CN101527529A - 基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路。现有节点的电源系统一般使用普通电池，电池的寿命短、更换频繁、工作量大。本发明包括太阳能电源管理模块、微处理器控制模块、锂电池模块和电源输出模块。太阳能电源管理模块包括太阳能电池板E1、脉冲充电器IC1；微处理器控制模块包括微处理器芯片IC2；锂电池模块包括第一锂电池E2和第二锂电池E3；电源输出模块包括12V电压转换芯片IC3、5V电压转换芯片IC4、3.3V电压转换芯片IC5。本发明采用电压监测机制防止锂电池欠充和过充，延长了水环境监测节点的电源系统的寿命。本发明采用双锂电池结构，使得电源供应不会间断。

Description

基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路

技术领域

本发明属于无线通信和嵌入式系统技术领域，具体涉及一种基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路。

背景技术

水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高效、实时、准确地获取水环境参数，研究开发网络化、智能化的水环境实时监测系统已成为迫切需要。

现有的水环境监测方法主要分为两种：一种是采用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式；另一种采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统。前者无法对水环境参数远程实时监测，存在监测周期长、劳动强度大、数据采集慢等问题，无法反映水环境动态变化，不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，故有系统成本高、监测水域范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统是无线传感器网络在环境监测方面的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，基于无线传感器网络的水环境监测系统具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低等优点。

基于无线传感器网络的监测系统通常包括传感器节点、数据基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至数据基站，由数据基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测内容以及收集监测数据。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测系统中数据传输的要求，但是节点的电源系统一般使用普通电池，电池的寿命短、更换频繁、工作量大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路。该电路采用太阳能电池板为水环境监测节点提供各种所需要的电源，倡导绿色能源概念，节约了资源。

本发明包括太阳能电源管理模块、微处理器控制模块、锂电池模块和电源输出模块。

太阳能电源管理模块包括太阳能电池板E1、脉冲充电器IC1、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4和第五限流电阻R5、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2、第一保护电容C3和第二保护电容C4、第一发光二极管D1和第二发光二极管D2。太阳能电池板E1的负极接地，太阳能电池板E1的正极以及第一限流电阻R1的一端、第二限流电阻R2的一端、第三限流电阻R3的一端、第四限流电阻R4的一端和第五限流电阻R5的一端接脉冲充电器IC1的VIN脚；第一限流电阻R1的另一端与第一滤波电容C1的一端连接，第一滤波电容C1的另一端接地；第二限流电阻R2的另一端与第一发光二极管D1的正极连接，第一发光二极管D1的负极接脉冲充电器IC1的ACPR脚；第三限流电阻R3的另一端与第二发光二极管D2的正极连接，第二发光二极管D2的负极接脉冲充电器IC1的CHRG脚；第四限流电阻R4的另一端与第一保护电容C3的一端连接，第一保护电容C3的另一端和第二保护电容C4的一端接脉冲充电器IC1的GATE脚，第二保护电容C4的另一端接地；第五限流电阻R5的另一端接脉冲充电器IC1的SENSE脚。

微处理器控制模块包括微处理器芯片IC2、晶振X、第一启振电容C5和第二启振电容C6、第一隔直电容C7、阻尼电阻R6。第一启振电容C5的一端和晶振X的一端接微处理器芯片IC2的XIN脚，晶振X的另一端和第二启振电容C6的一端接微处理器芯片IC2的XOUT脚，第一启振电容C5的另一端和第二启振电容C6的另一端接地；阻尼电阻R6的一端和第一隔直电容C7的一端接微处理器芯片IC2的RST脚，阻尼电阻R6的另一端接地；微处理器芯片IC2的GND脚和VeREF-脚接地。

