汽車胎壓無源監測儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于壓電自發電的汽車胎壓無源監測儀。其特征在于：壓電能量收集模塊采用了模塊化的集成單元電路形式，壓電能量收集模塊內部集成了橋式整流電路、電容濾波儲能電路和穩壓電路、DC-DC單元電路。電源監測與管理系統包括控制開關、電源狀態監測芯片和微處理器控制單元。壓電自發電振動發電裝置利用外界環境的振動和擠壓產生交流電能，該交流電能經壓電能量收集模塊內部的整流、濾波、穩壓以及DC-DC電壓變換后，能量通過電能儲存裝置進行儲存，然后給胎壓傳感器和胎壓信號發射模塊供電。為了提高系統工作的可靠性，配備了電源監測與管理系統。效解決胎壓傳感器和胎壓信號發射模塊的供電和管理問題，提高系統工作的可靠性，既節能又環保。
【專利說明】汽車胎壓無源監測儀
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及汽車電子領域，具體涉及基于壓電自發電的汽車胎壓無源監測儀。
【背景技術】
[0002]本發明專利所涉及的是國外繼防抱死剎車系統(ABS)、安全氣囊之后第三個立法的汽車安全類電子產品。目前由爆胎導致的車禍事故居高速公路意外事故榜首，爆胎已經成為道路交通殺手之一。作為爆胎的“克星”，TPMS(輪胎壓力監測系統)可通過對行駛中車輛輪胎壓力的實時自動監測，及時準確地對氣壓異常的輪胎進行報警，進而預防車輛失控及爆胎。據悉，2013年年底由全國汽車標準化技術委員會制定的TPMS標準有望出臺，這對我國TPMS產業來說，將帶來巨大的發展機遇。
[0003]目前，汽車上使用的直接式輪胎壓力監測系統中，輪胎壓力檢測傳感器電路都是由小容量的電池提供電量，受電池電容量小以及電池更換不易的限制，汽車直接式輪胎壓力監測系統在實際應用中存在很多不方便之處。隨著電子技術的發展，新的環境振動能源-壓電發電能源應運而生。由于壓電自發電能源裝置相對于其他微型發電裝置，具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾等優點，因此壓電自發電裝置廣泛應用于不同領域，從而使其成為自供能系統研究領域中的焦點，本發明專利涉及的基于壓電自發電的汽車胎壓無源監測儀采用了壓電材料振動供電的方式，解決了目前胎內傳感器及無線發射裝置不易供電的行業共性難題，與同類產品比較本項目研發的產品具有體積小、重量輕、使用壽命長，穩定性和可靠性強；使用時無環境污染，對節約資源和能源、減少環境污染，促進我國循環經濟發展具有極其重要意義。產品作為新興車載電子產品，可以廣泛的應用于汽車行業中，具有廣闊的市場前景和良好的經濟效益和社會效益。
【發明內容】
[0004]本發明專利所要解決的技術問題是:汽車輪胎胎內傳感器及無線發射裝置不易供電的行業共性難題，提供一種基于壓電自發電的汽車胎壓無源化監測的解決方案。
[0005]本發明專利解決其技術問題采用以下的技術方案:
[0006]本發明專利將壓電能量采集技術、能量儲存技術以及電源管理技術有機結合，并設計成能量轉換、儲存裝置和能量管理的技術方案，并應用于汽車輪胎胎內傳感器及無線發射裝置的供電，因此，與現有技術相比主要有以下的優點:
[0007]其一.建立了可持續利用的清潔能源:由于采用了壓電振動能供電的技術方案，所以為持續利用清潔能源開辟了一條行之有效的通道。
[0008]其二.解決了能量不足的問題:由于建立了可持續利用的清潔能源，使傳感器和胎壓無線發射模塊穩定持續供電的要求得到滿足，從而可以確保整個系統正常運行。
[0009]其三.管理方便:由于建立了可持續利用的清潔能源，使傳感器和胎壓無線發射模塊能源供電管理問題變得簡單，容易操作。
[0010]其四.提高了系統工作的可靠性。
[0011]本發明專利主要針對汽車胎壓無源化監測的問題進行設計，利用壓電陶瓷材料振動提供電能，解決了胎壓傳感器及發射模塊持續供電問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明專利總體結構的原理圖。
[0013]圖2是壓電自發電振動發電裝置的安裝示意圖
[0014]圖3是壓電能量收集模塊輸出3.3V電壓典型電路。
[0015]圖4是SP12的引腳圖。
[0016]圖5是微處理器控制單元電路原理圖。
