2.1 壓電材料施力模式及電能計算

　　在實際使用壓電材料時，通常采用如下兩種施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐標3方向施加應用，坐標1輸出能量;33模式表示坐標3施加應用，坐標3輸出能量，如圖4所示。由于使用模式33時可以獲得更大的輸出功率，因此本設計采用33模式進行設計計算。

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　　在外界壓力作用下的壓電材料產生的電荷和電壓為：

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　　將壓電材料等效為一個電容，其儲能公式是：

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　　式中：d33為壓電材料的壓電常數;F為作用在壓電材料表面的應力;Afp是作用力施加的區域;l,w和t分別是壓電材料的長、寬和厚度;r為壓電材料的相對介電常數;0為真空介電常數。

　　3 系統電路的設計

　　3.1 無線傳感控制系統的設計

　　系統采用的方案是，將相鄰的四片壓電材料通過一個無線傳感器進行實時監測，實現高效、迅速、靈敏且最大限度地收集壓電材料所產生的電能。系統無線傳感控制系統與電網監測系統的設計原理圖如圖5所示。

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　　無線傳感控制系統的工作原理：預先設定無線傳感器的額定工作頻率及轉換的額定工作電壓，只有相鄰的壓電應變片達到預設的工作頻率，其應變才能被無線傳感器檢測到，其產生的電能才可以被無線RF傳輸電路傳遞給電網集成電路集中收集。

　　3.2 RF遠程傳輸電路的設計

　　系統主要應用于公路發電系統，也有可能安裝在環境較為惡劣的地區，故采用了傳輸效率高、傳輸響應頻率嚴格的RF遠程傳輸電路來提高系統能量的收集效率。

　　RF發射電路由發射頭電路和微處理器兩部分組成，其工作原理是當微處理器和發射頭電路同時上電后，微處理器串行輸出口TXD發送一組數據，通過發射頭電路以電磁波形式發送到空中。數據發送時間要小于10ms,因為壓電發電裝置所提供的電壓在控制電路的調解下每次只能持續1s,故所設計的發射電路要適應壓電發電裝置這個特性。

　　在系統中，利用RF發射電路將系統電網收集的電能集中傳輸給升壓及儲能電路，實現了遠程傳輸和遠程控制。在一些特定的區域應用時可以大大減少安裝、運輸及管理成本等。

　　3.3 升壓電路的設計

　　一般的升壓電路，當電源電壓低于DC/DC驅動電壓，DC/DC根本無法啟動及進行任何升壓動作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動問題。但是系統增加啟動電路必然使整個電路復雜化，且電路的穩定性降低。本設計需要的是一種不加啟動電路的升壓電路。

　　采用S882Z系列充電泵就能使上述問題迎刃而解。S882Z系列按放電開始電壓大小有4個品種：分別為1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型號后綴中用18,20,22及24來區分。例如，S882Z20是放電開始電壓為2.0V的充電泵。

　　該系列的主要特點如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時為0.35~3.0V;工作時的消耗電流在VIN=0.3V時為0.5mA(最大值);有關閉控制，在關閉狀態或稱休眠狀態時耗電小于0.6A(VIN=0.3V);關閉控制電壓為放電開始電壓降0.1V(小于等于3.0V);內部振蕩器頻率為350kHz;外部僅接一個啟動電容(CCPOUT);小尺寸SOT235封裝。