CN105680499A - 一种微能量采集电路和微能量采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微能量采集电路和微能量采集方法，该电路包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器；其中升压电路的输出端还与开关电路连通，开关电路根据升压电路预设的电压阈值控制能量储存电路与控制芯片的断开与闭合，所以只有当能量储存电路两端的电压上升到达设定的阈值电压时，能量储存电路才开始给后端电路供电；否则，整个系统处于充电状态。本发明的电路及方法可在4摄氏度环境温差及以上实现持续地自供电，并且将所测得的数据无线发送出来；当环境温差小于4摄氏度时，系统可消耗存储的电能，继续维持系统工作。

Description

一种微能量采集电路和微能量采集方法

技术领域

本发明涉及电学领域，特别是传感器领域的一种微能量采集。

背景技术

目前的传感器主要分为两大类，一类为外部有源供电和有线传输数据；另一类为外部有源供电和无线传输数据。这两类传感器都需要外部供电，而第一类传感器还需要有线发送数据。目前的传感网络大都采用第一类有线传输数据，并需要提供外部电源。因此需要耗费大量的布线成本，以及人工维护成本。目前网上也有提到过无源电路设计方案，但其没有触发延时电路和开关电路，增加了出错的风险；其次，其数据传输时间间隔较大，所需要的温差在10摄氏度左右，而且工作电路对控制器的启动干扰较大，工作不稳定。

发明内容

本发明提出一种微能量采集电路，以解决传感器节点的自供电问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种微能量采集电路，其包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器；所述升压电路的输出端还与所述开关电路电路连通，所述开关电路根据所述升压电路预设的电压阈值控制所述能量储存电路与所述控制芯片的断开与闭合。

本发明引入一块TEG(ThermoelectricGenerator)，其作用是能从环境温差中采集能量，并转化为电压。并且在TEG的输出端接入一块升压电路，使得原来TEG产生的微小电压被放大到可以让后端电路正常工作。升压电路后端接入一个能量储存电路，其作用是储存电量。同时，升压电路也会连接到一个开关电路，只有当能量储存电路两端的电压上升到达设定的阈值电压时，开关电路打开，能量储存电路开始给后端电路供电。当能量储存电路两端的电压没有到达阈值电压时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。

优选地，所述升压电路包括能源收集电源管理芯片BQ25504或BQ25505系列。

优选地，所述能量储存电路为超级电容；更优选地，所述超级电容的容量为0.5F-10F；在本发明的最佳实施例中，所述超级电容的容量为3.3F，额定电压为2.7V。

优选地，其进一步包括触发电路，所述触发电路的输入端与所述开关电路的输出端连通，所述触发电路的输出端与所述控制芯片的使能触发端连接。

优选地，所述触发电路的输出端串联一延时电阻、并联一延时电容后，与所述控制芯片的使能触发端连接。

优选地，其进一步包括与所述控制芯片连接的信号无线收发模块。

本发明还提出一种微能量采集方法，其包括一开关电路，具体步骤包括：

步骤一：微能量采集模块采集到超过阈值V0的电压，并通过输出端将该电压信号输送至升压电路；

步骤二：所述升压电路的输出端对一超级电容充电，所述超级电容的输出端连接所述开关电路；

步骤三：所述超级电容的电压上升至所述升压电路的预设电压阈值V1后，所述升压电路的使能端发送高电平至所述开关电路的使能端，使开关电路闭合，所述超级电容的输出端开始对后端电路供电；所述超级电容的电压低于所述升压电路的预设电压阈值V2时，所述开关电路断开，所述超级电容处于充电状态。

优选地，该方法进一步包括一延时触发电路，所述步骤三中的超级电容的输出端开始对后端电路供电时，通过一延时触发电路与控制芯片的使能端连接。

本发明的微能量采集电路和微能量采集方法为一种无源无线信号采集电路及其方法，配合其微能量采集方法，适用于温度、湿度、应力等传感器信号的采集；无需外部供电，该电路就可以从大于4摄氏度的环境温差中采集能量，并持续地自供电驱动模块工作，将采集到的温度，湿度，应力等数据无线发送出来。即使有时环境温差不稳定，小于4摄氏度，整个系统模块可以消耗原先超级电容所存储的电能，继续维持整个系统工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例的电路模块图；

