免電池再生電源無線數字傳感器的製作方法
2023-11-06 14:09:57 1
專利名稱：免電池再生電源無線數字傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線數字傳感器領域，尤其涉及一種不用乾電池或外接電源的免電池 再生電源無線數字傳感器。
背景技術：
目前全球能源日趨枯竭，加上二氧化碳排放問題造成地球暖化，對於環境生態造 成重大威脅，能源的永續利用與環境保護平衡考量的兼顧，早已成為各國家的共識。積極 地開發潔淨的再生能源，更需要在能源的運用上，強調轉換效率的提高，藉助兩者的相乘效 果，塑造最佳的能源使用環境。許多低功率工業傳感器由原來外部電源的供電方式，正在逐步轉而採用可替代能 源作為主要或輔助的供電方式。理想情況下，這些收集的能量將可免除增設有線電源或電 池。利用現成的物理能源(例如電磁感應裝置「感應線圈」、機械振動「壓電或機電設備」 和光「光伏設備」)來產生電力的換能器正逐漸成為許多應用的實用電源。眾多的無線傳感 器和其他低功率應用發展正逐漸成為近乎「零」功率的器件，為使用收集能量(有些人通常 稱之為「毫微功率」)奠定了基礎。目前，無線數字傳感器幾乎全是使用乾電池做為電源，由於電路功耗高等原因使 得乾電池的使用壽命很短，需要及時更換，增加了生產中的管理和成本的支出，而且因為報 廢的乾電池不方便回收，造成了資源的浪費和環境的汙染。
發明內容
本發明的目的是提供一種免電池再生電源無線數字傳感器，不必設置乾電池或外 加電源供電，能利用各種場合的機械能、光能、電場能轉化為電能供傳感器發射無線數據信號。為了解決上述問題，本發明採用以下技術方案免電池再生電源無線數字傳感器，包括微處理單元、傳感單元、無線射頻發射單 元，其特徵在於，還包括能源單元、能源收集管理單元，能源單元輸出端與能源收集管理單 元輸入端連接，能源收集管理單元輸出端與微處理單元電源端連接，微處理單元輸入端與 傳感單元數據信號輸出端連接，微處理單元輸出端與無線射頻發射單元相連接，能源單元 可拾取多種能量，並轉化為極微小的電流和電壓，通過能源收集管理單元收集和儲存為傳 感器供電。所述能源單元為壓電晶體迴路，將機械能轉化為電能，其輸出端為電源輸出。所述能源單元為光能迴路，將光能轉化為電能，其輸出端為電源輸出。所述能源單元為電磁感應迴路，將附近的電場的能量通過線圈的磁通量變化轉化 為電能，其輸出端為電源輸出。所述能源收集管理單元主晶片為LTC3588，當輸入能源為機械能和電磁能時，PZl 端與PZ2端為輸入端，當輸入能源為太陽能時，PZl端和GND為輸入端；當輸入電流大於20uA，小於50mA、電壓> 400mV，小於20V時即可再生出電能，當主晶片LTC3588收集的能量 達到額定數值，Vout端和PGOOD端輸出連續的工作電壓。所述微處理單元主晶片為ATMEGA88PA或其它單片機。所述無線射頻發射單元主晶片為CCllOO或其它射頻晶片。所述傳感單元輸入信號為數字量或模擬量加A/D轉換。與現有技術相比，本發明的有益效果是1)能把各種場合的多種能量(如機械能、 光能、電場磁能)中收集轉化為電能並儲存起來；2)傳感器中微功耗單片機，在極低的功耗 的情況下，保持睡眠狀態，一旦被外部施加可連續的工作電壓後，即可讀取傳感器輸出的模 擬量和數字量數據信號，並把數據利用無線射頻的方式，發射出去，微功耗單片機為脈衝式 工作方式；3)本發明傳感器不必設置乾電池或外加電源供電即可工作。
圖1是本發明結構框圖；圖2是本發明能源單元為壓電晶體迴路時結構示意圖；圖3是本發明能源單元為太陽能電池迴路時結構示意圖；圖4是本發明能源單元為電磁感應迴路時結構示意圖；圖5是本發明能源收集管理單元結構示意圖；圖6是本發明傳感單元結構示意圖；圖7是本發明微處理單元與無線射頻發射單元連接結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明見圖1是本發明結構框圖，免電池再生電源無線數字傳感器，包括微處理單元 SlOl、傳感單元sl02、無線射頻發射單元sl03、能源單元sl04、能源收集管理單元sl05，能 源單元sl04輸出端與能源收集管理單元sl05輸入端連接，能源收集管理單元sl05輸出端 與微處理單元SlOl電源端連接，微處理單元SlOl輸入端與傳感單元sl02數據信號輸出端 連接，微處理單元SlOl輸出端與無線射頻發射單元sl03相連接。見圖2是本發明能源單元為壓電晶體迴路時結構示意圖，將機械能轉化為電能， 其輸出端有電流輸出，如在空氣振動、氣流通過場合，振動、氣壓變動觸動壓電晶體s201，在 迴路的輸出端A21、A22間產生微弱電流。見圖3是本發明能源單元為太陽能電池迴路時結構示意圖，將光能轉化為電能， 其輸出端為電壓輸出，如在室外光線充足場合，太陽能光伏電池s301受光照在輸出端A31、 A32產生一定功率的電壓輸出，限流電阻Rl保證電壓波動較小。太陽能光伏電池是通過光 電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能。見圖4是本發明能源單元為電磁感應迴路時結構示意圖，將附近的電場的能量通 過線圈s401的磁通量變化轉化為電能，通過限流電阻R2、R3，輸出端A41、A42有電壓輸出。 根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢的大小與穿過迴路的磁通量變化率成正比。見圖5是本發明能源收集管理單元結構示意圖，能源收集管理單元主晶片Ul為 LTC3588，當輸入電能為電流時，PZl端與PZ2端為輸入端，當輸入電能為電壓時，PZl端和GND為輸入端；當主晶片LTC3588收集的能量達到額定數值，Vout端和PGOOD端與輸出端 A51、A52相連接，輸出連續的工作電壓，並喚醒微處理單元。