本發(fā)明涉及熱釋電、壓電、微能量收集以及嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域，具體涉及一種適合微弱能量收集的熱釋電/壓電能量收集器及其集成系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和可攜帶電子器件等技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是以低功耗智能傳感器系統(tǒng)(如植入式器件)和分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，從周?chē)h(huán)境中收集能量及其相關(guān)技術(shù)越來(lái)越受到廣大科研人員關(guān)注。和定期充電的移動(dòng)設(shè)備不同，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或智能傳感系統(tǒng)往往需要依靠自身的電池持續(xù)工作，且工作環(huán)境較差。就目前而言，一次性電池或者可充電電池仍然是首選。盡管電池的儲(chǔ)能密度和使用壽命不斷提高，但受容量和體積的限制，供能壽命有限，制約無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或智能傳感系統(tǒng)的使用壽命。因此，解決如何高效地從周?chē)h(huán)境中收集并儲(chǔ)存能量，如何解決無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或智能傳感系統(tǒng)長(zhǎng)期供能相關(guān)技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，針對(duì)于低功耗的分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器系統(tǒng)供能技術(shù)的研究主要集中在對(duì)各種能量源的采集，以解決這些對(duì)于一次性電池或者可充電電池的依賴(lài)。研究中，常見(jiàn)的太陽(yáng)能為最成熟的能量收集來(lái)源，如大連理工大學(xué)張家寧等利用太陽(yáng)能板進(jìn)行能源收集并把能量?jī)?chǔ)存在鋰電池給集能式傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的節(jié)點(diǎn)供電，并進(jìn)行電池電量和數(shù)據(jù)包投遞率的數(shù)據(jù)特性分析；其次包括從電磁輻射、超聲波、溫度梯度、人體運(yùn)動(dòng)等獲得的能量等，如北京林業(yè)大學(xué)陳明闊等利用集熱管、空氣、淺層土壤使溫差發(fā)電器兩端形成有效溫差、設(shè)計(jì)了熱電能量收集裝置，獲得了較好的發(fā)電效果；華北電力大學(xué)高成剛等基于LTC3588-1和超級(jí)電容搭建了振動(dòng)能量收集裝置，對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題進(jìn)行了研究；南京理工大學(xué)李甲勝等為解決超聲波熱能表的長(zhǎng)期供電問(wèn)題,設(shè)計(jì)了能量收集系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電片將管道中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，并采用電池電源和溫差發(fā)電系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的方案,避免了溫差發(fā)電系統(tǒng)能力不足或溫度波動(dòng)等影響,解決了超聲波熱能表的長(zhǎng)期工作供電問(wèn)題；華北電力大學(xué)鄔登金等制作了基于壓電陶瓷的人體踩壓能量收集及利用裝置，此裝置包括儲(chǔ)能和利用兩部分。在儲(chǔ)能方面，設(shè)計(jì)了能量收集模塊，把壓電陶瓷發(fā)出的交流電整流后存入超級(jí)電容中。就目前研究而言，研究主要集中在如何進(jìn)行能量采集、如何儲(chǔ)能研究較多，但在如何高效進(jìn)行能量收集并儲(chǔ)能方面的研究相對(duì)而言較少。

為此，以微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，深入開(kāi)展微弱能量收集及相關(guān)技術(shù)對(duì)于進(jìn)一步研究低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或智能傳感系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)療、智能交通和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于有效解決熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器基于熱釋電、壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換后能量的高效收集、并盡可能地減少集成系統(tǒng)自身能耗等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于低功耗微控制器架構(gòu)的熱釋電/壓電能量收集器及其集成系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，熱釋電/壓電能量收集器，包括支架基座、熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器、薄膜型熱敏電阻、振動(dòng)敏感元件、懸臂梁以及質(zhì)量塊，所述支架基座，用于將熱釋電/壓電能量收集器固定在振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及用于熱釋電/壓電能量收集器與振動(dòng)/發(fā)熱裝置之間的熱傳導(dǎo)；所述熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器按一定串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)在懸臂梁振動(dòng)狀態(tài)下/環(huán)境中存在溫度梯度和熱流等情況下產(chǎn)生電荷；所述薄膜型熱敏電阻，粘貼在懸臂梁與熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器之間，用于檢測(cè)溫度及溫度變化；所述振動(dòng)敏感元件，粘貼在熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器與質(zhì)量塊之間，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)；所述懸臂梁，一端連接支架基座，外界振動(dòng)從基座傳遞到懸臂梁上，使得懸臂梁振動(dòng)，產(chǎn)生彎曲變形，該變形使粘貼在懸臂梁上的熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器感受到并隨之產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；隨著懸臂梁的振動(dòng)，使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器表面的溫度場(chǎng)發(fā)生改變，該變化的溫度場(chǎng)使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，將溫差能量轉(zhuǎn)換為電能；所述質(zhì)量塊，安裝在懸臂梁末端，起調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率及提高能量轉(zhuǎn)換能力作用。

