CN202267531U

CN202267531U - 照度传感装置

Info

Publication number: CN202267531U
Application number: CN2011203764076U
Authority: CN
Inventors: 何江华; 徐立杰
Original assignee: CHENGDU YTL ELECTRONIC TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: CHENGDU YTL ELECTRONIC TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2021-09-29

Abstract

照度传感装置，包括分别与储能供电单元连接的无线发射单元和照度感应单元，照度感应单元向无线发射单元提供触发信号。储能单元包括光电转换装置和并联状态的第一储能单元与第二储能单元，且第二储能单元的容量大于第一单元。在第二储能单元之前还设有第一电压控制结构及受其控制的第一开关单元。当第一储能单元的输出电压达到第一电压控制结构的阈值时，第一电压控制结构导通第一开关单元对第二储能单元充电。该照度传感装置能够存储电能和快速为后端电路提供工作电流，明显缩短对后端电路供电的等待时间，并且以低能耗方式工作和通过无线方式对信号进行发送，避免了复杂的布线和长期的维护，也使各组成设备的安装可根据实际情况任意分布，提高了安装的灵活性。

Description

照度传感装置

技术领域

本实用新型涉及照度传感装置，具体的讲是一种无线照度传感装置。

背景技术

以办公或公共区域、道路的照明为例，在已有充分日光或自然光源的情况，通常无需再使用灯光照明，以节约能源。为此，目前常通过照度传感器对照明光源进行自动控制，只有当外界的照明程度下降到低于设定的阈值下限时，才将导通电源用灯光照明；当外界照明度超过阈值上限时，则自动断开照明电源。传统照度传感器的供能方式主要有两种，一种是以有线方式提供工作所需的能量，如通过220VAC或12/24VDC供电；另一种是采用电池方式供电。这两种供电方式在实际安装过程中要求进行复杂的布线，并且在使用过程中要求定期或不定期的对系统或电池进行维护，这些要求给安装和使用都带来一定的困难。除此之外，限制现有照度传感器采用以上两种方式提供能量的主要原还因为电路功耗大，其长期工作时需要有较大功率的电源为其提供持续的能源。

环境照度器传感器输出信号的方式也主要有两种，一种是以有线的方式通过各种串行或并行总线（如485总线）输出采集到的照度信号，另一种是以无线信号的形式将采集到的信号进行转发；第一种控制方式需要布线与其相配合，给实际安装带来困难。第二种控制方式在安装过程中比较方便，但国家对无线电发射功率有严格的要求，限制了无线发射的功率。

实用新型内容

针对上述情况，本实用新型提供了一种照度传感装置，特别是一种低能耗的照度传感装置，能够通过光电转换为照度传感装置提供电能，并且通过无线方式对信号进行发送，避免了复杂的布线和长期的维护，也使各组成设备的安装可根据实际情况任意分布，提高了安装的灵活性。同时光电转换还能够快速提供工作电压。

本实用新型的照度传感装置，包括分别与储能供电单元连接的无线发射单元和照度感应单元，照度感应单元向无线发射单元提供触发信号。其中的储能供电单元为在太阳能的光电转换装置与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置和第二储能装置，且第二储能装置的储能容量大于第一储能装置，在第二储能装置所在的并联电路中，在该第二储能装置之前还设有第一电压控制结构及受其控制的第一开关单元控制该充电电路的通断，只当第一储能装置的输出电压高于该第一电压控制结构的设定阈值时，第一电压控制结构导通第一开关单元对第二储能装置充电。

本实用新型装置中的储能供电单元能够保证在较弱的光照条件下储存电能，并使受其供电的设备装置能够正常进行工作。当能量存储满后，可供用电设备持续工作数十甚至近百小时。其基本工作过程和原理，是由太阳能的光电转换装置的输出电流先对储能容量较小第一储能装置充电，使其能被快速充电可满足后端电路最低工作电压的输出电压，并开始为后端电路供电。而在与第一储能装置并联的第二储能装置电路中，由于第一储能装置的输出电压尚未达到第一电压控制结构的设定阈值，因此第二储能装置的电路处于截止状态。只有当第一储能装置的输出电压达到（等于或高于）第一电压控制结构的设定阈值，该第一电压控制结构才导通第一开关单元，开始对第二储能装置充电，直到第一储能装置因持续供电使输出的电压低于后端电路的工作电压及第一电压控制结构的设定阈值时，光电转换装置的输出电流才停止对第二储能装置充电，并重新开始对第一储能装置充电，使其能快速实现重新向后端输出供电，如此反复。当该大储能容量的第二储能装置存储到足以满足提供输出的电能后，后端电路在开始由第二储能装置向后端进行长时间持续供电。

