CN109787337B - 复合供电式无线测温传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复合供电式无线测温传感器及其控制方法，复合供电式无线测温传感器包含取能感应部分、取能电压测量与输出控制部分、取能能量输出与抑制部分、电池充电管理与供电电压形成部分、测温传感与无线发射部分、微处理器及核心控制部分；复合供电式无线测温传感器控制方法包含模拟量的测量与计算逻辑、供电电源的选择与控制逻辑、充电控制逻辑和低功耗控制逻辑；无线测温传感器采用单铁芯双绕组感应供电和可充电电池供电方式，提升了对感应线圈的供能效率，在满足小电流启动工作的同时也能降低大电流铁芯与线圈的温升，解决了单独感应供电时感应能量补充传感器无法工作或单独电池供电时能量耗尽需更换电池的问题。

Description

复合供电式无线测温传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及测温传感器供电控制技术领域，具体涉及复合供电式无线测温传感器及其控制方法。

背景技术

现有技术如附图1所示，电池供电方案所有能量都由电池提供，为了保证电池的能量足够工作一段时间，一般无线测温传感器的工作采用隔间性工作，间隔工作周期一般为50~120s，在间隔周期内处理器进入低功耗模式，降低对系统供电的要求；电池能量完全不足时需重新更换电池或整个传感器；附图2为感应供电方式，感应线圈的能量为传感器提供工作能量，当感应线圈电压过高时，电子开关S短接线圈两端，使能量泄放；当感应能量不足时，传感器无法工作。

现有技术的缺点如下：电池供电的无线测温传感器工作方式为周期工作方式，刷新温度数据的周期长，更新速度慢，且电池能量耗尽时需要更换新电池或整体更换传感器。感应供电式，感应能量不足时，传感器无法工作，电流大时感应线圈易发热，能量需要泄放。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了采用双绕组感应电压的多种组合供电方式的复合供电式无线测温传感器及其控制方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：复合供电式无线测温传感器，包含取能感应部分、取能电压测量与输出控制部分、取能能量输出与抑制部分、电池充电管理与供电电压形成部分、测温传感与无线发射部分、微处理器及核心控制部分；

所述取能感应部分包含环形铁芯、双绕组T1、T2；绕组T1的匝数为N1，绕组T2的匝数为N2；

所述取能电压测量与输出控制部分包含三个电子开关S1、S2、S3和两个电压变送器TV1、TV2；TV1测量感应绕组T1的电压大小，TV2测量感应绕组T2的电压大小；

所述取能能量输出与抑制部分包含由全桥整流模块、滤波电容E、线性稳压电源LDO和电压取样电阻R1、R2构成的电压输出部分，以及由电压比较器A1、驱动电路控制电子开关S4和电阻R3、R4构成的过电压自动抑制电路；电压输出部分的输出电压为VE，当感应输出电压VE电压超过设定值Vref后，电压比较器反转控制S4闭合，使输出感应线圈短路，抑制感应出的过电压；电压取样电阻R1、R2测量间接VE电压大小为Vp，固定关断电压由电阻R3、R4对VCC分压获得，抑制电压的最大值不超过LDO的输入范围最大值VLDOmax；

所述电池充电管理与供电电压形成部分包含充电控制开关S5，充电管理电路、电池电压测量模块和二极管D1、D2；所述充电控制开关由微处理器控制，当线性稳压电源LDO输出的能量具备可同时供能传感器工作和充电能量时，将S5导通使感应能量对电池充电；二极管D1和D2用于感应线性稳压电源LDO的供电电压，当感应供电电压高于电池电压时，传感器由线性稳压电源LDO供电；当感应供电电压低于电池输出电压时，则由电池电压供电，电池的电量电压Vbat由微处理器采集；

所述测温传感与无线发射部分包含测温传感器和无线发射模块，测温传感器采用SPI数据接口，可直接通过SPI总线读取温度数据；无线发射模块也采用SPI总线，接入微处理器；电子开关S6为节能开关，当感应能量不足且电池电压低时，微处理器控制S6截止，降低整体功耗；

