基于壓電轉(zhuǎn)換的自供電系統(tǒng)及其在RFID上的應(yīng)用

1、基于壓電轉(zhuǎn)換的自供電系統(tǒng)及其在RFID上的應(yīng)用 姓名：劉旭 專業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 導(dǎo)師：張鐵民 教授2009年5月27日2.研究現(xiàn)狀3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析5.結(jié)論與討論主要內(nèi)容1.壓電發(fā)電介紹壓電轉(zhuǎn)換簡介壓電轉(zhuǎn)換簡介1.壓電轉(zhuǎn)換介紹(1)(1)原理原理(2)(2)特點(diǎn)特點(diǎn)(3)(3)目的及意義目的及意義(4)(4)研究內(nèi)容研究內(nèi)容2.國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀壓電發(fā)電鞋 壓電式袖珍風(fēng)車 壓電式視線導(dǎo)航標(biāo)識(shí) 壓電無線開關(guān) 應(yīng)用現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀（1 1）基本能量回收電路）基本能量回收電路（2 2）電路中加入線性）電路中加入線性DC-DCDC-DC（3 3）線性）線性DC-DCDC-

2、DC改為開關(guān)改為開關(guān)DC-DCDC-DC目的：提高能量轉(zhuǎn)換效率目的：提高能量轉(zhuǎn)換效率2.國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀(1)基本能量回收電路(2)電路加入線性DC-DC研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀2.國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀3.降壓式開關(guān)DC-DC吉林大學(xué)吉林大學(xué)西安交通大學(xué)，西安交通大學(xué)，20052005研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀( (國內(nèi)國內(nèi)) )2.國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2)RFID2)RFID自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電

3、轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容3.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 銅銅制制薄薄圓圓板板壓壓電電陶陶瓷瓷薄薄板板a ab b均均布布簡簡諧諧激激勵(lì)勵(lì)金屬鈸蓋金屬鈸蓋壓電陶瓷圓環(huán)壓電陶瓷圓環(huán)金屬鈸蓋金屬鈸蓋壓電陶瓷圓環(huán)壓電陶瓷圓環(huán)黏貼層黏貼層壓電陶瓷極化方向壓電陶瓷極化方向均布簡諧力均布簡諧力薄圓板結(jié)構(gòu) 鈸蓋結(jié)構(gòu) (1)(1)壓電轉(zhuǎn)換模塊壓電轉(zhuǎn)換模塊(2)(2)整流穩(wěn)壓濾波整流穩(wěn)壓濾波電容的作用：電容的作用：(1)(1)濾波濾波(2)(2)初級(jí)電能存儲(chǔ)初級(jí)電能存儲(chǔ)1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4、壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 (3)(3) DC-DCDC-DC模塊模塊-Buck-Buck電路電路1) Buck電路工作原理及選擇原因；2) CCM模式和DCM模式選擇 DCM模式下DC-DC工作時(shí)間短；3) 在不用DC-DC時(shí)需要關(guān)閉DC-DC電路低功耗要求；1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 (3)(3) DC-DCDC-DC模塊模塊-MAX639-MAX639VF BVo u tV+L B OGNDL B IS HDNL XMAX6 3 91 0 0 u FC 12 2 0 u HLd 11 N9 1 41

5、 0 0 u FC 25 v - 1 1 Vp u l s eMAX639的開關(guān)DC-DC等效電路MAX639產(chǎn)生+5V輸出電路原理圖 1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 (4)(4) 電源管理模塊電源管理模塊CD3 .6 VB T+ 5 V能量存儲(chǔ)裝置圖能量存儲(chǔ)裝置圖 C C： 超級(jí)電容超級(jí)電容BTBT：鎳氫可充電電池：鎳氫可充電電池1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 普通電容/超級(jí)電容/可充電電池的比較 (4)(4) 電源管理模塊電源管理模塊1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6、壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 L B OV s e ts e n c eV o u tL B IG N DV inS H D NM A X 6 6 61 .3 MR 21 MR 11 .3 MR 31 MR 4in p u to u tp u tlo w b a tte r y o u tp u tMAX666MAX666電壓調(diào)節(jié)輸出及低電量檢測(cè)原理圖電壓調(diào)節(jié)輸出及低電量檢測(cè)原理圖 (4)(4) 電源管理模塊電源管理模塊-MAX666-MAX6661)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 (4)(4) 超低功耗控制器超低

7、功耗控制器-MSP430F149-MSP430F1491)MSP430F149工作方式2)MSP430F149作用1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -軟件部分軟件部分 主程序流程圖 系統(tǒng)充電程序設(shè)計(jì)流程圖系統(tǒng)充電程序設(shè)計(jì)流程圖1)1)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -軟件部分軟件部分 2)RFID2)RFID自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- -硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) (1)靜態(tài)工作電流為12uA，典型工作電流10.5mA；(2) PWR_

