CN103441560B - 基于压电换能的无线网络传感器通信电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电换能的无线网络传感器通信电源，包括下部转盘，下部转盘的轴心上固定主轴；风叶叶轮套接在主轴上，风叶叶轮下端面固定若干联动轴，两个压电陶瓷片固定在下部转盘上，两根打击传动轴与下部转盘活动连接，两个压电陶瓷片与整流储能检测模块相连；风吹动风叶轮，通过联动轴带动打击传动轴转动，打击传动轴反复击打压电陶瓷后，所产生电能经由导线与电路整流装置相连。经由相关整流装置整流后，可直接供无线网络传感器使用或供锂电池充电。本发明能将风能转化为电能，除可供无线网络传感器直接使用外，还可加以存储相应的电能于锂电池中以供无线传感器网络长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电变换的供能装置，尤其涉及一种能供应无线网络传感器的通信电源。
背景技术
无线传感器网络是一种由传感器节点组合而成的网络，目前在医疗保健、环境监测等多方面具有良好的应用前景。随着无线网络的不断发展，很多时候，我们需要将来自不同区域的信息汇总，从而进行对现场状况的综合判断。通常，在这些情况下，用来采集数据的传感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据检测工作，工作人员无法经常进行维护。在无线传感器网络中，每一个节点都能够独立采集数据，并将数据进行汇总。根据应用规模的不同，节点的数目可以达到上万，监测超过几十平方公里范围内的各类信号。无线传感器网络通常被放置在室外，无法进行长距离的布线，设备的供电成为目前研究工作的一项热点。目前无线网络传感器大多采用化学电池供电，工作环境比较恶劣，而且大多数网络传感器布置数量巨大，更换电池十分困难，因而难以长时间工作，并在经济上造成较大浪费。除此以外，化学电池给环境造成了一定污染，电源供给环节成为无线网络节点进一步应用的重要瓶颈。因此其实际应用遭到了限制。而在众多环境能量转换装置中，太阳能发电、温差发电、风能发电、振动能发电等都成为其中的选择。而振动能由于在环境中较易持续获得，可以使得无线网络传感器在不更换电源的情况下进行长时间工作，大大提高了传感器的工作寿命，从而带来了极大的经济价值，因此受到了众多研究者的重视。
与此同时，传统小型风力发电装置中，由于齿轮变速箱等的存在，使得发电装置运行过程中受到较多的摩擦阻力，因而发电装置启动时所需风速较高。而使用其他新型换能器件的风力发电装置则因此能减少运行中所受的摩擦阻力，从而能在较低风速下启动装置，并输出更多能量。
发明内容
为了克服现有的无线网络传感器不能从环境中获取能量从而进行长时间工作的不足，本专利提供了一种新型的基于压电变换的无线网络传感器节点供能装置，该款装置不仅能将传感器部署环境附近的风能以及振动能转换为电能供传感器使用，并且压电换能装置能在不产生电磁干扰的情况下进行工作，减少了系统故障的可能性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于压电换能的无线网络传感器通信电源，包括下部转盘，下部转盘的轴心上固定主轴；风叶叶轮套接在主轴上，风叶叶轮下端面固定若干联动轴，两个压电陶瓷片固定在下部转盘上，两根打击传动轴与下部转盘活动连接，每根打击传动轴上固定两根弹簧；两个压电陶瓷片与整流储能检测模块相连，所述整流储能检测模块由整流储能模块、电量检测模块和控制显示模块依次相连组成。
本专利的有益效果是，本发明的基于压电换能的无线网络传感器通信电源可以在有周边环境有振动或风存在时，将能量转化为蓄电池能量或供传感器直接使用，并且不产生电磁干扰，无发热，结构简单，成本较低。除此以外，由于使用了新型的传动装置，使得风力发电装置能减少运行过程中所受的摩擦阻力，降低了启动时所需风速，提高了能量输出。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本专利的机械能量采集部分风叶轮说明图。
图2是能量采集部分的机械连动部分。
图3是整流储能检测模块的电路图。
图中、风叶叶轮1、联动轴2、主轴3、打击传动轴4、压电陶瓷片5、下部转盘6。
具体实施方式
如图1和3所示，本发明基于压电换能的无线网络传感器通信电源包括下部转盘6，下部转盘6的轴心上固定主轴3，风叶叶轮1套接在主轴3上，风叶叶轮1下端面固定若干联动轴2，两个压电陶瓷片5固定在下部转盘6上，两根打击传动轴4与下部转盘6活动连接，每根打击传动轴4上固定两根弹簧；两个压电陶瓷片5与整流储能检测模块相连。
