CN205210615U - 基于sopc的热释电能量收集系统 - Google Patents

基于sopc的热释电能量收集系统 Download PDF

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周彬彬
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王昆仑
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Abstract

本实用新型公开了一种基于SOPC的热释电能量收集系统,包括微控制器、温度检测单元、人机交互单元、驱动单元、制冷制热单元和信号采集单元;所述温度检测单元与微控制器相连,用于检测实验台的温度;所述人机交互单元与微控制器相连,用于完成实验台温度的设定和显示工作;所述驱动单元连接于微控制器和制冷制热单元之间,用于驱动制冷制热单元工作;所述制冷制热单元,用于对目标温度进行加温和降温;所述信号采集单元连接于微控制器和热释电材料之间,用于采集热释电材料所产生的电压信号。本实用新型能够能将热释电产生的能量通过采集并显示在用户界面上、控制方式简单,不需要十分专业的人也能操作,数据直接PC机记录和存储。

Description

基于SOPC的热释电能量收集系统
技术领域
本实用新型涉及微能量领域,特别涉及一种基于SOPC的热释电能量收集系统。
背景技术
随着微电子设备的应用迅速发展,已广泛应用于民用、医学、军事等重要领域。然而,给这些系统供电方式主要是采用电池,其使用的时间有限。因此,供电问题正成为它们发展的一个很大障碍。比较有效替代的供电方法是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为了提高微能量的转化和收集效率,基于陶瓷材料热释电效应的微能量转换、收集和储存的研究成为了微能源开发领域研究的热点。早期对热释电效应的研究主要是对现象的描述。因热释电材料产生的电流非常微弱,并且在使用过程中会有压电噪声源以及热电噪声源的影响,使得欲将直流热释电电流进行精确的测定通常是比较艰难的。就算能达到预期的效果,控制的温度不精确,测试精度达不到要求,只能收集到能量但不能测量并显示出来,从而得不到比较准确的数据。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型的目的在于提供一种基于SOPC的热释电能量收集系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的,一种基于SOPC的热释电能量收集系统,包括微控制器、温度检测单元、人机交互单元、驱动单元、制冷制热单元和信号采集单元;所述温度检测单元与微控制器相连,用于检测实验台的温度;所述人机交互单元与微控制器相连,用于完成实验台温度的设定和显示工作;所述驱动单元连接于微控制器和制冷制热单元之间,用于驱动制冷制热单元工作;所述制冷制热单元,用于对目标温度进行加温和降温;所述信号采集单元连接于微控制器和热释电材料之间,用于采集热释电材料所产生的电压信号。
进一步,所述人机交互单元包括键盘模块和显示模块,键盘模块用于对温度进行设定,显示模块用于将采集到的温度数据和热释电转化出来的电能信号数据显示出来。
进一步,所述驱动单元包括PWM波形选择芯片、开关电路和供电电源电路,所述PWM波形选择芯片用于对微控制器发出的PWM波进行选择,所述PWM波用于控制开关电路的通断,所述供电电源电路为制冷制热单元供电。
进一步,所述PWM波形选择芯片为三态门。
进一步,所述开关电路为固态继电器。
进一步,所述信号采集单元包括依次连接的放大单元和整流单元,所述放大单元用于将热释电材料的信号进行放大;所述整流单元用于将放大信号整流变单相信号。
进一步,所述信号采集单元还包括设置于热释电材料后的滤波单元、设置在滤波单元前的第一隔离单元和设置在放大单元与整流单元间的第二隔离单元;所述滤波单元用于将热释电材料信号高频成分滤除。
