壓電自供電紅外遙控器設(shè)計(jì)＊

王立強(qiáng)，陳晨曦，辛 峰

（武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景與意義

1880 年，法國(guó)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(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)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(duì)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(jī)、煤氣點(diǎn)火器、汽車胎壓報(bào)警器、雷達(dá)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(lái)越多，其中利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)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(fèi)和環(huán)境污染的重要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)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(huì)污染1 m3土地和12 m3水?，F(xiàn)如今人們環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，對(duì)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(gè)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(jì)一種壓電式自供電紅外遙控器，對(duì)環(huán)保和能源問(wèn)題具有重要意義。

2 壓電發(fā)電模塊的研究設(shè)計(jì)

2.1 壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電發(fā)電模塊的發(fā)電量是壓電自供電無(wú)線遙控器能否發(fā)射信號(hào)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(guò)比較選擇各項(xiàng)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(jiǎn)化為簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)兩方面來(lái)進(jìn)行壓電振子結(jié)構(gòu)的選擇。通過(guò)力學(xué)及壓電學(xué)的相關(guān)知識(shí)和歐拉伯努利法，分別對(duì)懸臂梁、簡(jiǎn)支梁兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)對(duì)懸臂梁模型進(jìn)行建模和仿真，可以得出其發(fā)電量與壓電振子受力點(diǎn)的位移增加量成正相關(guān)。當(dāng)壓電振子所受應(yīng)力過(guò)大，直至最大工作應(yīng)力大于壓電材料的極限應(yīng)力，會(huì)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(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真可知，壓電振子的最大工作應(yīng)力受力點(diǎn)在上表面的中點(diǎn)，與懸臂梁模型相比，簡(jiǎn)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(jiǎn)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(dāng)施加的壓力過(guò)猛，致使受力點(diǎn)的位移增加沖量過(guò)大，會(huì)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(duì)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(dāng)應(yīng)力減小，壓電模塊的發(fā)電功率也減小。因此擬設(shè)計(jì)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(dāng)壓電振子自由端受到壓力F時(shí)，振子沿約束塊表面彎曲。通過(guò)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?yàn)椴豢煽氐耐饬?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(lì)所產(chǎn)生的電能需大于等于每次發(fā)射紅外信號(hào)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(dāng)懸臂梁壓電振子自由端受外力作用而產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)、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(guò)大。據(jù)以往實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)振子尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 時(shí)，一次脈沖激勵(lì)可產(chǎn)生1.3 mJ 電能，信號(hào)傳輸距離達(dá)15 m 以上。而本設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)遙控器為例，其電路框圖如圖4 所示。

圖4 電視機(jī)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(jì)算功率及總能量消耗分別為：

據(jù)以上對(duì)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(duì)目前常見的無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)供電。而本項(xiàng)目具有更低功耗的無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)，更保障了自供電的可靠性和實(shí)用性。

3 無(wú)線發(fā)射與信號(hào)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(dòng)現(xiàn)有的商品遙控器。如果要提高壓電紅外遙控器的實(shí)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(hào)發(fā)射的功耗。本文所設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置需在無(wú)任何外界電源情況下，可以通過(guò)壓電片自發(fā)電、供電和無(wú)線發(fā)射同步進(jìn)行。從實(shí)際使用的角度出發(fā)，優(yōu)化了無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)，為實(shí)物研制提供了理論依據(jù)。

3.1 無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊

紅外信號(hào)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(hào)，發(fā)射部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(diǎn)，無(wú)法直接為控制部分供能，可通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為相對(duì)平穩(wěn)的直流電。整流電路整個(gè)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(duì)7130 起保護(hù)作用。

3.1.2 控制部分

控制部分是整個(gè)裝置主要的能耗部分，因?yàn)閴弘娦?yīng)產(chǎn)生的電量有限，還要驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行編譯，所以要求選擇低功耗的控制器。本設(shè)計(jì)選擇TI 公司的MSP430F1101A 單片機(jī)作為微控制器，F(xiàn)05P 作為無(wú)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(dá)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(hào)效率高的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(hào)通過(guò)編碼，經(jīng)三極管Q1、Q2 放大調(diào)變，再將該電信號(hào)經(jīng)紅外發(fā)射管（940 nm 波長(zhǎng)）轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)射出去。

3.2 信號(hào)接收模塊

信號(hào)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(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)輸入到接收芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)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(guò)信號(hào)輸出腳輸入到后面的代碼識(shí)別電路。

圖8 信號(hào)接收系統(tǒng)

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，創(chuàng)新性將壓電技術(shù)應(yīng)用于紅外遙控器，實(shí)現(xiàn)家用遙控器的無(wú)電池供電。通過(guò)設(shè)計(jì)新型懸臂梁壓電發(fā)電裝置和無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)，將手指按壓遙控器時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，在瞬間驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路完成信號(hào)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(jiǎn)單，操作更方便，并且無(wú)電磁干擾，具備可靠性與實(shí)用性。

4.2 展望

按市面上普遍使用的遙控器七號(hào)電池電能計(jì)算，中國(guó)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(jì)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(jì)算，相當(dāng)于3 500戶中國(guó)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(wú)線遙控器，能極大節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，因而本課題的研究也具有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。