所述微处理器及核心控制部分包含微处理器、驱动电路和晶振及EEPROM；所述微处理器的AI1~AI4为模拟量输入接口，分别接入感应反馈电压Vp，电池电压Vbat，感应线圈T1、T2的电压V1、V2；所述微处理器的输出端口DO1~DO5对应驱动电路的驱动口S1Tr~S3Tr，驱动电路的S5Tr~S6Tr控制电子开关S1~S3和S5~S6。

优选的，所述环形铁芯采用高导磁硅钢片构成，绕组T2的匝数与绕组T1的匝数比为3:1，绕组T1和T2的引出线采用4芯软连线。

复合供电式无线测温传感器控制方法，包含模拟量的测量与计算逻辑、供电电源的选择与控制逻辑、充电控制逻辑和低功耗控制逻辑；

所述模拟量测量与计算逻辑如下，先采集、计算感应线圈T1、T2的供电电压V1、V2，电池的供电电压Vbat，控制逻辑通过ADC变换采样出模拟量的大小，对于V1，V2为交流电压采用傅里叶算法，计算出对应的幅值大小V1rms和V2rms，由于电池电压为直流电压，因此采用求和平均算法，计算出其电压大小；

所述供电能量选择控制逻辑如下，当感应电流很小，小于串联电压V+的最大值无法满足LDO的最小输入电压VLDOmin时，感应电压无法满足对整个传感器供电，此时由电池提供能量保证无线传感器正常工作；控制逻辑依次检测V-、V1、V2，判断V+是否满足供电电压范围，如果满足则切换工作方式；当感应电流满足启动电流且由小到大变化时，其工作电压依次切换为V+、V2、V1、V-，V+由T1，T2串联供电，V2由T2线圈单独供电，V1由T1线圈单独供电，V-由T1，T2并联供电；当电流继续升高后，电压抑制电路将自动开启，使S4介入工作限制电压继续上升；

所述充电控制逻辑如下，先判断电池电压Vbat是否小于充电门槛电压Vcharg，如果大于此电压电池的电量充足，无需充电；通过反馈电压Vp折算出对应的VE电压；若大于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+1V，则控制电子开关S5使取能输出电压对电池进行充电，充电时检测如果折算电压小于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+0.5V，说明此时的感应能量无法满足即带动整个传感器工作又可满足对电池充电的条件，逻辑控制S5断开停止对电池的充电，感应电能只供给传感器本身工作所需要的能量；

所述低功耗控制逻辑如下，首先检测V+电压是否低于线性电源LDO的最小工作电压，如果V+电压小于LDO的最小工作电压，其他几种组合方式的供电电压也无法达到满足工作的要求；当V+小于LDO最小工作电压VLDOmin，再判断电池电压是否小于低功耗的门槛电压，如果小于电池电压的低功耗门槛，则微处理器进入低功耗休眠状态时先控制电子开关S6关闭无线发射模块和测温传感器电源，降低系统的功耗，再降低微处理器的运行频率降低功耗，关闭微处理器的外设资源，设定定时唤醒时钟，进入到低功耗休眠状态。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

①本发明采用单铁芯双线圈感应供电与电池供电相结合，感应能量足时补充电池能量，感应能量不足时电池供电，克服了单感应供电无电流时无法工作，但电池供电电池能量耗尽时无法工作的缺点。

②本发明采用双绕组感应电压的多种组合供电方式，即降低了感应工作的最小工作电流又降低了大电流时感应线圈和铁芯的发热。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为背景技术中采用电池供电方式的原理图；

