

1 基于風(fēng)致振動(dòng)的能量收集器

基于風(fēng)致振動(dòng)的電磁式能量收集器是基于法拉第電磁感應(yīng)原理，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)致振動(dòng)能量收集器由永磁鐵、銅線圈、振動(dòng)梁和基座等部件裝配而成，其中，兩塊永磁鐵分別位于彈性振動(dòng)梁兩側(cè)，兩個(gè)多層銅線圈分別嵌入到振動(dòng)梁上下兩個(gè)基座中。

圖1 微型能量收集器模型

微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器被放置于風(fēng)道中，當(dāng)氣流從兩個(gè)基座中間的縫隙通過時(shí)，被壓緊在兩基座之間的彈性振動(dòng)梁帶動(dòng)其兩側(cè)的永磁鐵上下振動(dòng)，從而使永磁鐵和閉合的多層銅線圈發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，嵌入基座的銅線圈切割磁感線的同時(shí)，閉合線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。彈性振動(dòng)梁振動(dòng)的頻率和幅度越大，產(chǎn)生的能量也越大。當(dāng)彈性振動(dòng)梁的振動(dòng)頻率等于其固有頻率時(shí)，能量收集器的輸出電壓最大。

為了有效提高輸出功率，本文進(jìn)行了基于多個(gè)能量收集器的微能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用4個(gè)單體結(jié)構(gòu)的能量收集器，共8組銅線圈組成。

2 電源管理電路

為驗(yàn)證微能源系統(tǒng)在實(shí)際電路中的應(yīng)用可行性，通過為單片機(jī)控制模塊、無線傳輸系統(tǒng)及傳感器模塊供電最終有效實(shí)現(xiàn)信號采集，利用軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)將傳感器電路采集到的數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)射模塊，并控制電子開關(guān)在無線發(fā)射模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)接通，以便為無線發(fā)送模塊提供間歇式大電流。

基于風(fēng)致振動(dòng)的多能量收集器分兩路輸出，一路將部分銅線圈的輸出信號處理后為微處理器、傳感器模塊電路提供穩(wěn)定的工作電源；另一路將其他銅線圈輸出的電信號處理后為無線發(fā)射模塊提供間歇性瞬時(shí)大功率輸出，整體硬件設(shè)計(jì)電路框圖如圖2所示。

由于風(fēng)致振動(dòng)能量收集器輸出的電壓為不穩(wěn)定交流電，因此必須通過電源管理電路對能量收集器的輸出信號進(jìn)行整流、濾波、儲(chǔ)能、穩(wěn)壓以及開關(guān)控制等處理。所需要完成的工作包括：管理多個(gè)能量收集器輸出信號，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與分配，利用控制電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的切換。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

多能量收集器的輸出一是將3組線圈的輸出信號分別經(jīng)過整流后并聯(lián)，再經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓處理，為單片機(jī)和負(fù)載一（溫度傳感器）提供穩(wěn)定的工作電源。單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程，需要引出相應(yīng)的I/O端口與電子開關(guān)、傳感器電路和無線傳感模塊相連，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。輸出二將剩余的5組線圈分別整流后并聯(lián)接入儲(chǔ)能器件充電儲(chǔ)能后接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定輸出的電壓值，避免瞬時(shí)大電壓或瞬時(shí)大電流對負(fù)載電路造成永久性損壞。輸出信號為無線發(fā)射模塊提供間歇性瞬時(shí)大電流。

考慮系統(tǒng)對功耗和結(jié)構(gòu)的要求，本文采用TI推出的SOT563微小封裝的低功耗數(shù)字式溫度傳感器TMP102。為了驗(yàn)證所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用電子數(shù)顯溫度計(jì)測量當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度。

3 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

啟動(dòng)微能源測試系統(tǒng)，將總風(fēng)速調(diào)至120m/s，通過測試系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊采集微能源系統(tǒng)的輸出電壓，分別得出輸出一和輸出二兩路電壓隨時(shí)間變化的曲線圖，如圖4所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

圖3 電源管理電路框圖

從圖4中可以看出，基于多個(gè)風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的微能源系統(tǒng)輸出一能夠在1s內(nèi)提供3.6V的工作電壓，隨后電壓保持穩(wěn)定；輸出二能夠在10s內(nèi)提供3.6V的工作電壓，并且電壓輸出穩(wěn)定。因此所設(shè)計(jì)的微能源系統(tǒng)可以滿足單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊和無線發(fā)射模塊的使用要求和供能需求。對微能源系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行測試，得出輸出一的最大輸出電流為13mA，輸出二的最大輸出電流為22mA，均能滿足需要。

將微能源系統(tǒng)和無線傳感系統(tǒng)組合進(jìn)行測試，無線接收模塊接收到的數(shù)據(jù)值顯示在液晶屏上，同時(shí)使用電子數(shù)顯溫度計(jì)測量實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的實(shí)際溫度值。不同時(shí)段重復(fù)上述過程，得到一組溫度值，如表1所示。

從表1可以看出，無線傳感系統(tǒng)顯示的溫度值與實(shí)際測量值相差不大，因此可以說明：基于風(fēng)致振動(dòng)的多能量收集器組成的微能源系統(tǒng)能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)、溫度傳感器提供正常工作的電壓，也能夠?yàn)闊o線發(fā)射模塊提供足夠的保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)墓β??；陲L(fēng)致振動(dòng)的多能量收集器為多個(gè)低功耗設(shè)備供電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

圖4 微能源系統(tǒng)電壓曲線圖

論文針對特殊應(yīng)用環(huán)境中可代替電池為微型低功耗電子設(shè)備供電的MEMS微能源系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于多個(gè)風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的微能源系統(tǒng)，并完成電源管理電路的設(shè)計(jì)與測試，滿足了能量收集效率高、MEMS微能源系統(tǒng)體積小、成本低、輸出信號穩(wěn)定可靠等要求。

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表1 溫度值

Study on Micro power System of Multiple Energy Harvesters

Zhang Xiaoqian，Yang Qin
（of The Engineering&Technical College of Chengdu University，614000）

Abstract：According to the conditions of traditional city electric or battery unable to satisfy the development needsof micro low-power equipment in the environment of difficult to change the battery andbad conditions，This paper proposed a micro energy system design scheme basing on multi energy collectors，and validated micro energy systembased on multi energy collector can provide stable and reliable energy for wireless sensor system with the help of testing platform. thus proving the micro energy system can supply power for electronic equipment.

Keywords：Energy harvester；Micropower system；wireless sensor system