汽车胎压无源监测仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电自发电的汽车胎压无源监测仪。其特征在于：压电能量收集模块采用了模块化的集成单元电路形式，压电能量收集模块内部集成了桥式整流电路、电容滤波储能电路和稳压电路、DC-DC单元电路。电源监测与管理系统包括控制开关、电源状态监测芯片和微处理器控制单元。压电自发电振动发电装置利用外界环境的振动和挤压产生交流电能，该交流电能经压电能量收集模块内部的整流、滤波、稳压以及DC-DC电压变换后，能量通过电能储存装置进行储存，然后给胎压传感器和胎压信号发射模块供电。为了提高系统工作的可靠性，配备了电源监测与管理系统。效解决胎压传感器和胎压信号发射模块的供电和管理问题，提高系统工作的可靠性，既节能又环保。
【专利说明】汽车胎压无源监测仪
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及汽车电子领域，具体涉及基于压电自发电的汽车胎压无源监测仪。
【背景技术】
[0002]本发明专利所涉及的是国外继防抱死刹车系统(ABS)、安全气囊之后第三个立法的汽车安全类电子产品。目前由爆胎导致的车祸事故居高速公路意外事故榜首，爆胎已经成为道路交通杀手之一。作为爆胎的“克星”，TPMS(轮胎压力监测系统)可通过对行驶中车辆轮胎压力的实时自动监测，及时准确地对气压异常的轮胎进行报警，进而预防车辆失控及爆胎。据悉，2013年年底由全国汽车标准化技术委员会制定的TPMS标准有望出台，这对我国TPMS产业来说，将带来巨大的发展机遇。
[0003]目前，汽车上使用的直接式轮胎压力监测系统中，轮胎压力检测传感器电路都是由小容量的电池提供电量，受电池电容量小以及电池更换不易的限制，汽车直接式轮胎压力监测系统在实际应用中存在很多不方便之处。随着电子技术的发展，新的环境振动能源-压电发电能源应运而生。由于压电自发电能源装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，因此压电自发电装置广泛应用于不同领域，从而使其成为自供能系统研究领域中的焦点，本发明专利涉及的基于压电自发电的汽车胎压无源监测仪采用了压电材料振动供电的方式，解决了目前胎内传感器及无线发射装置不易供电的行业共性难题，与同类产品比较本项目研发的产品具有体积小、重量轻、使用寿命长，稳定性和可靠性强；使用时无环境污染，对节约资源和能源、减少环境污染，促进我国循环经济发展具有极其重要意义。产品作为新兴车载电子产品，可以广泛的应用于汽车行业中，具有广阔的市场前景和良好的经济效益和社会效益。
【发明内容】
[0004]本发明专利所要解决的技术问题是:汽车轮胎胎内传感器及无线发射装置不易供电的行业共性难题，提供一种基于压电自发电的汽车胎压无源化监测的解决方案。
[0005]本发明专利解决其技术问题采用以下的技术方案:
[0006]本发明专利将压电能量采集技术、能量储存技术以及电源管理技术有机结合，并设计成能量转换、储存装置和能量管理的技术方案，并应用于汽车轮胎胎内传感器及无线发射装置的供电，因此，与现有技术相比主要有以下的优点:
[0007]其一.建立了可持续利用的清洁能源:由于采用了压电振动能供电的技术方案，所以为持续利用清洁能源开辟了一条行之有效的通道。
[0008]其二.解决了能量不足的问题:由于建立了可持续利用的清洁能源，使传感器和胎压无线发射模块稳定持续供电的要求得到满足，从而可以确保整个系统正常运行。
[0009]其三.管理方便:由于建立了可持续利用的清洁能源，使传感器和胎压无线发射模块能源供电管理问题变得简单，容易操作。
[0010]其四.提高了系统工作的可靠性。
[0011]本发明专利主要针对汽车胎压无源化监测的问题进行设计，利用压电陶瓷材料振动提供电能，解决了胎压传感器及发射模块持续供电问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明专利总体结构的原理图。
[0013]图2是压电自发电振动发电装置的安装示意图
[0014]图3是压电能量收集模块输出3.3V电压典型电路。
[0015]图4是SP12的引脚图。
[0016]图5是微处理器控制单元电路原理图。