附图2为背景技术中采用感应供电方式的原理图；

附图3为本发明所述的复合供电式无线测温传感器的原理图；

附图4为复合供电式无线测温传感器控制方法的流程框图；

附图5为本发明所述的模拟量的测量与计算逻辑框图；

附图6为本发明所述的供电电源的选择与控制逻辑框图；

附图7为本发明所述的充电控制逻辑框图；

附图8为本发明所述的低功耗控制逻辑框图；

附图9为主回路电流与感应电压关系图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明。

如附图3所示，本发明所述的复合供电式无线测温传感器包含取能感应部分、取能电压测量与输出控制部分、取能能量输出与抑制部分、电池充电管理与供电电压形成部分、测温传感与无线发射部分、微处理器及核心控制部分；

所述取能感应部分包含环形铁芯、双绕组T1、T2；绕组T1的匝数为N1，绕组T2的匝数为N2，环形铁芯采用高导磁硅钢片构成，绕组T2的匝数与绕组T1的匝数比为3:1，绕组T1和T2的引出线采用4芯软连线；

所述取能电压测量与输出控制部分包含三个电子开关S1、S2、S3和两个电压变送器TV1、TV2；TV1测量感应绕组T1的电压大小，TV2测量感应绕组T2的电压大小；电子开关S1~S3实现T1,T2线圈供电输出组合如表1；

表1-感应组合输出与电子开关控制表：

注：1为导通，0为截止；

所述取能能量输出与抑制部分包含由全桥整流模块、滤波电容E、线性稳压电源LDO和电压取样电阻R1、R2构成的电压输出部分，以及由电压比较器A1、驱动电路控制电子开关S4和电阻R3、R4构成的过电压自动抑制电路；电压输出部分的输出电压为VE，当感应输出电压VE电压超过设定值Vref后，电压比较器反转控制S4闭合，使输出感应线圈短路，抑制感应出的过电压；电压取样电阻R1、R2测量间接VE电压大小为Vp，固定关断电压由电阻R3、R4对VCC分压获得，抑制电压的最大值不超过LDO的输入范围最大值VLDOmax；

其中：Vp/K1>Vref=VLDOmax-0.5；

K1=R1/(R1+R2)；

Vref=K2*VCC；

K1=R3/(R3+R4)；

所述电池充电管理与供电电压形成部分包含充电控制开关S5，充电管理电路、电池电压测量模块和二极管D1、D2；所述充电控制开关由微处理器控制，当线性稳压电源LDO输出的能量具备可同时供能传感器工作和充电能量时，将S5导通使感应能量对电池充电；二极管D1和D2用于感应线性稳压电源LDO的供电电压，当感应供电电压高于电池电压时，传感器由线性稳压电源LDO供电；当感应供电电压低于电池输出电压时，则由电池电压供电，电池的电量电压Vbat由微处理器采集；

所述测温传感与无线发射部分包含测温传感器和无线发射模块，测温传感器采用SPI数据接口，可直接通过SPI总线读取温度数据；无线发射模块也采用SPI总线，接入微处理器；电子开关S6为节能开关，当感应能量不足且电池电压低时，微处理器控制S6截止，降低整体功耗；

所述微处理器及核心控制部分包含微处理器、驱动电路和晶振及EEPROM；所述微处理器的AI1~AI4为模拟量输入接口，分别接入感应反馈电压Vp，电池电压Vbat，感应线圈T1、T2的电压V1、V2；所述微处理器的输出端口DO1~DO5对应驱动电路的驱动口S1Tr~S3Tr，驱动电路的S5Tr~S6Tr控制电子开关S1~S3和S5~S6。

如附图4所示，复合供电式无线测温传感器控制方法包含模拟量的测量与计算逻辑、供电电源的选择与控制逻辑、充电控制逻辑和低功耗控制逻辑；结合图3以及上述关于复合供电式无线测温传感器的描述可知：

如图5所示，所述模拟量测量与计算逻辑主要先采集、计算感应线圈T1、T2的供电电压V1、V2，电池的供电电压Vbat，控制逻辑通过ADC变换采样出模拟量的大小，对于V1，V2为交流电压采用傅里叶算法，计算出对应的幅值大小V1rms和V2rms，由于电池电压为直流电压，因此采用求和平均算法，计算出其电压大小；

