CN206573152U - 易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，属于传感器技术领域。本实用新型包括pad以及与pad配合使用的采集器和传感器，所述pad、采集器和传感器依次相连，所述采集器一侧设有耳机接口和miniUSB接口，所述采集器另一侧设有用于转接传感器的耳机接口。本实用新型提供一种低功耗、多通道、使用方便的基于耳机接口的传感器信息采集系统。本实用新型设计合理、功耗低、使用方便，且生产成本低，能够满足需要开展此项应用的市场需求。

Description

易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统

技术领域

本实用新型涉及易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，属于传感器技术领域。

背景技术

基于耳机接口的传感器信息采集系统，主要配合Pad使用，目前在市场上还没有同类产品。当前很多中小学都配有iPad作为教学工具，而针对该设备的传感器系统较少，多为蓝牙BLE方式的单个传感器，不成系统。

此类产品有以下一些问题：(1)连接不方便；蓝牙连接、配对等操作，对于儿童比较复杂，也不易于理解；(2)需要经常更换电池；蓝牙设备需要电池供电，多为纽扣电池，需要经常更换；(3)蓝牙传感器组网不方便；对有些需要多传感器同时测量的应用不易实现；(4)设备上带开关按键；使用时需要来回拨动，按压，容易损坏。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种低功耗、多通道、使用方便的基于耳机接口的传感器信息采集系统。

为了达到以上目的，本实用新型的具体技术方案如下：

本实用新型易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：包括pad以及与pad配合使用的采集器和传感器，所述pad、采集器和传感器依次相连，所述采集器一侧设有耳机接口 和miniUSB接口，所述采集器另一侧设有用于连接传感器的耳机接口。

进一步地，所述采集器的一侧设有一个用于连接pad的耳机接口，一个用于给电池充电、升级采集器固件及与PC通信的miniUSB接口；所述采集器的另一侧设有用于连接传感器的三个耳机接口。

进一步地，所述采集器包括依次相连的耳机接口、通信电路和MCU，还包括依次相连的miniUSB接口、充电及电源电路和锂电池，所述锂电池与MCU连接；所述锂电池和MCU均和传感器相连。

进一步地，所述耳机接口、通信电路、MCU和传感器之间信息正向反向传送。

进一步地，所述采集器电路板上集成MCU、电源电路、通信电路、充电电路及传感器接口电路；所述整个采集器由内部电池经由一个LDO降压后提供电源，USB口的电只用于给电池充电，通过锂电池充电电路；系统由一个低功耗MCU控制，通过耳机接口与PAD通信，由上述电源开关电路控制电源的通断；传感器接口电路可以通过CH1_DETECT脚检测是否有传感器接入，如有接入，使Q3导通给传感器供电，此时电由采集器电池提供，拔出传感器自动断电，如果连接时长时间不采集器信息，也可以断电降低功耗；采集器通过上述接口，可以把pad的指令转发给每个传感器，或者把传感器上传的采集信息，整理后发送给pad。

进一步地，所述采集器电路板上有自动控制电源通断的电路，连接上耳机口自动通电，断开自动断电。

进一步地，所述传感器包括绝对压强传感器、电压传感器、电流传感器、溶氧传感器、相对湿度传感器、光强传感器和位移传感器。

进一步地，所述传感器包括传感电路板，所述传感器电路板设有独立的MCU，内部无电池，功耗低，属于无源工作设备；所述电路板的取电电路可以使用交流直流两种输入方式；在交流供电时，该电路可同时用于通信。

进一步地，所述绝对压强传感器包括通信及供电电路、MCU和压强探头，所述通信及供电电路和压强探头相连，所述压强探头与MCU相连，所述通信及供电电路与MCU相连。

本实用新型一种易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，包括一个由采集器和十余种传感器组成的信息采集系统。所述采集器用于把多个传感器的信号发送给Pad，同时能够给传感器供电；外形小巧、美观、简洁，没有按键，正面有一个充电指示灯；一侧有一个耳机接口及一个miniUSB接口，另一侧有三个并列的耳机接口。所述传感器用于采集各种外部信号，再把采集到的信号送给采集器或直接送给Pad；所述传感器外型简洁，无指示灯和开关，外接一根1m长的4芯耳机线。

