基于压电发电的环境信息监测节点自取能技术研究

发布时间：2017-05-22 19:08

  本文关键词：基于压电发电的环境信息监测节点自取能技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着集成电路、微型机电系统和传感器技术的发展,以无线传感网络节点为核心的环境信息监测系统被广泛的应用于军事、电力、农业等诸多领域,为智能化管理带来了巨大便利。无线传感网络节点以电化学电池供电。电化学电池体积大、寿命有限、需要定期更换而且一些特殊装置往往不易更换以及由此带来的材料浪费和环境污染也不容忽视。因此,寻找一种长期可持续的绿色能源对环境信息监测领域的发展至关重要。近几年,国内外专家提出利用无线传感网络节点周围的环境能量作为其能量来源为其供电。环境能量包括振动能、风能和太阳能等。利用能量捕获器将这些能量转化为电能,并通过能量管理电路将捕获的电能做进一步的处理,即可实现为无线传感网络节点供电的目的。该方案得到了国内外科研人员的深入研究并认为该方案是可行的。但是在能量捕获、电源管理、以及无线传感网络节点设计上仍存在改进的空间。本文分析了国内外在环境信息监测节点自取能技术的研究现状,利用振动能驱动悬臂梁压电振子发电原理,提出一种基于压电发电的环境信息监测节点自取能技术的研究方案。设计了一套由振动能驱动压电振子发电的绿色电源模块和配套的低功耗无线环境信息监测节点。在实现环境信息采集的同时,克服现有供电装置缺陷,为监测设备提供绿色电能,保障监测设备可靠运行。同时为自供能环境信息监测领域的发展提供必要的技术支撑。论文的研究工作包括以下几方面:(1)通过对压电发电理论知识的分析,推导出悬臂梁式压电振子发电的数学模型,设计出带质量块的多层悬臂梁式能量捕获器。并搭建振动平台进行测试,实验表明:能量捕获器在44.1Hz激振频率下输出功率最大,该频率接近环境中振动频率,能够满足负载的供能要求。(2)运用LTC3588-1能量收集芯片和LTC4071锂电池充电芯片搭建出一种新型毫微功率以及低电量断接保护的能量收集存储电路。并运用LTspice进行仿真,验证了电路的可行性。最后实验表明:该电路输出3.3V稳定电压,能够满足无线传感节点供电要求。(3)运用MSP430G2553微控制器和APC240无线传输模块设计低功耗电路,实现环境中建筑物倾斜度的无线监测。对系统整体测试,结果表明:在间歇工作模式下,能够实现物体倾斜度自取能无线监测。
【关键词】：压电发电 能量捕获器 能量收集存储 低功耗无线传感网络 自取能
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274;TM619
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 研究内容及主要工作15
• 1.4 论文章节安排15-17
• 第二章 压电发电机理17-31
• 2.1 压电基本理论17-21
• 2.1.1 压电材料17-18
• 2.1.2 压电效应18
• 2.1.3 压电方程18-19
• 2.1.4 压电性能参数19-21
• 2.2 压电振子简介21-25
• 2.2.1 压电振子的振动模式21-23
• 2.2.2 压电振子的支撑方式23
• 2.2.3 压电振子的激励方式23-25
• 2.3 压电振子发电性能输出特性25-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第三章 系统总体方案与能量捕获器设计31-37
• 3.1 系统总体方案31-32
• 3.2 能量捕获器设计32-37
• 3.2.1 压电振子材料选择32-34
• 3.2.2 能量捕获器结构设计34-37
• 第四章 新型能量收集存储电路实现37-49
• 4.1 传统能量收集电路37-39
• 4.2 新型能量收集电路搭建39-45
• 4.2.1 新型压电毫微功率能量收集电路39-41
• 4.2.2 锂离子电池充电电路41-43
• 4.2.3 新型能量电路搭建43-45
• 4.3 电路仿真分析45-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 环境信息监测节点实现49-61
• 5.1 硬件电路部分49-55
• 5.1.1 微控制器的选择49-50
• 5.1.2 无线模块50-52
• 5.1.3 倾角传感器52-53
• 5.1.4 整体电路53-55
• 5.2 软件部分55-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第六章 系统的功能检验及分析61-71
• 6.1 系统的整体结构61
• 6.2 系统测试分析61-68
• 6.2.1 能量捕获器性能测试61-66
• 6.2.2 新型能量收集模块性能测试66
• 6.2.3 整套装置性能测试66-68
• 6.3 系统总功率计算及分析68-69
• 6.4 本章小结69-71
• 第七章 总结与展望71-73
• 7.1 工作总结71
• 7.2 工作展望71-73
• 参考文献73-77
• 附录一77-83
• 附录二83-85
• 致谢85-87
• 硕士期间发表论文87

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本文编号：386592