本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一種熱釋電/壓電能量收集集成系統(tǒng)，包括熱釋電/壓電能量收集器、電源管理及儲(chǔ)能單元、振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元以及基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)；所述熱釋電/壓電能量收集器用于實(shí)時(shí)輸出振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化相關(guān)參量；用于固定在某振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及處于變化的溫度場(chǎng)中，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化的輸出以及微弱振動(dòng)能量、溫差能量的收集；所述電源管理及儲(chǔ)能單元用于程控升壓控制收集隨振動(dòng)/溫度改變得到的交流電信號(hào)，優(yōu)化低壓交流電壓管理；用于AC-DC、DC-DC電壓變換；用于實(shí)現(xiàn)從低電流、斷續(xù)或者連續(xù)電能對(duì)中間儲(chǔ)能單元充電；用于將熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生的電壓，輸出穩(wěn)定的直流3.3V電壓；所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化，便于微控制器優(yōu)化控制程控升壓；所述基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)，在低流耗的電源系統(tǒng)可編程定時(shí)器控制下銳降系統(tǒng)待機(jī)功耗，并可程控控制升壓電路、能量管理單元以及電源輸出電路，以實(shí)現(xiàn)微弱能量的高效收集、管理以及電源輸出控制。

進(jìn)一步，包括支架基座、熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器、薄膜型熱敏電阻、振動(dòng)敏感元件、懸臂梁以及質(zhì)量塊；所述支架基座，用于將熱釋電/壓電能量收集器固定在振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及用于熱釋電/壓電能量收集器與振動(dòng)/發(fā)熱裝置之間的熱傳導(dǎo)；所述熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器按一定串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)在懸臂梁振動(dòng)狀態(tài)下/環(huán)境中存在溫度梯度和熱流等情況下產(chǎn)生電荷；所述薄膜型熱敏電阻，粘貼在懸臂梁與熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器之間，用于檢測(cè)溫度及溫度變化；所述振動(dòng)敏感元件，粘貼在熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器與質(zhì)量塊之間，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)；所述懸臂梁，一端連接支架基座，外界振動(dòng)從基座傳遞到懸臂梁上，使得懸臂梁振動(dòng)，產(chǎn)生彎曲變形，該變形使粘貼在懸臂梁上的熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器感受到并隨之產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；隨著懸臂梁的振動(dòng)，使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器表面的溫度場(chǎng)發(fā)生改變，該變化的溫度場(chǎng)使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，將溫差能量轉(zhuǎn)換為電能；所述質(zhì)量塊，安裝在懸臂梁末端，起調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率及提高能量轉(zhuǎn)換能力作用。

進(jìn)一步，所述電源管理及儲(chǔ)能單元包括程控升壓電路、電源管理單元電路、中間儲(chǔ)能單元電路；所述程控升壓電路，用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大；所述電源管理單元電路，即對(duì)收集的不穩(wěn)定的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為恒定的直流電壓輸出；用于將收集的能量存儲(chǔ)到中間儲(chǔ)能單元；所述中間儲(chǔ)能單元電路，用于實(shí)現(xiàn)從低電流、斷續(xù)或連續(xù)電能對(duì)鋰離子/鋰聚合物電池充電；用于監(jiān)測(cè)電池發(fā)熱量。

進(jìn)一步，所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元包括振動(dòng)判別電路、橋式溫敏電路及前置放大電路；所述振動(dòng)判別電路，用于檢測(cè)振動(dòng)敏感元件導(dǎo)通/斷開(kāi)狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別；所述橋式溫敏電路及前置放大電路，用于檢測(cè)溫度變化，并放大信號(hào)。

進(jìn)一步，所述基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)包括微能量收集控制模塊和可控電源輸出電路，所述微能量收集控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)程控升壓電路控制，即通過(guò)對(duì)振動(dòng)狀態(tài)的判別、溫差的檢測(cè)，控制輸出一定PFM信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)能量高效收集，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理單元控制，程控輸出特定的恒定直流電壓；所述可控電源輸出電路，在微控制器控制下，用于在帶負(fù)載的情況下延遲控制電源輸出。

