一種基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，包括下部轉(zhuǎn)盤，下部轉(zhuǎn)盤的軸心上固定主軸；風(fēng)葉葉輪套接在主軸上，風(fēng)葉葉輪下端面固定若干聯(lián)動軸，兩個壓電陶瓷片固定在下部轉(zhuǎn)盤上，兩根打擊傳動軸與下部轉(zhuǎn)盤活動連接，兩個壓電陶瓷片與整流儲能檢測模塊相連；風(fēng)吹動風(fēng)葉輪，通過聯(lián)動軸帶動打擊傳動軸轉(zhuǎn)動，打擊傳動軸反復(fù)擊打壓電陶瓷后，所產(chǎn)生電能經(jīng)由導(dǎo)線與電路整流裝置相連。經(jīng)由相關(guān)整流裝置整流后，可直接供無線網(wǎng)絡(luò)傳感器使用或供鋰電池充電。本實用新型能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，除可供無線網(wǎng)絡(luò)傳感器直接使用外，還可加以存儲相應(yīng)的電能于鋰電池中以供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期使用。
【專利說明】一種基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型專利涉及一種基于壓電變換的供能裝置，尤其涉及一種能供應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信電源。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點組合而成的網(wǎng)絡(luò)，目前在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測等多方面具有良好的應(yīng)用前景。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，很多時候，我們需要將來自不同區(qū)域的信息匯總，從而進(jìn)行對現(xiàn)場狀況的綜合判斷。通常，在這些情況下，用來采集數(shù)據(jù)的傳感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在長達(dá)幾個月甚至幾年的時間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)檢測工作，工作人員無法經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點都能夠獨立采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不同，節(jié)點的數(shù)目可以達(dá)到上萬，監(jiān)測超過幾十平方公里范圍內(nèi)的各類信號。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被放置在室外，無法進(jìn)行長距離的布線，設(shè)備的供電成為目前研究工作的一項熱點。目前無線網(wǎng)絡(luò)傳感器大多采用化學(xué)電池供電，工作環(huán)境比較惡劣，而且大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳感器布置數(shù)量巨大，更換電池十分困難，因而難以長時間工作，并在經(jīng)濟(jì)上造成較大浪費。除此以外，化學(xué)電池給環(huán)境造成了一定污染，電源供給環(huán)節(jié)成為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)一步應(yīng)用的重要瓶頸。因此其實際應(yīng)用遭到了限制。而在眾多環(huán)境能量轉(zhuǎn)換裝置中，太陽能發(fā)電、溫差發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、振動能發(fā)電等都成為其中的選擇。而振動能由于在環(huán)境中較易持續(xù)獲得，可以使得無線網(wǎng)絡(luò)傳感器在不更換電源的情況下進(jìn)行長時間工作，大大提高了傳感器的工作壽命，從而帶來了極大的經(jīng)濟(jì)價值，因此受到了眾多研究者的重視。
