基于多能量收集器的微能源系統研究

張曉倩，楊 琴（成都理工大學工程技術學院，614000）

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基于多能量收集器的微能源系統研究

張曉倩，楊 琴
（成都理工大學工程技術學院，614000）

摘要：針對傳統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備在條件惡劣、不易更換電池等環境中的現狀，提出了一種基于多能量收集器的微能源系統設計方案，并借助測試平臺驗證了基于多能量收集器的微能源系統能夠為無線傳感系統提供穩定可靠的能源，從而證明了此微能源系統為設備供電的可行性。

關鍵詞：能量收集器；微能源系統；無線傳感系統

0 前言

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

目前，微型低功耗電子設備和嵌入式系統已經被廣泛應用于無線傳感和物聯網等領域。但由于單個微型能量收集器所產生的功率較小，不足以滿足需要為多個微型低功耗電子設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，具有非常重要的意義。

1 基于風致振動的能量收集器

基于風致振動的電磁式能量收集器是基于法拉第電磁感應原理，將振動能轉換為電能。風致振動能量收集器由永磁鐵、銅線圈、振動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梁兩側，兩個多層銅線圈分別嵌入到振動梁上下兩個基座中。

圖1 微型能量收集器模型

微型風致振動能量收集器被放置于風道中，當氣流從兩個基座中間的縫隙通過時，被壓緊在兩基座之間的彈性振動梁帶動其兩側的永磁鐵上下振動，從而使永磁鐵和閉合的多層銅線圈發生相對運動，嵌入基座的銅線圈切割磁感線的同時，閉合線圈內的磁通量發生變化，因而產生感應電動勢和感應電流。彈性振動梁振動的頻率和幅度越大，產生的能量也越大。當彈性振動梁的振動頻率等于其固有頻率時，能量收集器的輸出電壓最大。

為了有效提高輸出功率，本文進行了基于多個能量收集器的微能源系統設計。采用4個單體結構的能量收集器，共8組銅線圈組成。

2 電源管理電路

為驗證微能源系統在實際電路中的應用可行性，通過為單片機控制模塊、無線傳輸系統及傳感器模塊供電最終有效實現信號采集，利用軟件實現單片機在一定的時間間隔內將傳感器電路采集到的數據傳輸給無線發射模塊，并控制電子開關在無線發射模塊需要發送數據時接通，以便為無線發送模塊提供間歇式大電流。

基于風致振動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射模塊提供間歇性瞬時大功率輸出，整體硬件設計電路框圖如圖2所示。

由于風致振動能量收集器輸出的電壓為不穩定交流電，因此必須通過電源管理電路對能量收集器的輸出信號進行整流、濾波、儲能、穩壓以及開關控制等處理。所需要完成的工作包括：管理多個能量收集器輸出信號，實現電能的存儲與分配，利用控制電路實現系統工作模式的切換。設計方案如圖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過整流后并聯，再經過濾波、穩壓處理，為單片機和負載一（溫度傳感器）提供穩定的工作電源。單片機控制系統的工作過程，需要引出相應的I/O端口與電子開關、傳感器電路和無線傳感模塊相連，實現對數據的采集與發送。輸出二將剩余的5組線圈分別整流后并聯接入儲能器件充電儲能后接穩壓電路，穩定輸出的電壓值，避免瞬時大電壓或瞬時大電流對負載電路造成永久性損壞。輸出信號為無線發射模塊提供間歇性瞬時大電流。

考慮系統對功耗和結構的要求，本文采用TI推出的SOT563微小封裝的低功耗數字式溫度傳感器TMP102。為了驗證所測數據的準確性，同時采用電子數顯溫度計測量當前實驗環境溫度。

3 系統測試與實驗結果分析

啟動微能源測試系統，將總風速調至120m/s，通過測試系統內的數據采集模塊采集微能源系統的輸出電壓，分別得出輸出一和輸出二兩路電壓隨時間變化的曲線圖，如圖4所示。

圖2 硬件電路設計框圖

圖3 電源管理電路框圖

從圖4中可以看出，基于多個風致振動能量收集器的微能源系統輸出一能夠在1s內提供3.6V的工作電壓，隨后電壓保持穩定；輸出二能夠在10s內提供3.6V的工作電壓，并且電壓輸出穩定。因此所設計的微能源系統可以滿足單片機控制模塊、傳感器模塊和無線發射模塊的使用要求和供能需求。對微能源系統的輸出功率進行測試，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。

將微能源系統和無線傳感系統組合進行測試，無線接收模塊接收到的數據值顯示在液晶屏上，同時使用電子數顯溫度計測量實驗環境中的實際溫度值。不同時段重復上述過程，得到一組溫度值，如表1所示。

從表1可以看出，無線傳感系統顯示的溫度值與實際測量值相差不大，因此可以說明：基于風致振動的多能量收集器組成的微能源系統能夠為單片機、溫度傳感器提供正常工作的電壓，也能夠為無線發射模塊提供足夠的保證數據正確傳輸的功率?；陲L致振動的多能量收集器為多個低功耗設備供電的系統設計是可行的，滿足系統設計要求。

4 結論

圖4 微能源系統電壓曲線圖

論文針對特殊應用環境中可代替電池為微型低功耗電子設備供電的MEMS微能源系統的需求，設計了一種基于多個風致振動能量收集器的微能源系統，并完成電源管理電路的設計與測試，滿足了能量收集效率高、MEMS微能源系統體積小、成本低、輸出信號穩定可靠等要求。

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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