所述采集器无开关，连接上耳机接口就可使用，断开耳机接口自动断电；采集器内部有一个低功耗控制电路，包括一个低功耗MCU，一个4芯耳机接口及与之配合的MOS关开关电路、一个锂电池充电电路及3个与传感器连接的耳机接口及与之配套的控制电路。工作时最大功耗7mA左右，无连接时几乎不耗电。具体实现低功耗方式如下，上述电路采用一个低功耗的MCU进行控制，同时MCU对外设电路及与之连接的传感器的功耗进行严格的控制，暂时不使用的模块会及时切断其电源或者让其工作在低功耗模式；另外利用与pad连接的4芯耳机插座及内部开关电路，可以实现在不外加专用开关的情况下硬件控制电路电源，保证在不连接pad时电路基本不耗电。

本实用新型所述采集器内部有电路板，包含多个通道及充电电路。所属采集器内部有一个可拆卸的锂电池。所述电路板上有自动控制电源通断的电路，连接上耳机口自动通电，断开自动断电。所述电路板功耗低，工作时间及待机时间长。所述传感电路板有独立的MCU，内部无电池，功耗低，属于无源工作设备。所述电路板的取电电路可以使用交流直流两种输入方式。在交流供电时，该电路可同时用于通信。

本实用新型所述采集器无开关，连接上耳机接口就可使用，断开耳机接口自动断电；采集器内部有一个低功耗控制板，工作时最大功耗7mA左右，无连接时几乎不耗电。所述采集器内置一个可充电锂电池(可拆卸)，全负荷时可持续工作30小时左右，不工作时，待机时间长达1年；采集器正面有一个红绿双色LED充电指示灯，充电时为红色，满电为绿色；所述电池充电时间短，低电量状态到满电只需1小时；采集器一侧有3个耳机口，用于连接传感器，采集速度快，连接一个传感器时最快5ms传输一个数据，3个同时连接不到20ms可以传输完3个数据；采集器另一侧有一个耳机接口用于连接Pad，一个miniUSB接口可以给电池充电、升级采集器固件及与PC通信。

本实用新型所述传感器均为低功耗设计，无需电池，即插即用，耳机口可对应两种连接方式：Pad及采集器。前述传感器信息采集系统，方便连接，采集器及传感器直接插入耳机口即可使用。前述传感器信息采集系统，外壳精心设计，小巧便携，使用方便，使得实验不再空洞乏味，而富有趣味性。前述传感器信息采集系统，便于组网，传感器连接上采集器自动组网，多传感器同时高速采集器数据。前述传感器信息采集系统，其采集器电池耐用，无电时充电快速，几乎不用更换。即使在特殊情况下需要更换，其外壳设有电池仓，打开后盖即可更换，电池用插口设计，更换时无需焊接。前述传感器信息采集 系统，其传感器均为无源设计，功耗极低(最大20mW)，耳机口即可驱动，内部没有电池。前述传感器信息采集系统，其传感器均配有一根1m长的4芯耳机线，线材柔软耐用，方便长距离测量，接口兼容目前大部分Pad。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统。采集器功耗低，电池耐用且可充电；传感器不用电池，省去换电池的麻烦；使用方便，即插即用，无需配对连接；外型简洁，小巧，没有按键开关，连接自动通电，断开连接自动断电；指示简单，采集器上只有一个充电指示灯；连接、断开及低电量等状态Pad自动提示。本实用新型设计合理、功耗低、使用方便，且生产成本低，能够满足需要开展此项应用的市场需求。

本实用新型采集器及传感器壳体内部均设置有电路板，采集器电路板上集成MCU、电源电路、通信电路，充电电路及传感器接口电路；传感器电路板上集成有MCU，供电、通信电路及传感器信号处理电路。所述传感器供电电路既可用于耳机的交流信号也可用于采集器的直流信号，所述传感器的通信电路，既可用于Pad模拟通信，也可用于采集器的串行通信。使用时可以把传感器直接连接到Pad，也可以先将采集器通过上述A侧的耳机口连接到Pad，再把传感器连接到上述B侧的耳机口上，打开Pad中的APP即可采集分析数据。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的采集器壳体示意图。

