压电自供电红外遥控器设计＊

王立强，陈晨曦，辛 峰

（武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070）

1 研究背景与意义

1880 年，法国居里兄弟发现压电效应，即某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这些物质也被称为压电材料。压电效应对于能量的转换具有重要意义，因此也被应用到诸多领域。日常生活中的打火机、煤气点火器、汽车胎压报警器、雷达系统的压电陀螺等都用到了压电材料的压电效应。而近几年关于压电发电技术的创新也越来越多，其中利用压电材料的正压电效应将机械能转化为电能为微电子设备供电是应用压电技术发电的重要课题。

遥控器在生活中是非常常见的，在工业领域也应用较广。目前大多数遥控器主要由电池供电。但干电池的生产和废弃一直是资源浪费和环境污染的重要原因。据不完全统计，目前国内家电遥控器每年消耗干电池28 亿节，一节废弃的干电池会污染1 m3土地和12 m3水。现如今人们环保意识逐渐增强，对于绿色能源的研究也逐渐深入。寻找一种替代电池的绿色电源为遥控器供能已成为一个重要研究方向。本研究将压电发电技术应用于遥控器，设计一种压电式自供电红外遥控器，对环保和能源问题具有重要意义。

2 压电发电模块的研究设计

2.1 压电振子结构设计

压电发电模块的发电量是压电自供电无线遥控器能否发射信号的关键，主要取决于压电材料、压电振子结构和表面受力等。目前市面上主要采用PZT 即锆钛酸铅压电陶瓷片作为压电材料，通过比较选择各项参数都较为均衡的PZT-5A，且拟采用性能突出、合适安装的矩形双晶压电陶瓷片。因此，决定压电发电模块发电效率的主要因素是压电振子的结构。

关于压电振子，其结构模型主要可简化为简支梁和悬臂梁两种，为适应自供电红外遥控器的供能需要，需要从理论和实验两方面来进行压电振子结构的选择。通过力学及压电学的相关知识和欧拉伯努利法，分别对悬臂梁、简支梁两种结构进行理论建模和仿真，分析其开路电压与产生的电能。

悬臂梁模型如图1 所示。

图1 悬臂梁结构模型

通过对悬臂梁模型进行建模和仿真，可以得出其发电量与压电振子受力点的位移增加量成正相关。当压电振子所受应力过大，直至最大工作应力大于压电材料的极限应力，会导致材料脆性失效。因此悬臂梁压电振子最大应力出现在其固定端的上表面边缘。

简支梁结构模型如图2 所示。

图2 简支梁结构模型

通过对结构进行模拟仿真可知，压电振子的最大工作应力受力点在上表面的中点，与悬臂梁模型相比，简支梁能够布置更多按键，适合用于多键压电供电遥控器。但由于简支梁结构压电振子的按压变化量小于悬臂梁结构，因此其发电量也小于悬臂梁结构，因此悬臂梁模型宜作为遥控器的供能装置。但由于悬臂梁结构的最大应力与外力或末端位移的增加量成正相关，当施加的压力过猛，致使受力点的位移增加冲量过大，会导致材料的损坏失效。因此，在悬臂梁结构中还需要加入限位装置。由前面对悬臂梁结构的仿真模拟可以得到，在同一横截面内，固定端所受的应力最大，随着位移x的增加应力减小，直到自由端应力减为0；当应力减小，压电模块的发电功率也减小。因此拟设计一种等应力悬臂梁结构，使其应力大小不随位移变化而变化。其结构模型如图3 所示。

图3 等应力悬臂梁结构模型

等应力悬臂梁结构在悬臂梁结构基础上增加了圆弧约束装置，由弹性材料制作而成。当压电振子自由端受到压力F时，振子沿约束块表面弯曲。通过仿真模拟，在同一横截面内，压电振子各处的应力为常值，即受力端与固定端的应力大小相等，这样既能够保证压电模块的发电量，又能避免因为不可控的外力导致压电材料脆性失效。

2.2 功率可行性分析

为使压电发电装置能更方便地为遥控器供电，发电装置每次受到激励所产生的电能需大于等于每次发射红外信号所需要的能量，这也是压电自供电遥控器可行性的关键所在。

2.2.1 压电模块发电功率分析

根据正压电效应，当悬臂梁压电振子自由端受外力作用而产生弯曲变形时，其表面便有电荷生成。压电物体所受应力与表面产生的电荷及形成的开路电压的关系可表示为：

式（1）中：a、b和c分别为压电振子的长度、宽度和厚度；F为所受应力；g 为压电电压常数；δ为电压振子的刚度和自由端形变量。

由式（1）可知，发电量与振子的长、宽、厚度均有关系，而在遥控器内，压电振子的尺寸和形变量不宜过大。据以往实验研究，当振子尺寸为20 mm×20 mm×20 mm 时，一次脉冲激励可产生1.3 mJ 电能，信号传输距离达15 m 以上。而本设计采用的等应力压电发电装置因其压电振子将沿圆弧约束块弯曲，受力端与固定端应力大小相等，使得发电能力有所提高，因此其实际供电能力将大于上述1.3 mJ 电能。

