一种微能量采集电路和微能量采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电学领域，特别是传感器领域的一种微能量采集。
【背景技术】
[0002]目前的传感器主要分为两大类，一类为外部有源供电和有线传输数据；另一类为外部有源供电和无线传输数据。这两类传感器都需要外部供电，而第一类传感器还需要有线发送数据。目前的传感网络大都采用第一类有线传输数据，并需要提供外部电源。因此需要耗费大量的布线成本，以及人工维护成本。目前网上也有提到过无源电路设计方案，但其没有触发延时电路和开关电路，增加了出错的风险;其次，其数据传输时间间隔较大，所需要的温差在10摄氏度左右，而且工作电路对控制器的启动干扰较大，工作不稳定。
【发明内容】
[0003]本发明提出一种微能量采集电路，以解决传感器节点的自供电问题。
[0004]本发明的技术方案是这样实现的:
[0005]—种微能量采集电路，其包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器;所述升压电路的输出端还与所述开关电路电路连通，所述开关电路根据所述升压电路预设的电压阈值控制所述能量储存电路与所述控制芯片的断开与闭合。
[0006]本发明引入一块TEG(Thermoelectric Generator)，其作用是能从环境温差中采集能量，并转化为电压。并且在TEG的输出端接入一块升压电路，使得原来TEG产生的微小电压被放大到可以让后端电路正常工作。升压电路后端接入一个能量储存电路，其作用是储存电量。同时，升压电路也会连接到一个开关电路，只有当能量储存电路两端的电压上升到达设定的阈值电压时，开关电路打开，能量储存电路开始给后端电路供电。当能量储存电路两端的电压没有到达阈值电压时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。
[0007]优选地，所述升压电路包括能源收集电源管理芯片BQ25504或BQ25505系列。
[0008]优选地，所述能量储存电路为超级电容;更优选地，所述超级电容的容量为0.5F-1OF;在本发明的最佳实施例中，所述超级电容的容量为3.3F，额定电压为2.7V。
[0009]优选地，其进一步包括触发电路，所述触发电路的输入端与所述开关电路的输出端连通，所述触发电路的输出端与所述控制芯片的使能触发端连接。
[0010]优选地，所述触发电路的输出端串联一延时电阻、并联一延时电容后，与所述控制芯片的使能触发端连接。
[0011]优选地，其进一步包括与所述控制芯片连接的信号无线收发模块。
[0012]本发明还提出一种微能量采集方法，其包括一开关电路，具体步骤包括:
[0013]步骤一:微能量采集模块采集到超过阈值VO的电压，并通过输出端将该电压信号输送至升压电路；
[0014]步骤二:所述升压电路的输出端对一超级电容充电，所述超级电容的输出端连接所述开关电路；
[0015]步骤三:所述超级电容的电压上升至所述升压电路的预设电压阈值Vl后，所述升压电路的使能端发送高电平至所述开关电路的使能端，使开关电路闭合，所述超级电容的输出端开始对后端电路供电；所述超级电容的电压低于所述升压电路的预设电压阈值V2时，所述开关电路断开，所述超级电容处于充电状态。
[0016]优选地，该方法进一步包括一延时触发电路，所述步骤三中的超级电容的输出端开始对后端电路供电时，通过一延时触发电路与控制芯片的使能端连接。
[0017]本发明的微能量采集电路和微能量采集方法为一种无源无线信号采集电路及其方法，配合其微能量采集方法，适用于温度、湿度、应力等传感器信号的采集;无需外部供电，该电路就可以从大于4摄氏度的环境温差中采集能量，并持续地自供电驱动模块工作，将采集到的温度，湿度，应力等数据无线发送出来。即使有时环境温差不稳定，小于4摄氏度，整个系统模块可以消耗原先超级电容所存储的电能，继续维持整个系统工作。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本发明优选实施例的电路模块图；
[0020]图2为本发明优选实施例的升压电路结构示意图；
