CN210836531U - 一种单节一点五伏电池供电的低待机功耗发射器 - Google Patents

Abstract

一种单节一点五伏电池供电的低待机功耗发射器。所述的发射器含有单节1.5V电池、升压电路、按键、单片机和发射电路。所述的升压电路的使能端连接到单片机，单片机向升压电路使能端输出高电平时，升压电路处于工作状态，单片机向升压电路使能端输出低电平时，升压电路处于停止工作状态。所述的升压电路带有受单片机控制的分压电路，单片机向分压电路输出高电平时，升压电路输出2.5V电压，单片机向分压电路输出低电平时，升压电路输出3.3V电压。所述的发射器待机时工作电压为2.5V、处在低功耗状态，发射时工作电压为3.3V、处在高功耗状态。

Description

一种单节一点五伏电池供电的低待机功耗发射器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别是涉及一种单节1.5V电池供电的低待机功耗发射器。

背景技术

目前，单节1.5V电池供电的发射器一般使用输出电压固定的升压电路；有的发射器在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态，升压电路的待机功耗较大；有的发射器为了降低待机功耗，在电池和升压电路之间增加机械开关来控制电源的通断，不使用发射器时需要人工断开发射器的电源来降低待机功耗；有的发射器使用机械开关控制升压电路的使能端，使用发射器时人工接通机械开关使升压电路工作，不使用时需要人工断开机械开关使升压电路停止工作，才能降低待机功耗。上述第一种发射器，在不发射信号期间，升压电路一直处在工作状态，升压电路自身待机功耗较大，并且无法降低升压电路的输出电压，在高电压状态下发射器的各部分电路静态功耗往往较大，所以发射器不发射信号期间电池电量消耗较快，缩短了电池的使用寿命。上述后两种发射器使用完后时有忘记断开机械开关的事情发生，导致发射器闲置时待机功耗增大，使用完后需紧记断开机械开关因此使用不便利。综上所述，现有的单节1.5V电池供电的发射器，不能同时兼顾低待机功耗和使用便利性。

发明内容

为了克服现有单节1.5V电池供电的发射器不能同时兼顾低待机功耗和使用便利性的不足，本实用新型提供了一种单节1.5V电池供电的低待机功耗发射器。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：所述的发射器含有单节1.5V电池、带使能端且输出电压可在2.5V和3.3V之间切换的升压电路、按键、单片机和发射电路。在不发射信号期间，尽量降低升压电路的输出电压、尽量降低升压电路的工作时间和尽量降低单片机处在的唤醒状态的时间，可以显著降低发射器的待机功耗。在不发射信号期间，用单片机控制升压电路的使能端，而不是通过机械开关人工控制升压电路的使能端，避免了因用户忘记断开机械开关，导致发射器待机功耗变大的问题，带来了使用便利性。

附图说明

附图1是本实用新型的原理框图。

附图2是本实用新型的电路原理图。

附图3是升压IC QX2303L25F内部方框图。

附图4是输出电压为2.5V的升压电路原理图。

附图5是输出电压为3.3V的升压电路原理图。

具体实施方式

本实用新型原理框图如附图1所示。本实用新型由单节1.5V电池、带使能端且输出电压可在2.5V和3.3V之间切换的升压电路、按键、单片机和发射电路组成。升压电路将1.5V电池电压升压到单片机和发射电路需要的工作电压；升压电路带有使能端，使能端为高电平时升压电路处在连续工作状态，使能端为低电平时升压电路处在停止工作状态；升压电路的输出电压是可动态改变的，在不发射信号的待机状态下，为了降低功耗，选择输出2.5V电压，由于本实施例所用的发射IC SYN115的最大输出功率会随着供电电压的降低而下降，在发射信号过程中为了保证发射功率足够大，选择输出3.3V电压。单片机具有五项功能，第一项功能是上电初始化，第二项功能是检测按键是否被按下，第三项功能是控制升压电路处于工作状态或停止工作状态，第四项功能是选择升压电路输出2.5V或3.3V电压，第五项功能是向发射电路提供调制信号。按键将按压操作转换为单片机可识别的电压信号。发射电路将单片机提供的调制信号转换为射频信号发射出去。

