易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統的製作方法
2023-07-15 07:34:21
本實用新型涉及易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統，屬於傳感器技術領域。
背景技術：
基於耳機接口的傳感器信息採集系統，主要配合Pad使用，目前在市場上還沒有同類產品。當前很多中小學都配有iPad作為教學工具，而針對該設備的傳感器系統較少，多為藍牙BLE方式的單個傳感器，不成系統。
此類產品有以下一些問題：(1)連接不方便；藍牙連接、配對等操作，對於兒童比較複雜，也不易於理解；(2)需要經常更換電池；藍牙設備需要電池供電，多為紐扣電池，需要經常更換；(3)藍牙傳感器組網不方便；對有些需要多傳感器同時測量的應用不易實現；(4)設備上帶開關按鍵；使用時需要來回撥動，按壓，容易損壞。
技術實現要素：
本實用新型要解決的技術問題是針對現有技術的缺陷，提供一種低功耗、多通道、使用方便的基於耳機接口的傳感器信息採集系統。
為了達到以上目的，本實用新型的具體技術方案如下：
本實用新型易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統，其特徵在於：包括pad以及與pad配合使用的採集器和傳感器，所述pad、採集器和傳感器依次相連，所述採集器一側設有耳機接口 和miniUSB接口，所述採集器另一側設有用於連接傳感器的耳機接口。
進一步地，所述採集器的一側設有一個用於連接pad的耳機接口，一個用於給電池充電、升級採集器固件及與PC通信的miniUSB接口；所述採集器的另一側設有用於連接傳感器的三個耳機接口。
進一步地，所述採集器包括依次相連的耳機接口、通信電路和MCU，還包括依次相連的miniUSB接口、充電及電源電路和鋰電池，所述鋰電池與MCU連接；所述鋰電池和MCU均和傳感器相連。
進一步地，所述耳機接口、通信電路、MCU和傳感器之間信息正向反向傳送。
進一步地，所述採集器電路板上集成MCU、電源電路、通信電路、充電電路及傳感器接口電路；所述整個採集器由內部電池經由一個LDO降壓後提供電源，USB口的電只用於給電池充電，通過鋰電池充電電路；系統由一個低功耗MCU控制，通過耳機接口與PAD通信，由上述電源開關電路控制電源的通斷；傳感器接口電路可以通過CH1_DETECT腳檢測是否有傳感器接入，如有接入，使Q3導通給傳感器供電，此時電由採集器電池提供，拔出傳感器自動斷電，如果連接時長時間不採集器信息，也可以斷電降低功耗；採集器通過上述接口，可以把pad的指令轉發給每個傳感器，或者把傳感器上傳的採集信息，整理後發送給pad。
進一步地，所述採集器電路板上有自動控制電源通斷的電路，連接上耳機口自動通電，斷開自動斷電。
進一步地，所述傳感器包括絕對壓強傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、溶氧傳感器、相對溼度傳感器、光強傳感器和位移傳感器。
進一步地，所述傳感器包括傳感電路板，所述傳感器電路板設有獨立的MCU，內部無電池，功耗低，屬於無源工作設備；所述電路板的取電電路可以使用交流直流兩種輸入方式；在交流供電時，該電路可同時用於通信。
進一步地，所述絕對壓強傳感器包括通信及供電電路、MCU和壓強探頭，所述通信及供電電路和壓強探頭相連，所述壓強探頭與MCU相連，所述通信及供電電路與MCU相連。
本實用新型一種易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統，包括一個由採集器和十餘種傳感器組成的信息採集系統。所述採集器用於把多個傳感器的信號發送給Pad，同時能夠給傳感器供電；外形小巧、美觀、簡潔，沒有按鍵，正面有一個充電指示燈；一側有一個耳機接口及一個miniUSB接口，另一側有三個並列的耳機接口。所述傳感器用於採集各種外部信號，再把採集到的信號送給採集器或直接送給Pad；所述傳感器外型簡潔，無指示燈和開關，外接一根1m長的4芯耳機線。