储能供电单元进行光电转换并存储能量，为整个电路提供正常工作所需的能量。当整个电路正常工作后，照度感应单元对环境照度进行感测，并将模拟信号放大后转换为数字信号，输入到无线发射单元中。无线发射单元根据照度感应单元输入信号的变化，判断发送相应的无线信号。

在上述结构基础上，所述的光电转换装置优选为并联状态的至少两组，以增加光电转换量，满足能够更快速地为第一储能装置和第二储能装置充电，缩短充电时间的使用需要。

所说的第二储能装置也可以优选采用并联的至少两组电容结构，以增大电能的存储容量，满足能够为后端电路提供更长久供电的需要。

上述结构中，所述第二储能装置所在的并联电路中的开关单元，优选采用为MOSFET（场效应管）、PNP型三极管或NPN型三极管，如Fairchild半导体公司PowerTrench 工艺的低栅压P沟道MOSFET等，其具有开启电压低（1.8V），导通电阻小，开关速度快等特点，能够有效的减小电路的功耗。MOS管是目前常用的一种导通控制结构，P沟道MOS管具有低电平导通特性，能够更方便的实现电路功能。所说的用于控制其通/断的第一电压控制结构，可以选择目前已有报道和/使用的intersil公司生产的超低功耗复位芯片ISL88003系列，或MAXMIN的超低功耗复位芯片系列产品等。这类芯片具有可以选择多种不同复位电平的特点，可以适应和满足不同情况的使用需要。

实验表明，本实用新型照度传感装置中，除特殊的目的或需要外，所说的第一储能装置采用为至少一个容量≥470uF的钽电容结构，如AVX公司生产的TAJ系列钽电容，型号如TAJC337*006#NJ、TAJD337*006#NJ、TAJD4777*006#NJ等；第二储能装置采用为至少一个容量≥0.33F的法拉电容结构，如Panasonic公司生产的SD系列法拉电容及SG系列法拉电容，型号如EECS0HD 104(H)、EECS5R5(H)474，也可以是Shoei公司生产的PAS614L型号的PAS法拉电容。采用所述容量和型号的电容结构能够满足通常情况下的使用需要。

本实用新型上述照度传感装置中所述的照度感应单元，一般可包括感测环境照度的光敏结构及其后的运算放大单元，其输出端与所述的无线发射单元连接。光敏结构可以采用PerkinElmer公司生产的VTB8440B，或森霸光电有限公司生产的LLS05-A等器件。运算放大单元可以选用如TI公司生产的OPA364等集成运算放大器件。光敏结构输出的模拟信号经运算放大单元转换为数字信号后通过输出端输出至所述的无线发射单元。

在所述光敏结构的输入端可以连接有用于设置感测阈值的分压电阻选择结构，通过将不同阻值的分压电阻接入电路，能够实现对光照强度感测范围的调整。其中，所说的分压电阻选择结构可以采用由档位开关调节的电阻结构或连续可调的可变电阻结构等不同形式，例如ALPS公司生产的SSGM140100型号的水平拨位开关，BOURNS公司生产的3362系列滑动可变电阻器等，以适应和满足不同的应用场合的需要。

上述照度感应单元的输出端可与无线发射单元中的带有发射天线的无线发射芯片对应的输入端口连接。由于无线发射要求发射功率限值小于5mW(e.r.p)，发射信号的占空比限值小于1%，有效传输距离不小于100m，因此无线发射芯片可以选用待机状态下的功耗为0.2uA的STM300无线发射芯片，或nrf系列中的nrf240、nrf2401、nrf24L、nrf905等芯片，以及如Chipcon公司的SmartRF 04系列中的CC2500、CC2550等模块、PTR2030无线收发模块，或是采用Zigbee技术的无线收发模块等形式。

本实用新型的照度传感装置，能够通过光电转换对较小的太阳能采集和进行和存储电能，既能满足快速为后端电路提供所需的供电电压/电流，明显缩短对后端电路供电的等待时间，使后端电路能够快速开始工作，同时又能够实现为后端电路提供长时间的正常供电，并且以低能耗的方式工作和通过无线方式对信号进行发送，避免了复杂的布线和长期的维护，也使各组成设备的安装可根据实际情况任意分布，提高了安装的灵活性。