[0003]與此同時，傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電裝置中，由于齒輪變速箱等的存在，使得發(fā)電裝置運行過程中受到較多的摩擦阻力，因而發(fā)電裝置啟動時所需風(fēng)速較高。而使用其他新型換能器件的風(fēng)力發(fā)電裝置則因此能減少運行中所受的摩擦阻力，從而能在較低風(fēng)速下啟動裝置，并輸出更多能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器不能從環(huán)境中獲取能量從而進(jìn)行長時間工作的不足，本專利提供了一種新型的基于壓電變換的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點供能裝置，該款裝置不僅能將傳感器部署環(huán)境附近的風(fēng)能以及振動能轉(zhuǎn)換為電能供傳感器使用，并且壓電換能裝置能在不產(chǎn)生電磁干擾的情況下進(jìn)行工作，減少了系統(tǒng)故障的可能性。
[0005]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，包括下部轉(zhuǎn)盤，下部轉(zhuǎn)盤的軸心上固定主軸；風(fēng)葉葉輪套接在主軸上，風(fēng)葉葉輪下端面固定若干聯(lián)動軸，兩個壓電陶瓷片固定在下部轉(zhuǎn)盤上，兩根打擊傳動軸與下部轉(zhuǎn)盤活動連接，每根打擊傳動軸上固定兩根彈簧；兩個壓電陶瓷片與整流儲能檢測模塊相連，所述整流儲能檢測模塊由整流儲能模塊、電量檢測模塊和控制顯示模塊依次相連組成。[0006]本專利的有益效果是，本實用新型的基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源可以在有周邊環(huán)境有振動或風(fēng)存在時，將能量轉(zhuǎn)化為蓄電池能量或供傳感器直接使用，并且不產(chǎn)生電磁干擾，無發(fā)熱，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。除此以外，由于使用了新型的傳動裝置，使得風(fēng)力發(fā)電裝置能減少運行過程中所受的摩擦阻力，降低了啟動時所需風(fēng)速，提高了能量輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0008]圖1是本專利的機械能量采集部分風(fēng)葉輪說明圖。
[0009]圖2是能量采集部分的機械連動部分。
[0010]圖3是整流儲能檢測模塊的電路圖。
[0011]圖中、風(fēng)葉葉輪1、聯(lián)動軸2、主軸3、打擊傳動軸4、壓電陶瓷片5、下部轉(zhuǎn)盤6。【具體實施方式】
[0012]如圖1和3所示，本實用新型基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源包括下部轉(zhuǎn)盤6，下部轉(zhuǎn)盤6的軸心上固定主軸3，風(fēng)葉葉輪I套接在主軸3上，風(fēng)葉葉輪I下端面固定若干聯(lián)動軸2，兩個壓電陶瓷片5固定在下部轉(zhuǎn)盤6上，兩根打擊傳動軸4與下部轉(zhuǎn)盤6活動連接，每根打擊傳動軸4上固定兩根彈簧；兩個壓電陶瓷片5與整流儲能檢測模塊相連。
[0013]如圖2所示，當(dāng)風(fēng)葉葉輪I在風(fēng)力作用下轉(zhuǎn)動時，帶動聯(lián)動軸2 —同旋轉(zhuǎn)。聯(lián)動軸2在轉(zhuǎn)動過程中，擊打打擊傳動軸4。打擊傳動軸4轉(zhuǎn)動，從而多次反復(fù)拍打壓電陶瓷片5，激勵壓電陶瓷片5產(chǎn)生電能。
[0014]如圖3所示，整流儲能檢測模塊由整流儲能模塊、電量檢測模塊、控制顯示模塊依次相連組成。
[0015]整流儲能模塊包括兩個儲能芯片U1-U2、整流芯片U3、晶振P、電感L、電阻R1、五個電容C1-C5、三個二極管D1-D3、兩個鋰電池M1-M2。一個壓電陶瓷片5與電感L 一端、電容C5 —端以及整流芯片U3電壓輸入端Vout相連；電感L的另一端接整流芯片U3的穩(wěn)流端SW ;晶振P的兩端分別連接整流芯片U3的兩個晶振輸入端PZ1、PZ2，整流芯片U3的穩(wěn)壓端CAP端接電容C2，電容C2的另一端、二極管Dl的負(fù)極、電阻Rl的一端和整流芯片U3的電壓輸入端VIN均通過電容Cl接地；二極管Dl的陽極分別與電阻Rl的另一端、儲能芯片Ul的電壓輸入端VCC和二極管D2的陰極相連；鋰電池Ml的正極連接儲能芯片Ul的電壓輸出正端BAT，儲能芯片Ul的電壓輸出負(fù)端LBSEL分別與鋰電池Ml的負(fù)極、儲能芯片Ul的地端GND、二極管D2的陽極、二極管D3的陰極、電容C3的一端和儲能芯片U2的電壓輸入端VCC連接。鋰電池M2的正極連接儲能芯片U2的電壓輸出正端BAT ;整流芯片U3的電壓保護(hù)端VIN2分別與電容C4的一端和整流芯片U3的參考電壓端(Dl端)相連。另一個壓電陶瓷片5、電容C5的另一端、電容C4的另一端、整流芯片U3的地端GND和電壓參考端(D0端)、鋰電池M2的負(fù)極、儲能芯片U2的電壓輸出負(fù)端LBSEL和地端GND、二極管D3的陽極、電容C3的另一端均接地。