[0017]图6是压力传感器数据采集模块硬件电路图。
[0018]图7是无线发射模块与微控制器硬件电路图。
[0019]图8是监测芯片与控制开关电路原理图。
[0020]图中:1.压电自发电振动发电装置；2.压电能量收集模块；3.电能储存及供电装置；5.胎压信号传感器；6.胎压信号发射模块；7.控制开关；8.电源状态监测芯片；9.微处理器控制单元。
【具体实施方式】
[0021]本发明专利提供的基于压电自发电的汽车胎压无源监测仪，其结构如图1至图8所示:由依次相连的压电自发电振动发电装置、压电能量收集模块、电能储存及供电装置和依次相连的第一控制开关S1、胎压信号传感器以及与电能储存及供电装置依次相连的第二控制开关S2、胎压信号发射模块以及电源状态监测芯片和微处理器控制单元组成。其中，压电自发电振动发电装置与压电能量收集模块，压电能量收集模块与电能储存及供电装置相连，电能储存及供电装置与电源状态监测芯片和微处理器控制单元依次相连；电能储存及供电装置与第一控制开关相连后与胎压信号传感器相连，同时电能储存及供电装置与第二控制开关相连后与胎压信号发射模块相连，而第一控制开关与第二控制开关均与微处理器控制单元相连；胎压信号传感器的输出端与胎压信号发射模块相连，胎压信号发射模块与微处理器控制单元相连。
[0022]所述2个控制开关S1、S2具有通路电阻小，输入电压范围大，功耗低等特点，因此可以采用CMOS开关。
[0023]所述压电自发电振动发电装置在压电陶瓷发电单元的选择上，压电陶瓷应具有良好的接受性能，即使机械能转换为电能。设计压电自发电单元时，压电陶瓷应具有机电耦合系数K大、机械品质因数Qm大于500、相对介电常数ε小于1500、压电应变常数d小、压电电压常数g高、温度Tc在工作温度范围外等特性。在汽车轮胎上的安装有两种方式:(I)将该供电模块嵌入到轮胎内部，依靠汽车行驶的压力变形使压电片发电；(2)将供电模块固定在轮毂上，压电振子通过汽车行驶过程中产生的振动和惯性力受迫振动发电。第一种方案在实施的过程中模块的更换、安装都不方便，通常压电片为方便引出电极都会在表面镀很薄的金属面板，从而影响材料的柔韧性。但是这种依靠胎压形变来使振子形变发电的方式，对压电振子的柔韧性要求非常高，压力过大的情况材料可能被破坏。相对于第一种方案，第二种方案克服了第一种方案中存在的不足。压电自发电振动发电装置的安装示意图如图2所示。
[0024]所述的压电能量收集模块LTC3588-1结构如图3所示，内部包括桥式整流电路、电容滤波能量存储电路、稳压二极管和DC-DC变换装置。当压电陶瓷发电单元在外界环境的振动或压挤下产生了电荷,其输出的交流电压经压电能量收集模块内部集成的桥式整流电路、电容滤波能量存储电路以及稳压二极管得到直流电压，该直流电压提供给DC-DC变换装置的电压输入端，通过调节DC-DC变换装置的工作状态。由于微处理器控制单元中的CPU采用了超低功耗的16位微处理器芯片MSP430系列单片机，供电电压为3.3V，所以联接电路形式选用了输出3.3V电压典型电路。
[0025]所述主能量储存及供电装置可以采用超级电容，超级电容的充电和放电是由电解液中的离子运动而实现，这种能量储存过程与电池技术基于化学反应的过程相比较，没有任何化学键的结合或断开。百万次充、放电循环之后证明超级电容的循环寿命减少非常微弱。另外，超级电容通过极化高比表面积电极中的电解质工作，电解质、电极和隔离层材料的特性决定了超级电容的电容量性能。其表面积的电极和小的带电离子决定了高的电容量，而高效的电解质、隔离层和材料，以及工艺设计决定了低的阻抗。
[0026]具体实施时，超级电容型号可依据压电发电单元发电能力大小来选择，并且要求能捕获压电自发电单元的能量，给无线传感器网络节点供电。超级电容也有其独特的优势，主要表现为体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30?40倍；充电速度快，10秒内达到额定容量的95% ;充放电能力强；失效开路，过电压不击穿，安全可靠；超长寿命，可长达40万小时以上；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护；电压范围为2.7V至12.0V ;容量范围为0.1F至1000F。因此结合本系统需求，选用了 0.1F /5.5V的超级电容