图2为本发明优选实施例的升压电路结构示意图；

图3为本发明优选实施例的开关电路和触发电路结构示意图；

图4为本发明优选实施例的电平转换电路结构示意图；

图5为本发明优选实施例的控制芯片及外围电路结构示意图；

图6为本发明优选实施例的外部收发模块接口示意图；

图7为本发明优选实施例的外部接口结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做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。

本发明的微能量采集电路，其包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器；所述升压电路的输出端还与所述开关电路连通，所述开关电路根据所述升压电路预设的电压阈值V控制所述能量储存电路与所述控制芯片的断开与闭合。

超级电容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)，双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。故本发明优选采用超级电容作为能量储存装置，但并不排除现有及未来的其它可逆的能量储存装置。

本发明中的TEG(ThermoelectricGenerator)作用是能从环境温差中采集能量，并转化为电压。并且在TEG的输出端接入一块升压电路，使得原来TEG产生的微小电压被放大到可以让后端电路正常工作。升压电路后端接入一个能量储存电路，其作用是储存电量。同时，升压电路也会连接到一个开关电路，只有当能量储存电路两端的电压上升到达设定的阈值电压时，开关电路打开，能量储存电路开始给后端电路供电。当能量储存电路两端的电压没有到达阈值电压V时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。

为了提高系统的便利性，本发明采集的传感器信号经过处理后，可通过无线信号上传至网络或上位机，故本发明的微能量采集电路可包括与所述控制芯片连接的信号无线收发模块。

下面将结合图1-图7的优选实施例对整个电路进行详细阐述。

当图1中的超级电容开始供电时，后端的MCU(即控制芯片)及其电路，收发模块(即无线收发模块)，传感器采集电路均通过其得到供电。传感器所测得的数据通过AD转换接口传输到MCU；通过处理后，再由无线收发模块发送出来。当超级电容两端的电压没有到达阈值电压时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。

这种电路结构使得只要环境温差大于4摄氏度，传感器节点就可以持续地自供电，并且将所测得的数据无线发送出来。即使有时环境温差不稳定，小于4摄氏度，整个系统模块可以消耗原先超级电容所存储的电能，继续维持整个系统工作。

在本优选实施例中，所述升压电路包括能源收集电源管理芯片BQ25504或BQ25505，由于有较多芯片可实现数据采集及AD转换功能，本专利在此不一一列举；但，本领域的技术人员很容易将该芯片替换为相关系列的其它芯片，以及与该系列芯片功能类似的其它控制芯片，以实现能源的管理功能，均在本发明的保护范围之内。

本发明中的超级电容优选为10F以下，0.5F以上。选用0.5F作为下限是因为超级电容的容量过小将会降低系统工作时的稳定性，选用10F作为上限是结合缩短充电时间、提高充电效率的角度考虑，可尽可能快的启动整个系统。优选实施例中的超级电容选择为3.3F，额定电压为2.7V，因为这个参数的电容在整个系统处于刚启动时，不至于被MCU所消耗的大电流拉低电容两端的电压，同时，在不会因为电容的容量过大而拉长整个系统的启动时间。

本发明的优选实施例中还包括触发电路，所述触发电路的输入端与所述开关电路的输出端连通，所述触发电路的输出端与所述控制芯片的使能触发端连接。同时，所述触发电路的输出端串联一延时电阻、并联一延时电容后，与所述控制芯片的使能触发端连接。结合图2-图4，其工作过程与原理如下：

TEG的输出端接入升压电路的输入端，只要输入电压大于0.3V，升压电路即可开始工作，其主要功能是给超级电容充电，并且对超级电容进行电源管理。升压电路的后端的电压输出端连接到一个超级电容，升压电路的电压判断使能端和一个开关电路相连；同时，超级电容也连接到开关电路的输入端。当然开关电路也可以连接到BQ25504/25505芯片的VSTOR管脚，由VBAT端的电压来决定VBAT端是否与VSTOR端导通，从而决定超级电容是否给后端电路供电。

