CN107171427A - 一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置 - Google Patents

一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤温湿度传感器，包括湿度传感器、温度传感器、温差发电板、蓄电池和密封塑料件；所述湿度传感器和温度传感器位于PVC套管内，所述湿度传感器和温度传感器各有四个，分别位于PVC管内侧同一剖面不同高度；采用温差发电板给蓄电池充电，当温差较大时，温差供电，温差较小时采用蓄电池供电，通过GPRS芯片与远程服务器相连。本发明设计一种温湿度传感器，结构简单，设计合理，可以一次性测得土壤下同一剖面不同深度下的温度和湿度，不影响土壤水分自由交换，采用温差能蓄电池互补供电模式以及尽可能降低传感器功耗，为其长时间野外作业提供了条件，这提高了远程数据采集的稳定性及持续性，利用GPRS将采集到的土壤参数及时传输到远程服务器，供决策人员查看，为作物的最佳灌溉时机和灌溉量的选择提供参考，实现智能精确灌溉控制，能极大地提高农业生产效益。

Description

一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电 装置
技术领域
本发明属于传感器领域，具体为一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置。
背景技术
农业生产技术发展需要对土壤和空气的温度湿度进行检测和调控，土壤的温度湿度和空气的温度湿度检测系统为农作物精细耕种提供帮助。良好的温度湿度已成为农作物健康生长的必要条件。现有的土壤温度和湿度检测大都分别采用温度及湿度传感器进行测量，一方面，单独测量及管理，程序复杂；另一方面单独多次插入传感设备对农作物周围土壤状态有影响，也会对后测量者的准确性产生影响。现有的土壤土壤温度和湿度检测大都只能对一点进行检测，不能方便的对不同一深度的点进行检测。将温差发电与蓄电池相结合，将环境中的能量转化为电能为传感器节点供电，促进传感器网络的推广和应用。
发明内容
针对现有土壤温湿度传感器存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置，在保证高可靠性、高效率的同时，有效延长传感器蓄电池的使用寿命。
本发明采用温差发电板+储能蓄电池互补的供电方式，温差发电板给系统供电的同时给锂离子电池充电，在没有温差较小的情况下由储能电池供电。其结构如图1所示。
本发明采用的温差发电板采用串联方式将16片温差发电片排列成4x4方阵，冷端均由导热胶连接至铝制散热器，热端加黑处理，将串联后的发电片的正负两端通过传感器管盖上的航空插头引至传感器内部，16片温差发电片的P端与N端相接，为保证不会渗水等，采用热缩管对其进行防渗水处理。
本发明的温差发电板经过电池充电管理芯片LT3652HV进行降压后与磷酸铁锂电池保护芯片R5408N相连，R5408N接着与共漏极双N沟道增强型场效应晶体管AO8810连接。当温差较大时采用温差能供电模式对传感器进行供电并对蓄电池进行充电，当温差较小时采用蓄电池对传感器进行供电，尽量减少蓄电池的使用次数，延长其寿命避免了对传感器的拆装。
本发明的温差发电板降压之后除了直接给传感器系统测量供电，同时也给储能蓄电池充电，整体架构如图所示。主控芯片采用R5408N，开关器件1和开关器件2均为N沟道MOSFET，温差发电板与蓄电池共正极，通过开关器件1、2来控制两者的负极是否连接一起，R5408N通过采集到的蓄电池电量来决定引脚DO、CO输出的高低电平，从而控制开关器件的通断。当蓄电池充电饱和，控制开关器件1断开，蓄电池不再充电。在温差较小的情况下，由蓄电池给系统供电，为了防止电池过放，当检测到电池电量低于某个阈值时开关器件2断开，蓄电池停止供电，由此实现了温差能+蓄电池互补供电。
本发明的温差发电板与蓄电池互补供电电路主要包含蓄电池充电管理电路与蓄电池充电保护电路；温差发电板的输出接蓄电池充电管理电路，温差发电板的正极输出端与电池充电管理芯片LT3652HV的VIN引脚经过CMSH3-40MA二极管相接，蓄电池正极与LT3652HV的BAT引脚相接；温差发电板产生的电能通过LT3652HV内部逻辑电路的控制向蓄电池充电；VIN_REG引脚与CHRG引脚间接LED充电指示灯和分压电阻R1，SW引脚通过CMSH3-40MA二极管与P-相接，BAT引脚与BOOST引脚间接CMDSH2-4L二极管，SW引脚通过电容C3与BOOST引脚相接；BAT引脚与VFB引脚通过电阻网络R2、R3、R4相连。蓄电池充电保护电路由芯片R5408N和芯片A08810组成。其中R5408N的VDD引脚通过电阻R6连接至蓄电池正极，VSS引脚与VDD引脚之间串接一个电容C4；V-引脚通过电阻R7连接至P-；R5408N的输出DO与CO分别接共漏极双N沟道增强型场效应晶体管AO8810的G1与G2引脚，AO8810的S1引脚与S2引脚分别与B-与P-相接，两个D1/D2短接。
与其他现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置，通过采用温差发电，可以有效减少蓄电池的使用次数，能够使得产品的寿命更长，稳定性更好。
附图说明
图1为本发明的一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置的原理图；