所述採集器無開關，連接上耳機接口就可使用，斷開耳機接口自動斷電；採集器內部有一個低功耗控制電路，包括一個低功耗MCU，一個4芯耳機接口及與之配合的MOS關開關電路、一個鋰電池充電電路及3個與傳感器連接的耳機接口及與之配套的控制電路。工作時最大功耗7mA左右，無連接時幾乎不耗電。具體實現低功耗方式如下，上述電路採用一個低功耗的MCU進行控制，同時MCU對外設電路及與之連接的傳感器的功耗進行嚴格的控制，暫時不使用的模塊會及時切斷其電源或者讓其工作在低功耗模式；另外利用與pad連接的4芯耳機插座及內部開關電路，可以實現在不外加專用開關的情況下硬體控制電路電源，保證在不連接pad時電路基本不耗電。
本實用新型所述採集器內部有電路板，包含多個通道及充電電路。所屬採集器內部有一個可拆卸的鋰電池。所述電路板上有自動控制電源通斷的電路，連接上耳機口自動通電，斷開自動斷電。所述電路板功耗低，工作時間及待機時間長。所述傳感電路板有獨立的MCU，內部無電池，功耗低，屬於無源工作設備。所述電路板的取電電路可以使用交流直流兩種輸入方式。在交流供電時，該電路可同時用於通信。
本實用新型所述採集器無開關，連接上耳機接口就可使用，斷開耳機接口自動斷電；採集器內部有一個低功耗控制板，工作時最大功耗7mA左右，無連接時幾乎不耗電。所述採集器內置一個可充電鋰電池(可拆卸)，全負荷時可持續工作30小時左右，不工作時，待機時間長達1年；採集器正面有一個紅綠雙色LED充電指示燈，充電時為紅色，滿電為綠色；所述電池充電時間短，低電量狀態到滿電只需1小時；採集器一側有3個耳機口，用於連接傳感器，採集速度快，連接一個傳感器時最快5ms傳輸一個數據，3個同時連接不到20ms可以傳輸完3個數據；採集器另一側有一個耳機接口用於連接Pad，一個miniUSB接口可以給電池充電、升級採集器固件及與PC通信。
本實用新型所述傳感器均為低功耗設計，無需電池，即插即用，耳機口可對應兩種連接方式：Pad及採集器。前述傳感器信息採集系統，方便連接，採集器及傳感器直接插入耳機口即可使用。前述傳感器信息採集系統，外殼精心設計，小巧便攜，使用方便，使得實驗不再空洞乏味，而富有趣味性。前述傳感器信息採集系統，便於組網，傳感器連接上採集器自動組網，多傳感器同時高速採集器數據。前述傳感器信息採集系統，其採集器電池耐用，無電時充電快速，幾乎不用更換。即使在特殊情況下需要更換，其外殼設有電池倉，打開後蓋即可更換，電池用插口設計，更換時無需焊接。前述傳感器信息採集 系統，其傳感器均為無源設計，功耗極低(最大20mW)，耳機口即可驅動，內部沒有電池。前述傳感器信息採集系統，其傳感器均配有一根1m長的4芯耳機線，線材柔軟耐用，方便長距離測量，接口兼容目前大部分Pad。
本實用新型的有益效果是：
本實用新型提供一種易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統。採集器功耗低，電池耐用且可充電；傳感器不用電池，省去換電池的麻煩；使用方便，即插即用，無需配對連接；外型簡潔，小巧，沒有按鍵開關，連接自動通電，斷開連接自動斷電；指示簡單，採集器上只有一個充電指示燈；連接、斷開及低電量等狀態Pad自動提示。本實用新型設計合理、功耗低、使用方便，且生產成本低，能夠滿足需要開展此項應用的市場需求。
本實用新型採集器及傳感器殼體內部均設置有電路板，採集器電路板上集成MCU、電源電路、通信電路，充電電路及傳感器接口電路；傳感器電路板上集成有MCU，供電、通信電路及傳感器信號處理電路。所述傳感器供電電路既可用於耳機的交流信號也可用於採集器的直流信號，所述傳感器的通信電路，既可用於Pad模擬通信，也可用於採集器的串行通信。使用時可以把傳感器直接連接到Pad，也可以先將採集器通過上述A側的耳機口連接到Pad，再把傳感器連接到上述B側的耳機口上，打開Pad中的APP即可採集分析數據。