[0017]圖6是壓力傳感器數據采集模塊硬件電路圖。
[0018]圖7是無線發射模塊與微控制器硬件電路圖。
[0019]圖8是監測芯片與控制開關電路原理圖。
[0020]圖中:1.壓電自發電振動發電裝置；2.壓電能量收集模塊；3.電能儲存及供電裝置；5.胎壓信號傳感器；6.胎壓信號發射模塊；7.控制開關；8.電源狀態監測芯片；9.微處理器控制單元。
【具體實施方式】
[0021]本發明專利提供的基于壓電自發電的汽車胎壓無源監測儀，其結構如圖1至圖8所示:由依次相連的壓電自發電振動發電裝置、壓電能量收集模塊、電能儲存及供電裝置和依次相連的第一控制開關S1、胎壓信號傳感器以及與電能儲存及供電裝置依次相連的第二控制開關S2、胎壓信號發射模塊以及電源狀態監測芯片和微處理器控制單元組成。其中，壓電自發電振動發電裝置與壓電能量收集模塊，壓電能量收集模塊與電能儲存及供電裝置相連，電能儲存及供電裝置與電源狀態監測芯片和微處理器控制單元依次相連；電能儲存及供電裝置與第一控制開關相連后與胎壓信號傳感器相連，同時電能儲存及供電裝置與第二控制開關相連后與胎壓信號發射模塊相連，而第一控制開關與第二控制開關均與微處理器控制單元相連；胎壓信號傳感器的輸出端與胎壓信號發射模塊相連，胎壓信號發射模塊與微處理器控制單元相連。
[0022]所述2個控制開關S1、S2具有通路電阻小，輸入電壓范圍大，功耗低等特點，因此可以采用CMOS開關。
[0023]所述壓電自發電振動發電裝置在壓電陶瓷發電單元的選擇上，壓電陶瓷應具有良好的接受性能，即使機械能轉換為電能。設計壓電自發電單元時，壓電陶瓷應具有機電耦合系數K大、機械品質因數Qm大于500、相對介電常數ε小于1500、壓電應變常數d小、壓電電壓常數g高、溫度Tc在工作溫度范圍外等特性。在汽車輪胎上的安裝有兩種方式:(I)將該供電模塊嵌入到輪胎內部，依靠汽車行駛的壓力變形使壓電片發電；(2)將供電模塊固定在輪轂上，壓電振子通過汽車行駛過程中產生的振動和慣性力受迫振動發電。第一種方案在實施的過程中模塊的更換、安裝都不方便，通常壓電片為方便引出電極都會在表面鍍很薄的金屬面板，從而影響材料的柔韌性。但是這種依靠胎壓形變來使振子形變發電的方式，對壓電振子的柔韌性要求非常高，壓力過大的情況材料可能被破壞。相對于第一種方案，第二種方案克服了第一種方案中存在的不足。壓電自發電振動發電裝置的安裝示意圖如圖2所示。
[0024]所述的壓電能量收集模塊LTC3588-1結構如圖3所示，內部包括橋式整流電路、電容濾波能量存儲電路、穩壓二極管和DC-DC變換裝置。當壓電陶瓷發電單元在外界環境的振動或壓擠下產生了電荷,其輸出的交流電壓經壓電能量收集模塊內部集成的橋式整流電路、電容濾波能量存儲電路以及穩壓二極管得到直流電壓，該直流電壓提供給DC-DC變換裝置的電壓輸入端，通過調節DC-DC變換裝置的工作狀態。由于微處理器控制單元中的CPU采用了超低功耗的16位微處理器芯片MSP430系列單片機，供電電壓為3.3V，所以聯接電路形式選用了輸出3.3V電壓典型電路。
[0025]所述主能量儲存及供電裝置可以采用超級電容，超級電容的充電和放電是由電解液中的離子運動而實現，這種能量儲存過程與電池技術基于化學反應的過程相比較，沒有任何化學鍵的結合或斷開。百萬次充、放電循環之后證明超級電容的循環壽命減少非常微弱。另外，超級電容通過極化高比表面積電極中的電解質工作，電解質、電極和隔離層材料的特性決定了超級電容的電容量性能。其表面積的電極和小的帶電離子決定了高的電容量，而高效的電解質、隔離層和材料，以及工藝設計決定了低的阻抗。
[0026]具體實施時，超級電容型號可依據壓電發電單元發電能力大小來選擇，并且要求能捕獲壓電自發電單元的能量，給無線傳感器網絡節點供電。超級電容也有其獨特的優勢，主要表現為體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30?40倍；充電速度快，10秒內達到額定容量的95% ;充放電能力強；失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；超長壽命，可長達40萬小時以上；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，真正免維護；電壓范圍為2.7V至12.0V ;容量范圍為0.1F至1000F。因此結合本系統需求，選用了 0.1F /5.5V的超級電容