[0027]如图3所示:当外界对压电自发电单元进行激振时，陶瓷振子弯曲变形，由正压电效应可知，压电陶瓷输出交变电荷，交流电通过压电能量收集模块收集后，直接储存入超级电容中，当超级电容储满电经电源管理系统监测后为系统的各个模块供电。
[0028]本专利所涉及的汽车轮胎压力传感器SP12传感器是英飞凌公司推出的面向汽车轮胎压力监视系统的器件。它是一种多功能集成的智能压电电阻传感器，可以在100Kpa-450Kpa的范围测试。在汽车行驶过程中的能采集轮胎气压、温度、加速度、芯片供电电压等信号，且可以自动补偿测量数据。并且内置时钟电路，可以周期性的输出复位信号和唤醒信号。基于SP12的这些特点，TPMS系统不仅可以实时监测胎压信号，还能实现定时唤醒、启动定时复位单片机、欠压等报警等功能，减少发射模块的功耗，提高系统安全性。其引脚图如图4所示。
[0029]本发明专利提供的微处理器控制单元电路，由微处理控制器及外围电路组成(图5)。其中:微处理控制器可以采用MSP430F12X2系列单片机，MSP430F12X2系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块以及方便高效的开发方式。本实施例主要采用的是MSP430F1222单片机，该型号芯片可以工作在1.8V-3.6V宽电压范围内，功耗非常低，运行2.2V / IMHz时工作电流仅为200 μ A，而在休眠模式下，电流更是低至0.1 μ A，故可采用锂电池供电；片内集成了带有内部基准源和采样保持电路的10-Bit、200-kspsA / D转换器，可直接用于模拟信号采集；片内集成4KB+256B FLASH程序存储器和256B数据存储器，适合用C语言编写程序。
[0030]单片机的工作频率对功耗的影响很大，频率越高，功耗越大。MSP430F12X2系列单片机有三种时钟产生模式，即外接8MHz晶体、外接晶体以及采用阻容谐振器。综合考虑到降低功耗和确保计时器的精度，本实施例采用32kHz外接晶体，作为程序运行的主时钟，同时也为计时器提供时钟源。该单片机采用JTAG接口进行程序下载和在线调试，不需采购程序下载器和仿真器，开发成本非常低廉。由于芯片性能稳定可靠且内置硬件看门狗，故复位电路采用成本低廉的阻容复位电路即可。
[0031]如图6所示，SP12的引脚WAKEUP与单片机MSP430F1232的外部中断输入端连接，因为P1、P2 口不仅具有I / O功能，还能通过软件设置用作外部中断，这里选用的是P2.0引脚接WAKEUP。SP12的RESET管脚与单片机的复位管脚RST /匪I相连接。SP12使用了MSP430F1232的四个I / O 口，片选信号输出口 NCS、数据输出口 SD0、数据输入口 SD1、通信同步信号输出口分别连接SCK P2.2、P3.0、P3.1、P3.2。
[0032]如图7所示，发射单元采用的是2.4GHz无线收发芯片nRF24L01模块，片内集成有RF放大器、数字接口、本振与混频器和调制/解调器等电路，外围元件比较少。发射电路极为简单，工作电压达到就可以正常工作。nRF2401的接口使用了 MSP430F1232的6个I / O口。nRF2401与单片机的信号传送也是采用SPI协议，其中MSP430F1232单片机设为为主机，nRF2401 模
[0033]块为从机，由软件实现数据无线发射的功能。nRF2401与MSP430F1232的连接方式如图7所示。nRF24L01的使能控制信号CE引脚相连接单片机的Pl.2 ;控制串行通讯的CSN引脚连接Pl.1 口 ；串行时钟的SCK引脚与Pl.0相连接；数字输入口 MOSI引脚与P2.4连接;数字输出口 MISO连接P2.3。Pl.3 口与nRF24L01的IRQ引脚相连接；在CE和CSN信号的控制下，单片机与MOSI引脚连接的I / O 口向nRF24L01发出具体的控制命令，然后由MISO引脚相连接的I / O 口返回给MCU。为了保证系统的高效性和实时性，可通过软件将让nRF24L01设置为工作在增强型的ShockBrust模式下，并设置Pl.3 口为外部中断口，此时，芯片可通过中断方式通知单片机进行信号的处理和发送。在整个检测模块系统中，射频模块的功耗是最大的，因此从降低功耗的角度出发，工作模式应严格管理，通过电源管理电路，在系统处于休眠是切断电源。
