一種微能量采集電路和微能量采集方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電學領域，特別是傳感器領域的一種微能量采集。
【背景技術】
[0002]目前的傳感器主要分為兩大類，一類為外部有源供電和有線傳輸數據；另一類為外部有源供電和無線傳輸數據。這兩類傳感器都需要外部供電，而第一類傳感器還需要有線發送數據。目前的傳感網絡大都采用第一類有線傳輸數據，并需要提供外部電源。因此需要耗費大量的布線成本，以及人工維護成本。目前網上也有提到過無源電路設計方案，但其沒有觸發延時電路和開關電路，增加了出錯的風險;其次，其數據傳輸時間間隔較大，所需要的溫差在10攝氏度左右，而且工作電路對控制器的啟動干擾較大，工作不穩定。
【發明內容】
[0003]本發明提出一種微能量采集電路，以解決傳感器節點的自供電問題。
[0004]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0005]—種微能量采集電路，其包括依次通過電信號連接的微能量采集模塊、升壓電路、能量儲存電路、開關電路、電平轉換電路、控制芯片和傳感器;所述升壓電路的輸出端還與所述開關電路電路連通，所述開關電路根據所述升壓電路預設的電壓閾值控制所述能量儲存電路與所述控制芯片的斷開與閉合。
[0006]本發明引入一塊TEG(Thermoelectric Generator)，其作用是能從環境溫差中采集能量，并轉化為電壓。并且在TEG的輸出端接入一塊升壓電路，使得原來TEG產生的微小電壓被放大到可以讓后端電路正常工作。升壓電路后端接入一個能量儲存電路，其作用是儲存電量。同時，升壓電路也會連接到一個開關電路，只有當能量儲存電路兩端的電壓上升到達設定的閾值電壓時，開關電路打開，能量儲存電路開始給后端電路供電。當能量儲存電路兩端的電壓沒有到達閾值電壓時，開關電路關閉，整個系統一直處于充電蓄能狀態。
[0007]優選地，所述升壓電路包括能源收集電源管理芯片BQ25504或BQ25505系列。
[0008]優選地，所述能量儲存電路為超級電容;更優選地，所述超級電容的容量為0.5F-1OF;在本發明的最佳實施例中，所述超級電容的容量為3.3F，額定電壓為2.7V。
[0009]優選地，其進一步包括觸發電路，所述觸發電路的輸入端與所述開關電路的輸出端連通，所述觸發電路的輸出端與所述控制芯片的使能觸發端連接。
[0010]優選地，所述觸發電路的輸出端串聯一延時電阻、并聯一延時電容后，與所述控制芯片的使能觸發端連接。
[0011]優選地，其進一步包括與所述控制芯片連接的信號無線收發模塊。
[0012]本發明還提出一種微能量采集方法，其包括一開關電路，具體步驟包括:
[0013]步驟一:微能量采集模塊采集到超過閾值VO的電壓，并通過輸出端將該電壓信號輸送至升壓電路；
[0014]步驟二:所述升壓電路的輸出端對一超級電容充電，所述超級電容的輸出端連接所述開關電路；
[0015]步驟三:所述超級電容的電壓上升至所述升壓電路的預設電壓閾值Vl后，所述升壓電路的使能端發送高電平至所述開關電路的使能端，使開關電路閉合，所述超級電容的輸出端開始對后端電路供電；所述超級電容的電壓低于所述升壓電路的預設電壓閾值V2時，所述開關電路斷開，所述超級電容處于充電狀態。
[0016]優選地，該方法進一步包括一延時觸發電路，所述步驟三中的超級電容的輸出端開始對后端電路供電時，通過一延時觸發電路與控制芯片的使能端連接。
[0017]本發明的微能量采集電路和微能量采集方法為一種無源無線信號采集電路及其方法，配合其微能量采集方法，適用于溫度、濕度、應力等傳感器信號的采集;無需外部供電，該電路就可以從大于4攝氏度的環境溫差中采集能量，并持續地自供電驅動模塊工作，將采集到的溫度，濕度，應力等數據無線發送出來。即使有時環境溫差不穩定，小于4攝氏度，整個系統模塊可以消耗原先超級電容所存儲的電能，繼續維持整個系統工作。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發明優選實施例的電路模塊圖；
[0020]圖2為本發明優選實施例的升壓電路結構示意圖；
[0021 ]圖3為本發明優選實施例的開關電路和觸發電路結構不意圖；
