阅读说明：本技术 用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统 (System for vibration energy harvesting and wireless temperature measurement for marine engines ) 是由 王勇 马殊 刘晨阳 高恩录 谢文华 李福海 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明的用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统包括振动能量收集模块、温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块、终端显示模块。振动能量收集模块包括压电振动能量收集装置和整流稳压电路；压电振动能量收集装置由多个线性振动能量收集装置复合而成；线性振动能量收集装置包括压电双晶片梁和质量块；压电双晶片梁包括弹性层和上下两层压电层,弹性层设置于上下两层压电层之间；压电双晶片梁采用矩形梁设计,各梁上下两层压电层的极化方向垂直于梁的长度方向,且串联连接,输出电压为温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块供电。该系统可对船用发动机进行振动能量收集和无线温度测量,且具有操作方便、可移植性强、可免除外接电源的特点。(The system for vibration energy collection and wireless temperature measurement of the marine engine comprises a vibration energy collection module, a temperature sensing module, a temperature collection and Bluetooth transmission module and a terminal display module. The vibration energy collecting module comprises a piezoelectric vibration energy collecting device and a rectifying and voltage stabilizing circuit; the piezoelectric vibration energy collecting device is formed by compounding a plurality of linear vibration energy collecting devices; the linear vibration energy collecting device comprises a piezoelectric bimorph beam and a mass block; the piezoelectric bimorph beam comprises an elastic layer and an upper piezoelectric layer and a lower piezoelectric layer, wherein the elastic layer is arranged between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer; the piezoelectric bimorph roof beam adopts the rectangular beam design, and the polarization direction perpendicular to the length direction of roof beam of two-layer piezoelectric layer about each roof beam, and series connection, output voltage are temperature sensing module, temperature acquisition and bluetooth transmission module power supply. The system can collect vibration energy and measure wireless temperature of the marine engine, and has the characteristics of convenient operation, strong transportability and no need of an external power supply.)

用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统。

背景技术

随着科技的发展，温度检测设备已广泛应用于工业、医疗、电力等各个方面。船用发动机对温度范围有着严格的要求，当设备发热温度较高时，不仅需要停产检修，还有可能造成严重的事故，因此，对船用发动机的温度进行实时掌控尤为重要。

目前大部分船用发动机所采用的方式为，将温度传感器安装在发动机外部，并通过有线连接的方式，在舱内显示温度。上述方法接线繁琐，温度测量精度低，且抗干扰性能差。另外，船用发动机在使用过程中一直处在高频振动当中，上述方法也未考虑对该过程中产生的振动能量进行收集和利用。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统。

本发明提供的用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统包括：振动能量收集模块、温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块、终端显示模块；

所述振动能量收集模块包括压电振动能量收集装置和整流稳压电路；压电振动能量收集装置由多个线性振动能量收集装置复合而成；线性振动能量收集装置包括压电双晶片梁和质量块；所述压电双晶片梁包括弹性层和上下两层压电层，弹性层设置于上下两层压电层之间；所述压电双晶片梁采用矩形梁设计，各梁上下两层压电层的极化方向均垂直于梁的长度方向，并且串联连接以增加电压输出；压电双晶片梁的上下两层压电层通过导线连接至整流稳压电路的交流电输入端口，经整流稳压电路整流稳压后得到稳定的直流电；

振动能量收集模块与温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块连接，振动能量收集模块用于收集发动机在工作时发生振动产生的能量；

温度传感模块采用PT100铂热电阻温度传感器，将传感器探头置于发动机的温度测量位置，并将传感器的电压输出端连接至温度采集及蓝牙传输模块；

温度采集及蓝牙传输模块由STM32F767单片机主控电路及蓝牙传输模块组成，当单片机采集到温度传感器的输出信号后，将其转换为对应的温度数值，并调用蓝牙传输模块，将该温度数值传输给终端显示模块显示。