2.2.2 遥控器耗电功率分析

以常见数字电视机遥控器为例，其电路框图如图4 所示。

图4 电视机遥控器电路框图

各部分电路分别消耗功率约占总功率10%、30%、10%、50%。电路电源电压U=3 V，工作电流I=40 mA，工作周期为108 ms。则可以计算功率及总能量消耗分别为：

据以上对压电发电功率及普通电池供电遥控器功率的分析，经优化的压电发电系统可以对目前常见的无线发射系统供电。而本项目具有更低功耗的无线发射系统，更保障了自供电的可靠性和实用性。

3 无线发射与信号接收系统

目前的压电装置主要用于压电传感器，大部分压电装置的输出功率还不足以驱动现有的商品遥控器。如果要提高压电红外遥控器的实用性和转化效率，需要提高压电发电模块的供电能力并且降低红外信号发射的功耗。本文所设计的发射装置需在无任何外界电源情况下，可以通过压电片自发电、供电和无线发射同步进行。从实际使用的角度出发，优化了无线发射系统、信号接收系统，为实物研制提供了理论依据。

3.1 无线信号发射模块

红外信号发射模块主要由整流部分、控制器部分，红外发射部分组成。整流部分将压电模块产生的电能转化为平稳直流电，控制部分产生信号，发射部分实现信号传输。

3.1.1 电源转接部分

整流电路如图5 所示。

图5 整流电路

压电效应产生的瞬间电流具有电压高、电流大、交流电的特点，无法直接为控制部分供能，可通过整流电路转换为相对平稳的直流电。整流电路整个电路有整流桥D1、滤波器C0 和C1、稳压二极管D2、三端稳压块7130。C0、C1为滤波电容，使输入到7130 稳压模块的直流电更为平稳，稳压二极管对7130 起保护作用。

3.1.2 控制部分

控制部分是整个装置主要的能耗部分，因为压电效应产生的电量有限，还要驱动芯片进行编译，所以要求选择低功耗的控制器。本设计选择TI 公司的MSP430F1101A 单片机作为微控制器，F05P 作为无线发射模块。

控制部分电路如图6 所示。

图6 控制部分电路图

MSP430 系列具有超低功耗，工作电压为1.8～3.6 V，有高达60 KB 的闪存和各种高性能模拟及智能数字外设，可以应用于本控制电路。

控制部分电路图如图7 所示，R1=120 kΩ，电容C3=0.15 μF，电阻R1 和电容C3 组成复位电路。

图7 红外发射原理图

3.1.3 红外发射部分

红外发射器具有低功率，适用范围广，传输信号效率高的特点。设计采用的是TSAL6200 型红外发射管，可以适用于多种遥控器。红外发射的主要原理是将信号通过编码，经三极管Q1、Q2 放大调变，再将该电信号经红外发射管（940 nm 波长）转变为光信号发射出去。

3.2 信号接收模块

信号接收系统如图8 所示。

红外接收头内部主要由光电二极管与红外接收芯片构成，其主要原理是光电二极管接收到红外发射管发射出的光信号后转换为电信号，该电信号输入到接收芯片内部经过放大、增益、滤波、解调、整形还原后，还原红外发射器给出的原始编码，再通过信号输出脚输入到后面的代码识别电路。

图8 信号接收系统

4 结论与展望

4.1 结论

本研究通过理论分析和实验验证，创新性将压电技术应用于红外遥控器，实现家用遥控器的无电池供电。通过设计新型悬臂梁压电发电装置和无线发射系统，将手指按压遥控器时产生的机械势能转化为电能，在瞬间驱动发射电路完成信号的发射，以此方式取代电池供电。将压电自供电技术应用在红外遥控器，能够使装置结构更简单，操作更方便，并且无电磁干扰，具备可靠性与实用性。

4.2 展望

按市面上普遍使用的遥控器七号电池电能计算，中国每年家电遥控器约消耗28 亿节，以每节电池能量值为800 mA·h 计算，工作电压为1.5 V，则年耗电量为：W=2.8×109×1.5×800×10-3=3.36×106kW·h。

按照每户家庭平均每月用电80 kW·h计算，相当于3 500户中国家庭全年的用电量。因此，若能制作并全面推广和使用压电自供电无线遥控器，能极大节约能源和保护环境，因而本课题的研究也具有广泛的市场价值和实用价值。