王立強，陳晨曦，辛 峰

（武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景與意義

1880 年，法國居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷；當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這些物質(zhì)也被稱為壓電材料。壓電效應(yīng)對于能量的轉(zhuǎn)換具有重要意義，因此也被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。日常生活中的打火機、煤氣點火器、汽車胎壓報警器、雷達系統(tǒng)的壓電陀螺等都用到了壓電材料的壓電效應(yīng)。而近幾年關(guān)于壓電發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新也越來越多，其中利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能為微電子設(shè)備供電是應(yīng)用壓電技術(shù)發(fā)電的重要課題。

遙控器在生活中是非常常見的，在工業(yè)領(lǐng)域也應(yīng)用較廣。目前大多數(shù)遙控器主要由電池供電。但干電池的生產(chǎn)和廢棄一直是資源浪費和環(huán)境污染的重要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)家電遙控器每年消耗干電池28 億節(jié)，一節(jié)廢棄的干電池會污染1 m3土地和12 m3水?，F(xiàn)如今人們環(huán)保意識逐漸增強，對于綠色能源的研究也逐漸深入。尋找一種替代電池的綠色電源為遙控器供能已成為一個重要研究方向。本研究將壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于遙控器，設(shè)計一種壓電式自供電紅外遙控器，對環(huán)保和能源問題具有重要意義。

2 壓電發(fā)電模塊的研究設(shè)計

2.1 壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓電發(fā)電模塊的發(fā)電量是壓電自供電無線遙控器能否發(fā)射信號的關(guān)鍵，主要取決于壓電材料、壓電振子結(jié)構(gòu)和表面受力等。目前市面上主要采用PZT 即鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片作為壓電材料，通過比較選擇各項參數(shù)都較為均衡的PZT-5A，且擬采用性能突出、合適安裝的矩形雙晶壓電陶瓷片。因此，決定壓電發(fā)電模塊發(fā)電效率的主要因素是壓電振子的結(jié)構(gòu)。

關(guān)于壓電振子，其結(jié)構(gòu)模型主要可簡化為簡支梁和懸臂梁兩種，為適應(yīng)自供電紅外遙控器的供能需要，需要從理論和實驗兩方面來進行壓電振子結(jié)構(gòu)的選擇。通過力學(xué)及壓電學(xué)的相關(guān)知識和歐拉伯努利法，分別對懸臂梁、簡支梁兩種結(jié)構(gòu)進行理論建模和仿真，分析其開路電壓與產(chǎn)生的電能。

懸臂梁模型如圖1 所示。

圖1 懸臂梁結(jié)構(gòu)模型

通過對懸臂梁模型進行建模和仿真，可以得出其發(fā)電量與壓電振子受力點的位移增加量成正相關(guān)。當壓電振子所受應(yīng)力過大，直至最大工作應(yīng)力大于壓電材料的極限應(yīng)力，會導(dǎo)致材料脆性失效。因此懸臂梁壓電振子最大應(yīng)力出現(xiàn)在其固定端的上表面邊緣。

簡支梁結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 簡支梁結(jié)構(gòu)模型

通過對結(jié)構(gòu)進行模擬仿真可知，壓電振子的最大工作應(yīng)力受力點在上表面的中點，與懸臂梁模型相比，簡支梁能夠布置更多按鍵，適合用于多鍵壓電供電遙控器。但由于簡支梁結(jié)構(gòu)壓電振子的按壓變化量小于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此其發(fā)電量也小于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此懸臂梁模型宜作為遙控器的供能裝置。但由于懸臂梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與外力或末端位移的增加量成正相關(guān)，當施加的壓力過猛，致使受力點的位移增加沖量過大，會導(dǎo)致材料的損壞失效。因此，在懸臂梁結(jié)構(gòu)中還需要加入限位裝置。由前面對懸臂梁結(jié)構(gòu)的仿真模擬可以得到，在同一橫截面內(nèi)，固定端所受的應(yīng)力最大，隨著位移x的增加應(yīng)力減小，直到自由端應(yīng)力減為0；當應(yīng)力減小，壓電模塊的發(fā)電功率也減小。因此擬設(shè)計一種等應(yīng)力懸臂梁結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)力大小不隨位移變化而變化。其結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 等應(yīng)力懸臂梁結(jié)構(gòu)模型