图6为供电能量选择控制逻辑，图9为感应电流与感应电压之间的关系图；当感应电流很小，小于串联电压V+的最大值无法满足LDO的最小输入电压VLDOmin时，感应电压无法满足对整个传感器供电，此时由电池提供能量保证无线传感器正常工作；控制逻辑依次检测V-、V1、V2，判断V+是否满足供电电压范围，如果满足则切换工作方式；当感应电流满足启动电流且由小到大变化时，其工作电压依次切换为V+、V2、V1、V-，V+由T1，T2串联供电，V2由T2线圈单独供电，V1由T1线圈单独供电，V-由T1，T2并联供电；当电流继续升高后，电压抑制电路将自动开启，使S4介入工作限制电压继续上升；

如图7所示，所述充电控制逻辑如下，先判断电池电压Vbat是否小于充电门槛电压Vcharg，如果大于此电压电池的电量充足，无需充电；通过反馈电压Vp折算（Vp/K1）出对应的VE电压；若大于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+1V，则控制电子开关S5使取能输出电压对电池进行充电，充电时检测如果折算电压（Vp/K1）小于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+0.5V，说明此时的感应能量无法满足即带动整个传感器工作又可满足对电池充电的条件，逻辑控制S5断开停止对电池的充电，感应电能只供给传感器本身工作所需要的能量；

如图8所示，所述低功耗控制逻辑如下，首先检测V+电压是否低于线性电源LDO的最小工作电压，如果V+电压小于LDO的最小工作电压，其他几种组合方式的供电电压也无法达到满足工作的要求；当V+小于LDO最小工作电压VLDOmin，再判断电池电压是否小于低功耗的门槛电压，如果小于电池电压的低功耗门槛，则微处理器进入低功耗休眠状态时先控制电子开关S6关闭无线发射模块和测温传感器电源，降低系统的功耗，再降低微处理器的运行频率降低功耗，关闭微处理器的外设资源，设定定时唤醒时钟，进入到低功耗休眠状态。

本发明中的无线测温传感器采用单铁芯双绕组感应供电和可充电电池供电方式，双绕组感应能量可自由组合，可并联输出、串联输出以及分别独立输出三种供电方式。大大提升了对感应线圈的供能效率，在满足小电流启动工作的同时也能降低大电流铁芯与线圈的温升。感应能量充足时自动的对电池充电；感应能量不足时传感器在电池供电下工作。本发明解决了单独感应供电时感应能量补充传感器无法工作或单独电池供电时能量耗尽需更换电池的问题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.复合供电式无线测温传感器，其特征在于：包含取能感应部分、取能电压测量与输出控制部分、取能能量输出与抑制部分、电池充电管理与供电电压形成部分、测温传感与无线发射部分、微处理器及核心控制部分；

所述取能感应部分包含环形铁芯、双绕组T1、T2；绕组T1的匝数为N1，绕组T2的匝数为N2；

所述取能电压测量与输出控制部分包含三个电子开关S1、S2、S3和两个电压变送器TV1、TV2；TV1测量感应绕组T1的电压大小，TV2测量感应绕组T2的电压大小；

所述取能能量输出与抑制部分包含由全桥整流模块、滤波电容E、线性稳压电源LDO和电压取样电阻R1、R2构成的电压输出部分，以及由电压比较器A1、驱动电路控制电子开关S4和电阻R3、R4构成的过电压自动抑制电路；电压输出部分的输出电压为VE，当感应输出电压VE电压超过设定值Vref后，电压比较器反转控制S4闭合，使输出感应线圈短路，抑制感应出的过电压；电压取样电阻R1、R2测量间接VE电压大小为Vp，固定关断电压由电阻R3、R4对VCC分压获得，抑制电压的最大值不超过LDO的输入范围最大值VLDOmax；