[0027]如圖3所示:當外界對壓電自發電單元進行激振時，陶瓷振子彎曲變形，由正壓電效應可知，壓電陶瓷輸出交變電荷，交流電通過壓電能量收集模塊收集后，直接儲存入超級電容中，當超級電容儲滿電經電源管理系統監測后為系統的各個模塊供電。
[0028]本專利所涉及的汽車輪胎壓力傳感器SP12傳感器是英飛凌公司推出的面向汽車輪胎壓力監視系統的器件。它是一種多功能集成的智能壓電電阻傳感器，可以在100Kpa-450Kpa的范圍測試。在汽車行駛過程中的能采集輪胎氣壓、溫度、加速度、芯片供電電壓等信號，且可以自動補償測量數據。并且內置時鐘電路，可以周期性的輸出復位信號和喚醒信號。基于SP12的這些特點，TPMS系統不僅可以實時監測胎壓信號，還能實現定時喚醒、啟動定時復位單片機、欠壓等報警等功能，減少發射模塊的功耗，提高系統安全性。其引腳圖如圖4所示。
[0029]本發明專利提供的微處理器控制單元電路，由微處理控制器及外圍電路組成(圖5)。其中:微處理控制器可以采用MSP430F12X2系列單片機，MSP430F12X2系列單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊以及方便高效的開發方式。本實施例主要采用的是MSP430F1222單片機，該型號芯片可以工作在1.8V-3.6V寬電壓范圍內，功耗非常低，運行2.2V / IMHz時工作電流僅為200 μ A，而在休眠模式下，電流更是低至0.1 μ A，故可采用鋰電池供電；片內集成了帶有內部基準源和采樣保持電路的10-Bit、200-kspsA / D轉換器，可直接用于模擬信號采集；片內集成4KB+256B FLASH程序存儲器和256B數據存儲器，適合用C語言編寫程序。
[0030]單片機的工作頻率對功耗的影響很大，頻率越高，功耗越大。MSP430F12X2系列單片機有三種時鐘產生模式，即外接8MHz晶體、外接晶體以及采用阻容諧振器。綜合考慮到降低功耗和確保計時器的精度，本實施例采用32kHz外接晶體，作為程序運行的主時鐘，同時也為計時器提供時鐘源。該單片機采用JTAG接口進行程序下載和在線調試，不需采購程序下載器和仿真器，開發成本非常低廉。由于芯片性能穩定可靠且內置硬件看門狗，故復位電路采用成本低廉的阻容復位電路即可。
[0031]如圖6所示，SP12的引腳WAKEUP與單片機MSP430F1232的外部中斷輸入端連接，因為P1、P2 口不僅具有I / O功能，還能通過軟件設置用作外部中斷，這里選用的是P2.0引腳接WAKEUP。SP12的RESET管腳與單片機的復位管腳RST /匪I相連接。SP12使用了MSP430F1232的四個I / O 口，片選信號輸出口 NCS、數據輸出口 SD0、數據輸入口 SD1、通信同步信號輸出口分別連接SCK P2.2、P3.0、P3.1、P3.2。
[0032]如圖7所示，發射單元采用的是2.4GHz無線收發芯片nRF24L01模塊，片內集成有RF放大器、數字接口、本振與混頻器和調制/解調器等電路，外圍元件比較少。發射電路極為簡單，工作電壓達到就可以正常工作。nRF2401的接口使用了 MSP430F1232的6個I / O口。nRF2401與單片機的信號傳送也是采用SPI協議，其中MSP430F1232單片機設為為主機，nRF2401 模
[0033]塊為從機，由軟件實現數據無線發射的功能。nRF2401與MSP430F1232的連接方式如圖7所示。nRF24L01的使能控制信號CE引腳相連接單片機的Pl.2 ;控制串行通訊的CSN引腳連接Pl.1 口 ；串行時鐘的SCK引腳與Pl.0相連接；數字輸入口 MOSI引腳與P2.4連接;數字輸出口 MISO連接P2.3。Pl.3 口與nRF24L01的IRQ引腳相連接；在CE和CSN信號的控制下，單片機與MOSI引腳連接的I / O 口向nRF24L01發出具體的控制命令，然后由MISO引腳相連接的I / O 口返回給MCU。為了保證系統的高效性和實時性，可通過軟件將讓nRF24L01設置為工作在增強型的ShockBrust模式下，并設置Pl.3 口為外部中斷口，此時，芯片可通過中斷方式通知單片機進行信號的處理和發送。在整個檢測模塊系統中，射頻模塊的功耗是最大的，因此從降低功耗的角度出發，工作模式應嚴格管理，通過電源管理電路，在系統處于休眠是切斷電源。