如上所述的系统，优选地，压电振动能量收集装置由两个线性振动能量收集装置复合而成，分别为第一线性振动能量收集装置和第二线性振动能量收集装置，第一线性振动能量收集装置包括第一压电双晶片梁和第一质量块，第二线性振动能量收集装置包括第二压电双晶片梁和第二质量块；第一压电双晶片梁的一段被固定在支座上，连接第二质量块的第二压电双晶片梁以第一质量块的右侧端为固定点，以L型复合在第一压电双晶片梁上。

如上所述的系统，振动能量收集模块中，压电振动能量收集装置将发动机振动信号转为压电层输出的交流信号，而后经整流稳压电路将交流电转化为直流电，并利用稳压二极管将该直流电稳定，而后利用三端可调式输出集成稳压器及其***电路实现最终的稳定直流电输出及电压可调。

如上所述的系统，振动能量收集模块输出的稳定的直流电传输给温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块，为温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块供电。

如上所述的系统，优选地，蓝牙传输模块使用蓝牙芯片HC-05及其***电路实现蓝牙无线传输功能；

HC-05与STM32F767芯片相对应的引脚对应关系为：HC-05的VCC电源将连接STM32F767的3.3V电源；两者的GND同时接地；HC-05的TXD引脚与STM32F767的PA3相连接；HC-05的RXD引脚与STM32F767的PA2相连接；HC-05的KEY引脚与STM32F767的PA1相连接；HC-05的LED引脚与STM32F767的PA4相连接。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、利用振动能量收集技术，免除外接电源，操作方便，可移植性强。

2、实施设备安装简便，只需要将温度传感器探头置于想要测温的位置，固定主体设备，连接蓝牙即可。

3、使用集成度较高的温度传感器与高精度温度采集模块，使用方便且测量精度较高，无线测温模块体积减小。

4、终端显示部分将温度数值通过蓝牙无线方式传输至手机或者电脑，可以实现远程实时监控。

附图说明

图1为本发明提供的用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统的结构示意图；

图2为本发明提供的系统中振动能量收集模块的结构示意图；

图3为本发明提供的系统中整流稳压电路的电气原理图；

图4为本发明提供的系统中3.3V供电及供电电压切换部分电气原理图；

图5为本发明提供的系统中蓝牙传输模块部分电气原理图；

图6为本发明提供的系统中蓝牙传输模块与STM32核心板的连接方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1本发明提供的用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统的结构示意图。如图1所示，本发明的用于船用发动机的振动能量收集和无线温度测量的系统包括：振动能量收集模块、温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块、终端显示模块。

振动能量收集模块包括压电振动能量收集装置和整流稳压电路；压电振动能量收集装置由多个线性振动能量收集装置复合而成；线性振动能量收集装置包括压电双晶片梁和质量块；压电双晶片梁包括弹性层和上下两层压电层，弹性层设置于上下两层压电层之间；压电双晶片梁采用矩形梁设计，各梁上下两层压电层的极化方向均垂直于梁的长度方向，并且串联连接以增加电压输出；压电双晶片梁的上下两层压电层通过导线连接至整流稳压电路的交流电输入端口，经整流稳压电路整流稳压后得到稳定的直流电。

图2为本发明提供的系统中振动能量收集模块的结构示意图。参考图2所示，优选地，压电振动能量收集装置由两个线性振动能量收集装置复合而成，分别为第一线性振动能量收集装置和第二线性振动能量收集装置，第一线性振动能量收集装置包括第一压电双晶片梁和第一质量块，第二线性振动能量收集装置包括第二压电双晶片梁和第二质量块；第一压电双晶片梁的一段被固定在支座上，连接第二质量块的第二压电双晶片梁以第一质量块的右侧端为固定点，以L型复合在第一压电双晶片梁上。

振动能量收集模块与温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块连接，振动能量收集模块用于收集发动机在工作时发生振动产生的能量。

温度传感模块采用PT100铂热电阻温度传感器，将传感器探头置于发动机的温度测量位置，并将传感器的电压输出端连接至温度采集及蓝牙传输模块。PT100温度传感器的引线采用聚乙烯外层，并内镀银屏蔽线，防水、防油、耐腐蚀、耐高温、抗干扰效果强，适用于船舶发动机此类环境。在测量温度时，只需要选择合适的测量位置，将测温探头置于其中即可。

