基于人体运动发电的可穿戴设备供电系统的研究

摘要

可穿戴设备的出现与发展便利了人们的生活，与此同时，其电源的持续性供电亦成为其进一步发展的瓶颈。目前电池是可穿戴设备主要的电能来源，但须频繁更换电池或找电源接口充电，颇为不便，因此考虑如果能在对人体日常活动不产生消极影响的前提下，利用适当的装置收集能量，并以高效的微电源管理系统做辅助，那么就能够创建出基于人体运动的供电系统。鉴于目前的理论和技术，较有利用价值的基于人体自身的能量有：(1)人体运动能；(2)人体自身热能；(3)人体自身生物能及化学能。
　　本文采用收集人体运动能的压电振动发电方式，具体来讲，首先，在结构设计方面，在AutoCAD和SolidWorks平台上绘制出各类装置的二维与三维的结构图，并用3D打印机制作出装置实物，然后将基于PVDF薄膜的压电振子固定到装置实物上。其次，在硬件设计方面，在电能转换系统一中设计了整流、滤波、稳压和超级电容储能电路，Buck电路，MSP430单片机控制锂离子电池充电电路以及USB接口对外供电电路；在电能转换系统二中，交直流变换部分和超级电容储能部分与系统一相同，不同点在于采用了集成的锂离子电池充电管理芯片TP4057，它采用线性方式充电。第三，在软件设计方面，采用模块化程序设计方法，对电能转换系统一中的MSP430单片机管控锂离子电池充放电过程进行了程序编写、调试和烧录，重要环节有ADC模块，PWM输出模块，锂离子电池的温度、电压、充电电流检测模块，各充电阶段的过程控制模块和报警模块等内容。最后，将AC/DC电路和Buck电路分别在Multisim和MATLAB上做出仿真，并将系统实物穿戴到人体做实际测试，记录数据。
　　实验结果表明，本文利用人体运动带动压电装置发电然后经电能转换并用USB接口对外输出直流5V的供电系统能够满足为可穿戴设备供电的要求，且采用了超级电容与锂离子电池联合储能的方法，易于携带，有很好的实用价值。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 能源与发电

1.1.2 可穿戴设备

1.1.3 可穿戴设备与发电

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

2 系统整体设计思路与基本理论

2.1 引言

2.2 设计思路的详细介绍

2.3 步行与发电

2.4 基于人体运动的发电方式

2.5 发电方式介绍

2.5.1 电磁感应式发电方式

2.5.2 静电式发电方式

2.5.3 压电式发电方式

2.6 压电发电理论与相关技术

2.6.1 压电发电的简单历史

2.6.2 压电效应

2.6.3 压电方程

2.6.4 压电振子

2.6.5 振动模态

2.6.6 支撑方式

2.6.7 激励方式

2.6.8 压电悬臂梁

2.6.9 等效电路模型

2.7 压电材料详细介绍

2.7.1 无机压电材料

2.7.2 有机压电材料

2.8 本章小结

3 装置的结构设计

3.1 引言

3.2 结构设计的思路

3.3 装置的二维规划草图设计

3.4 装置三维图的设计

3.5 3D打印技术的应用

3.6 PVDF压电单晶悬臂梁的制备

3.7 固定支架与压电振子的装配

3.8 本章小结

4 系统的硬件设计

4.1 引言

4.3.1 储能器件的必要性

4.3.2 超级电容器

4.3.3 可穿戴设备常用的电池

4.3.4 锂离子电池

4.3.5 聚合物锂离子电池

4.3.6 内部化学机理

4.3.7 锂离子电池充电方式分类

4.3.8 开关式充电方法深入分析

4.3.9 锂离子电池的其他参数

4.4 电路设计的原则与思路

4.5 设计软件

4.6 电能转换系统一的设计

4.6.1 电能分析

4.6.2 整流环节

4.6.3 滤波环节

4.6.4 稳压环节

4.6.5 超级电容储能电路

4.6.6 DC/DC电路

4.6.7 Buck电路

4.6.8 Boost电路其结构与简单原理

4.6.9 NCP1402升压电路

4.6.10 关于低功耗与控制器的选型

4.6.11 MSP430单片机的简要介绍

4.6.12 LED（发光二极管）报警电路

4.6.13 单片机供电电路

4.6.14 JTAG

4.6.15 MSP430单片机与锂离子电池充放电

4.6.16 PWM模块及运行过程

4.6.17 锂离子电池模拟量检测模块

4.6.18 USB升压电路模块

4.7 电能转换系统二的设计

4.7.1 设计的必要性与基本思路

4.7.2 交直流变换电路的设计

4.7.3 NCP1402芯片及其相关的电路设计

4.7.4 TP4057芯片及相关电路的设计

4.7.5 USB升压供电模块

4.8 本章小结

5 电池充放电控制系统的软件设计

5.1 引言

5.2 软件开发平台

5.3 控制系统的流程图设计

5.4 部分程序

5.4.1 主程序

5.4.2 时钟模块程序

5.4.3 ADC模块程序

5.4.4 PWM模块程序

5.4.5 温度检测与控制程序

5.4.6 过充过放报警程序

5.4.7 预充电阶段程序

5.4.8 正式充电阶段程序

5.4.9 看门狗中断程序

5.5 本章小结

6 仿真、实验与数据分析

6.1 引言

6.2 部分电路的仿真

6.2.1 整流滤波稳压电路的仿真

6.2.2 Buck电路仿真

6.3 实验过程与数据分析

6.3.1 振动发电装置的实际穿戴测试

6.3.2 两种电路系统的PCB板与元器件焊接组装的实物

6.3.3 两种电路系统与两套振动发电装置的连接

6.3.4 系统对外部电子设备供电测试

6.3.5 电能转换系统运行过程测试

6.4 实验结论

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 未来展望

参考文献

致 谢