[0034]以下所述電源管理與監測系統是本發明專利的關鍵，該系統對能量儲能裝置和及供電裝置收集的電量進行實時監測，監測參數經微處理器控制單元采集并處理，依據監測處理結果，選擇相應的控制開關，實現對胎壓信號傳感器和胎壓信號發射模塊的可靠供電。該系統中設有監測芯片MAXICL7665和DS2438 (圖8)。
[0035]所述監測芯片MAXICL7665是對超級電容兩端的電壓進行實時監測的一種低功耗芯片，該芯片能很好的對主能量儲存及供電裝置進行監測。該芯片工作電壓等級為1.6V-16V，其內部有兩個比較器。ICL7665的外圍電路中，電阻R7、R8、R9、RlO的選擇由超級電容兩端的上限閾值電壓VH和下限閾值電壓VL決定，并且盡量取到千歐的數量級，以使其損耗的功率小。VH和VL可根據負載工作情況自行設定。當SETl引腳的電壓大于1.3V,SET2引腳的小于1.3V時，OUTl和0UT2均輸出高電平；當SETl引腳的電壓大于1.3V, SET2引腳的大于1.3V時，OUTl輸出高電平，0UT2輸出低電平；當SETl引腳的電壓小于1.3V,SET2引腳的小于1.3V時，OUTl輸出低電平，0UT2輸出高電平；當SETl引腳的電壓小于1.3V，SET2引腳的大于1.3V時，OUTl和0UT2均輸出低電平，且此時OUTl和0UT2和微處理控制單元的兩個輸入端口 P2.1、P2.2相連。
[0036]本發明專利的工作過程是:壓電振動發電單元利用正壓電效應將環境中振動的機械能轉化成交流的電能，該電能經壓電能量收集模塊收集后，變成穩定的直流電壓。在最初情況下，開關SI (第一控制開關)斷開，開關S2(第二控制開關)斷開，即給負載斷電的情況下該直流電由超級電容儲存。此時，ICL7665監測芯片對超級電容的供電電壓VDD進行監測，ICL7665芯片的兩個輸出引腳與MSP430F1222的P2.1 口和P2.2 口連接。兩個控制開關的8個輸入控制信號端口與單片機MSP430F1222的8個I / O端口連接。單片機采集ICL7665芯片的輸出數據，當超級電容兩端的電壓在設定的閾值VH時，單片機控制開關S1、S2均接通，S3接通，S4斷開，由超級電容給壓力傳感器和無線發射模塊供電；當超級電容兩端的電壓VDD達不到閾值VH時，單片機控制開關S1、S2斷開，由外部能量產生與采集裝置給超級電容充電。此工作過程依次循環。
【權利要求】
1.基于壓電振動自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是采用了壓電振子振動發電。
2.根據權利要求1所述的基于壓電自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是采用了適合運用于壓電換能器件的集成式能量收集模塊LTC3588-1。
3.根據權利要求1所述的基于壓電振動自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是系統所采用的胎壓信號傳感器(5)，選用的是英飛凌公司推出的面向汽車輪胎壓力監視系統的器件SP12傳感器。
4.根據權利要求1所述的基于壓電振動自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是電源管理系統中的微處理器控制單元的CPU，采用了超低功耗的16位微處理器芯片MSP430系列單片機，并由電源監控芯片(8)對能量儲存及供電裝置(3)的狀態進行監控。
5.根據權利要求1所述的基于壓電振動自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是能量儲存及供電裝置(3)采用超級電容。
6.根據權利要求1所述的基于壓電振動自發電的汽車胎壓無源監測儀，其特征是胎壓發射模塊選用了高度集成、超低功耗的芯片nRF24L01。
【文檔編號】B60C23/04GK104417290SQ201310400536
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】林偉, 李國平, 彭春花, 丁剛, 印杰 申請人:丹陽東興汽車部件有限公司