锂电池模块包括第一场效应管F1、第二场效应管F2、第三场效应管F3和第四场效应管F4、第一保护二极管D3和第二保护二极管D4、第一锂电池E2和第二锂电池E3。第一场效应管F1的栅极接微处理器芯片IC2的P1.2脚，源极与第一保护二极管D3的负极连接；第二场效应管F2的源极接脉冲充电器IC1的BAT脚，漏极与第一保护二极管D3的正极、第一锂电池E2的正极以及接微处理器芯片IC2的A0脚连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.5脚；第三场效应管F3的源极与第二保护二极管D4的负极连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.6脚；第四场效应管F4的源极接脉冲充电器IC1的BAT脚，漏极与第二保护二极管D4的正极、第二锂电池E3的正极以及微处理器芯片IC2的A1脚连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.7脚；第一锂电池E2的负极和第二锂电池E3的负极接地。

电源输出模块包括12V电压转换芯片IC3、5V电压转换芯片IC4、3.3V电压转换芯片IC5、第三滤波电容C8、第四滤波电容C9、第五滤波电容C10、第六滤波电容C11、第七滤波电容C12和第八滤波电容C13、第二隔直电容C14和第三隔直电容C15、第一感生电感L1和第二感生电感L2、12V接插件J1、5V接插件J2和3.3V接插件J3、第三保护二极管D5和第四保护二极管D6、第六限流电阻R7和第七限流电阻R8。第一感生电感L1的一端、第三滤波电容C8的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接12V电压转换芯片IC3的VIN脚，第一感生电感L1的另一端和第三保护二极管D5的正极接12V电压转换芯片IC3的SWITCH脚，第三滤波电容C8的另一端接地，第二隔直电容C14的一端与第六限流电阻R7的一端连接，第六限流电阻R7的另一端接12V电压转换芯片IC3的CMP脚，第二隔直电容C14的另一端接地，第三保护二极管D5的负极、第四滤波电容C9的一端、12V接插件J1的一极接12V电压转换芯片IC3的FEEDBACK脚，第四滤波电容C9的另一端和12V接插件J1的另一极接地，12V电压转换芯片IC3的GND脚接地；第二感生电感L2的一端、第五滤波电容C10的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接5V电压转换芯片IC4的VIN脚，第二感生电感L2的另一端和第四保护二极管D6的正极接5V电压转换芯片IC4的SWITCH脚，第五滤波电容C10的另一端接地，第三隔直电容C15的一端与第七限流电阻R8的一端连接，第七限流电阻R8的另一端接5V电压转换芯片IC4的CMP脚，第三隔直电容C15的另一端接地，第四保护二极管D6的负极、第六滤波电容C11的一端、5V接插件J2的一极接5V电压转换芯片IC4的FEEDBACK脚，第六滤波电容C11的另一端和5V接插件J2的另一极接地，5V电压转换芯片IC4的GND脚接地；第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极以及第七滤波电容C12的一端接3.3V电压转换芯片IC5的VIN脚，第七滤波电容C12的另一端接地，第八滤波电容C13的一端和3.3V接插件J3的一极接3.3V电压转换芯片IC5的VOUT脚，3.3V电压转换芯片IC5的GND脚、第八滤波电容C13的另一端、3.3V接插件J3的另一极接地。

微处理器芯片IC2的VCC脚以及第一隔直电容C7的另一端接3.3V电压转换芯片IC5的VOUT脚，微处理器芯片IC2的VeREF+脚接5V电压转换芯片IC4的5V电压输出。

本发明中所采用的脉冲充电器IC1、微处理器芯片IC2和电压转换芯片IC3、IC4和IC5均采用成熟的产品，脉冲充电器IC1采用凌特(LinearTechnology)公司的具有高充电准确度的线性电池充电器LTC4052，微处理器芯片IC2采用TI公司的MSP430F2013，电压转换芯片IC3、IC4和IC5分别采用NSC公司的LM2577-12，LM2577-5和LM1117-3.3

本发明有以下优点：

(1)适应气候范围大，电源电压稳定的优点。

(2)MSP430F2013监控整个电源系统，通过向其中编写程序可以实现更多更灵活的功能。

(3)采用电压监测机制防止锂电池欠充和过充，能够更好保护锂电池，延长锂电池的寿命，从而延长了水环境监测节点的电源系统的寿命。

(4)采用LTC4052芯片可以降低系统功耗。

(5)采用双锂电池结构，双锂电池保证一个锂电池在使用的同时另一个锂电池在充电，使得其具有水环境监测节点中电源供应不会间断。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路包括太阳能电源管理模块、微处理器控制模块、锂电池模块和电源输出模块。