[0016]所述二極管D2和二極管D3優(yōu)選肖特基二極管。[0017]儲能芯片Ul的BAT端和LBSEL端分別連接到電池Ml的正負(fù)極；VCC端和GND端連接到二極管D2兩端起到保護(hù)作用。
[0018]儲能芯片U2的BAT端和LBSEL端分別連接到電池M2的正負(fù)極；VCC端和GND端連接到二極管D3和電容C3組成的并聯(lián)電路兩端起到保護(hù)作用。
[0019]在整流儲能模塊中，通過儲能芯片Ul、儲能芯片U2、整流芯片U3芯片，將壓電陶瓷產(chǎn)生的不連續(xù)的電能收集起來，并轉(zhuǎn)換成連續(xù)的可以給鋰電池充電的電能，給兩塊鋰電池充電。儲能芯片Ul和儲能芯片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LINEAR TECHNOLOGY公司的LTC3588-2芯片。
[0020]電量測量模塊包括電量測量芯片U4、三個電阻R2-R5、電容C6、電阻RSNS、二極管D4-D5 ;電量測量芯片U4的編程輸入端PIO分別與二極管D4的陰極和電阻R4的一端相連，電量測量芯片U4的數(shù)據(jù)輸入輸出端DQ分別與二極管D5的陰極和電阻R5的一端相連，電量測量芯片U4的供能輸出端VDD分別與電阻R3的一端和電容C6的一端相連，電量測量芯片U4的電壓感應(yīng)輸入端VIN與電阻R2的一端相連；二極管D4的陽極、二極管D5的陽極和電量測量芯片U4的感應(yīng)電阻連接端SNS均與電阻RSNS的一端相連，電阻RSNS的另一端、電量測量芯片U4的設(shè)備地端VSS和單線速度控制端0VD、電容C6的另一端均接地，并作為負(fù)載負(fù)端接口 B，電阻R2的另一端和電阻R3的另一端相連接，與鋰電池M2的正極相連，并作為負(fù)載正端接口 A。
[0021]所述二極管D4和二極管D5優(yōu)選肖特基二極管。所述電阻RSNS的阻值為微歐級或毫歐級。
[0022]在電量測量模塊中，通過電量測量芯片U4測量鋰電池的電壓，和鋰電池放電時通過電池的電流，來計算鋰電池的電量。電量測量芯片U4可以但不限于使用MAXM公司的DS2780 芯片。
[0023]控制模塊包括控制芯片MCU、控制顯示位芯片U6、控制顯示數(shù)碼芯片U5、鋰電池M3和LED顯示模塊；控制芯片MCU分別與電阻R4的另一端和電阻R5的另一端相連，控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5均與控制芯片MCU相連，LED顯示模塊分別與控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5相連，控制芯片MCU、控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5均由鋰電池M3供電。
[0024]具體來說，控制芯片MCU的6個I/O端口分別連接控制顯示位芯片U6的端口 A、B、C、E1、E2、E3，控制芯片MCU的10個I/O端口分別連接到控制顯示數(shù)碼芯片U5的A0-A7端口和E、DIR端口?？刂菩酒琈CU、控制顯示位的芯片U6和控制顯示數(shù)碼的芯片U5的VCC端和GND端都連接至3.3V電源M3供電。
[0025]控制顯示位芯片U6的Y0-Y7端口分別連接至LED顯示模塊的8個LED數(shù)碼的共陰/共陽端，控制顯示數(shù)碼芯片U5的B0-B7端分別連接至LED顯示模塊的a_g和DP端口。
[0026]在控制顯示模塊中，通過控制電量測量芯片U4測量鋰電池的電壓，電量等數(shù)據(jù)，并讀出電量測量芯片U4中的測量數(shù)據(jù)，通過LED數(shù)碼管顯示出來?？刂菩酒琈CU可以但不限于使用STC公司的89C51RC芯片，控制顯示數(shù)碼芯片U5、控制顯示位芯片U6可以但不限于使用MAX頂公司的MAX7219CNG DIP24芯片。