附圖說明
下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
圖1為本實用新型的採集器殼體示意圖。
圖2為本實用新型的傳感器殼體示意圖。
圖3為本實用新型的採集器電路框圖。
圖4為本實用新型的傳感器電路框圖。
圖5為採集器耳機接口的電路圖。
圖6為採集器的單片機接收電路圖。
圖7為採集器的單片機發送數據電路圖。
圖8為採集器低功耗MCU的電路圖。
圖9為採集器USB接口的電路圖。
圖10為採集器鋰電池的充電電路。
圖11為採集器的電源開關電路。
圖12為採集器的工作電壓轉換電路圖。
圖13為採集器的傳感器接口電路圖。
圖14為傳感器的公共原理圖。
圖15為傳感器音頻取電轉3.3V電路圖。
圖16為傳感器電源電路圖。
圖17為傳感器音頻取電電路圖。
圖18為單片機接收和發送數據電路圖。
圖19為電壓傳感器電路圖。
圖20為溶氧傳感器電路圖。
具體實施方式
如圖1-20所示，本發明易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統，包括pad以及與pad配合使用的採集器和傳感器，所述pad、採集器和傳感器依次相連，所述採集器一側設有耳機接口和miniUSB接口，所述採集器另一側設有用於連接傳感器的耳機接口。所述採集器的一側設有一個用於連接pad的耳機接口，一個用於給電池充電、升級採集器固件及與PC通信的miniUSB接口；所述採集器的另一側設有用於連接傳感器的三個耳機接口。所述採集器包括 依次相連的耳機接口、通信電路和MCU，還包括依次相連的miniUSB接口、充電及電源電路和鋰電池，所述鋰電池與MCU連接；所述鋰電池和MCU均和傳感器相連。所述耳機接口、通信電路、MCU和傳感器之間信息正向反向傳送。所述採集器電路板上集成MCU、電源電路、通信電路、充電電路及傳感器接口電路；所述整個採集器由內部電池經由一個LDO降壓後提供電源，USB口的電只用於給電池充電，通過鋰電池充電電路；系統由一個低功耗MCU控制，通過耳機接口與PAD通信，由上述電源開關電路控制電源的通斷；傳感器接口電路可以通過CH1_DETECT腳檢測是否有傳感器接入，如有接入，使Q3導通給傳感器供電，此時電由採集器電池提供，拔出傳感器自動斷電，如果連接時長時間不採集器信息，也可以斷電降低功耗；採集器通過上述接口，可以把pad的指令轉發給每個傳感器，或者把傳感器上傳的採集信息，整理後發送給pad。所述電路板上有自動控制電源通斷的電路，連接上耳機口自動通電，斷開自動斷電。所述傳感器包括絕對壓強傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、溶氧傳感器、相對溼度傳感器、光強傳感器和位移傳感器。所述傳感器包括傳感電路板，所述傳感器電路板設有獨立的MCU，內部無電池，功耗低，屬於無源工作設備；所述電路板的取電電路可以使用交流直流兩種輸入方式；在交流供電時，該電路可同時用於通信。所述絕對壓強傳感器包括通信及供電電路、MCU和壓強探頭，所述通信及供電電路和壓強探頭相連，所述壓強探頭與MCU相連，所述通信及供電電路與MCU相連。
本實用新型一種易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統，包括一個由採集器和十餘種傳感器組成的信息採集系統。所述採集器用於把多個傳感器的信號發送給Pad，同時能夠給傳感器供電；外形小巧、美觀、簡潔，沒有按鍵，正面有一個充電指示燈；一側有一個耳機接口及一個miniUSB接口，另一側有三個並列的耳機 接口。所述傳感器用於採集各種外部信號，再把採集到的信號送給採集器或直接送給Pad；所述傳感器外型簡潔，無指示燈和開關，外接一根1m長的4芯耳機線。
