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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）复合能量采集电源管理电路的设计学 生：郝万运学 号：20093184指导教师：余华专 业：测控技术与仪器重庆大学光电工程学院二O一三年Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Hybrid Energy Harvesting Power Management CircuitUndergraduate: Hao wan yunSupervisor: Prof. Yu hua Major: Measuring and Control Technology & Instruments Coll
2、ege of Optoelectronic EngineeringChongqing UniversityJune 20131重庆大学本科学生毕业设计（论文）参考文献32重庆大学本科学生毕业设计（论文） 摘要摘要无线传感网络越来越普遍地被应用到实际中，然而在传感器网络的应用过程中，大量节点的使用使更换电池有时会很不方便，人们开发利用环境能量为传感器节点供电的技术越来越成熟，但是在室内等可利用能量较弱的环境中，依靠单一的能源并不一定能保证稳定的能量供应。因此，在本论文中提出了采集室内环境中光能和振动能，并进行复合管理，为无线传感器节点供电，以增强其性能，延长工作周期。文章首先介绍了太阳能电池板的
3、工作原理及等效电路图，并建立了理论模型，在此基础上提出了基于扰动观察法的MPPT控制方案，方案中用MSP430F2274编程产生脉宽调制（PWM）信号，利用升压型DC-DC变换器来实现最大功率点跟踪。接下来介绍了振动能的采集原理，并提出了桥式整流、DC-DC阻抗匹配电路。之后对两种能量采集电路进行了复合，提出了与超级电容串联的接口电路，并通过理论计算和实验结果的对比对接口电路的效率进行了评估。设计的以功率管理芯片TPS26690为主的电路实现了能量的储存控制与释放功能，最后得到了稳定的输出电压3.3V，增强了无线传感器节点的性能。关键词：无线传感器，复合能量，光能MPPT，振动能采集，电源管理
4、I重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACTWireless sensing network is gradually applied to daily life. However, in the applying process, lots of nodes which need to change batteries are not convenient sometimes. Although people have developed some proven power supply technologies which are based on environ
5、ment energy for sensing nodes, single way of energy supply cannot ensure enough energy for sensing nodes in some energy-weakness locations such as indoor environment. Therefore, this thesis proposes a new method to provide energy for wireless sensing network based on combining luminous energy and vi
6、brational energy to make sure to strengthen its performance and prolong its operation period. In this thesis, we first discuss the operation principle of solar panel, its equivalent circuit diagram, and modeling the theory. Then we propose a MPPT controlling scheme based on perturbation and observat
7、ion method. In this scheme, we use MPS430F2274 to generate PWM signal, a DC-DC boost converter to track the Maximum Power Point. Afterwards we introduce the principle of energy harvesting of vibration, and propose the bridge rectifier and a DC-DC impedance matching circuit. We combine two different
8、energy harvesting circuits and interface circuit for cascading super capacitors together, and evaluate the efficiency by theoretical analysis and experiment comparison. Finally we design energy management circuit based on TPS26690, and get a 3.3V stable output voltage to enhance the performance of w
9、ireless sensing network.Key words: wireless sensor, composite energy, light energy MPPT, vibrational energy collection, power managementII重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1研究背景及课题意义11.2国内外研究现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状21.3 本论文研究思路及方案选择22光能采集理论和振动能采集理论基础42.1光伏电池的理论基础42.1.1光伏电池的基本工作原理42.1.2光伏电池的数
10、学模型42.2光伏电池的最大功率点跟踪技术52.2.1恒定电压法62.2.2扰动观察法72.2.3电导增量法82.2.4其他MPPT方法92.3振动能采集理论基础102.3.1压电换能器的原理102.3.2压电陶瓷材料的应用102.4本章小结113复合能量采集电源管理电路的硬件设计123.1太阳能采集系统的设计123.1.1电压 “扰动”的实现123.1.2电流采样电路的设计133.1.3脉宽调制（PWM）信号发生电路的设计143.2振动能采集系统的硬件设计163.2.1整流电路的设计163.2.2阻抗匹配电路设计173.3混合能量采集电源管理系统设计183.3.1接口电路的设计183.3.2
11、能量存储与释放电路设计203.4本章小结234混合能量采集电源管理系统的软件设计244.1MSP430指令系统244.2 MSP430汇编语言介绍254.3汇编源程序设计264.3.1光能最大功率跟踪264.3.2振动能采集器PWM信号生成程序264.4本章小结275总结与展望285.1总结285.2展望28致谢29参考文献30附录I汇编源程序32III重庆大学本科学生毕业设计（论文） 附录1 绪论1.1研究背景及课题意义 本次设计的课题是复合能量采集电源管理电路，对室内环境中的光能和振动能分别进行采集，最后进行复合管理，为无线传感器节点提供持续稳定的电压。无线传感网络自提出以来由于其获取信息
12、精度高、可靠性高、布设灵活性强、经济性好等特点,日益引起社会各界的广泛关注。然而，在无线传感网络广泛应用与发展的过程中，电池的能量的问题一直是致命的缺点，在一些应用领域如军事系统中等，分布着数量庞大的无线传感器，如果不采取自供能的方案，而逐一对能量耗尽的电池进行更换，显然是不现实的。还有一些环境条件复杂，不便于电池拆装的场合，也需要自动供能。在我们环境中存在着多种丰富的能源，如太阳能、机械能（振动能、动能、势能）、风能、潮汐能等，从环境中采集这些能量来延长无线传感器节点的工作寿命，增强传感器的性能的方案具有重大的现实意义。然而在室内或者其它环境能量较弱的场合，仅仅采集一种能量无法满足传感器的功
13、率要求，因此研究多种能量采集并复合管理方案对于室内传感器的供能具有重要意义。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状近年来，无线传感器节点自供电技术取得了很快的发展，采集太阳能、热能、风能、振动能的供电方案都相对比较成熟，并被广泛应用。国内外自供电无线传感网络的研究都起步于20世纪80年代初。由于单一能源不能保证稳定的供电，国内外研究人员提出了多种复合式的储能方案， 即由两种或两种以上的储能器件随环境和负载的变化而切换不同的充电方式，如光伏-光热型、光伏-温差型等。目前，环境噪声、生物组织的生化能、海洋的洋流、燃料电池和核能等也可作为无线传感器微能源自供能的能量来源，但这些形式的能源利用都受
14、到环境和应用场合的限制， 并且可提供的能量都很低，难以满足电子设备的功率要求，应用在传感器结点上的例子并不多见。最常见的是太阳能、风能、振动能和热能。 2007 年上海交通大学与美国Honeywell 公司合作，成功研制出了压电振动能量采集器, 并做出了压电能量采集器样品,他们首先采用MEMS 技术制造Si悬臂梁, 然后采用Sol2Gel 工艺在悬臂梁上表面制作了PZT 压电层和电极层, 最后在悬臂梁末端粘上Ni 质量块，试验获得了成功。2010年陕西科技大学的宁铎、王辉辉等人自行设计了基于砷化镓电池的聚光 光伏发电系统。该系统包括光能采集模块和跟踪模块，经测试太阳能转换效率达到20.2%。1.2.2国外研究现状在国外，美国、德国、英国、瑞典等国也相继开展了对传感器节点自供电的研究。德国科学家Yen Kheng Tan教授于2011年发表的微型风能转换器，为我们介绍的风能转换器主要依靠风力发电机采集风能并转换，用MOSFET取代二极管进行AC-DC转换，并加入了使用MPPT算法的能量存储管理电路，极大的提高了风能采集利用率。2010 年5月，德国Micropelt GmbH 公司开发出一种热能供电