进一步,所述滤波单元为低通滤波器,由滑动电阻器R1和电容C1构成,所述放大单元包括运算放大器Q2、电阻R2和滑动变阻器R3,所述隔离单元包括运算放大器Q1和运算放大器Q3,所述整流单元为整流二极管U1;所述运算放大器Q1的正输入端接热释电材料的输出信号,运算放大器Q1的负输入端和运算放大器Q1的输出端相连,运算放大器Q1的输出连接滑动变阻器R1的一端,滑动变阻器R1的另一端分别与电容C1的一端、运算放大器Q2的正输入端连接,电容C1的另一个端接地,运算放大器Q2负输入端分别接电阻R2的一端和滑动变阻器R3的一端,电阻R2的另一端接地,滑动变阻器R3的另一端分别与运算放大器Q2的输出端和运算放大器Q3的正输入端相连,运算放大器Q3的负输入端和运算放大器Q3的输出端相连,运算放大器Q3的输出端连接整流二极管U1的一端,整流二极管U1的其余3端依次连接微控制器端口、电路地、微控制器接地端。
有益技术效果:
本实用新型不仅能够十分准确的控制环境的温度,而且能将热释电产生的能量通过采集并显示在用户界面上、控制方式简单,不需要十分专业的人也能操作,数据直接PC机记录和存储,省掉了很多不必要的麻烦。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本实用新型提供如下附图进行说明:
图1为本实用新型结构框图;
图2为驱动单元原理图;
图3为信号采集单元的结构框图;
图4为信号采集单元的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本实用新型的优选实施例进行详细的描述;应当理解,优选实施例仅为了说明本实用新型,而不是为了限制本实用新型的保护范围。
如图1所示,一种基于SOPC的热释电能量收集系统,包括
微控制器,用于发送PWM控制波形和三态门控制信号,从而制冷制热片的升温和降温,和将温度检测单元得到的温度信号、信号采集单元得到的信号通过串口传递到PC机上;
温度检测单元,用于检测实验台的温度并将数据传送给微控制器;
热释电材料,用于温度传化为电能;
信号采集单元,用于采集热释电产生的电能,转化为微控制器便于检测的信号;
驱动单元,用于驱动制冷制热单元工作;
制冷制热单元,用于对目标温度进行加温和降温;
人机交互单元,用于完成温度的设定和显示。
进一步,在本实施例中,微控制器采用EP2C35F672C6,温度检测单元为DS18B20温度传感器,制冷制热单元为半导体制冷片,热释电材料为PZT陶瓷片。
进一步,人机交互单元包括键盘模块和显示模块,键盘模块用于对温度进行设定,显示模块用于将采集到的温度数据和热释电转化出来的电能信号数据显示出来。
进一步,所述的PWM波形选择芯片为三态门,所述的开关单元为固态继电器,所述的供电电源为ATX电源。如图2所示,为驱动单元原理图。其中1为处理器,2为三态门,3为固态继电器,4为ATX电源,5为半导体制冷片。
所述信号采集单元包括依次连接的滤波单元、放大单元和整流单元,所述滤波单元用于将热释电材料信号高频成分滤除,让使用过程中压电噪声源以及热电噪声源的影响尽量的减少。所述放大单元用于将滤波信号进行放大;所述整流单元用于将放大信号整流变单相信号。本实施例采用放大电路实现对热释电材料产生信号进行放大,可以避免因热释电材料产生的电流非常微弱,而导致检测数据不准确的影响。
进一步,所述信号采集单元还包括设置在滤波单元前的第一隔离单元和设置在放大单元与整流单元间的第二隔离单元。
进一步,所述的隔离单元用于将微控制器的带负载的能力变得更强,加在滤波电路前的隔离单元,可以将热释电材料产生的本身弱信号不至于衰减,以便于更好的检测,加在放大信号和整流单元之间,防止微控制器的损耗,节约经济成本,增加本系统的寿命。
如图4所示,所述滤波单元为低通滤波器,由滑动电阻器R1和电容C1构成,所述放大单元包括运算放大器Q2、电阻R2和滑动变阻器R3,所述隔离单元包括运算放大器Q1和运算放大器Q3,所述整流单元为整流二极管U1;所述运算放大器Q1的正输入端接热释电材料的输出信号,运算放大器Q1的负输入端和运算放大器Q1的输出端相连,运算放大器Q1的输出连接滑动变阻器R1的一端,滑动变阻器R1的另一端分别与电容C1的一端、运算放大器Q2的正输入端连接,电容C1的另一个端接地,运算放大器Q2负输入端分别接电阻R2的一端和滑动变阻器R3的一端,电阻R2的另一端接地,滑动变阻器R3的另一端分别与运算放大器Q2的输出端和运算放大器Q3的正输入端相连,运算放大器Q3的负输入端和运算放大器Q3的输出端相连,运算放大器Q3的输出端连接整流二极管U1的一端,整流二极管U1的其余3端依次连接微控制器端口、电路地、微控制器接地端。运算放大器的供电电压为+5V和-5V。