等應(yīng)力懸臂梁結(jié)構(gòu)在懸臂梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了圓弧約束裝置，由彈性材料制作而成。當壓電振子自由端受到壓力F時，振子沿約束塊表面彎曲。通過仿真模擬，在同一橫截面內(nèi)，壓電振子各處的應(yīng)力為常值，即受力端與固定端的應(yīng)力大小相等，這樣既能夠保證壓電模塊的發(fā)電量，又能避免因為不可控的外力導(dǎo)致壓電材料脆性失效。

2.2 功率可行性分析

為使壓電發(fā)電裝置能更方便地為遙控器供電，發(fā)電裝置每次受到激勵所產(chǎn)生的電能需大于等于每次發(fā)射紅外信號所需要的能量，這也是壓電自供電遙控器可行性的關(guān)鍵所在。

2.2.1 壓電模塊發(fā)電功率分析

根據(jù)正壓電效應(yīng)，當懸臂梁壓電振子自由端受外力作用而產(chǎn)生彎曲變形時，其表面便有電荷生成。壓電物體所受應(yīng)力與表面產(chǎn)生的電荷及形成的開路電壓的關(guān)系可表示為：

式（1）中：a、b和c分別為壓電振子的長度、寬度和厚度；F為所受應(yīng)力；g 為壓電電壓常數(shù)；δ為電壓振子的剛度和自由端形變量。

由式（1）可知，發(fā)電量與振子的長、寬、厚度均有關(guān)系，而在遙控器內(nèi)，壓電振子的尺寸和形變量不宜過大。據(jù)以往實驗研究，當振子尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 時，一次脈沖激勵可產(chǎn)生1.3 mJ 電能，信號傳輸距離達15 m 以上。而本設(shè)計采用的等應(yīng)力壓電發(fā)電裝置因其壓電振子將沿圓弧約束塊彎曲，受力端與固定端應(yīng)力大小相等，使得發(fā)電能力有所提高，因此其實際供電能力將大于上述1.3 mJ 電能。

2.2.2 遙控器耗電功率分析

以常見數(shù)字電視機遙控器為例，其電路框圖如圖4 所示。

圖4 電視機遙控器電路框圖

各部分電路分別消耗功率約占總功率10%、30%、10%、50%。電路電源電壓U=3 V，工作電流I=40 mA，工作周期為108 ms。則可以計算功率及總能量消耗分別為：

據(jù)以上對壓電發(fā)電功率及普通電池供電遙控器功率的分析，經(jīng)優(yōu)化的壓電發(fā)電系統(tǒng)可以對目前常見的無線發(fā)射系統(tǒng)供電。而本項目具有更低功耗的無線發(fā)射系統(tǒng)，更保障了自供電的可靠性和實用性。

3 無線發(fā)射與信號接收系統(tǒng)

目前的壓電裝置主要用于壓電傳感器，大部分壓電裝置的輸出功率還不足以驅(qū)動現(xiàn)有的商品遙控器。如果要提高壓電紅外遙控器的實用性和轉(zhuǎn)化效率，需要提高壓電發(fā)電模塊的供電能力并且降低紅外信號發(fā)射的功耗。本文所設(shè)計的發(fā)射裝置需在無任何外界電源情況下，可以通過壓電片自發(fā)電、供電和無線發(fā)射同步進行。從實際使用的角度出發(fā)，優(yōu)化了無線發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)，為實物研制提供了理論依據(jù)。

3.1 無線信號發(fā)射模塊

紅外信號發(fā)射模塊主要由整流部分、控制器部分，紅外發(fā)射部分組成。整流部分將壓電模塊產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)直流電，控制部分產(chǎn)生信號，發(fā)射部分實現(xiàn)信號傳輸。

