基于压电陶瓷振动供电的胎压监测系统的研究

摘要

轮胎气压是关系汽车行驶安全和性能的重要因素。汽车在高速行驶的过程中，胎压异常不仅对轮胎的寿命和燃油的经济性有影响，而且常极其容易引起爆胎，是所有国家道路交通中的一大隐患问题。TPMS(Tire Pressure MonitoringSystem轮胎气压监测系统)主要用于实时的对轮胎气压自动监测和报警，使驾驶员可以采取相应的措施来避免事故的发生。但传统的锂电池体积大、寿命有限、更换麻烦。因此，本文探讨了一种基于压电陶瓷振动供电的胎压监测系统的实现方案，通过收集汽车行驶过程中的机械能，实现胎压监测系统的长效能源供应。
　　 本文结合压电自供电技术以及胎压监测系统的工作特点，确定了基于压电振动供电的胎压监测系统的总体设计方案。主要研究内容包括压电振子的结构优化，能量转换、存储电路，TPMS硬件电路，系统软件等。
　　 首先利用有限元方法(ANSYS)对压电陶瓷材料进行结构和界面参数的模拟与仿真，并结合实验室已有平台作相关的压电材料的振动试验。验证材料的几何参数、外界振动条件等因素对电压输出特性的影响，为压电振子的结构优化提供理论依据。
　　 然后对压电式能量转换及存储电路的工作效率问题进行了分析。并通过对能量转换装置和存储装置进行试验，验证其实现稳定供电的可行性。
　　 最后分析了置于汽车轮胎轮毂的发射模块和安装在驾驶室内的接收模块的设计方案，建立了以MSP430单片机为核心的无线传感系统。发射模块中的SP12将采集到的数据经过内部处理，通过SPI接口和MCU进行通讯，再经过MCU打包后由nRF24L01发射出去。同时，接受模块中的单片机也通过nRF24L01接收主机发来的指令，完成相应的报警和控制任务。
　　 通过相关的仿真分析和试验结果表明：压电自供电装置可以为TPMS的发射模块稳定供电，实现胎压监测系统的正常工作。