如图2所示，当风叶叶轮1在风力作用下转动时，带动联动轴2一同旋转。联动轴2在转动过程中，击打打击传动轴4。打击传动轴4转动，从而多次反复拍打压电陶瓷片5，激励压电陶瓷片5产生电能。
如图3所示，整流储能检测模块由整流储能模块、电量检测模块、控制显示模块依次相连组成。
整流储能模块包括两个储能芯片U1-U2、整流芯片U3、晶振P、电感L、电阻R1、五个电容C1-C5、三个二极管D1-D3、两个锂电池M1-M2。一个压电陶瓷片5与电感L一端、电容C5一端以及整流芯片U3电压输入端Vout相连；电感L的另一端接整流芯片U3的稳流端SW；晶振P的两端分别连接整流芯片U3的两个晶振输入端PZ1、PZ2，整流芯片U3的稳压端CAP端接电容C2，电容C2的另一端、二极管D1的负极、电阻R1的一端和整流芯片U3的电压输入端VIN均通过电容C1接地；二极管D1的阳极分别与电阻R1的另一端、储能芯片U1的电压输入端VCC和二极管D2的阴极相连；锂电池M1的正极连接储能芯片U1的电压输出正端BAT，储能芯片U1的电压输出负端LBSEL分别与锂电池M1的负极、储能芯片U1的地端GND、二极管D2的阳极、二极管D3的阴极、电容C3的一端和储能芯片U2的电压输入端VCC连接。锂电池M2的正极连接储能芯片U2的电压输出正端BAT；整流芯片U3的电压保护端VIN2分别与电容C4的一端和整流芯片U3的参考电压端（D1端）相连。另一个压电陶瓷片5、电容C5的另一端、电容C4的另一端、整流芯片U3的地端GND和电压参考端（D0端）、锂电池M2的负极、储能芯片U2的电压输出负端LBSEL和地端GND、二极管D3的阳极、电容C3的另一端均接地。
所述二极管D2和二极管D3优选肖特基二极管。
储能芯片U1的BAT端和LBSEL端分别连接到电池M1的正负极；VCC端和GND端连接到二极管D2两端起到保护作用。
储能芯片U2的BAT端和LBSEL端分别连接到电池M2的正负极；VCC端和GND端连接到二极管D3和电容C3组成的并联电路两端起到保护作用。
在整流储能模块中，通过储能芯片U1、储能芯片U2、整流芯片U3芯片，将压电陶瓷产生的不连续的电能收集起来，并转换成连续的可以给锂电池充电的电能，给两块锂电池充电。储能芯片U1和储能芯片U2可以但不限于使用LINEAR TECHNOLOGY公司的LTC4071芯片，整流芯片U3可以但不限于使用LINEARTECHNOLOGY公司的LTC3588-2芯片。
电量测量模块包括电量测量芯片U4、三个电阻R2-R5、电容C6、电阻RSNS、二极管D4-D5；电量测量芯片U4的编程输入端PIO分别与二极管D4的阴极和电阻R4的一端相连，电量测量芯片U4的数据输入输出端DQ分别与二极管D5的阴极和电阻R5的一端相连，电量测量芯片U4的供能输出端VDD分别与电阻R3的一端和电容C6的一端相连，电量测量芯片U4的电压感应输入端VIN与电阻R2的一端相连；二极管D4的阳极、二极管D5的阳极和电量测量芯片U4的感应电阻连接端SNS均与电阻RSNS的一端相连，电阻RSNS的另一端、电量测量芯片U4的设备地端VSS和单线速度控制端OVD、电容C6的另一端均接地，并作为负载负端接口B，电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连接，与锂电池M2的正极相连，并作为负载正端接口A。
所述二极管D4和二极管D5优选肖特基二极管。所述电阻RSNS的阻值为微欧级或毫欧级。
在电量测量模块中，通过电量测量芯片U4测量锂电池的电压，和锂电池放电时通过电池的电流，来计算锂电池的电量。电量测量芯片U4可以但不限于使用MAXIM公司的DS2780芯片。
控制模块包括控制芯片MCU、控制显示位芯片U6、控制显示数码芯片U5、锂电池M3和LED显示模块；控制芯片MCU分别与电阻R4的另一端和电阻R5的另一端相连，控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5均与控制芯片MCU相连，LED显示模块分别与控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5相连，控制芯片MCU、控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5均由锂电池M3供电。