[0021 ]图3为本发明优选实施例的开关电路和触发电路结构不意图；
[0022]图4为本发明优选实施例的电平转换电路结构示意图；
[0023]图5为本发明优选实施例的控制芯片及外围电路结构不意图；
[0024]图6为本发明优选实施例的外部收发模块接口示意图；
[0025]图7为本发明优选实施例的外部接口结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]本发明的微能量采集电路，其包括依次通过电信号连接的微能量采集模块、升压电路、能量储存电路、开关电路、电平转换电路、控制芯片和传感器;所述升压电路的输出端还与所述开关电路连通，所述开关电路根据所述升压电路预设的电压阈值V控制所述能量储存电路与所述控制芯片的断开与闭合。
[0028]超级电容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。故本发明优选采用超级电容作为能量储存装置，但并不排除现有及未来的其它可逆的能量储存装置。
[0029]本发明中的TEG(Thermoelectric Generator)作用是能从环境温差中采集能量，并转化为电压。并且在TEG的输出端接入一块升压电路，使得原来TEG产生的微小电压被放大到可以让后端电路正常工作。升压电路后端接入一个能量储存电路，其作用是储存电量。同时，升压电路也会连接到一个开关电路，只有当能量储存电路两端的电压上升到达设定的阈值电压时，开关电路打开，能量储存电路开始给后端电路供电。当能量储存电路两端的电压没有到达阈值电压V时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。
[0030]为了提高系统的便利性，本发明采集的传感器信号经过处理后，可通过无线信号上传至网络或上位机，故本发明的微能量采集电路可包括与所述控制芯片连接的信号无线收发模块。
[0031]下面将结合图1-图7的优选实施例对整个电路进行详细阐述。
[0032]当图1中的超级电容开始供电时，后端的MCU(即控制芯片)及其电路，收发模块(SP无线收发模块)，传感器采集电路均通过其得到供电。传感器所测得的数据通过AD转换接口传输到MCU;通过处理后，再由无线收发模块发送出来。当超级电容两端的电压没有到达阈值电压时，开关电路关闭，整个系统一直处于充电蓄能状态。
[0033]这种电路结构使得只要环境温差大于4摄氏度，传感器节点就可以持续地自供电，并且将所测得的数据无线发送出来。即使有时环境温差不稳定，小于4摄氏度，整个系统模块可以消耗原先超级电容所存储的电能，继续维持整个系统工作。
[0034]在本优选实施例中，所述升压电路包括能源收集电源管理芯片BQ25504或BQ25505，由于有较多芯片可实现数据采集及AD转换功能，本专利在此不一一列举;但，本领域的技术人员很容易将该芯片替换为相关系列的其它芯片，以及与该系列芯片功能类似的其它控制芯片，以实现能源的管理功能，均在本发明的保护范围之内。
[0035]本发明中的超级电容优选为1F以下，0.5F以上。选用0.5F作为下限是因为超级电容的容量过小将会降低系统工作时的稳定性，选用1F作为上限是结合缩短充电时间、提高充电效率的角度考虑，可尽可能快的启动整个系统。优选实施例中的超级电容选择为3.3F，额定电压为2.7V，因为这个参数的电容在整个系统处于刚启动时，不至于被MCU所消耗的大电流拉低电容两端的电压，同时，在不会因为电容的容量过大而拉长整个系统的启动时间。
[0036]本发明的优选实施例中还包括触发电路，所述触发电路的输入端与所述开关电路的输出端连通，所述触发电路的输出端与所述控制芯片的使能触发端连接。同时，所述触发电路的输出端串联一延时电阻、并联一延时电容后，与所述控制芯片的使能触发端连接。结合图2-图4，其工作过程与原理如下:
[0037]TEG的输出端接入升压电路的输入端，只要输入电压大于0.3V，升压电路即可开始工作，其主要功能是给超级电容充电，并且对超级电容进行电源管理。升压电路的后端的电压输出端连接到一个超级电容，升压电路的电压判断使能端和一个开关电路相连；同时，