[0022]圖4為本發明優選實施例的電平轉換電路結構示意圖；
[0023]圖5為本發明優選實施例的控制芯片及外圍電路結構不意圖；
[0024]圖6為本發明優選實施例的外部收發模塊接口示意圖；
[0025]圖7為本發明優選實施例的外部接口結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0027]本發明的微能量采集電路，其包括依次通過電信號連接的微能量采集模塊、升壓電路、能量儲存電路、開關電路、電平轉換電路、控制芯片和傳感器;所述升壓電路的輸出端還與所述開關電路連通，所述開關電路根據所述升壓電路預設的電壓閾值V控制所述能量儲存電路與所述控制芯片的斷開與閉合。
[0028]超級電容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名電化學電容器(Electrochemical Capacitors)，雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容。它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。故本發明優選采用超級電容作為能量儲存裝置，但并不排除現有及未來的其它可逆的能量儲存裝置。
[0029]本發明中的TEG(Thermoelectric Generator)作用是能從環境溫差中采集能量，并轉化為電壓。并且在TEG的輸出端接入一塊升壓電路，使得原來TEG產生的微小電壓被放大到可以讓后端電路正常工作。升壓電路后端接入一個能量儲存電路，其作用是儲存電量。同時，升壓電路也會連接到一個開關電路，只有當能量儲存電路兩端的電壓上升到達設定的閾值電壓時，開關電路打開，能量儲存電路開始給后端電路供電。當能量儲存電路兩端的電壓沒有到達閾值電壓V時，開關電路關閉，整個系統一直處于充電蓄能狀態。
[0030]為了提高系統的便利性，本發明采集的傳感器信號經過處理后，可通過無線信號上傳至網絡或上位機，故本發明的微能量采集電路可包括與所述控制芯片連接的信號無線收發模塊。
[0031]下面將結合圖1-圖7的優選實施例對整個電路進行詳細闡述。
[0032]當圖1中的超級電容開始供電時，后端的MCU(即控制芯片)及其電路，收發模塊(SP無線收發模塊)，傳感器采集電路均通過其得到供電。傳感器所測得的數據通過AD轉換接口傳輸到MCU;通過處理后，再由無線收發模塊發送出來。當超級電容兩端的電壓沒有到達閾值電壓時，開關電路關閉，整個系統一直處于充電蓄能狀態。
[0033]這種電路結構使得只要環境溫差大于4攝氏度，傳感器節點就可以持續地自供電，并且將所測得的數據無線發送出來。即使有時環境溫差不穩定，小于4攝氏度，整個系統模塊可以消耗原先超級電容所存儲的電能，繼續維持整個系統工作。
[0034]在本優選實施例中，所述升壓電路包括能源收集電源管理芯片BQ25504或BQ25505，由于有較多芯片可實現數據采集及AD轉換功能，本專利在此不一一列舉;但，本領域的技術人員很容易將該芯片替換為相關系列的其它芯片，以及與該系列芯片功能類似的其它控制芯片，以實現能源的管理功能，均在本發明的保護范圍之內。
[0035]本發明中的超級電容優選為1F以下，0.5F以上。選用0.5F作為下限是因為超級電容的容量過小將會降低系統工作時的穩定性，選用1F作為上限是結合縮短充電時間、提高充電效率的角度考慮，可盡可能快的啟動整個系統。優選實施例中的超級電容選擇為3.3F，額定電壓為2.7V，因為這個參數的電容在整個系統處于剛啟動時，不至于被MCU所消耗的大電流拉低電容兩端的電壓，同時，在不會因為電容的容量過大而拉長整個系統的啟動時間。
[0036]本發明的優選實施例中還包括觸發電路，所述觸發電路的輸入端與所述開關電路的輸出端連通，所述觸發電路的輸出端與所述控制芯片的使能觸發端連接。同時，所述觸發電路的輸出端串聯一延時電阻、并聯一延時電容后，與所述控制芯片的使能觸發端連接。結合圖2-圖4，其工作過程與原理如下:
[0037]TEG的輸出端接入升壓電路的輸入端，只要輸入電壓大于0.3V，升壓電路即可開始工作，其主要功能是給超級電容充電，并且對超級電容進行電源管理。升壓電路的后端的電壓輸出端連接到一個超級電容，升壓電路的電壓判斷使能端和一個開關電路相連；同時，