在附图2所示的实施例中，电池的正极经过电阻R1连接到升压电路的使能端（即IC1的引脚1），装上电池后使能端电压大于0.8V，升电路立即进入工作状态并输出2.5V电压。单片机IC2的引脚2也连接到升压电路的使能端（即IC1的引脚1），当单片机IC2的引脚2输出高电平时，升压电路处于工作状态，当单片机IC2的引脚2输出低电平时，升压电路处于停止工作状态。所用的升压IC型号为QX2303L25F，QX2303L25F内部方框图如附图3所示，从QX2303L25F内部方框图可以看出VOUT实际上是升压电路的电压反馈输入端。根据QX2303L25F的规格书进行计算和对样品进行实际测试得出VOUT与GND之间的输入电阻大约为400K，在后面论证把升压电路的电压扩展到3.3V的可行性时，利用到VOUT与GND之间的输入电阻为高阻的特点。升压电路的输出端VCC和升压电路的电压反馈输入端即IC1的引脚2经过电阻R2连接在一起，IC1的引脚2和单片机IC2的引脚3经过电阻R3连接在一起。当单片机IC2的引脚3输出高电平时，等效电路如附图4所示，此时VCC与IC1的VOUT经过750欧电阻连接到一起，由于IC1的VOUT与GND之间的电阻大约为400K、远远大于750欧，所以VCC点的电压很接近VOUT点的电压，升压电路输出电压很接近2.5V。当单片机IC2的引脚3输出低电平时，等效电路如附图5所示，由于IC1的VOUT与GND之间的输入电阻大约为400K、远远大于1K和3K，此时电阻R2和R3组成分压比为3：4的分压电路，升压电路输出电压扩展到3.3V。

在附图2所示的实施例中，发射器装上1.5V电池后，升电路立即进入工作工状态并输出2.5V电压，单片机进入上电复位状态，复位结束后单片机开始运行上电初始化程序，单片机IC2的引脚2输出高电平、单片机IC2的引脚3也输出高电平，也就是使升压电路保持工作状态并继续输出2.5V电压，初始化状态维持1秒钟后结束。

完成初始化后，单片机进入唤醒状态1。进入唤醒状态1后，如果没有按键按下单片机立即执行以下四个操作步骤：步骤一，单片机IC2的引脚2输出低电平使升压电路停止工作，单片机IC2的引脚3维持输出高电平避免分压电阻R3消耗电流；步骤二，启动低功耗定时器把定时时间设置为750ms；步骤三，使能按键唤醒功能；步骤四，进入睡眠状态。执行上述四个操作步骤所需的总时间不到0.1ms，执行完上述四个操作步骤后，单片机进入睡眠状态1。进入睡眠状态1后，如果没有按键被按下，经过750ms低功耗定时器把单片机唤醒，单片机进入唤醒状态2。进入唤醒状态2后，如果没有按键按下单片机立即执行以下四个操作步骤：步骤一，单片机IC2的引脚2输出高电平、IC2的引脚3维持输出高电平，也就是单片机控制升压电路进入工作状态并输出2.5V电压；步骤二，启动低功耗定时器把定时时间设置为4.5ms；步骤三，使能按键唤醒功能；步骤四，进入睡眠状态。执行上述四个操作步骤所需的总时间不到0.1ms，执行完上述四个操作步骤后，单片机进入睡眠状态2。进入睡眠状态2后，如果没有按键被按下，经过4.5ms低功耗定时器把单片机唤醒，单片机再次进入唤醒状态1，开始新一轮循环。

进入睡眠状态1后，升压电路停止工作，单片机IC2利用47uF电容E1上的电荷进行供电，在此期间升压IC消耗的电流不到1uA、单片机消耗的电流不到0.4uA，发射器消耗的总电流不到1.4uA，电容E1上的电压在750ms内下降的幅度为：ΔU=ΔQ÷C=I×Δt÷C=1.4uA×750ms÷47uF≈22.3mV，电压下降可以忽略不计。

在睡眠状态1或睡眠状态2，如果有按键按下，单片机立即被唤醒并进入按键消抖处理过程；在唤醒状态1或唤醒状态2，如果有按键按下，单片机立即进入按键消抖处理过程。经过按键消抖处理后，单片机IC2的引脚2输出高电平、IC2的引脚3输出低电平, 也就是使升压电路进入工作状态、输出3.3V电压，然后发射信号。发射信号结束后，IC2的引脚3输出高电平使升压电路输出2.5V电压，单片机返回唤醒状态1，随后按照唤醒状态1、睡眠状态1、唤醒状态2和睡眠状态2的顺序循环工作。

在待机状态下，升压电路输出电压为2.5V，发射器轮流处在唤醒状态1、睡眠状态1、唤醒状态2和睡眠状态2。如果没有按键按下，睡眠状态1持续时间750ms，在睡眠状态1下，升压电路处于停止工作状态、升压电路自身消耗的电流不到1uA。如果没有按键按下，睡眠状态2持续时间4.5ms，在睡眠状态2下，升压电路处于工作状态、升压电路自身消耗的电流为15uA。唤醒状态1和唤醒状态2持续时间不到0.1ms可以忽略不计，所以升压电路自身的平均待机电流为为：

I1≈(1uA×750ms +15uA×4.5ms) ÷(750ms+4.5ms)≈1uA (1)