图2为本实用新型的传感器壳体示意图。

图3为本实用新型的采集器电路框图。

图4为本实用新型的传感器电路框图。

图5为采集器耳机接口的电路图。

图6为采集器的单片机接收电路图。

图7为采集器的单片机发送数据电路图。

图8为采集器低功耗MCU的电路图。

图9为采集器USB接口的电路图。

图10为采集器锂电池的充电电路。

图11为采集器的电源开关电路。

图12为采集器的工作电压转换电路图。

图13为采集器的传感器接口电路图。

图14为传感器的公共原理图。

图15为传感器音频取电转3.3V电路图。

图16为传感器电源电路图。

图17为传感器音频取电电路图。

图18为单片机接收和发送数据电路图。

图19为电压传感器电路图。

图20为溶氧传感器电路图。

具体实施方式

如图1-20所示，本发明易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，包括pad以及与pad配合使用的采集器和传感器，所述pad、采集器和传感器依次相连，所述采集器一侧设有耳机接口和miniUSB接口，所述采集器另一侧设有用于连接传感器的耳机接口。所述采集器的一侧设有一个用于连接pad的耳机接口，一个用于给电池充电、升级采集器固件及与PC通信的miniUSB接口；所述采集器的另一侧设有用于连接传感器的三个耳机接口。所述采集器包括 依次相连的耳机接口、通信电路和MCU，还包括依次相连的miniUSB接口、充电及电源电路和锂电池，所述锂电池与MCU连接；所述锂电池和MCU均和传感器相连。所述耳机接口、通信电路、MCU和传感器之间信息正向反向传送。所述采集器电路板上集成MCU、电源电路、通信电路、充电电路及传感器接口电路；所述整个采集器由内部电池经由一个LDO降压后提供电源，USB口的电只用于给电池充电，通过锂电池充电电路；系统由一个低功耗MCU控制，通过耳机接口与PAD通信，由上述电源开关电路控制电源的通断；传感器接口电路可以通过CH1_DETECT脚检测是否有传感器接入，如有接入，使Q3导通给传感器供电，此时电由采集器电池提供，拔出传感器自动断电，如果连接时长时间不采集器信息，也可以断电降低功耗；采集器通过上述接口，可以把pad的指令转发给每个传感器，或者把传感器上传的采集信息，整理后发送给pad。所述电路板上有自动控制电源通断的电路，连接上耳机口自动通电，断开自动断电。所述传感器包括绝对压强传感器、电压传感器、电流传感器、溶氧传感器、相对湿度传感器、光强传感器和位移传感器。所述传感器包括传感电路板，所述传感器电路板设有独立的MCU，内部无电池，功耗低，属于无源工作设备；所述电路板的取电电路可以使用交流直流两种输入方式；在交流供电时，该电路可同时用于通信。所述绝对压强传感器包括通信及供电电路、MCU和压强探头，所述通信及供电电路和压强探头相连，所述压强探头与MCU相连，所述通信及供电电路与MCU相连。

本实用新型一种易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，包括一个由采集器和十余种传感器组成的信息采集系统。所述采集器用于把多个传感器的信号发送给Pad，同时能够给传感器供电；外形小巧、美观、简洁，没有按键，正面有一个充电指示灯；一侧有一个耳机接口及一个miniUSB接口，另一侧有三个并列的耳机 接口。所述传感器用于采集各种外部信号，再把采集到的信号送给采集器或直接送给Pad；所述传感器外型简洁，无指示灯和开关，外接一根1m长的4芯耳机线。

所述采集器无开关，连接上耳机接口就可使用，断开耳机接口自动断电；采集器内部有一个低功耗控制电路，包括一个低功耗MCU，一个4芯耳机接口及与之配合的MOS关开关电路、一个锂电池充电电路及3个与传感器连接的耳机接口及与之配套的控制电路。工作时最大功耗7mA左右，无连接时几乎不耗电。具体实现低功耗方式如下，上述电路采用一个低功耗的MCU进行控制，同时MCU对外设电路及与之连接的传感器的功耗进行严格的控制，暂时不使用的模块会及时切断其电源或者让其工作在低功耗模式；另外利用与pad连接的4芯耳机插座及内部开关电路，可以实现在不外加专用开关的情况下硬件控制电路电源，保证在不连接pad时电路基本不耗电。

本实用新型所述采集器内部有电路板，包含多个通道及充电电路。所属采集器内部有一个可拆卸的锂电池。所述电路板上有自动控制电源通断的电路，连接上耳机口自动通电，断开自动断电。所述电路板功耗低，工作时间及待机时间长。所述传感电路板有独立的MCU，内部无电池，功耗低，属于无源工作设备。所述电路板的取电电路可以使用交流直流两种输入方式。在交流供电时，该电路可同时用于通信。