3.1.1 電源轉(zhuǎn)接部分

整流電路如圖5 所示。

圖5 整流電路

壓電效應(yīng)產(chǎn)生的瞬間電流具有電壓高、電流大、交流電的特點，無法直接為控制部分供能，可通過整流電路轉(zhuǎn)換為相對平穩(wěn)的直流電。整流電路整個電路有整流橋D1、濾波器C0 和C1、穩(wěn)壓二極管D2、三端穩(wěn)壓塊7130。C0、C1為濾波電容，使輸入到7130 穩(wěn)壓模塊的直流電更為平穩(wěn)，穩(wěn)壓二極管對7130 起保護作用。

3.1.2 控制部分

控制部分是整個裝置主要的能耗部分，因為壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量有限，還要驅(qū)動芯片進行編譯，所以要求選擇低功耗的控制器。本設(shè)計選擇TI 公司的MSP430F1101A 單片機作為微控制器，F(xiàn)05P 作為無線發(fā)射模塊。

控制部分電路如圖6 所示。

圖6 控制部分電路圖

MSP430 系列具有超低功耗，工作電壓為1.8～3.6 V，有高達60 KB 的閃存和各種高性能模擬及智能數(shù)字外設(shè)，可以應(yīng)用于本控制電路。

控制部分電路圖如圖7 所示，R1=120 kΩ，電容C3=0.15 μF，電阻R1 和電容C3 組成復(fù)位電路。

圖7 紅外發(fā)射原理圖

3.1.3 紅外發(fā)射部分

紅外發(fā)射器具有低功率，適用范圍廣，傳輸信號效率高的特點。設(shè)計采用的是TSAL6200 型紅外發(fā)射管，可以適用于多種遙控器。紅外發(fā)射的主要原理是將信號通過編碼，經(jīng)三極管Q1、Q2 放大調(diào)變，再將該電信號經(jīng)紅外發(fā)射管（940 nm 波長）轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柊l(fā)射出去。

3.2 信號接收模塊

信號接收系統(tǒng)如圖8 所示。

紅外接收頭內(nèi)部主要由光電二極管與紅外接收芯片構(gòu)成，其主要原理是光電二極管接收到紅外發(fā)射管發(fā)射出的光信號后轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號輸入到接收芯片內(nèi)部經(jīng)過放大、增益、濾波、解調(diào)、整形還原后，還原紅外發(fā)射器給出的原始編碼，再通過信號輸出腳輸入到后面的代碼識別電路。

圖8 信號接收系統(tǒng)

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究通過理論分析和實驗驗證，創(chuàng)新性將壓電技術(shù)應(yīng)用于紅外遙控器，實現(xiàn)家用遙控器的無電池供電。通過設(shè)計新型懸臂梁壓電發(fā)電裝置和無線發(fā)射系統(tǒng)，將手指按壓遙控器時產(chǎn)生的機械勢能轉(zhuǎn)化為電能，在瞬間驅(qū)動發(fā)射電路完成信號的發(fā)射，以此方式取代電池供電。將壓電自供電技術(shù)應(yīng)用在紅外遙控器，能夠使裝置結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便，并且無電磁干擾，具備可靠性與實用性。

4.2 展望

按市面上普遍使用的遙控器七號電池電能計算，中國每年家電遙控器約消耗28 億節(jié)，以每節(jié)電池能量值為800 mA·h 計算，工作電壓為1.5 V，則年耗電量為：W=2.8×109×1.5×800×10-3=3.36×106kW·h。

按照每戶家庭平均每月用電80 kW·h計算，相當于3 500戶中國家庭全年的用電量。因此，若能制作并全面推廣和使用壓電自供電無線遙控器，能極大節(jié)約能源和保護環(huán)境，因而本課題的研究也具有廣泛的市場價值和實用價值。