图2为本发明的一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置的温差发电片串联分布图；
图3为本发明的一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置的外部结构图；
图4为本发明的一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置的蓄电池充电保护电路。
具体实施方式
为了更为具体的描述本发明，下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明设计的土壤温湿度传感器的工作电压为3.3V，平均工作电流为8mA。温差发电板是由16片40mmx40mmx3.44mm的温差发电片串联组成，每片又由127对热电偶串联构成。在环境温度为33-35℃时，温差电池热端与冷端温度的差值早上9点到下午3点变换范围为5-20摄氏度，因此估算该发电组件在冷热端温差在5℃、10℃、20℃时能获得的开路电压分别为3.88V，7.8V，15.64V；最大输出电流为43mA、112mA、225mA。锂离子电池单体电压为3.3V，容量为5Ah。
如图1所示，为一种用于土壤温湿度传感器的温差发电与蓄电池互补供电装置的原理图，包括蓄电池充电管理电路和蓄电池充电保护电路；其中，温差发电板的输出接蓄电池充电管理电路，温差发电板的正极输出端与电池充电管理芯片LT3652HV的VIN引脚经过CMSH3-40MA二极管相接，蓄电池正极与LT3652HV的BAT引脚相接；温差发电板产生的电能通过LT3652HV内部逻辑电路的控制向蓄电池充电；VIN_REG引脚与CHRG引脚间接LED充电指示灯和分压电阻R1，SW引脚通过CMSH3-40MA二极管与P-相接，BAT引脚与BOOST引脚间接CMDSH2-4L二极管，SW引脚通过电容C3与BOOST引脚相接；BAT引脚与VFB引脚通过电阻网络R2、R3、R4相连。蓄电池充电保护电路由芯片R5408N和芯片A08810组成。其中R5408N的VDD引脚通过电阻R6连接至蓄电池正极，VSS引脚与VDD引脚之间串接一个电容C4；V-引脚通过电阻R7连接至P-；R5408N的输出DO与CO分别接共漏极双N沟道增强型场效应晶体管AO8810的G1与G2引脚，AO8810的S1引脚与S2引脚分别与B-与P-相接，两个D1/D2短接。
本发明的温差发电板降压之后除了直接给传感器系统测量供电，同时也给储能蓄电池充电，整体架构如图1所示。主控芯片采用R5408N，开关器件1和开关器件2均为N沟道MOSFET，温差发电板与蓄电池共正极，通过开关器件1、2来控制两者的负极是否连接一起，R5408N通过采集到的蓄电池电量来决定引脚DO、CO输出的高低电平，从而控制开关器件的通断。当蓄电池充电饱和，控制开关器件1断开，蓄电池不再充电。在温差较小的情况下，由蓄电池给系统供电，为了防止电池过放，当检测到电池电量低于某个阈值时开关器件2断开，蓄电池停止供电，由此实现了温差能+蓄电池互补供电。
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种土壤温湿度传感器，其特征在于包括湿度传感器、温度传感器、温度比较器、温差发电板、蓄电池和密封塑料件；所述湿度传感器和温度传感器位于PVC套管内，所述湿度传感器和温度传感器各有四个，分别位于PVC管内侧同一剖面不同高度；采用温差发电板与蓄电池互补供电，通过GPRS芯片与远程服务器相连。
2.根据权利要求1所述的土壤温湿度传感器，其特征在于，所述锥头为硬质PVC锥头，外侧采用耐腐蚀的PVC套管。
3.根据权利要求1所述的温差发电板采用16个SP1848温差发电片串联而成，呈4x4分布于传感器的上端，热端涂黑，冷端用导热胶固定在传感器管盖上端的铝制散热器上。
4.根据权利要求书1所述的温差电池板与蓄电池互补供电电路，其特征在于:所述温差发电板经过电池充电管理芯片LT3652HV进行降压后与磷酸铁锂电池保护芯片R5408N相连，R5408N接着与共漏极双N沟道增强型场效应晶体管AO8810连接。当温差较大时采用温差能供电模式对传感器进行供电并对蓄电池进行充电，当温差较小时采用蓄电池对传感器进行供电，尽量减少蓄电池的使用次数，延长其寿命避免了对传感器的拆装。
5.根据权利要求书3所述的温差发电板与蓄电池互补供电电路，其特征在于主要包含蓄电池充电管理电路与蓄电池充电保护电路；温差发电板的输出接蓄电池充电管理电路，温差发电板的正极输出端与电池充电管理芯片LT3652HV的VIN引脚经过CMSH3-40MA二极管相接，蓄电池正极与LT3652HV的BAT引脚相接；温差发电板产生的电能通过LT3652HV内部逻辑电路的控制向蓄电池充电；VIN_REG引脚与CHRG引脚间接LED充电指示灯和分压电阻R1，SW引脚通过CMSH3-40MA二极管与P-相接，BAT引脚与BOOST引脚间接CMDSH2-4L二极管，SW引脚通过电容C3与BOOST引脚相接；BAT引脚与VFB引脚通过电阻网络R2、R3、R4相连。蓄电池充电保护电路由芯片R5408N和芯片A08810组成。其中R5408N的VDD引脚通过电阻R6连接至蓄电池正极，VSS引脚与VDD引脚之间串接一个电容C4；V-引脚通过电阻R7连接至P-；R5408N的输出DO与CO分别接共漏极双N沟道增强型场效应晶体管AO8810的G1与G2引脚，AO8810的S1引脚与S2引脚分别与B-与P-相接，两个D1/D2短接。
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