本实用新型所述采集器无开关，连接上耳机接口就可使用，断开耳机接口自动断电；采集器内部有一个低功耗控制板，工作时最大功耗7mA左右，无连接时几乎不耗电。所述采集器内置一个可充电锂电池(可拆卸)，全负荷时可持续工作30小时左右，不工作时，待机时间长达1年；采集器正面有一个红绿双色LED充电指示灯，充电时为红色，满电为绿色；所述电池充电时间短，低电量状态到满电只需1 小时；采集器一侧有3个耳机口，用于连接传感器，采集速度快，连接一个传感器时最快5ms传输一个数据，3个同时连接不到20ms可以传输完3个数据；采集器另一侧有一个耳机接口用于连接Pad，一个miniUSB接口可以给电池充电、升级采集器固件及与PC通信。

本实用新型所述传感器均为低功耗设计，无需电池，即插即用，耳机口可对应两种连接方式：Pad及采集器。前述传感器信息采集系统，方便连接，采集器及传感器直接插入耳机口即可使用。前述传感器信息采集系统，外壳精心设计，小巧便携，使用方便，使得实验不再空洞乏味，而富有趣味性。前述传感器信息采集系统，便于组网，传感器连接上采集器自动组网，多传感器同时高速采集器数据。前述传感器信息采集系统，其采集器电池耐用，无电时充电快速，几乎不用更换。即使在特殊情况下需要更换，其外壳设有电池仓，打开后盖即可更换，电池用插口设计，更换时无需焊接。前述传感器信息采集系统，其传感器均为无源设计，功耗极低(最大20mW)，耳机口即可驱动，内部没有电池。前述传感器信息采集系统，其传感器均配有一根1m长的4芯耳机线，线材柔软耐用，方便长距离测量，接口兼容目前大部分Pad。

本实用新型提供一种易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统。采集器功耗低，电池耐用且可充电；传感器不用电池，省去换电池的麻烦；使用方便，即插即用，无需配对连接；外型简洁，小巧，没有按键开关，连接自动通电，断开连接自动断电；指示简单，采集器上只有一个充电指示灯；连接、断开及低电量等状态Pad自动提示。本实用新型设计合理、功耗低、使用方便，且生产成本低，能够满足需要开展此项应用的市场需求。

本实用新型采集器及传感器壳体内部均设置有电路板，采集器电路板上集成MCU、电源电路、通信电路，充电电路及传感器接口电路； 传感器电路板上集成有MCU，供电、通信电路及传感器信号处理电路。所述传感器供电电路既可用于耳机的交流信号也可用于采集器的直流信号，所述传感器的通信电路，既可用于Pad模拟通信，也可用于采集器的串行通信。使用时可以把传感器直接连接到Pad，也可以先将采集器通过上述A侧的耳机口连接到Pad，再把传感器连接到上述B侧的耳机口上，打开Pad中的APP即可采集分析数据。

本实施例的结构如图1、图2所示，电路原理框图如图3、图4所示。下面结合示意图对本实用新型进行进一步说明，本实用新型即基于耳机接口的传感器信息采集系统，包括一个采集器(图1)，采集器正面有个一充电指示灯，一侧(A测)有一个耳机接口和一个miniUSB接口，另外一侧(B侧)有3个耳机接口，外型小巧简洁。传感器种类多(图2)，其外型根据测量及使用需求分为几类，另外都带有一根1m长的连接线。

采集器及传感器壳体内部均设置有电路板，采集器电路板(图3)上集成MCU、电源电路、通信电路，充电电路及传感器接口电路；传感器电路板(图4)上集成有MCU，供电、通信电路及传感器信号处理电路。所述传感器供电电路既可用于耳机的交流信号也可用于采集器的直流信号，所述传感器的通信电路，既可用于Pad模拟通信，也可用于采集器的串行通信。

使用时可以把传感器直接连接到Pad，也可以先将采集器通过上述A侧的耳机口连接到Pad，再把传感器连接到上述B侧的耳机口上，打开Pad中的APP即可采集分析数据。

图6是耳机发送单片机接收，图中C14、C16和L1共同组成LC谐振电路，D1作为半波整流的一部分与另一路的电容共同作用提供电源，C15及R8是根据通信信号的特点设计的滤波电路，滤除干扰得到单片机可以识别的信号。

图7的是单片机发送信号给耳机麦克风的通信电路，R7和R9电阻是根据耳机麦克风接口的特点设计的接口信号转换电路，可以让麦克风正确接收到单片机发送的信号。

本方案采用了目前世界上功耗最低的MCU，同时其正常工作时就工作在睡眠(sleep)模式，在停止采集时，进入停止(stop)模式进一步降低功耗，在断开连接时彻底切断电源，MCU完全不耗电。