太阳能电源管理模块包括太阳能电池板E1、脉冲充电器LTC4052、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4和第五限流电阻R5、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2、第一保护电容C3和第二保护电容C4、第一发光二极管D1和第二发光二极管D2。太阳能电池板E1的负极接地，太阳能电池板E1的正极以及第一限流电阻R1的一端、第二限流电阻R2的一端、第三限流电阻R3的一端、第四限流电阻R4的一端和第五限流电阻R5的一端接脉冲充电器LTC4052的VIN脚；第一限流电阻R1的另一端与第一滤波电容C1的一端连接，第一滤波电容C1的另一端接地；第二限流电阻R2的另一端与第一发光二极管D1的正极连接，第一发光二极管D1的负极接脉冲充电器LTC4052的ACPR脚；第三限流电阻R3的另一端与第二发光二极管D2的正极连接，第二发光二极管D2的负极接脉冲充电器LTC4052的CHRG脚；第四限流电阻R4的另一端与第一保护电容C3的一端连接，第一保护电容C3的另一端和第二保护电容C4的一端接脉冲充电器LTC4052的GATE脚，第二保护电容C4的另一端接地；第五限流电阻R5的另一端接脉冲充电器LTC4052的SENSE脚。太阳能电池板E1使用平板多晶硅太阳能板，其大小为165毫米宽，245毫米高，18毫米厚，空载输出功率值3.8w，负载功率2.5w。

微处理器控制模块包括微处理器芯片MSP430F2013、晶振X、第一启振电容C5和第二启振电容C6、第一隔直电容C7、阻尼电阻R6。第一启振电容C5的一端和晶振X的一端接微处理器芯片MSP430F2013的XIN脚，晶振X的另一端和第二启振电容C6的一端接微处理器芯片MSP430F2013的XOUT脚，第一启振电容C5的另一端和第二启振电容C6的另一端接地；阻尼电阻R6的一端和第一隔直电容C7的一端接微处理器芯片MSP430F2013的RST脚，阻尼电阻R6的另一端接地；微处理器芯片MSP430F2013的GND脚和VeREF-脚接地。

锂电池模块包括第一场效应管F1、第二场效应管F2、第三场效应管F3和第四场效应管F4、第一保护二极管D3和第二保护二极管D4、第一锂电池E2和第二锂电池E3。第一场效应管F1的栅极接微处理器芯片MSP430F2013的P1.2脚，源极与第一保护二极管D3的负极连接；第二场效应管F2的源极接脉冲充电器LTC4052的BAT脚，漏极与第一保护二极管D3的正极、第一锂电池E2的正极以及接微处理器芯片MSP430F2013的A0脚连接，栅极接微处理器芯片MSP430F2013的P1.5脚；第三场效应管F3的源极与第二保护二极管D4的负极连接，栅极接微处理器芯片MSP430F2013的P1.6脚；第四场效应管F4的源极接脉冲充电器LTC4052的BAT脚，漏极与第二保护二极管D4的正极、第二锂电池E3的正极以及微处理器芯片MSP430F2013的A1脚连接，栅极接微处理器芯片MSP430F2013的P1.7脚；第一锂电池E2的负极和第二锂电池E3的负极接地。