具体来说，控制芯片MCU的6个I/O端口分别连接控制显示位芯片U6的端口A、B、C、E1、E2、E3，控制芯片MCU的10个I/O端口分别连接到控制显示数码芯片U5的A0-A7端口和E、DIR端口。控制芯片MCU、控制显示位的芯片U6和控制显示数码的芯片U5的VCC端和GND端都连接至3.3V电源M3供电。
控制显示位芯片U6的Y0-Y7端口分别连接至LED显示模块的8个LED数码的共阴/共阳端，控制显示数码芯片U5的B0-B7端分别连接至LED显示模块的a-g和DP端口。
在控制显示模块中，通过控制电量测量芯片U4测量锂电池的电压，电量等数据，并读出电量测量芯片U4中的测量数据，通过LED数码管显示出来。控制芯片MCU可以但不限于使用STC公司的89C51RC芯片，控制显示数码芯片U5、控制显示位芯片U6可以但不限于使用MAXIM公司的MAX7219CNG DIP24芯片。
Claims (4)
1.一种基于压电换能的无线网络传感器通信电源，其特征在于，包括下部转盘（6），下部转盘（6）的轴心上固定主轴（3）；风叶叶轮（1）套接在主轴（3）上，风叶叶轮（1）下端面固定若干联动轴（2），两个压电陶瓷片（5）固定在下部转盘（6）上，两根打击传动轴（4）与下部转盘（6）活动连接，每根打击传动轴（4）上固定两根弹簧；两个压电陶瓷片（5）与整流储能检测模块相连，所述整流储能检测模块由整流储能模块、电量检测模块和控制显示模块依次相连组成；
所述整流储能模块包括两个储能芯片U1-U2、整流芯片U3、晶振P、电感L、电阻R1、五个电容C1-C5、三个二极管D1-D3、两个锂电池M1-M2；其中，一个压电陶瓷片（5）与电感L一端、电容C5一端以及整流芯片U3电压输入端相连；电感L的另一端接整流芯片U3的稳流端；晶振P的两端分别连接整流芯片U3的两个晶振输入端，整流芯片U3的稳压端接电容C2，电容C2的另一端、二极管D1的负极、电阻R1的一端和整流芯片U3的电压输入端均通过电容C1接地；二极管D1的阳极分别与电阻R1的另一端、储能芯片U1的电压输入端和二极管D2的阴极相连；锂电池M1的正极连接储能芯片U1的电压输出正端，储能芯片U1的电压输出负端分别与锂电池M1的负极、储能芯片U1的地端、二极管D2的阳极、二极管D3的阴极、电容C3的一端和储能芯片U2的电压输入端连接；锂电池M2的正极连接储能芯片U2的电压输出正端；整流芯片U3的电压保护端分别与电容C4的一端和整流芯片U3的参考电压端相连；另一个压电陶瓷片（5）、电容C5的另一端、电容C4的另一端、整流芯片U3的地端和电压参考端、锂电池M2的负极、储能芯片U2的电压输出负端和地端、二极管D3的阳极、电容C3的另一端均接地；
所述电量测量模块包括电量测量芯片U4、三个电阻R2-R5、电容C6、电阻RSNS、二极管D4-D5；电量测量芯片U4的编程输入端分别与二极管D4的阴极和电阻R4的一端相连，电量测量芯片U4的数据输入输出端分别与二极管D5的阴极和电阻R5的一端相连，电量测量芯片U4的供能输出端分别与电阻R3的一端和电容C6的一端相连，电量测量芯片U4的电压感应输入端与电阻R2的一端相连；二极管D4的阳极、二极管D5的阳极和电量测量芯片U4的感应电阻连接端均与电阻RSNS的一端相连，电阻RSNS的另一端、电量测量芯片U4的设备地端和单线速度控制端、电容C6的另一端均接地，并作为负载负端接口B，电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连接，与锂电池M2的正极相连，并作为负载正端接口A。
2.根据权利要求1所述基于压电换能的无线网络传感器通信电源，其特征在于，所述二极管D2和二极管D3均为肖特基二极管。
3.根据权利要求1所述基于压电换能的无线网络传感器通信电源，其特征在于，所述二极管D4和二极管D5均为肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述基于压电换能的无线网络传感器通信电源，其特征在于， 所述控制模块包括控制芯片MCU、控制显示位芯片U6、控制显示数码芯片U5、锂电池M3和LED显示模块；控制芯片MCU分别与电阻R4的另一端和电阻R5的另一端相连，控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5均与控制芯片MCU相连，LED显示模块分别与控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5相连，控制芯片MCU、控制显示位芯片U6和控制显示数码芯片U5均由锂电池M3供电。
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