在待机状态下，睡眠状态1持续时间750ms、睡眠状态2持续时间4.5ms，单片机睡眠时消耗电流不到0.4uA，唤醒状态1和唤醒状态2持续时间不到0.1ms，每个循环周期内唤醒状态的持续时间总共不到0.2ms，单片机唤醒时消耗电流为340uA 。所以单片机的平均待机电流为：

I2≈(0.4uA×750ms+0.4uA×4.5ms+340uA×0.2ms)÷(750ms+4.5ms+0.2ms)≈0.5uA (2)

使用过程中电池的平均电压约为1.25V，待机状态下升压电路输出电压为2.5V，所使用的升压电路的效率为75%左右，单片机的平均待机电流I2折算到升压电路输入端为：

I3=I2×2.5÷1.25÷75%≈0.5×2.5÷1.25÷75%≈1.33uA (3)

在待机状态下，发射器的平均电流为：

I4=I1+I3≈1uA+1.33uA=2.33uA (4)

本实施例使用曼彻斯特编码和ASK调制方式，发射每个比特时有一半时间向外发射载波，一半时间停止发射载波，发射电路连续发射载波时电流是18mA，当发射器发射ASK信号时，发射电路的平均电流为：

I5≈18mA×50%=9mA (5)

使用过程中电池平均电压约为1.25V，发射器发射信号时升压电路输出电压为3.3V，所使用的升压电路的效率为75%左右，发射电路的平均电流I5折算到升压电路输入端为：

I6≈9mA×3.3V÷1.25V÷75%≈32mA (6)

本实施例发射ASK信号的持续时间是200mS，在每天按发射器按键40次的条件下，发射电路消耗的平均电流是：

I7≈32mA×200mS×40÷24÷3600S≈2.96uA (7)

在每天按发射器按键40次的条件下，发射器的平均电流为：

I8=I4+I7≈2.33uA+2.96A=5.29uA (8)

一节7号1.5V碱性或铁锂电池容量大约是1100mAH，理论上使用时间为：

T1=1100mAH÷5.29uA≈207939小时≈23.7年 (9)

一节5号1.5V碱性电池或铁锂电池的容量是7号电池的两倍以上，理论上使用时间超过47年。

长保质期的1.5V碱性电池或铁锂电池保质期为10年，所以实际使用时间超过10年。

如果不采用本实用新型的技术方案，而采用在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案，升压电路连续处于工作状态、升压电路自身消耗的电一直流为15uA，因此升压电路自身消耗的平均电流增加到：

I9=15uA (10)

如果不采用本实用新型的技术方案，而采用在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案，单片机睡眠电流增加到0.8uA，使用过程中电池的平均电压约为1.25V，待机状态下升压电路输出电压为3.3V，所使用的升压电路的效率为75%左右，因此单片机的平均待机电流折算到升压电路输入端增加到：

I10=0.8uA×3.3÷1.25÷75%≈2.82uA (11)

如果不采用本实用新型的技术方案，而采用在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案，在待机状态下，发射器的平均电流增加到：

I11=I9+I10≈15uA+2.82uA=17.82uA (12)

根据（4）式可知采用本实用新型的技术方案时，待机状态下，发射器的平均电流为I4=2.33uA，因此采用本实用新型的技术方案所节省的待机电流约为：

I12=I11－I4=17.82uA－2.33A=15.49uA (13)

如果采用在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案，发射状态下，发射电路消耗的电流和本实用新型的技术方案相同，在每天按发射器按键40次的相同条件下，根据（7）式可知发射电路消耗的平均电流仍然是I7=2.96uA，因此发射器的平均电流为：

I13≈ I11+I7=17.82uA+2.96uA=20.78uA (14)

如果采用在不发射信号期间，升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案，使用一节容量大约是1100mAH的7号1.5V碱性或铁锂电池，理论上使用时间为：

T2=1100mAH÷20.78uA≈52936小时≈6年 (15)

远远小于（9）式的23.7年。

可见，本实用新型与在不发射信号期间升压电路处在连续工作状态、输出电压固定为3.3V的方案比较，显著延长了电池的使用寿命。同时，本实用新型不需要用户断开机械开关也能进入极低功耗的待机状态，实现了使用的便利性。

Claims (1)

1.一种单节一点五伏电池供电的低待机功耗发射器，由单节1.5V电池、升压电路、按键、单片机和发射电路组成，其特征在于：所述的升压电路的使能端即IC1的引脚1经过电阻R1连接到电池BT1的正极，同时IC1的引脚1连接到单片机的一个IO口即IC2的引脚2，升压电路的输出端VCC和IC1的引脚2经过电阻R2连接在一起，IC1的引脚2和单片机的另一个IO口即IC2的引脚3经过电阻R3连接在一起。

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