电源输出模块包括12V电压转换芯片LM2577-12、5V电压转换芯片LM2577-5、3.3V电压转换芯片LM1117-3.3、第三滤波电容C8、第四滤波电容C9、第五滤波电容C10、第六滤波电容C11、第七滤波电容C12和第八滤波电容C13、第二隔直电容C14和第三隔直电容C15、第一感生电感L1和第二感生电感L2、12V接插件J1、5V接插件J2和3.3V接插件J3、第三保护二极管D5和第四保护二极管D6、第六限流电阻R7和第七限流电阻R8。第一感生电感L1的一端、第三滤波电容C8的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接12V电压转换芯片LM2577-12的VIN脚，第一感生电感L1的另一端和第三保护二极管D5的正极接12V电压转换芯片LM2577-12的SWITCH脚，第三滤波电容C8的另一端接地，第二隔直电容C14的一端与第六限流电阻R7的一端连接，第六限流电阻R7的另一端接12V电压转换芯片LM2577-12的CMP脚，第二隔直电容C14的另一端接地，第三保护二极管D5的负极、第四滤波电容C9的一端、12V接插件J1的一极接12V电压转换芯片LM2577-12的FEEDBACK脚，第四滤波电容C9的另一端和12V接插件J1的另一极接地，12V电压转换芯片LM2577-12的GND脚接地；第二感生电感L2的一端、第五滤波电容C10的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接5V电压转换芯片LM2577-5的VIN脚，第二感生电感L2的另一端和第四保护二极管D6的正极接5V电压转换芯片LM2577-5的SWITCH脚，第五滤波电容C10的另一端接地，第三隔直电容C15的一端与第七限流电阻R8的一端连接，第七限流电阻R8的另一端接5V电压转换芯片LM2577-5的CMP脚，第三隔直电容C15的另一端接地，第四保护二极管D6的负极、第六滤波电容C11的一端、5V接插件J2的一极接5V电压转换芯片LM2577-5的FEEDBACK脚，第六滤波电容C11的另一端和5V接插件J2的另一极接地，5V电压转换芯片LM2577-5的GND脚接地；第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极以及第七滤波电容C12的一端接3.3V电压转换芯片LM1117-3.3的VIN脚，第七滤波电容C12的另一端接地，第八滤波电容C13的一端和3.3V接插件J3的一极接3.3V电压转换芯片LM1117-3.3的VOUT脚，3.3V电压转换芯片LM1117-3.3的GND脚、第八滤波电容C13的另一端、3.3V接插件J3的另一极接地。

微处理器芯片MSP430F2013的VCC脚以及第一隔直电容C7的另一端接3.3V电压转换芯片LM1117-3.3的VOUT脚，微处理器芯片MSP430F2013的VeREF+脚接5V电压转换芯片LM2577-5的5V电压输出。

微处理器控制模块选通两个场效应管来保证其中一个锂电池在充电，另一个锂电池在放电。微处理器控制模块还控制两个锂电池的输出以保证一个放电的同时另一个在充电。

电源输出模块为微处理器MSP430F2013提供3.3V电压和5V的参考电压；LM2577-12电压转换芯片的输出电压为外接传感器电源。

微处理器MSP430F2013的A0和A1脚接采样的电压输入，P1.2、P1.5、P1.6和P1.7脚作为控制四个场效应管的使能输出。

Claims (1)

1、基于太阳能供电的水环境监测节点电源电路，包括太阳能电源管理模块、微处理器控制模块、锂电池模块和电源输出模块，其特征在于：

太阳能电源管理模块包括太阳能电池板E1、脉冲充电器IC1、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4和第五限流电阻R5、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2、第一保护电容C3和第二保护电容C4、第一发光二极管D1和第二发光二极管D2；太阳能电池板E1的负极接地，太阳能电池板E1的正极以及第一限流电阻R1的一端、第二限流电阻R2的一端、第三限流电阻R3的一端、第四限流电阻R4的一端和第五限流电阻R5的一端接脉冲充电器IC1的VIN脚；第一限流电阻R1的另一端与第一滤波电容C1的一端连接，第一滤波电容C1的另一端接地；第二限流电阻R2的另一端与第一发光二极管D1的正极连接，第一发光二极管D1的负极接脉冲充电器IC1的ACPR脚；第三限流电阻R3的另一端与第二发光二极管D2的正极连接，第二发光二极管D2的负极接脉冲充电器IC1的CHRG脚；第四限流电阻R4的另一端与第一保护电容C3的一端连接，第一保护电容C3的另一端和第二保护电容C4的一端接脉冲充电器IC1的GATE脚，第二保护电容C4的另一端接地；第五限流电阻R5的另一端接脉冲充电器IC1的SENSE脚；