以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。

附图说明

图1是本实用新型照度传感装置的结构框图。

图2是图1中储能供电单元的一种结构示意图。

图3是图1中照度感应单元的一种结构示意图。

图4是图1中无线发射单元的一种结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的本实用新型的照度传感装置，包括分别与储能供电单元连接的无线发射单元和照度感应单元，照度感应单元能够向无线发射单元提供触发信号。

图2所示的是一种储能供电单元的结构形式，为在太阳能的光电转换装置J1与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置C1和第二储能装置C2，其中第一储能装置采用容量为470uF的钽电容结构，第二储能装置采用容量为0.33F的法拉电容结构。在第二储能装置C2所在的并联电路中，在该第二储能装置C2之前还设有第一电压控制结构U1及受其控制的第一开关单元Q1控制该充电电路的通断，只当第一储能装置C1的输出电压VCC高于该第一电压控制结构U1的设定阈值时，第一电压控制结构U1导通第一开关单元Q1对第二储能装置C2充电。在第一储能装置C1和第二储能装置C2与前端的光电转换装置J1之间，分别各连接有由二极管形式的前端整流结构D1构成的整流单元，同时在第一储能装置C1和第二储能装置C2的电能输出端，也分别经各自连接的由二极管形式的后端整流结构D2构成的相应整流单元将电能输出，以保证在没有光照时，电路中法拉电容的电荷只供给后端电路使用，在本电路上没有任何消耗。在第二储能装置C2所在的并联电路中，在该第二储能装置C2之前，还设有由intersil公司生产的超低功耗复位芯片ISL88003系列（或MAXMIN的超低功耗复位芯片系列）等构成的第一电压控制结构U1及受其控制的开关单元Q1，控制该充电电路的通断。其中开关单元Q1可以选择如FAIRCHILD公司生产的FDN304P或infineon生产的BSS138N的P沟道MOSFET等。只有当第一储能单元C1的输出电压VCC等于或高于该第一电压控制结构U1的设定阈值（可根据不同使用需要设定）时，第一电压控制结构U1才导通该第一开关单元Q1，开始对第二储能单元C2充电。

在储能供电单元的初始状态没有储能时，由光电转换装置J1提供的电流为第一储能装置C1快速充电，且在其正端电压低于第一电压控制结构U1的设定阈值的复位电压时，第一电压控制结构U1的RESET管脚输出与输出电压VCC的管脚相同的电压，从而使开关单元Q1处于截止状态，第二储能装置C2不被充电。由于第一储能装置C1容量相对较小，因此能够实现在短时间内迅速将第一储能装置C1的电压充电后端电路最低工作电压VCC以上，开始为后端电路供电。

当第一储能装置C1的电压充电U1设定阈值的复位电压后，第一电压控制结构U1的RESET管脚输出低电平，从而使开关单元Q1导通，此时由太阳能光电转换装置J1提供的电流改由通过开关单元Q1向第二储能装置C2充电。由于第二储能装置C2容量较大，其充电电压上升缓慢，但此时第一储能装置C1电压已经能够保证后端电路正常工作，不会影响到后端电路的正常工作。

当第一储能装置C1持续供电后使其供电电压降至第一电压控制结构U1的复位电压以下时，第一电压控制结构U1的RESET管脚重新将开关单元Q1截止，停止对第二储能装置C2充电，并重新恢复对第一储能装置C1充电。当第一储能装置C1的电压重新回到第一电压控制结构U1的复位电压以上后，开关单元Q1才再次导通，又开始对第二储能装置C2充电。如此往复，直到第二储能装置C2充电至后端电路最低工作电压VCC以上后，由第二储能装置C2为后端电路提供长时间的供电。