其中A51為輸出管腳，A52為 控制使能腳，Ul的管腳連接方式如下Vin腳與CAP腳通過電容Cl相連，Vin2腳通過電容 C2連接到GND腳，Vin腳通過電容C3連接到GND, Sff腳通過電感Ll連接到A51，A51通過 電容C4與GND相連，Dl腳與Vin2相連，DO腳與GND相連，PGOOD腳與A52腳相連，Vout腳 與A51相連。見圖6是本發明傳感單元結構示意圖，傳感單元主晶片U2為DS18B20，輸出端 A6UA62輸出溫度感應模擬量和數字量信號，U2的連接方式為GND腳與VDD腳相連接地， DQ腳為輸出腳A62，輸出腳A62和輸出腳A61之間通過電阻R4相連。輸出腳A62和A61可 採用多種通訊方式與微處理單元相連接，如通用的串行總線I2C接口，SPI接口，單總線接 口，RS232/485接口或者模擬量4-20mA，0-10V，或mV信號均可。見圖7是本發明微處理單元與無線射頻發射單元連接結構示意圖，微處理單元主 晶片U3為微功耗單片機ATMEGA88PA，無線射頻發射單元主晶片U4為CCl 100。其U4的連 接方式如下所述腳3通過電容C9與天線連接，腳3與腳4通過電容ClO連接，腳4通過電 容Cll與GND連接，腳3通過電感L3與GND連接，腳4通過L2與GND連接，腳10與腳11 通過電感L4連接，13腳通過電阻R5與GND連接，腳17、腳18通過J2晶體相連，並通過電 容C7、C8與GND相連，腳21與腳1、腳15與VDD相連，腳2、腳6、腳7、腳8、腳14、腳16、腳 19、腳20、腳22均與GND相連。U3的連接方式如下所述腳4與VDD相連，腳3、腳5、腳21與GND相連，腳7、腳8 通過Jl晶體相連，並分別通過電容C5，C6與GND相連，腳29為RST腳；U3與能量收集管理 單元的連接方式如下所述VDD與A51相連，RST與A52相連，做為電源端。U3與傳感單元 的連接方式如下所述腳1與傳感單元中的A62連接，VDD與A61相連，作為數據輸入端。實施例中微功耗單片機ATMEGA88PA，可以在極低的功耗的情況下，保持睡眠狀態， 一旦被外部施加可連續的工作電壓後，可以讀取外部傳感單元輸入的模擬量和數字量數 據，並把數據結果利用無線射頻的方式，發射出去。本發明通過採用多種電能量的拾取方法，利用現成的物理能源(機械能和光能及 電場能)轉化為極微小的電流和電壓，通過收集和儲存，為傳感器提供工作的能源，使傳感 器不必設置乾電池或外加電源供電即可工作。
權利要求
免電池再生電源無線數字傳感器，包括微處理單元、傳感單元、無線射頻發射單元，其特徵在於，還包括能源單元、能源收集管理單元，能源單元輸出端與能源收集管理單元輸入端連接，能源收集管理單元輸出端與微處理單元電源端連接，微處理單元輸入端與傳感單元數據信號輸出端連接，微處理單元輸出端與無線射頻發射單元相連接，能源單元可拾取多種能量，並轉化為極微小的電流和電壓，通過能源收集管理單元收集和儲存為傳感器供電。
2.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述能源單 元為壓電晶體迴路，將機械能轉化為電能，其輸出端為電源輸出。
3.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述能源單 元為光能迴路，將光能轉化為電能，其輸出端為電源輸出。
4.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述能源單 元為電磁感應迴路，將附近的電場的能量通過線圈的磁通量變化轉化為電能，其輸出端為 電源輸出。
5.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述能源收 集管理單元主晶片為LTC3588，當輸入能源為機械能和電磁能時，PZl端與PZ2端為輸入端， 當輸入能源為太陽能時，PZl端和GND為輸入端；當輸入電流大於20uA，小於50mA、電壓> 400mV,小於20V時即可再生出電能，當主晶片LTC3588收集的能量達到額定數值，Vout端 和PGOOD端輸出連續的工作電壓。
6.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述微處理 單元主晶片為ATMEGA88PA。
7.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述無線射 頻發射單元主晶片為CC1100。
8.根據權利要求1所述的免電池再生電源無線數字傳感器，其特徵在於，所述傳感單 元，輸入信號可是模擬量+A/D轉換的型式，也可為數字量。
全文摘要
本發明涉及免電池再生電源無線數字傳感器，包括微處理單元、傳感單元、無線射頻發射單元、能源單元、能源收集管理單元，能源單元輸出端與能源收集管理單元輸入端連接，能源收集管理單元輸出端與微處理單元電源端連接，微處理單元輸入端與傳感單元數據信號輸出端連接，微處理單元輸出端與無線射頻發射單元相連接，能源單元可拾取多種能量，並轉化為極微小的電流和電壓，通過能源收集管理單元收集和儲存為傳感器供電。本發明的有益效果是1)能把各種場合的多種能量(如機械能、光能、電磁能)中收集轉化為電能並儲存起來；2)傳感器輸入的信號為模擬量和數字量；3)本發明傳感器不必設置乾電池或外加電源供電即可工作。
文檔編號H02N6/00GK101902079SQ201010206438
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者張景山 申請人:鞍山銀宇電子科技有限公司