本实施例的工作原理下:热释电的电能输出后接入一个电压跟随器中,再通过一个简单地低通滤波器将高频成分滤除,然后输入到放大单元模块中进行放大,调整放大单元的放大倍数为20倍;在其后再紧跟一个电压跟随器对其前后进行隔离,考虑到热释电材料在升、降温的两种方式对应输出电压是正(负)、负(正),但是微控制器不能转化负电压,因此设计采用4个整流二极管组成一个整流桥对负电压部分进行转换;最后将只有正电压的信号输入到SOPC进行采集。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例,并不用于限制本实用新型,显然,本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样,倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内,则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:包括微控制器、温度检测单元、人机交互单元、驱动单元、制冷制热单元和信号采集单元;
所述温度检测单元与微控制器相连,用于检测实验台的温度;
所述人机交互单元与微控制器相连,用于完成实验台温度的设定和显示工作;
所述驱动单元连接于微控制器和制冷制热单元之间,用于驱动制冷制热单元工作;
所述制冷制热单元,用于对目标温度进行加温和降温;
所述信号采集单元连接于微控制器和热释电材料之间,用于采集热释电材料所产生的电压信号。
2.根据权利要求1所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述人机交互单元包括键盘模块和显示模块,键盘模块用于对温度进行设定,显示模块用于将采集到的温度数据和热释电转化出来的电能信号数据显示出来。
3.根据权利要求1所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述驱动单元包括PWM波形选择芯片、开关电路和供电电源电路,所述PWM波形选择芯片用于对微控制器发出的PWM波进行选择,所述PWM波用于控制开关电路的通断,所述供电电源电路为制冷制热单元供电。
4.根据权利要求3所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述PWM波形选择芯片为三态门。
5.根据权利要求3所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述开关电路为固态继电器。
6.根据权利要求1所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述信号采集单元包括依次连接的放大单元和整流单元,所述放大单元用于将热释电材料的信号进行放大;所述整流单元用于将放大信号整流变单相信号。
7.根据权利要求6所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述信号采集单元还包括设置于热释电材料后的滤波单元、设置在滤波单元前的第一隔离单元和设置在放大单元与整流单元间的第二隔离单元;所述滤波单元用于将热释电材料信号高频成分滤除。
8.根据权利要求7所述的基于SOPC的热释电能量收集系统,其特征在于:所述滤波单元为低通滤波器,由滑动电阻器R1和电容C1构成,所述放大单元包括运算放大器Q2、电阻R2和滑动变阻器R3,所述隔离单元包括运算放大器Q1和运算放大器Q3,所述整流单元为整流二极管U1;所述运算放大器Q1的正输入端接热释电材料的输出信号,运算放大器Q1的负输入端和运算放大器Q1的输出端相连,运算放大器Q1的输出连接滑动变阻器R1的一端,滑动变阻器R1的另一端分别与电容C1的一端、运算放大器Q2的正输入端连接,电容C1的另一个端接地,运算放大器Q2负输入端分别接电阻R2的一端、滑动变阻器R3的一端,电阻R2的另一端接地,滑动变阻器R3的另一端分别与运算放大器Q2的输出端和运算放大器Q3的正输入端相连,运算放大器Q3的负输入端和运算放大器Q3的输出端相连,运算放大器Q3的输出端连接整流二极管U1的一端,整流二极管U1的其余3端依次连接微控制器端口、电路地、微控制器接地端。
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