温度采集及蓝牙传输模块由STM32F767单片机主控电路及蓝牙传输模块组成，当单片机采集到温度传感器的输出信号后，将其转换为对应的温度数值，并调用蓝牙传输模块，将该温度数值传输给终端显示模块显示。STM32F767芯片内部资源丰富，可满足各种应用需求，芯片自带多通道ADC，免去了对外部ADC的需求。

当发动机振动时，压电振动能量收集装置的两个质量块受到惯性力的作用也会随之上下振动，此时即会引起第一压电双晶片梁和第二压电双晶片梁的压电层的应变和应力沿着x轴方向变化。根据正压电效应，第一压电双晶片梁和第二压电双晶片梁的上、下压电层均会有沿着z轴防线的电能输出。利用导线将上下压电层连接到后续整流稳压电路的交流电输入端口，经整流稳压后即可得到稳定的直流电。

如上所述的系统，振动能量收集模块中，压电振动能量收集装置将发动机振动信号转为压电层输出的交流信号，而后经整流稳压电路将交流电转化为直流电，并利用稳压二极管将该直流电稳定，而后利用三端可调式输出集成稳压器及其***电路实现最终的稳定直流电输出及电压可调。图3为本发明提供的系统中整流稳压电路的电气原理图。参考图3所示，前述压电振动能量收集装置输出的交流信号连接至途中V处。该交流电经二极管桥式整流电路，将交流电转化为直流电；并利用稳压二极管将该直流电稳定，而后利用三段可调式输出集成稳压器及其***电路实现稳定的直流电输出及电压可调。前述获得的稳定的直流电为PT100温度传感和温度采集及蓝牙传输模块供电。

如上所述的系统，振动能量收集模块输出的稳定的直流电传输给温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块，为温度传感模块、温度采集及蓝牙传输模块供电。

如上所述的系统，优选地，蓝牙传输模块使用蓝牙芯片HC-05及其***电路实现蓝牙无线传输功能。图4为本发明提供的系统中3.3V供电及供电电压切换部分电气原理图。参考图4所示，该部分可直连前述振动能量收集模块，来为本发明提供的系统提供3.3V直流供电。图5为本发明提供的系统中蓝牙传输模块部分电气原理图，参考图5所示，该部分使用蓝牙芯片HC-05及其***电路以实现蓝牙无线传输功能。其中LED引脚为配对状态输出，配对成功输出高电平，未配对则输出低电平；KEY引脚用于进入AT状态，高电平有效；RXD引脚为模块串口接收脚；TXD引脚为模块串口发送脚；GND引脚为接地脚；VCC引脚为加载电源。图6为本发明提供的系统中蓝牙传输模块与STM32核心板的连接方式示意图，参考图6所示，HC-05蓝牙模块与STM32F767芯片相对应的引脚对应关系为：HC-05与STM32F767芯片相对应的引脚对应关系为：HC-05的VCC电源将连接STM32F767的3.3V电源；两者的GND同时接地；HC-05的TXD引脚与STM32F767的PA3相连接；HC-05的RXD引脚与STM32F767的PA2相连接；HC-05的KEY引脚与STM32F767的PA1相连接；HC-05的LED引脚与STM32F767的PA4相连接。

上述温度采集及蓝牙传输模块具体实现过程如下。

(1)设置单片工作基准时钟；

(2)初始化串口，设置波特率；

(3)初始化SDRAM(同步固态随机存储器)；

(4)初始化ADC1通道5；

(5)获取ADC通道的转换值，转换为对应的温度数值；

(6)初始化HC-05蓝牙模块；

(7)蓝牙配对；

(8)通过蓝牙传输温度数值到终端设备。

终端设备(电脑或手机)安装通用蓝牙串口程序后，在与上述蓝牙模块配对成功后，即可定时接收到蓝牙模块传输过来的当前温度数值。

综上所述，本发明提供的技术方案可对船用发动机进行振动能量收集和无线温度测量，且具有操作方便、可移植性强、可免除外接电源的特点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。