只有当超级电容的电压上升到一个升压电路所配置的阈值电压时，升压电路的电压判断使能端(VBAT_OK)发送高电平给开关电路的使能端，让开关电路打开工作，此时超级电容开始给后端的电路供电；否者，超级电容的开关电路一直处于关闭状态，超级电容只保持充电状态。开关电路的输出端分别连接到一个电平转换电路输入端和一个触发电路的输入端。同时，电平转换电路的输出端分别连接到收发电路与MCU的VCC供电端，其作用是将开关电路的输出电压转换到MCU和收发电路所需要的3.3V。触发电路的输出端与MCU的使能触发端相连。当开关电路开始工作时，其输出电压为超级电容此时的电压，大约为2.4V～2.8V，通过电平转换电路转换到3.3V，开始给MCU以及收发电路供电。

与此同时，触发电路工作，通过配置触发电路上的电阻和电容来设置相应的时间延时Δt，当MCU的供电端VCC收到3.3V的电压后，经过时间Δt后，触发电路的输出端发送高电平给MCU的使能触发端RST让MCU开始正常工作。传感器连接到MCU的AD采集口，其所测得的数据经过MCU处理后，由收发电路无线发送出来。

该触发电路增加了系统的鲁棒性。由于超级电容两端的电压大约在2.4～2.7V之间，电平转换电路将该电平电压转换到3.3V后，供MCU和收发模块工作。因此，当开关电路刚开始启动时，如果没有触发电路，MCU在临界工作状态时耗电较大，从而导致超级电容的电压被迅速拉低，使得MCU处于不正常工作状态，最终将导致MCU处于死机。因此加入了触发电路，主要起延时作用。

本发明选择一个1M的电阻和一个2.2uF的电容，其延时为2秒钟。即当开关电路刚开始启动时，MCU并不立即工作，延时2s，超级电容的电量较为充足，此时再由触发电路发送高电平给MCU的RST端启动MCU，其临界大耗电流状态不足以拉低超级电容的电压。MCU启动完成，稳定工作后，MCU的工作电流稳定在300uA左右，整个系统将处于正常工作状态。

图2为升压电路，基本采用TI的方案，其中A为TEG，在本专利中，升压电路的输入端为一块TEG，当然也可以根据信号采集需要，设置多块TEG，并配合多个升压电路；B为TI的BQ25504或BQ25505芯片；虚线框中的C为超级电容；D端为VBAT端，连接后面的开关电路的输入端；E为VBAT_OK端，即电压判断使能端，与开关电路的使能端相连。

图3为开关电路和触发电路。其中F端为输入端连接图2中的VBAT端(即图2所示的D端)。G端为触发输入端，连接图2中的VBAT_OK端(即图2所示的E端)。H端为输出端VOUT，连接后端的电平转换电路的输入端，虚线框内为触发电路，I端为触发端，连接MCU的RST端。当G端触发输入端接收到升压电路中发来的高电平后，开关电路开始工作，VOUT端(H端)和触发电路开始输出电压。

图4为电平转换电路。左侧为输入端，连接图3中的VOUT端，右侧为电压输出端，与收发模块的VCC以及MCU的VCC相连。其功能是将超级电容的输出电压2.4～2.7V转换到3.3V，供MCU和收发电路正常工作。

图5为MCU及外围电路。J端为3.3V供电端，与图4中的电压输出端相连。K端分别为4个ADC(数模转换)端口，可以连接4路模拟传感器。L端为TXD/RXD数据传输/发送端，分别与收发模块的RXD/TXD端相连，用于将接收的传感器信号发送至上位机或网络。

图6为外部收发模块接口，其中PIN1脚为3.3V供电端，与图2电平转换电路的电压输出端相连，PIN2脚为GND接地端，PIN3脚为TXD数据发送端与MCU的RXD端相连，PIN4脚为RXD数据接收端与MCU的TXD端相连。