8、UP、CE、CS配置四種工作 模式模式；(3) CLK1、DATA配置字; (4) ShockBurstTM收發(fā)模式 2)RFID2)RFID自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- -軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) ShockBurstTM發(fā)送模式 ShockBurstTM接收模式 nRF2401nRF2401自供電系統(tǒng)框圖自供電系統(tǒng)框圖 2)RFID2)RFID自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)框圖通信系統(tǒng)框圖 自供電電子標(biāo)簽實(shí)物圖自供電

9、電子標(biāo)簽實(shí)物圖3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 閱讀器實(shí)物圖閱讀器實(shí)物圖3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -硬件部分硬件部分 3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)- -軟件部分軟件部分 閱讀器程序流程閱讀器程序流程電子標(biāo)簽程序流程電子標(biāo)簽程序流程設(shè)計(jì)中的低功耗考慮設(shè)計(jì)中的低功耗考慮- -硬件上硬件上 (1) 使用低功耗電子元器件。(2) MAX639最大靜態(tài)工作電流為10uA；(3) MAX666最大靜態(tài)工作

10、電流為12uA；(4) 初級(jí)存儲(chǔ)電容C1為低等效阻抗電容器，超級(jí) 電容等效阻抗低；(5) 控制器MSP430F149平均工作電流為33.83uA；(6) RFID通信模塊的平均工作電流為976.89uA; 平均電流分析所得(1)根據(jù)電容C1的充電電壓，DC-DC在控制器的控制下工作在休眠、喚醒模式；(2)在DC-DC沒有工作任務(wù)時(shí)處于休眠狀態(tài)；(3)基于壓電轉(zhuǎn)換的自供電系統(tǒng)低功耗(流程圖見下頁)；(4)RFID通信系統(tǒng)低功耗(流程圖見下頁)。 設(shè)計(jì)中的低功耗考慮設(shè)計(jì)中的低功耗考慮- -軟件上軟件上 系統(tǒng)低功耗程序流程圖 基于nRF2401的RFID通信系統(tǒng)低功耗程序流程圖 4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析激振

11、裝置實(shí)物圖激振裝置實(shí)物圖 實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 壓電發(fā)電能力測(cè)試壓電發(fā)電能力測(cè)試 (a)薄圓板結(jié)構(gòu)在50Hz激振器激勵(lì)下(b)薄圓板結(jié)構(gòu)在手動(dòng)激勵(lì)下(c)鈸蓋結(jié)構(gòu)在50Hz激振器激勵(lì)下1. (a)輸出功率約為1.8mW (b)輸出功率約為0.6mW (c)輸出功率約為3.3mW 2. 激振頻率影響大；鈸蓋結(jié)構(gòu)發(fā)電能量強(qiáng)，不易碎實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 初級(jí)存儲(chǔ)電容電容初級(jí)存儲(chǔ)電容電容C1C1充電過程測(cè)試充電過程測(cè)試 C1的電壓上升至7V所用時(shí)間約為30s 實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三初級(jí)存儲(chǔ)電容初級(jí)存儲(chǔ)電容C1C1充充/ /放電過程及放電過程及MSP430F149MSP430F149控制時(shí)序測(cè)試控制時(shí)序測(cè)試 紅色電容充/放電波形

12、藍(lán)色 MSP430F149控制脈沖實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五 DC-DCDC-DC穩(wěn)壓工作性能測(cè)試穩(wěn)壓工作性能測(cè)試 負(fù)載負(fù)載1010歐歐-100-100歐變化歐變化輸入電壓輸入電壓5v-10v5v-10v變化變化實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六 電源管理模塊性能測(cè)試電源管理模塊性能測(cè)試 輸入電壓輸入電壓3v-4.5v3v-4.5v變化變化實(shí)物錄像實(shí)物錄像(1) 本論文將系統(tǒng)分成六大功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了壓電自供電及在RFID上應(yīng)用的基本功能。(2) 本設(shè)計(jì)中的壓電復(fù)合振子在50Hz激振頻率下，薄圓板結(jié)構(gòu)能輸出功率約為1.8mW；鈸蓋結(jié)構(gòu)輸出功率約為3.3mW。(3) 控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)初級(jí)存儲(chǔ)電容C1的電壓，在C1的電壓上升到7V及以上時(shí)，控制器輸出高電平開啟DC-DC；在C1電壓下降至5V及以下時(shí)，控制器輸出低電平關(guān)閉DC-DC。(4) DC-DC穩(wěn)壓輸出電壓，波動(dòng)在2以內(nèi)；DC-DC的休眠喚醒模式使系統(tǒng)功耗盡可能降低。在休眠模式下，DC-DC的靜態(tài)工作電流僅為10uA。5.結(jié)論與討論結(jié)論結(jié)論(5) 本設(shè)計(jì)建立了初步的電源管理系統(tǒng)。(6)