图14-图18为本系统传感器的公共电路，这部分完成了传感器的供电及通信任务。

图14是传感器的主控芯片，也是一个极低功耗的MCU；

图15是一个LDO，把由图17输出的直流信号稳定在3.3V，该电压给MCU及传感器电路供电。

图16中的U4及R1为传感器电路提供了一个可选的基准电压，U3及另外3个电容共同提供了一个负电源，该电源为图18中的U5及某些传感器供电。

图17中的RIGHT声道对应的LC谐振电路及半波整流电路为电路提供电源，LEFT声道对应的LC谐振电路，二极管(D3,D5)及电阻电容(C22，R8)组成了一个供电通信复用的电路。

图18中的U5是一个双路电子开关，用于切换通信方式-串口(与采集器连接，电子开关打开)和曼彻斯特(与耳机口连接，电子开关关闭)通信；图中右边的R3,R5，D2，D4共同组成了一个通信(与耳机口连接)及供电(与采集器连接)复用的电路。该电路可以连接耳机口或者采集器都是通过图18中电路实现。(红字部分是突出的实用新型点)

图19为电压传感器电路。该电路由耐高压差分运放U6及轨对轨运放U7组成，U6为测量前端，可以承受正负30V的电压，保证后续电路安全，U7把U6采集到的电压信号调整到合适范围，送入MCU模 数转换电路进行测量。该电路的1.235V基准电压由公共电路图14中的U4提供。

图20为溶氧传感器电路。该电路由高输入阻抗运放U7,电压基准芯片U8及普通单运放U9组成(U4为公共部分的负电压转换电路)。U8及R24提供一个2.5V的基准电压，该电压给溶氧电极内的NTC电阻供电，该电阻与R27分压，电压送入MCU通过查表得到液体温度。另外，上述2.5V基准通过R25，R26分压后经过U9跟随器缓冲给溶氧电极提供一个0.7V的极化电压，电极另一端输出的纳安电流通过U7接收后，转化为电压信号送入MCU，计算出溶氧值。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方法。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (9)

1.易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：包括pad以及与pad配合使用的采集器和传感器，所述pad、采集器和传感器依次相连，所述采集器一侧设有耳机接口和miniUSB接口，所述采集器另一侧设有用于连接传感器的耳机接口。

2.根据权利要求1所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述采集器的一侧设有一个用于连接pad的耳机接口，一个用于给电池充电、升级采集器固件及与PC通信的miniUSB接口；所述采集器的另一侧设有用于连接传感器的三个耳机接口。

3.根据权利要求1所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述采集器包括依次相连的耳机接口、通信电路和MCU，还包括依次相连的miniUSB接口、充电及电源电路和锂电池，所述锂电池与MCU连接；所述锂电池和MCU均和传感器相连。

4.根据权利要求3所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述耳机接口、通信电路、MCU和传感器之间信息正向反向传送。

5.根据权利要求1所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述采集器电路板上集成MCU、电源电路、通信电路、充电电路及传感器接口电路；所述整个采集器由内部电池经由一个LDO降压后提供电源，USB口的电只用于给电池充电，通过锂电池充电电路；系统由一个低功耗MCU控制，通过耳机接口与PAD通信，由上述电源开 关电路控制电源的通断；传感器接口电路可以通过CH1_DETECT脚检测是否有传感器接入，如有接入，使Q3导通给传感器供电，此时电由采集器电池提供，拔出传感器自动断电，如果连接时长时间不采集器信息，也可以断电降低功耗；采集器通过上述接口，可以把pad的指令转发给每个传感器，或者把传感器上传的采集信息，整理后发送给pad。

6.根据权利要求5所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述采集器电路板上有自动控制电源通断的电路，连接上耳机口自动通电，断开自动断电。

7.根据权利要求1所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述传感器包括绝对压强传感器、电压传感器、电流传感器、溶氧传感器、相对湿度传感器、光强传感器和位移传感器。

8.根据权利要求1所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述传感器包括传感电路板，所述传感器电路板设有独立的MCU，内部无电池，功耗低，属于无源工作设备；所述电路板的取电电路可以使用交流直流两种输入方式；在交流供电时，该电路可同时用于通信。

9.根据权利要求7所述易用的基于耳机口的多通道低功耗传感器信息采集系统，其特征在于：

所述绝对压强传感器包括通信及供电电路、MCU和压强探头，所述通信及供电电路和压强探头相连，所述压强探头与MCU相连，所述通信及供电电路与MCU相连。