微处理器控制模块包括微处理器芯片IC2、晶振X、第一启振电容C5和第二启振电容C6、第一隔直电容C7、阻尼电阻R6；第一启振电容C5的一端和晶振X的一端接微处理器芯片IC2的XIN脚，晶振X的另一端和第二启振电容C6的一端接微处理器芯片IC2的XOUT脚，第一启振电容C5的另一端和第二启振电容C6的另一端接地；阻尼电阻R6的一端和第一隔直电容C7的一端接微处理器芯片IC2的RST脚，阻尼电阻R6的另一端接地；微处理器芯片IC2的GND脚和VeREF-脚接地；

锂电池模块包括第一场效应管F1、第二场效应管F2、第三场效应管F3和第四场效应管F4、第一保护二极管D3和第二保护二极管D4、第一锂电池E2和第二锂电池E3；第一场效应管F1的栅极接微处理器芯片IC2的P1.2脚，源极与第一保护二极管D3的负极连接；第二场效应管F2的源极接脉冲充电器IC1的BAT脚，漏极与第一保护二极管D3的正极、第一锂电池E2的正极以及接微处理器芯片IC2的A0脚连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.5脚；第三场效应管F3的源极与第二保护二极管D4的负极连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.6脚；第四场效应管F4的源极接脉冲充电器IC1的BAT脚，漏极与第二保护二极管D4的正极、第二锂电池E3的正极以及微处理器芯片IC2的A1脚连接，栅极接微处理器芯片IC2的P1.7脚；第一锂电池E2的负极和第二锂电池E3的负极接地；

电源输出模块包括12V电压转换芯片IC3、5V电压转换芯片IC4、3.3V电压转换芯片IC5、第三滤波电容C8、第四滤波电容C9、第五滤波电容C10、第六滤波电容C11、第七滤波电容C12和第八滤波电容C13、第二隔直电容C14和第三隔直电容C15、第一感生电感L1和第二感生电感L2、12V接插件J1、5V接插件J2和3.3V接插件J3、第三保护二极管D5和第四保护二极管D6、第六限流电阻R7和第七限流电阻R8；第一感生电感L1的一端、第三滤波电容C8的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接12V电压转换芯片IC3的VIN脚，第一感生电感L1的另一端和第三保护二极管D5的正极接12V电压转换芯片IC3的SWITCH脚，第三滤波电容C8的另一端接地，第二隔直电容C14的一端与第六限流电阻R7的一端连接，第六限流电阻R7的另一端接12V电压转换芯片IC3的CMP脚，第二隔直电容C14的另一端接地，第三保护二极管D5的负极、第四滤波电容C9的一端、12V接插件J1的一极接12V电压转换芯片IC3的FEEDBACK脚，第四滤波电容C9的另一端和12V接插件J1的另一极接地，12V电压转换芯片IC3的GND脚接地；第二感生电感L2的一端、第五滤波电容C10的一端、第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极接5V电压转换芯片IC4的VIN脚，第二感生电感L2的另一端和第四保护二极管D6的正极接5V电压转换芯片IC4的SWITCH脚，第五滤波电容C10的另一端接地，第三隔直电容C15的一端与第七限流电阻R8的一端连接，第七限流电阻R8的另一端接5V电压转换芯片IC4的CMP脚，第三隔直电容C15的另一端接地，第四保护二极管D6的负极、第六滤波电容C11的一端、5V接插件J2的一极接5V电压转换芯片IC4的FEEDBACK脚，第六滤波电容C11的另一端和5V接插件J2的另一极接地，5V电压转换芯片IC4的GND脚接地；第一场效应管F1的漏极和第三场效应管F3的漏极以及第七滤波电容C12的一端接3.3V电压转换芯片IC5的VIN脚，第七滤波电容C12的另一端接地，第八滤波电容C13的一端和3.3V接插件J3的一极接3.3V电压转换芯片IC5的VOUT脚，3.3V电压转换芯片IC5的GND脚、第八滤波电容C13的另一端、3.3V接插件J3的另一极接地；

微处理器芯片IC2的VCC脚以及第一隔直电容C7的另一端接3.3V电压转换芯片IC5的VOUT脚，微处理器芯片IC2的VeREF+脚接5V电压转换芯片IC4的5V电压输出。

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