所述採集器無開關，連接上耳機接口就可使用，斷開耳機接口自動斷電；採集器內部有一個低功耗控制電路，包括一個低功耗MCU，一個4芯耳機接口及與之配合的MOS關開關電路、一個鋰電池充電電路及3個與傳感器連接的耳機接口及與之配套的控制電路。工作時最大功耗7mA左右，無連接時幾乎不耗電。具體實現低功耗方式如下，上述電路採用一個低功耗的MCU進行控制，同時MCU對外設電路及與之連接的傳感器的功耗進行嚴格的控制，暫時不使用的模塊會及時切斷其電源或者讓其工作在低功耗模式；另外利用與pad連接的4芯耳機插座及內部開關電路，可以實現在不外加專用開關的情況下硬體控制電路電源，保證在不連接pad時電路基本不耗電。
本實用新型所述採集器內部有電路板，包含多個通道及充電電路。所屬採集器內部有一個可拆卸的鋰電池。所述電路板上有自動控制電源通斷的電路，連接上耳機口自動通電，斷開自動斷電。所述電路板功耗低，工作時間及待機時間長。所述傳感電路板有獨立的MCU，內部無電池，功耗低，屬於無源工作設備。所述電路板的取電電路可以使用交流直流兩種輸入方式。在交流供電時，該電路可同時用於通信。
本實用新型所述採集器無開關，連接上耳機接口就可使用，斷開耳機接口自動斷電；採集器內部有一個低功耗控制板，工作時最大功耗7mA左右，無連接時幾乎不耗電。所述採集器內置一個可充電鋰電池(可拆卸)，全負荷時可持續工作30小時左右，不工作時，待機時間長達1年；採集器正面有一個紅綠雙色LED充電指示燈，充電時為紅色，滿電為綠色；所述電池充電時間短，低電量狀態到滿電只需1 小時；採集器一側有3個耳機口，用於連接傳感器，採集速度快，連接一個傳感器時最快5ms傳輸一個數據，3個同時連接不到20ms可以傳輸完3個數據；採集器另一側有一個耳機接口用於連接Pad，一個miniUSB接口可以給電池充電、升級採集器固件及與PC通信。
本實用新型所述傳感器均為低功耗設計，無需電池，即插即用，耳機口可對應兩種連接方式：Pad及採集器。前述傳感器信息採集系統，方便連接，採集器及傳感器直接插入耳機口即可使用。前述傳感器信息採集系統，外殼精心設計，小巧便攜，使用方便，使得實驗不再空洞乏味，而富有趣味性。前述傳感器信息採集系統，便於組網，傳感器連接上採集器自動組網，多傳感器同時高速採集器數據。前述傳感器信息採集系統，其採集器電池耐用，無電時充電快速，幾乎不用更換。即使在特殊情況下需要更換，其外殼設有電池倉，打開後蓋即可更換，電池用插口設計，更換時無需焊接。前述傳感器信息採集系統，其傳感器均為無源設計，功耗極低(最大20mW)，耳機口即可驅動，內部沒有電池。前述傳感器信息採集系統，其傳感器均配有一根1m長的4芯耳機線，線材柔軟耐用，方便長距離測量，接口兼容目前大部分Pad。
本實用新型提供一種易用的基於耳機口的多通道低功耗傳感器信息採集系統。採集器功耗低，電池耐用且可充電；傳感器不用電池，省去換電池的麻煩；使用方便，即插即用，無需配對連接；外型簡潔，小巧，沒有按鍵開關，連接自動通電，斷開連接自動斷電；指示簡單，採集器上只有一個充電指示燈；連接、斷開及低電量等狀態Pad自動提示。本實用新型設計合理、功耗低、使用方便，且生產成本低，能夠滿足需要開展此項應用的市場需求。
本實用新型採集器及傳感器殼體內部均設置有電路板，採集器電路板上集成MCU、電源電路、通信電路，充電電路及傳感器接口電路； 傳感器電路板上集成有MCU，供電、通信電路及傳感器信號處理電路。所述傳感器供電電路既可用於耳機的交流信號也可用於採集器的直流信號，所述傳感器的通信電路，既可用於Pad模擬通信，也可用於採集器的串行通信。使用時可以把傳感器直接連接到Pad，也可以先將採集器通過上述A側的耳機口連接到Pad，再把傳感器連接到上述B側的耳機口上，打開Pad中的APP即可採集分析數據。
