基于超级电容的WSN节点供电技术

发布时间：2017-08-08 00:23

  本文关键词：基于超级电容的WSN节点供电技术

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【摘要】：近些年来,随着科技的发展,无线传感器网络(WSN:Wireless Sensor Network)技术日臻成熟,这一技术已经成功地应用到了诸如军事探测、医学体感治疗、土壤检测等各个领域。WSN节点的主要供电方式是电池,而电池的使用寿命和限制条件往往制约了无线传感器网络的使用,电池更换和电池质量上的问题不但会直接影响无线传感器网络节点本身,而还会影响到整个无线传感器网络的生命。本文研究一种使用机械振动能量收获、太阳能收获技术进行电能俘获,用超级电容蓄能的WSN节点供电方法,这种供电方法可以有效利用环境能源、使用寿命长、安全、使用条件更加宽泛,从而达到充分利用资源、节约资源、提高WSN寿命的目的。本文首先分析研究了超级电容的基本结构和作为储能元件的工作原理及数学模型,由此得出了超级电容充电效率高、工作环境要求宽泛、几乎可以无限重复使用等突出优点。通过理论分析计算证明了超级电容作为低功耗WSN节点供电蓄能元件,并得到了其作为WSN节点供电作为储能元件的主要参数。然后对太阳能收获技术和机械振动能量收获技术进行了详细研究,分析了使用太阳能板和压电陶瓷悬臂梁进行能量转换的机理。研究了使用两种能量收获方式作为能量源为超级电容充电从而提供WSN节点所需电源的可能性,以保证在不同的应用环境下能够持续能量收获为超级电容充电。论文对超级电容充放电特性进行了深入研究,设计了基于大功率三极管S8050和可调稳压器LM317的超级电容充电的电路,通过实际测试证明了当使用相对较大的电流对超级电容充电时,充电过程稳定、充电速度快、充电效率较高的特性。最后结合目前主流WSN节点供电要求设计了一款为无线传感器网络节点供电的超级电容多源充电的供电器,电源选取五个2.7V、500F的超级电容作为核心蓄能元器件,由MSP430单片机控制选择合理的能量收获源为超级电容充电,在输出电压的升压和稳压控制电路中,由MSP430检测终端输出的电压值与设定的WSN节点供电电压值(3.3V)相比较,用PID算法所产生的PWM控制输出调节,最终使输出电压达到所需要的稳定值。通过硬件电路的实际搭建和调试以及对测试数据的研究分析表明,所设计的基于超级电容蓄能的供电系统符合设计要求,可以为WSN节点提供稳定的供电电压。
【关键词】：多源充电 超级电容 低功耗WSN节点 稳压供电 能量收获
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 创新点摘要6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 选题背景及研究意义9
• 1.2 超级电容的发展概况9-10
• 1.3 超级电容在国内外的研究现状10-11
• 1.4 超级电容的优缺点11-12
• 1.4.1 超级电容的优点11
• 1.4.2 超级电容的缺点11-12
• 1.5 超级电容的应用及其关键技术12-13
• 1.5.1 商业应用12-13
• 1.5.2 工业应用13
• 1.5.3 重型交通工具中的应用13
• 1.6 本文的主要内容及结构安排13-15
• 1.6.1 本文的主要内容13-14
• 1.6.2 本文的结构安排14-15
• 第二章 超级电容的原理及特性15-21
• 2.1 超级电容的结构及原理15-16
• 2.2 超级电容器的分类16-18
• 2.2.1 电化学电容器16
• 2.2.2 对称类型16-17
• 2.2.3 混合电容器17
• 2.2.4 非对称型17-18
• 2.3 超级电容的特性18-20
• 2.3.1 超级电容的等效电路模型18-19
• 2.3.2 超级电容的特性19-20
• 2.4 超级电容的选择20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 环境能量收获技术21-34
• 3.1 环境能量收获21-22
• 3.1.1 太阳能电池板能量收获原理21
• 3.1.2 电磁式振动能量收集原理21-22
• 3.1.3 温差能能量收集基本原理22
• 3.2 压电转换的基本原理22-23
• 3.2.1 压电材料的物理性质22-23
• 3.3 压电效应在压电发电方向上的应用原理23-27
• 3.3.1 压电方程25-26
• 3.3.2 适用于悬臂梁式发电的“31”发电结构26-27
• 3.4 压电发电装置开路电压的理论计算27-30
• 3.5 理论分析结果30-32
• 3.6 基于多源充电的超级电容供电系统的原理与构成32
• 3.6.1 系统供电原理32
• 3.6.2 系统结构32
• 3.7 本章小结32-34
• 第四章 超级电容的充电电路设计34-45
• 4.1 超级电容的多源充电模式34-36
• 4.1.1 主要元器件介绍34-35
• 4.1.2 电路原理35-36
• 4.2 超级电容充电模式36-37
• 4.3 恒压限流充电电路37-41
• 4.3.1 恒压限流充电电路的设计37-38
• 4.3.2 元器件的选择38-39
• 4.3.3 实际电路的搭建和测试以及数据分析39-41
• 4.4 对充电电路的改进41-44
• 4.4.1 基于S8050改进电路的设计41-42
• 4.4.2 改进后电路搭建及数据分析42-44
• 4.5 分析选择合理的电路44
• 4.6 本章小结44-45
• 第五章 超级电容电源电路的设计45-55
• 5.1 超级电容放电电源电路的硬件设计45-47
• 5.2 基于升压芯片QX2304升压电路的设计47-48
• 5.3 电路设计48-50
• 5.3.1 PWM波形输出的基本原理48-50
• 5.3.2 基于单片机MSP430的控制系统50
• 5.4 系统的软件设计50-52
• 5.4.1 PID算法51
• 5.4.2 PID软件控制流程图51-52
• 5.5 超级电容充放电系统在实际电路中的检测52-54
• 5.6 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-59
• 发表文章目录59-60
• 致谢60-61
• 附录1（基于单片机MSP430的超级电容充放电电路）61-62
• 附录2（实验程序）62-69

【参考文献】

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本文编号：637457