所述电池充电管理与供电电压形成部分包含充电控制开关S5，充电管理电路、电池电压测量模块和二极管D1、D2；所述充电控制开关由微处理器控制，当线性稳压电源LDO输出的能量具备可同时供能传感器工作和充电能量时，将S5导通使感应能量对电池充电；二极管D1和D2用于感应线性稳压电源LDO的供电电压，当感应供电电压高于电池电压时，传感器由线性稳压电源LDO供电；当感应供电电压低于电池输出电压时，则由电池电压供电，电池的电量电压Vbat由微处理器采集；

所述测温传感与无线发射部分包含测温传感器和无线发射模块，测温传感器采用SPI数据接口，可直接通过SPI总线读取温度数据；无线发射模块也采用SPI总线，接入微处理器；电子开关S6为节能开关，当感应能量不足且电池电压低时，微处理器控制S6截止，降低整体功耗；

所述微处理器及核心控制部分包含微处理器、驱动电路和晶振及EEPROM；所述微处理器的AI1~AI4为模拟量输入接口，分别接入感应反馈电压Vp，电池电压Vbat，感应线圈T1、T2的电压V1、V2；所述微处理器的输出端口DO1~DO5对应驱动电路的驱动口S1Tr~S3Tr，驱动电路的S5Tr~S6Tr控制电子开关S1~S3和S5~S6。

2.根据权利要求1所述的复合供电式无线测温传感器，其特征在于：所述环形铁芯采用高导磁硅钢片构成，绕组T2的匝数与绕组T1的匝数比为3:1，绕组T1和T2的引出线采用4芯软连线。

3.复合供电式无线测温传感器控制方法，其特征在于：包含模拟量的测量与计算逻辑、供电电源的选择与控制逻辑、充电控制逻辑和低功耗控制逻辑；

所述模拟量测量与计算逻辑如下，先采集、计算感应线圈T1、T2的供电电压V1、V2，电池的供电电压Vbat，控制逻辑通过ADC变换采样出模拟量的大小，对于V1，V2为交流电压采用傅里叶算法，计算出对应的幅值大小V1rms和V2rms，由于电池电压为直流电压，因此采用求和平均算法，计算出其电压大小；

所述供电能量选择控制逻辑如下，当感应电流很小，小于串联电压V+的最大值无法满足LDO的最小输入电压VLDOmin时，感应电压无法满足对整个传感器供电，此时由电池提供能量保证无线传感器正常工作；控制逻辑依次检测V-、V1、V2，判断V+是否满足供电电压范围，如果满足则切换工作方式；当感应电流满足启动电流且由小到大变化时，其工作电压依次切换为V+、V2、V1、V-，V+由T1，T2串联供电，V2由T2线圈单独供电，V1由T1线圈单独供电，V-由T1，T2并联供电；当电流继续升高后，电压抑制电路将自动开启，使S4介入工作限制电压继续上升；

所述充电控制逻辑如下，先判断电池电压Vbat是否小于充电门槛电压Vcharg，如果大于此电压电池的电量充足，无需充电；通过反馈电压Vp折算出对应的VE电压，VE为感应输出电压；若大于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+1V，则控制电子开关S5使取能输出电压对电池进行充电，充电时检测如果折算电压小于线性电源芯片最小输入电压VLDOmin+0.5V，说明此时的感应能量无法满足即带动整个传感器工作又可满足对电池充电的条件，逻辑控制S5断开停止对电池的充电，感应电能只供给传感器本身工作所需要的能量；

所述低功耗控制逻辑如下，首先检测V+电压是否低于线性电源LDO的最小工作电压，如果V+电压小于LDO的最小工作电压，其他几种组合方式的供电电压也无法达到满足工作的要求；当V+小于LDO最小工作电压VLDOmin，再判断电池电压是否小于低功耗的门槛电压，如果小于电池电压的低功耗门槛，则微处理器进入低功耗休眠状态时先控制电子开关S6关闭无线发射模块和测温传感器电源，降低系统的功耗，再降低微处理器的运行频率降低功耗，关闭微处理器的外设资源，设定定时唤醒时钟，进入到低功耗休眠状态。

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