图7为外部传感器接口，其中J1口的PIN1，PIN3脚和J2口的PIN1脚分别连接到MCU的ADC0，ADC1，ADC2端，它们在外部连接3个模拟传感器的正极。J2口的PIN3脚连接到MCU的ADC3端，在外部连接到第4个模拟传感器的正极，同时它也连接到图2升压电路的VBAT端，它用来检测超级电容的存储电压。J1口的PIN2，PIN4脚和J2口的PIN2，PIN4脚则为共地GND端。

图5-图7为控制芯片及其后续接口电路，其管脚具体功能及电路电机可参考芯片用户手册，在此不再赘述。

根据上述电路，本发明还提出了一种微能量采集方法，其包括一开关电路，具体步骤包括：

步骤一：微能量采集模块采集到超过阈值V0的电压，并通过输出端将该电压信号输送至升压电路；

步骤二：所述升压电路的输出端对一超级电容充电，所述超级电容的输出端连接所述开关电路；

步骤三：所述超级电容的电压上升至所述升压电路的预设电压阈值V1后，所述升压电路的使能端发送高电平至所述开关电路的使能端，使开关电路闭合，所述超级电容的输出端开始对后端电路供电；所述超级电容的电压低于所述升压电路的预设电压阈值V2时，所述开关电路断开，所述超级电容处于充电状态。

为保证对后续MCU(控制芯片)的稳定供电，该方法还进一步包括一延时触发电路，所述步骤三中的超级电容的输出端开始对后端电路供电时，通过一延时触发电路与控制芯片的使能端连接。

本发明的电路结构中增加了开关电路，触发延时电路，电平转换电路，并且对整个系统参数进行优化。因此本发明具有以下优点：

1、数据采集发送时间更短，8s可采集发送一次，系统也更稳定可靠；

2、本发明所需的环境温差更低，最低可到3.5摄氏度，建议温度在4摄氏度以上，小于现有的10摄氏度温差；

3、本发明的功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。

4、实现了无源无线信号采集功能。

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。

Claims (10)

1.一种微能量采集电路，其特征在于：其包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器；所述升压电路的输出端还与所述开关电路电路连通，所述开关电路根据所述升压电路预设的电压阈值控制所述能量储存电路与所述控制芯片的断开与闭合。

2.如权利要求1所述的微能量采集电路，其特征在于：所述升压电路包括能源收集电源管理芯片BQ25504或BQ25505系列。

3.如权利要求1所述的微能量采集电路，其特征在于：所述能量储存电路为超级电容。

4.如权利要求3所述的微能量采集电路，其特征在于：所述超级电容的容量为0.5F-10F。

5.如权利要求4所述的微能量采集电路，其特征在于：所述超级电容的容量为3.3F，额定电压为2.7V。

6.如权利要求1所述的微能量采集电路，其特征在于：其进一步包括触发电路，所述触发电路的输入端与所述开关电路的输出端连通，所述触发电路的输出端与所述控制芯片的使能触发端连接。

7.如权利要求6所述的微能量采集电路，其特征在于：所述触发电路的输出端串联一延时电阻、并联一延时电容后，与所述控制芯片的使能触发端连接。

8.如权利要求1所述的微能量采集电路，其特征在于，其进一步包括与所述控制芯片连接的信号无线收发模块。

9.一种微能量采集方法，其特征在于：其包括一开关电路，具体步骤包括：

步骤一：微能量采集模块采集到超过阈值V0的电压，并通过输出端将该电压信号输送至升压电路；

步骤二：所述升压电路的输出端对一超级电容充电，所述超级电容的输出端连接所述开关电路；

步骤三：所述超级电容的电压上升至所述升压电路的预设电压阈值V1后，所述升压电路的使能端发送高电平至所述开关电路的使能端，使开关电路闭合，所述超级电容的输出端开始对后端电路供电；所述超级电容的电压低于所述升压电路的预设电压阈值V2时，所述开关电路断开，所述超级电容处于充电状态。

10.如权利要求9所述的微能量采集方法，其特征在于：其进一步包括一延时触发电路，所述步骤三中的超级电容的输出端开始对后端电路供电时，通过一延时触发电路与控制芯片的使能端连接。