進(jìn)一步，所述微能量收集控制模塊包括微控制器、可編程定時(shí)器電路、溫度采集及處理模塊、振動(dòng)監(jiān)測(cè)判別模塊、可控電源輸出模塊和睡眠喚醒控制模塊；所述微控制器，用于實(shí)現(xiàn)微能量收集控制模塊、溫度采集及處理模塊、可控電源輸出模塊、睡眠喚醒控制模塊的控制，以實(shí)現(xiàn)微弱能量的最佳收集、管理以及電源輸出控制；所述可控電源輸出模塊，用于在帶負(fù)載的情況下延遲控制電源輸出；所述溫度采集及處理模塊，用于實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集，即通過(guò)微控制器內(nèi)部集成的ADC采集經(jīng)橋式溫敏電路及前置放大電路檢測(cè)的溫度信號(hào)，并計(jì)算出溫差變化，依據(jù)溫差變化估算熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器收集溫差能量轉(zhuǎn)化的電信號(hào)大小；所述可控電源輸出模塊，用于產(chǎn)生在帶負(fù)載的情況下延遲電源輸出控制信號(hào)；所述睡眠喚醒控制模塊，用于喚醒休眠狀態(tài)下的微控制器，以實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)高效收集能量；所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)判別模塊，用于檢測(cè)振動(dòng)敏感元件輸出的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明針對(duì)特定熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器，利用低功耗微控制器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化的監(jiān)測(cè)、并依據(jù)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化對(duì)程控升壓電路進(jìn)行控制、實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器收集能量的高效收集、儲(chǔ)存。它包括熱釋電/壓電能量收集器、電源管理及儲(chǔ)能單元、振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元以及基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高，能夠有效實(shí)現(xiàn)微弱振動(dòng)能量、溫差能量的收集，滿(mǎn)足特殊環(huán)境下低功耗智能傳感器系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及微小型電子系統(tǒng)等供電需求。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1示出了熱釋電/壓電能量收集器及其集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了程控升壓電路原理圖；

圖3示出了振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路原理圖；

圖4示出了電源管理及中間儲(chǔ)能單元電路原理圖；

圖5示出了微控制器、定可編程時(shí)器及可控電源輸出電路原理圖；

圖中，質(zhì)量塊1、振動(dòng)敏感元件2、熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器3、薄膜型熱敏電阻4、懸臂梁5、支架基座6、振動(dòng)狀態(tài)判別電路7、橋式溫敏檢查電路8、前置放大電路9、程控升壓電路10、電源管理單元電路11、中間儲(chǔ)能單元電路12、微控制器13、電源系統(tǒng)可編程定時(shí)器電路14、可控電源輸出電路15、溫度采集及處理模塊16、振動(dòng)監(jiān)測(cè)判別模塊17、可控電源輸出模塊18、睡眠喚醒控制模塊19、微能量收集控制模塊20、5倍壓整流電路21、PFM控制電路22。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1示出了熱釋電/壓電能量收集集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，

熱釋電/壓電能量收集器，包括支架基座6、熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器3、薄膜型熱敏電阻4、振動(dòng)敏感元件2、懸臂梁5以及質(zhì)量塊1；

所述支架基座，用于將熱釋電/壓電能量收集器固定在振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及用于熱釋電/壓電能量收集器與振動(dòng)/發(fā)熱裝置之間的熱傳導(dǎo)；所述熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器按一定串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)在懸臂梁振動(dòng)狀態(tài)下/環(huán)境中存在溫度梯度和熱流等情況下產(chǎn)生電荷；所述薄膜型熱敏電阻，粘貼在懸臂梁與熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器之間，用于檢測(cè)溫度及溫度變化；所述振動(dòng)敏感元件，粘貼在熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器與質(zhì)量塊之間，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)；所述懸臂梁，一端連接支架基座，外界振動(dòng)從基座傳遞到懸臂梁上，使得懸臂梁振動(dòng)，產(chǎn)生彎曲變形，該變形使粘貼在懸臂梁上的熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器感受到并隨之產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；隨著懸臂梁的振動(dòng)，使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器表面的溫度場(chǎng)發(fā)生改變，該變化的溫度場(chǎng)使熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，將溫差能量轉(zhuǎn)換為電能；所述質(zhì)量塊，安裝在懸臂梁末端，起調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率及提高能量轉(zhuǎn)換能力作用。

熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器3采用傳統(tǒng)固相法按一定工藝流程制備不同Zr/Ti組分制備的壓電陶瓷片(Zr/Ti:50/50)以及熱釋電陶瓷片(Zr/Ti:95/5)，并按一定串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器。熱釋電/壓電陶瓷片材料組分配比為Pb[(MnxNb1-x)1/2(MnxSb1-x)1/2]y(ZrzTi1-z)1-yO3，其中：0.3≤x≤0.7，0≤y≤0.3，0.85≤z≤0.96，制備主要工藝流程為：首先，將分析純PbO、ZrO2、TiO2、Nb2O5、Sb2O3粉體原料和Mn(NO3)2溶液按設(shè)定的化學(xué)計(jì)量比配料，經(jīng)球磨、干燥和過(guò)篩后，在850℃保溫2小時(shí)預(yù)燒合成粉料；再通過(guò)造粒、干壓成型得到直徑為17mm、厚度為1.5mm的圓形坯體；坯體通過(guò)600℃排膠后，在1180～1300℃坩堝密封氣氛中燒結(jié)2h以成瓷；將成瓷試樣打磨、清洗、被銀、燒電極，得到有雙面電極的陶瓷片。最后，進(jìn)行陶瓷片極化，極化條件是：在100～120℃的硅油中極化時(shí)間為15～30min，極化電場(chǎng)為3～5kV/mm。陣列結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)電膠將多片陶瓷片并列等距粘貼在基底黃銅片上；利用改性丙烯酸酯膠粘劑將薄膜型熱敏電阻4粘貼在懸臂梁與5釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器之間3；支架基座6用于將熱釋電/壓電能量收集器固定某振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及用于熱釋電/壓電能量收集器與某振動(dòng)/發(fā)熱裝置之間的熱傳導(dǎo)。

如圖所示：一種熱釋電/壓電能量收集集成系統(tǒng)，包括熱釋電/壓電能量收集器A、電源管理及儲(chǔ)能單元B、振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元C以及基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)D；所述熱釋電/壓電能量收集器用于實(shí)時(shí)輸出振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化相關(guān)參量；用于固定在某振動(dòng)/發(fā)熱裝置上，以實(shí)現(xiàn)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器同步振動(dòng)，以及處于變化的溫度場(chǎng)中，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化的輸出以及微弱振動(dòng)能量、溫差能量的收集；所述電源管理及儲(chǔ)能單元用于程控升壓控制收集隨振動(dòng)/溫度改變得到的交流電信號(hào)，優(yōu)化低壓交流電壓管理；用于AC-DC、DC-DC電壓變換；用于實(shí)現(xiàn)從低電流、斷續(xù)或者連續(xù)電能對(duì)中間儲(chǔ)能單元充電；用于將熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生的電壓，輸出穩(wěn)定的直流3.3V電壓；所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)、溫差變化，便于微控制器優(yōu)化控制程控升壓；所述基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)，在低流耗的電源系統(tǒng)可編程定時(shí)器控制下銳降系統(tǒng)待機(jī)功耗，并可程控控制升壓電路、能量管理單元以及電源輸出電路，以實(shí)現(xiàn)微弱能量的高效收集、管理以及電源輸出控制。

所述電源管理及儲(chǔ)能單元包括程控升壓電路10、電源管理單元電路11、中間儲(chǔ)能單元電路12；所述程控升壓電路，用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大；所述電源管理單元電路，即對(duì)收集的不穩(wěn)定的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為恒定的直流電壓輸出；用于將收集的能量存儲(chǔ)到中間儲(chǔ)能單元；所述中間儲(chǔ)能單元電路，用于實(shí)現(xiàn)從低電流、斷續(xù)或連續(xù)電能對(duì)鋰離子/鋰聚合物電池充電；用于監(jiān)測(cè)電池發(fā)熱量。

所述電源管理及儲(chǔ)能單元用于程控升壓控制收集隨振動(dòng)/溫度改變得到的交流電信號(hào)，優(yōu)化低壓交流電壓管理；用于AC-DC、DC-DC電壓變換；用于實(shí)現(xiàn)從低電流、斷續(xù)或者連續(xù)電能對(duì)中間儲(chǔ)能單元(如鋰離子/鋰聚合物電池、超級(jí)電容等)充電；用于將熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生的電壓，輸出穩(wěn)定的直流3.3V電壓。