本實施例的結構如圖1、圖2所示，電路原理框圖如圖3、圖4所示。下面結合示意圖對本實用新型進行進一步說明，本實用新型即基於耳機接口的傳感器信息採集系統，包括一個採集器(圖1)，採集器正面有個一充電指示燈，一側(A測)有一個耳機接口和一個miniUSB接口，另外一側(B側)有3個耳機接口，外型小巧簡潔。傳感器種類多(圖2)，其外型根據測量及使用需求分為幾類，另外都帶有一根1m長的連接線。
採集器及傳感器殼體內部均設置有電路板，採集器電路板(圖3)上集成MCU、電源電路、通信電路，充電電路及傳感器接口電路；傳感器電路板(圖4)上集成有MCU，供電、通信電路及傳感器信號處理電路。所述傳感器供電電路既可用於耳機的交流信號也可用於採集器的直流信號，所述傳感器的通信電路，既可用於Pad模擬通信，也可用於採集器的串行通信。
使用時可以把傳感器直接連接到Pad，也可以先將採集器通過上述A側的耳機口連接到Pad，再把傳感器連接到上述B側的耳機口上，打開Pad中的APP即可採集分析數據。
圖6是耳機發送單片機接收，圖中C14、C16和L1共同組成LC諧振電路，D1作為半波整流的一部分與另一路的電容共同作用提供電源，C15及R8是根據通信信號的特點設計的濾波電路，濾除幹擾得到單片機可以識別的信號。
圖7的是單片機發送信號給耳機麥克風的通信電路，R7和R9電阻是根據耳機麥克風接口的特點設計的接口信號轉換電路，可以讓麥克風正確接收到單片機發送的信號。
本方案採用了目前世界上功耗最低的MCU，同時其正常工作時就工作在睡眠(sleep)模式，在停止採集時，進入停止(stop)模式進一步降低功耗，在斷開連接時徹底切斷電源，MCU完全不耗電。
圖14-圖18為本系統傳感器的公共電路，這部分完成了傳感器的供電及通信任務。
圖14是傳感器的主控晶片，也是一個極低功耗的MCU；
圖15是一個LDO，把由圖17輸出的直流信號穩定在3.3V，該電壓給MCU及傳感器電路供電。
圖16中的U4及R1為傳感器電路提供了一個可選的基準電壓，U3及另外3個電容共同提供了一個負電源，該電源為圖18中的U5及某些傳感器供電。
圖17中的RIGHT聲道對應的LC諧振電路及半波整流電路為電路提供電源，LEFT聲道對應的LC諧振電路，二極體(D3,D5)及電阻電容(C22，R8)組成了一個供電通信復用的電路。
圖18中的U5是一個雙路電子開關，用於切換通信方式-串口(與採集器連接，電子開關打開)和曼徹斯特(與耳機口連接，電子開關關閉)通信；圖中右邊的R3,R5，D2，D4共同組成了一個通信(與耳機口連接)及供電(與採集器連接)復用的電路。該電路可以連接耳機口或者採集器都是通過圖18中電路實現。(紅字部分是突出的實用新型點)
圖19為電壓傳感器電路。該電路由耐高壓差分運放U6及軌對軌運放U7組成，U6為測量前端，可以承受正負30V的電壓，保證後續電路安全，U7把U6採集到的電壓信號調整到合適範圍，送入MCU模 數轉換電路進行測量。該電路的1.235V基準電壓由公共電路圖14中的U4提供。
圖20為溶氧傳感器電路。該電路由高輸入阻抗運放U7,電壓基準晶片U8及普通單運放U9組成(U4為公共部分的負電壓轉換電路)。U8及R24提供一個2.5V的基準電壓，該電壓給溶氧電極內的NTC電阻供電，該電阻與R27分壓，電壓送入MCU通過查表得到液體溫度。另外，上述2.5V基準通過R25，R26分壓後經過U9跟隨器緩衝給溶氧電極提供一個0.7V的極化電壓，電極另一端輸出的納安電流通過U7接收後，轉化為電壓信號送入MCU，計算出溶氧值。
除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方法。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護範圍。