新型压力能收集实验装置的设计研究

焦艳梅

摘要： 随着社会的不断发展进步，人们对能源的需求逐渐变大，能源越来越供不应求，为有效开发利用环境中的能量，本文设计了一种利用压电陶瓷基于MSP430单片机的压力能收集实验装置，并测量了相关的数据。

Abstract： With the continuous development and progress of society， the demand for energy is becoming more and more important， and the energy is becoming more and more urgent. In order to effectively develop and utilize the energy in the environment， this paper designs a kind of pressure energy collecting experimental device based on MSP430 single-chip by using piezoelectric ceramics， and measures the relevant data.

关键词： 能源；压力能；压电陶瓷

Key words： energy；pressure energy；piezoelectric ceramics

中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0152-02

0 引言

能量收集是一个新概念，源于能源危机，与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，称之为压电效应，我们就是利用了这个性质，在此基础上设计了相应的能量转换收集储存机构。

1 整体设计思路

压电陶瓷在受到一定的振动力的情况下，会将压力能转化为电能，振动是自然界常见的现象，例如海水的拍打、车站人流的脚步等都可以产生振动，由于其几乎无处不在而且具有较高的能量密度的特点，所以，我们可以将这种压力能用压电陶瓷收集，然后，储存利用，具体实现原理如图1。

现对主要模块的工作原理做简单介绍：

①振动产生的压力能。

根据使用场合由外界决定，例如，此装置安装在火车站进站口的位置，人体的重量及走动的频率就决定了压力能的大小；

②能量转换模块。

压力能经过能量转换模块，也就是压电陶瓷，转化为电能，具体结构在下文中有详细的讲解；

③储能元件。

用于储存收集的电量，为了更好地收集零散的压力能，要求储能元件具有快速充放电功能，故选择超级电容器。

④能量收集模块。

其主要任务是将能量转换模块输出的电能进行整流处理并收集储存。此模块的整流处理部分是通过LTC3588-1压电能量收集芯片和芯片对应的外围电路完成。LTC3588-1可以直接与能量转换模块连接，在芯片内部有一个整流模块，通过该模块对能量转换模块输出的电压波形整流，在超低静态电流（450nA）欠压闭锁（ULVO）模式下，将整流后的电流暂时储存至CAP管脚外接的电容，同时通过一个内部并联稳压器吸收多余的功率。当电容储存的电量达到设定值之后，通过降压型转换器输出电压。当有负载时，输出电压可以直接驱动负载；当没有负载时，将输出的电能储存至储能元件。

⑤能量采集模块。

信号采集模块的主要功能是采集能量收集模块中的储能元件的电信号，以此来判断能量收集状况。此模块主要使用MSP430G2553单片机，它是一款超低功耗混合信号微控制器，具有内置的一个10 位模数 （A/D）转换器、16位定时器、16个触摸感测的 I/O引脚、一个多用途的模拟比较器以及通用的串行内置通信能力。

⑥显示模块。

显示模块的作用是将采集模块经过处理后的数据清晰了然的呈现出来，方便测试人员观察、操作。此模块是利用了MSP430单片机的外接设备，LCD12864液晶屏。

2 机械结构设计

由于压电陶瓷收集压力能的结构目前还没有实际的应用，而且，即使要使用也许要大面积铺设才能见效，所以，为了测试其可行性，我们设计了一种小型试验设备，所选用的压电陶瓷为PZT-5H材料，为了提高电流，将其并联连接，具体实物图如图2所示。

将压电陶瓷并联固定于底座上平面上，用拍击柱模拟人体行走所产生的振动冲击，拍击柱固定于拍击板上，拍击板和推杆间隙配合，轴向固定，这样，电机带动凸轮运动，凸轮带动推杆做轴向移动，同時，拍击板和拍击柱也沿轴向移动，由于拍击板和推杆是间隙配合，所以，拍击柱给压电陶瓷拍击力的位置是随机的，满足人在行走过程中给地面的随机振动力的形式。

3 数据分析

为了得出具体的数值，现设定电机转速为20r/min；拍击高度为25mm；拍击板和拍击柱的重量和为0.8kg；采用8片压电陶瓷，平铺面积大约0.09m2；测试超级电容的电压每隔10分钟的变化情况，具体数值如表1所示。

将这些分散，不规则的压力能收集是一个新的理念，虽然，发电量不是很高，但是作为辅助能源收集装置，是可以考虑利用的，我们可以用来照明或给小型电器充电，同时，压电陶瓷的发展还处于初级阶段，随着新技术的不断引进，压电陶瓷技术也会得到完善和发展，会推动压力能收集技术的进步。

4 结束语

压力能收集是开发能源利用的一个新的开端，压力能收集装置的设计还有很大的发展空间，随着技术的不断发展，压电陶瓷材料的不断改进，压力能收集会是以后能源利用的一个重要分支，我们应该探索更广泛的应用空间。

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