通过计算可知，设电路中第二储能单元C2的容值为C，其最大充电电压为U_max，由于法拉电容放电不完全存在最低工作电压U_min，则其能够存储的能量为：

，

法拉电容所存储的电荷为：

，即

，

所以，其能够提供能量的安时数n为：

。如果充电电流为I_in，则法拉电容充电时间为：

，即

。

本实用新型装置中的无线发射单元和照度感应单元正常工作时所需的电流为1μA，最低工作电压为2.1V，如果第二储能装置C2电压冲至4.5V时，其持续工作时长为：

，其中

，进一步得知

Figure 2011203764076100002DEST_PATH_IMAGE010

，即一次充满电后，能够持续工作220小时。太阳能的光电转换装置J1选用在200lux光照下输出电压为5V电流为18uA的太阳能板，则第一储能装置C1充电后，为后端电路快速提供工作电压的时间为

，也就是在200lux的光照下两分钟以内可以开始工作，极大的提高了工作效率，缩短了启动时间。

图3所示的是上述装置中的一种照度感应单元的结构，包括用于感测环境照度的光敏结构D5及其后的第一放大单元U3，其输出端与所述的无线发射单元连接。光敏结构D5可以采用PerkinElmer公司生产的VTB8440B，或森霸光电有限公司生产的LLS05-A等器件。所述光敏结构D5输出的模拟信号经运算放大单元U3转换为数字信号后通过输出端AD_0输出至所述的无线发射单元。运算放大单元U3可选用TI公司生产的OPA364集成运算放大器。其中，在光敏结构D5的输入端还连接有可由档位开关S1操作的不同分压电阻选结构，用于设置和调整光照强度的感测范围阈值。

在图4所示的无线发射单元中，照度感应单元的输出端与无线发射单元中带有发射天线的无线发射芯片U7对应的输入端口连接。由于无线发射要求发射功率限值小于5mW(e.r.p)，发射信号的占空比限值小于1%，有效传输距离不小于100m，因此无线发射芯片可以选用待机状态下的功耗为0.2uA的STM300无线发射芯片，或nrf系列中的nrf240、nrf2401、nrf24L、nrf905等芯片，以及Chipcon公司的SmartRF 04系列中的CC2500、CC2550等模块、PTR2030无线收发模块，或采用Zigbee技术的无线收发模块等形式。

本实用新型装置的工作过程为，储能供电单元进行光电转换并存储能量，为整个电路提供正常工作所需的能量。当整个电路正常工作后，照度感应单元对环境照度进行感测，并将模拟信号放大后转换为数字信号，输入到无线发射单元中。无线发射单元根据照度感应单元输入信号的变化，判断发送相应的无线信号。

Claims

1.照度传感装置，其特征为包括分别与储能供电单元连接的无线发射单元和照度感应单元，照度感应单元向无线发射单元提供触发信号，其中的储能供电单元为在太阳能的光电转换装置（J1）与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置（C1）和第二储能装置（C2），且第二储能装置（C2）的储能容量大于第一储能装置（C1），在第二储能装置（C2）所在的并联电路中，在该第二储能装置（C2）之前还设有第一电压控制结构（U1）及受其控制的第一开关单元（Q1）控制该充电电路的通断，只当第一储能装置（C1）的输出电压（VCC）高于该第一电压控制结构（U1）的设定阈值时，第一电压控制结构（U1）导通第一开关单元（Q1）对第二储能装置（C2）充电。

2.如权利要求1所述的照度传感装置，其特征为所述的光电转换装置（J1）为并联状态的至少两组。

3.如权利要求1所述的照度传感装置，其特征为所述的第二储能装置（C2）为并联的至少两组电容型结构。

4.如权利要求1所述的照度传感装置，其特征为所述的第二储能装置（C2）所在的并联电路中的开关单元（Q1）为MOSFET、PNP型三极管或NPN型三极管。

5.如权利要求1所述的照度传感装置，其特征为储能供电单元中的第一储能装置（C1）的容量为≥470uF，第二储能装置（C2）的容量≥0.33F。

6.如权利要求1至5之一所述的照度传感装置，其特征为所述的照度感应单元包括感测环境照度的光敏结构（D5）及其后的运算放大单元（U3），其输出端（AD_0）与所述的无线发射单元连接。

7.如权利要求6所述的照度传感装置，其特征为所述光敏结构（D5）的输入端连接有用于设置感测阈值的分压电阻选择结构。

8.如权利要求7所述的照度传感装置，其特征为所述的分压电阻选择结构为拨由档位开关（S1）调节的电阻结构或连续可调的滑动电阻结构。

9.如权利要求6所述的照度传感装置，其特征为照度感应单元的输出端与无线发射单元中的带有发射天线的无线发射芯片（U7）对应的输入端口连接。