所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)及溫度檢測(cè)單元包括振動(dòng)判別電路7、橋式溫敏電路8及前置放大電路9；所述振動(dòng)判別電路，用于檢測(cè)振動(dòng)敏感元件導(dǎo)通/斷開(kāi)狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別；所述橋式溫敏電路及前置放大電路，用于檢測(cè)溫度變化，并放大信號(hào)。

所述振動(dòng)狀態(tài)判別電路7，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)。如圖3所示，振動(dòng)敏感元件2(VBS0301)，它可無(wú)方向性(全方位)偵測(cè)振動(dòng)信號(hào)，不振動(dòng)時(shí)，處于斷開(kāi)狀態(tài)，內(nèi)阻為無(wú)窮大，受到振動(dòng)后就處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電阻約為50Ω。圖3中，T1為振動(dòng)信號(hào)放大三極管，VBS0301處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，Shake_sig輸出高電平，反之為低電平。該Shake_sig信號(hào)與微控制器13(ATtiny13)PB0相連，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀態(tài)。

所述橋式溫敏檢查電路8以及前置放大電路9，用于檢測(cè)溫度變化，并放大、濾波溫度信號(hào)；經(jīng)Temp_in送到微控制器13(ATtiny13)PB2相連，由微控制器13(ATtiny13)PB2腳相連的內(nèi)部10位ADC將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)溫差變化檢測(cè)與判別。

所述基于低功耗微控制器的控制系統(tǒng)包括微能量收集控制模塊和可控電源輸出電路15，所述微能量收集控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)程控升壓電路控制，即通過(guò)對(duì)振動(dòng)狀態(tài)的判別、溫差的檢測(cè)，控制輸出一定PFM信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)能量高效收集，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理單元控制，程控輸出特定的恒定直流電壓；

所述可控電源輸出電路，在微控制器控制下，用于在帶負(fù)載的情況下延遲控制電源輸出。

所述微能量收集控制模塊包括微控制器13、可編程定時(shí)器電路14、溫度采集及處理模塊16、振動(dòng)監(jiān)測(cè)判別模塊17、可控電源輸出模塊18和睡眠喚醒控制模塊19；

所述微控制器，用于實(shí)現(xiàn)微能量收集控制模塊、溫度采集及處理模塊、可控電源輸出模塊、睡眠喚醒控制模塊的控制，以實(shí)現(xiàn)微弱能量的最佳收集、管理以及電源輸出控制；所述可控電源輸出模塊，用于在帶負(fù)載的情況下延遲控制電源輸出；所述溫度采集及處理模塊，用于實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集，即通過(guò)微控制器內(nèi)部集成的ADC采集經(jīng)橋式溫敏電路及前置放大電路檢測(cè)的溫度信號(hào)，并計(jì)算出溫差變化，依據(jù)溫差變化估算熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器收集溫差能量轉(zhuǎn)化的電信號(hào)大??；所述可控電源輸出模塊，用于產(chǎn)生在帶負(fù)載的情況下延遲電源輸出控制信號(hào)；所述睡眠喚醒控制模塊，用于喚醒休眠狀態(tài)下的微控制器，以實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)高效收集能量；所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)判別模塊，用于檢測(cè)振動(dòng)敏感元件輸出的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。

本發(fā)明中，由熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器收集的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)5倍壓整流電路21將電信號(hào)整流放大，當(dāng)電壓較小時(shí)，微控制器輸出的較高頻率PFM信號(hào)控制PFM控制電路22進(jìn)一步提升V_Vsy，當(dāng)電壓幅度較大，微控制器輸出的較低頻率PFM信號(hào)控制PFM控制電路22適當(dāng)調(diào)整V_Vsy幅度。電壓幅度大小與振動(dòng)幅度、溫差變化幅度息息相關(guān)。如圖4所示，V_Vsy經(jīng)電源管理單元電路11(LTC3588-1)PZ1端口引入，電源管理單元電路11將熱釋電/壓電陶瓷片陣列能量收集器產(chǎn)生的電壓，輸出穩(wěn)定的直流3.3V電壓給可控電源輸出電路15、微控制器13(ATiny13)以及通過(guò)電源管理單元電路11的Vin引腳給中間儲(chǔ)能單元電路12(2片LTC4701構(gòu)成的充電電路)充電，實(shí)現(xiàn)能量的收集與儲(chǔ)能。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。