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，包括下部轉(zhuǎn)盤(6)，下部轉(zhuǎn)盤(6)的軸心上固定主軸(3);風(fēng)葉葉輪(I)套接在主軸(3)上，風(fēng)葉葉輪(I)下端面固定若干聯(lián)動軸(2)，兩個壓電陶瓷片(5)固定在下部轉(zhuǎn)盤(6)上，兩根打擊傳動軸(4)與下部轉(zhuǎn)盤(6)活動連接，每根打擊傳動軸(4)上固定兩根彈簧；兩個壓電陶瓷片(5)與整流儲能檢測模塊相連，所述整流儲能檢測模塊由整流儲能模塊、電量檢測模塊和控制顯示模塊依次相連組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，所述整流儲能模塊包括兩個儲能芯片U1-U2、整流芯片U3、晶振P、電感L、電阻R1、五個電容C1-C5、三個二極管D1-D3、兩個鋰電池M1-M2 ;其中，一個壓電陶瓷片(5)與電感L 一端、電容C5 —端以及整流芯片U3電壓輸入端相連；電感L的另一端接整流芯片U3的穩(wěn)流端；晶振P的兩端分別連接整流芯片U3的兩個晶振輸入端，整流芯片U3的穩(wěn)壓端接電容C2，電容C2的另一端、二極管Dl的負(fù)極、電阻Rl的一端和整流芯片U3的電壓輸入端均通過電容Cl接地；二極管Dl的陽極分別與電阻Rl的另一端、儲能芯片Ul的電壓輸入端和二極管D2的陰極相連；鋰電池Ml的正極連接儲能芯片Ul的電壓輸出正端，儲能芯片Ul的電壓輸出負(fù)端分別與鋰電池Ml的負(fù)極、儲能芯片Ul的地端、二極管D2的陽極、二極管D3的陰極、電容C3的一端和儲能芯片U2的電壓輸入端連接；鋰電池M2的正極連接儲能芯片U2的電壓輸出正端；整流芯片U3的電壓保護(hù)端分別與電容C4的一端和整流芯片U3的參考電壓端相連；另一個壓電陶瓷片(5)、電容C5的另一端、電容C4的另一端、整流芯片U3的地端和電壓參考端、鋰電池M2的負(fù)極、儲能芯片U2的電壓輸出負(fù)端和地端、二極管D3的陽極、電容C3的另一端均接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，所述二極管D2和二極管D3均為肖特基二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，所述電量測量模塊包括電量測量芯片U4、三個電阻R2-R5、電容C6、電阻RSNS、二極管D4-D5 ；電量測量芯片U4的編程輸入端分別與二極管D4的陰極和電阻R4的一端相連，電量測量芯片U4的數(shù)據(jù)輸入輸出端分別與二極管D5的陰極和電阻R5的一端相連，電量測量芯片U4的供能輸出端分別與電阻R3的一端和電容C6的一端相連，電量測量芯片U4的電壓感應(yīng)輸入端與電阻R2的一端相連；二極管D4的陽極、二極管D5的陽極和電量測量芯片U4的感應(yīng)電阻連接端均與電阻RSNS的一端相連，電阻RSNS的另一端、電量測量芯片U4的設(shè)備地端和單線速度控制端、電容C6的另一端均接地，電阻R2的另一端和電阻R3的另一端相連接，與鋰電池M2的正極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，所述二極管D4和二極管D5均為肖特基二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電換能的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信電源，其特征在于，所述控制模塊包括控制芯片MCU、控制顯示位芯片U6、控制顯示數(shù)碼芯片U5、鋰電池M3和LED顯示模塊；控制芯片MCU分別與電阻R4的另一端和電阻R5的另一端相連，控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5均與控制芯片MCU相連，LED顯示模塊分別與控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5相連，控制芯片MCU、控制顯示位芯片U6和控制顯示數(shù)碼芯片U5均由鋰電池M3供電。
【文檔編號】F03D9/02GK203554046SQ201320365664
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月24日
【發(fā)明者】楊強, 李銘鴻, 吳昊, 李頤 申請人:浙江大學(xué)