[0034]以下所述电源管理与监测系统是本发明专利的关键，该系统对能量储能装置和及供电装置收集的电量进行实时监测，监测参数经微处理器控制单元采集并处理，依据监测处理结果，选择相应的控制开关，实现对胎压信号传感器和胎压信号发射模块的可靠供电。该系统中设有监测芯片MAXICL7665和DS2438 (图8)。
[0035]所述监测芯片MAXICL7665是对超级电容两端的电压进行实时监测的一种低功耗芯片，该芯片能很好的对主能量储存及供电装置进行监测。该芯片工作电压等级为1.6V-16V，其内部有两个比较器。ICL7665的外围电路中，电阻R7、R8、R9、RlO的选择由超级电容两端的上限阈值电压VH和下限阈值电压VL决定，并且尽量取到千欧的数量级，以使其损耗的功率小。VH和VL可根据负载工作情况自行设定。当SETl引脚的电压大于1.3V,SET2引脚的小于1.3V时，OUTl和0UT2均输出高电平；当SETl引脚的电压大于1.3V, SET2引脚的大于1.3V时，OUTl输出高电平，0UT2输出低电平；当SETl引脚的电压小于1.3V,SET2引脚的小于1.3V时，OUTl输出低电平，0UT2输出高电平；当SETl引脚的电压小于1.3V，SET2引脚的大于1.3V时，OUTl和0UT2均输出低电平，且此时OUTl和0UT2和微处理控制单元的两个输入端口 P2.1、P2.2相连。
[0036]本发明专利的工作过程是:压电振动发电单元利用正压电效应将环境中振动的机械能转化成交流的电能，该电能经压电能量收集模块收集后，变成稳定的直流电压。在最初情况下，开关SI (第一控制开关)断开，开关S2(第二控制开关)断开，即给负载断电的情况下该直流电由超级电容储存。此时，ICL7665监测芯片对超级电容的供电电压VDD进行监测，ICL7665芯片的两个输出引脚与MSP430F1222的P2.1 口和P2.2 口连接。两个控制开关的8个输入控制信号端口与单片机MSP430F1222的8个I / O端口连接。单片机采集ICL7665芯片的输出数据，当超级电容两端的电压在设定的阈值VH时，单片机控制开关S1、S2均接通，S3接通，S4断开，由超级电容给压力传感器和无线发射模块供电；当超级电容两端的电压VDD达不到阈值VH时，单片机控制开关S1、S2断开，由外部能量产生与采集装置给超级电容充电。此工作过程依次循环。
【权利要求】
1.基于压电振动自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是采用了压电振子振动发电。
2.根据权利要求1所述的基于压电自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是采用了适合运用于压电换能器件的集成式能量收集模块LTC3588-1。
3.根据权利要求1所述的基于压电振动自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是系统所采用的胎压信号传感器(5)，选用的是英飞凌公司推出的面向汽车轮胎压力监视系统的器件SP12传感器。
4.根据权利要求1所述的基于压电振动自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是电源管理系统中的微处理器控制单元的CPU，采用了超低功耗的16位微处理器芯片MSP430系列单片机，并由电源监控芯片(8)对能量储存及供电装置(3)的状态进行监控。
5.根据权利要求1所述的基于压电振动自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是能量储存及供电装置(3)采用超级电容。
6.根据权利要求1所述的基于压电振动自发电的汽车胎压无源监测仪，其特征是胎压发射模块选用了高度集成、超低功耗的芯片nRF24L01。
【文档编号】B60C23/04GK104417290SQ201310400536
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】林伟, 李国平, 彭春花, 丁刚, 印杰 申请人:丹阳东兴汽车部件有限公司